WO2010139576A1 - Laserzündkerze für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2010139576A1
WO2010139576A1 PCT/EP2010/057198 EP2010057198W WO2010139576A1 WO 2010139576 A1 WO2010139576 A1 WO 2010139576A1 EP 2010057198 W EP2010057198 W EP 2010057198W WO 2010139576 A1 WO2010139576 A1 WO 2010139576A1
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WO
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spark plug
laser
volume bragg
bragg grating
laser spark
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/057198
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jochen Schwarz
Rene Hartke
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Priority to US13/376,126 priority patent/US8746196B2/en
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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
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug for an internal combustion engine.
  • Laser spark plugs are comparable to conventional spark plugs used in high-voltage ignition in the area of a cylinder head
  • a laser-based ignition system for an internal combustion engine in which a converging lens is arranged in a laser spark plug.
  • the known laser spark plug on deformation means which are adapted to deform the converging lens. In this way, a firing location of the known laser ignition system can be varied.
  • the volume Bragg grating element also referred to as volume Bragg Grating, or VBG for short, consists of a spatially arranged optical grating whose transmission or reflection behavior for impinging electromagnetic radiation can be set by specifying inter alia a lattice constant in a manner known per se.
  • the optical grating is formed by a periodic variation of the refractive index of a carrier medium containing the VBG.
  • the volume Bragg grating element as
  • the volume Bragg grating element can preferably have at least two different volume Bragg gratings, which can be arranged in a manner known per se in the same volume range of a suitable carrier medium and have different properties or orientations.
  • volume Bragg grating element according to the invention can advantageously also be integrated directly into a focusing optics and / or a combustion chamber window of the laser spark plug. In these cases, one or more volume Bragg gratings are written directly into the respective components, which also results in a very compact construction.
  • the volume Bragg grating element has a diffraction efficiency which is less than about 95%.
  • the passage of laser radiation through the volume Bragg grating element according to the invention again results in a plurality of partial beams which have mutually divergent beam axes, so that a downstream one
  • Focusing optics in turn, a focus of the multiple partial beams to different ignition points is possible.
  • the volume Bragg grating element has a diffraction efficiency of about 50%, so that in addition to a first laser partial beam, a second, also referred to as off-axis beam, laser partial beam is generated when the volume Bragg grating element is properly aligned the optical axis of a laser device arranged in the laser spark plug.
  • the diffraction efficiency is u.a. in a conventional manner. by an angle of incidence of the incident laser radiation and their
  • Wavelength influenced the properties of the volume Bragg grating element and its orientation in the laser spark plug must be selected accordingly.
  • the volume Bragg grating element is arranged to be movable relative to the optical axis of the laser spark plug, resulting in further degrees of freedom in the spatial multiple ignition. For example, by controlling a tilt angle between a surface normal of the volume Bragg grating element and the optical
  • Axis of the laser spark plug the propagation direction of the volumetric Bragg grating element exiting laser radiation can be influenced, thereby advantageously a temporally successive multiple ignition at different ignition points is possible.
  • Grid element are arranged in a further advantageous variant of the invention directly in the laser spark plug.
  • a comparatively low drive energy is required for the movement according to the invention of the volume Bragg grating element.
  • the volume Bragg grating element is arranged such that it directly faces an end face, provided for coupling out the laser radiation generated, of a laser device arranged in the laser spark plug.
  • precise angular alignment of the volume Bragg grating element to the coupling surface of the laser device or to the optical axis of the laser device according to the invention advantageously achieved in that a spacer between the volume Bragg grating element and the laser device is provided.
  • the spacer according to the invention preferably has a parallelism of its surfaces of less than about 2 microns and preferably has a substantially annular geometry, so that laser radiation from the laser device can pass through the volume Bragg grating element according to the invention.
  • the volume Bragg grating element according to the invention is spring-loaded so that it is pressed in its rest position by the spring forces on the spacer, whereby the volume Bragg grating element occupies the required precise parallel position to the outcoupling surface of the laser device.
  • a drive for the volume Bragg grating element provided according to the invention in the laser spark plug can be designed such that it displaces the volume Bragg grating element axially in its radial outer region against the spring forces, so that a tilting of the volume Bragg grating
  • the volume Bragg grating element has a location-dependent grating constant, thus being designed as a chirped volume Bragg grating element.
  • the use of a chirped VBG which advantageously has an increased spectral acceptance with respect to VBGs with a location-independent, constant lattice constant, can take account of the comparatively large temperature fluctuations occurring in the area of the spark plug, which are usually negatively affected by the wavelength stability of the laser spark plug
  • the laser spark plug according to the invention preferably has a laser-active solid with a, preferably passive, Q-switching.
  • the VBG according to the invention can be easily integrated into the laser-active solid and is especially suitable for operation with high-energy laser pulses, which greatly reduce the service life of conventional, dielectric reflection layers due to the high power densities.
  • Figure 1 shows an internal combustion engine with an inventive
  • FIG. 2 schematically shows a first embodiment of the laser spark plug according to the invention from FIG. 1 in detail, 3a, 3b, 3c embodiments of the laser spark plug according to the invention with a volume Bragg grating having a volume Bragg grating element,
  • Figure 5 shows another embodiment of an inventive
  • FIG. 6 shows yet another embodiment of a device according to the invention
  • An internal combustion engine carries in Figure 1 overall the reference numeral 10. It is used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.
  • injected fuel 22 is ignited by means of a laser beam 24, preferably in the form of a laser pulse 24 of a a
  • Laser spark plug 100 having laser device 26 is radiated to the ignition point ZP in the combustion chamber 14.
  • the laser device 26 is fed via a light guide device 28 with pumping light, which is provided by a pumping light source 30.
  • the pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
  • the laser device 26 also has a passive Q-switching 46 so that the components 44, 46 together with a coupling-in mirror 42 and an output mirror 48 form a laser oscillator.
  • the basic mode of operation of the laser device 26 is as follows: Pumplicht 60, which is supplied to the laser device 26 via the optical fiber device 28, passes through the transparent for a wavelength of the pumping light 60 Einkoppelapt 42 in the laser-active solid 44 a. There, the pumping light 60 is absorbed, resulting in a population inversion.
  • the initially high transmission losses of the passive Q-switching circuit 46 prevent a laser oscillation in the laser device 26.
  • the passive Q-switching 46 or a saturable absorber of the passive Q-switch 46 bleaches, so that a laser oscillation occurs in the resonator.
  • At least one volume Bragg grating element is arranged in the beam path of the laser spark plug 100.
  • the outcoupling mirror 48 is formed by such a volume Bragg grating element, so that advantageous at this point to a conventional dielectric
  • Reflection coating can be dispensed with.
  • volume Bragg grating element 48 forming the output mirror can advantageously be integrated directly into the laser device 26, for example by writing a corresponding grating pattern into the laser-active solid
  • volume Bragg grating element 48 can also be designed as a separate component, which is arranged externally to the components 44, 46 or can be connected to the laser device 26, for example by wringing or adhesion-free bonding.
  • the volume Bragg grating element 48 in addition to its function as a coupling-out mirror, is designed such that it acts as a beam splitter.
  • the laser pulses 24 generated by the laser device 26 are advantageously divided into a plurality of partial beams. These partial beams can by a the
  • Volumetric Bragg grating element 110 downstream not shown in Figure 2 focusing optics advantageous to several different ignition points in the combustion chamber 14 (Figure 1) of the internal combustion engine 10 are bundled.
  • FIG. 3 a shows a further embodiment of the invention
  • Laser spark plug 100 in which a arranged outside the laser device 26 volume Bragg grating element 1 10 is provided.
  • the volume Bragg grating element 110 according to FIG. 3a has at least two different volume Bragg gratings, so that the laser radiation 24 generated by the laser device 26 is divided into two sub-beams 24a, 24b as already described.
  • the integration of the at least two different volume Bragg gratings into the volume Bragg grating element 110 according to the invention is symbolized in FIG. 3a by the lines of lines extending in two different spatial directions.
  • the laser radiation 24a, 24b emerging from the volume Bragg grating element 110 is first widened by a biconcave diverging lens 49a, so that it then passes through a biconvex converging lens 49b arranged downstream of the diverging lens 49a to the ignition points ZP1, ZP2 in the combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10 ( Figure 1) can be focused.
  • the converging lens 49b simultaneously forms a combustion chamber window which terminates the interior of the laser spark plug 100 with respect to the combustion chamber 14 of the internal combustion engine.
  • FIG. 3b shows a further variant of the laser spark plug according to the invention
  • volume Bragg grating element 110 is monolithically integrated into the laser device 26th
  • FIG. 3 c shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the at least two different volume
  • Bragg gratings for the realization of a spatial multiple ignition are advantageously integrated directly into the combustion chamber window 49c.
  • the diverging lens 49a and the converging lens 49b are disposed in the inner space of the laser spark plug 100.
  • FIG. 4 a shows a further very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a spatial multiple ignition is advantageously realized in that the volume Bragg grating element 10 has a lower diffraction efficiency than about 95%.
  • this also produces a so-called off-axis partial beam 24b, which is focused by the focusing optics, which are not further described here, onto a second ignition point ZP2 outside the optical axis OA.
  • the distribution of the laser power to the different laser ignition points ZP1, ZP2 can advantageously be controlled.
  • FIG. 4 b shows a further very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which an off-axis laser beam I 24b is again generated by the provision of a volume Bragg grating element 110 with a low diffraction efficiency of approximately 50%.
  • the laser spark plug 100 according to FIG. 4 b has a movably arranged volume Bragg grating element 1 10 which in the present case is rotatably mounted on a housing inner wall of the laser spark plug 100 by means of a rotary joint 11 1.
  • the volume Bragg grating element 110 can be tilted under the drive by the drive device 1 12 in such an advantageous manner relative to an end face of the laser device 26 that decouples the laser radiation 24 that the off-axis
  • Laser partial beam 24b is then generated when the volume Bragg grating element 1 10 is arranged at a corresponding angle with respect to the laser device 26 or the optical axis OA of the laser spark plug.
  • laser ignition is selected only in the ignition point ZP1 or also in the ignition point ZP2.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the volume Bragg grating element 10 preferably has the highest possible diffraction efficiency, in particular a diffraction efficiency of 99% or more.
  • an off-axis ignition point ZP ' can be realized whose position in the combustion chamber 14 is dependent on the tilt angle between the volume Bragg grating element 110 and the associated end face of the laser device 26 and the optical axis OA.
  • FIG. 6 shows a further very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 in which a volume Bragg grating element 110 is movably arranged relative to the laser device 26 or its optical axis OA.
  • the volume Bragg grating element 110 is bordered by a mounting ring 115 which is spring-loaded as shown in FIG. 6 and is arranged opposite the housing of the laser spark plug 100 such that the volume Bragg grating element 110 held in the mounting ring 15 is in a flat position is located with respect to a decoupling surface 48, as long as it is not deflected by the drive unit 1 12 as shown.
  • a spacer 116 is presently provided according to the invention.
  • the spacer 116 may preferably, as well as the mounting ring 115, have an annular geometry, so that the laser radiation generated by the laser device 26 can pass through the mounting ring 15 1 on the volume Bragg grating element 110.
  • the spacer 116 ensures a precise flatness of the
  • volume Bragg grating element 110 relative to the laser device 26.
  • the corresponding end faces of the spacer 116 have for this purpose preferably a parallelism of about 2 microns or less.
  • the spacer 116 also advantageously ensures that no contact takes place between the volume Bragg grating element 110 and the laser device 26, whereby a mechanical impairment of the decoupling surface 48 'is prevented.
  • the drive means 1 12 which may be, for example, a piezoelectric actuator, the volume Bragg grating element
  • a rest position in which its longitudinal axis has a right angle to the optical axis OA of the laser device 26 can be tilted so that the spatial position of the ignition point in the combustion chamber 14 can be precisely adjusted in the manner already described above is.
  • the volume Bragg grating element 110 may have a location-dependent grating constant in order to increase the spectral acceptance of the volume Bragg grating element 110 in a manner known per se.
  • the volume Bragg grating element 110 according to the invention advantageously makes it possible to provide a cost-effective and compact laser spark plug 100, which simultaneously provides spatial and temporal multiple ignition.
  • the volume Bragg grating element 110 according to the invention is advantageously suitable for the occurring during the laser ignition high optical pulse power and up to at least about 400 ° C temperature stable.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement (48, 110) in einem Strahlengang der Laserzündkerze (100) angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine.
Laserzündkerzen werden vergleichbar zu bei der Hochspannungszündung eingesetzten konventionellen Zündkerzen im Bereich eines Zylinderkopfes einer
Brennkraftmaschine angeordnet und koppeln energiereiche Laserimpulse in einen ihnen zugeordneten Brennraum ein, um ein darin befindliches Luft- /Kraftstoffgemisch zu entzünden. Um einen zuverlässigen Betrieb einer Laserzündkerze mit darin integrierten optischen Komponenten unter den im Bereich des Zylinderkopfes herrschenden Umgebungsbedingungen (unter anderem große Temperaturschwankungen, Vibrationen) zu gewährleisten, ist ein erheblicher konstruktiver Aufwand erforderlich.
Aus der JP 2006-242038 A ist bereits ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in einer Laserzündkerze eine Sammellinse angeordnet ist. Zusätzlich weist die bekannte Laserzündkerze Deformationsmittel auf, die dazu ausgebildet sind, die Sammellinse zu deformieren. Auf diese Weise kann ein Zündort des bekannten Laserzündsystems variiert werden.
Nachteilig an dem bekannten laserbasierten Zündsystem ist der konstruktive
Aufwand, der mit der Vorsehung der Deformationsmittel zur gezielten Deformation der Sammellinse einhergeht. Es ist eine erhebliche Antriebsenergie für die Deformationsmittel erforderlich, um die verhältnismäßig massereiche Sammellinse in der gewünschten Art und Weise zur Einstellung der Fokuslage zu deformieren. Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit einem verhältnismäßig geringen konstruktiven Aufwand die Möglichkeit für eine räumliche Mehrfachzündung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Volumen-Bragg- Gitterelement in einem Strahlengang der Laserzündkerze angeordnet ist.
Das englisch auch als Volume-Bragg-Grating, kurz VBG, bezeichnete Volumen- Bragg-Gitterelement besteht aus einem räumlich angeordneten optischen Gitter, dessen Transmissions- beziehungsweise Reflexionsverhalten für auftreffende elektromagnetische Strahlung durch Vorgabe unter anderem einer Gitterkonstante in an sich bekannter Weise einstellbar ist. Das optische Gitter ist gebildet durch eine periodische Variation des Brechungsindex eines das VBG enthaltenden Trägermediums.
Um eine räumliche Mehrfachzündung zu realisieren, bei der Laserzündimpulse gleichzeitig auf mindestens zwei verschiedene Zündpunkte abgestrahlt werden können, ist bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement als
Strahlteiler ausgebildet ist. Hierzu kann das Volumen-Bragg-Gitterelement bevorzugt mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter aufweisen, die in an sich bekannter Weise in demselben Volumenbereich eines geeigneten Trägermediums angeordnet sein können und unterschiedliche Eigenschaften bzw. Ausrichtungen haben.
Im Unterschied zu den herkömmlichen Systemen mit deformierbarer Sammellinse ist bei dieser Erfindungsvariante vorteilhaft gar keine bewegliche Komponente vorgesehen, und die Integration mehrerer Volumen-Bragg-Gitter in ein entsprechendes Trägerelement erlaubt eine sehr kleinbauende Anordnung. Das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement kann einer weiteren Variante zufolge vorteilhaft auch direkt in eine Fokussieroptik und/oder ein Brennraumfenster der Laserzündkerze integriert sein. In diesen Fällen werden ein oder mehrere Volumen-Bragg-Gitter direkt in die betreffenden Komponenten eingeschrieben, was ebenfalls zu einer sehr kompakten Konstruktion führt.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement eine Beugungseffizienz aufweist, die geringer ist als etwa 95%.
Durch die erfindungsgemäß bewusst geringer als 95% gewählte Beugungseffizienz des Volumen-Bragg-Gitterelements ergeben sich bei dem Hindurchtreten von Laserstrahlung durch das erfindungsgemäße Volumen- Bragg-Gitterelement wiederum mehrere Teilstrahlen, die zueinander divergierende Strahlachsen aufweisen, so dass durch eine nachgeordnete
Fokussieroptik wiederum eine Fokussierung der mehreren Teilstrahlen auf unterschiedliche Zündpunkte möglich ist.
Besonders bevorzugt weist das Volumen-Bragg-Gitterelement eine Beugungseffizienz von etwa 50% auf, so dass neben einem ersten Laserteilstrahl ein zweiter, auch als off-axis-Strahl bezeichneter, Laserteilstrahl erzeugt wird, wenn das Volumen-Bragg-Gitterelement ordnungsgemäß ausgerichtet ist gegenüber der optischen Achse einer in der Laserzündkerze angeordneten Lasereinrichtung. Die Beugungseffizienz wird in an sich bekannter Weise u.a. durch einen Einstrahlwinkel der auftreffenden Laserstrahlung und deren
Wellenlänge beeinflusst. Zur Erzielung der vorstehend genannten Effekte der Strahlteilung sind die Eigenschaften des Volumen-Bragg-Gitterelements und seine Ausrichtung in der Laserzündkerze entsprechend zu wählen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement relativ zu der optischen Achse der Laserzündkerze bewegbar angeordnet ist, wodurch sich weitere Freiheitsgrade bei der räumlichen Mehrfachzündung ergeben. Beispielsweise kann durch Steuerung eines Verkippungswinkels zwischen einer Oberflächennormalen des Volumen-Bragg-Gitterelements und der optischen
Achse der Laserzündkerze die Ausbreitungsrichtung von aus dem Volumen- Bragg-Gitterelement austretender Laserstrahlung beeinflusst werden, wodurch vorteilhaft eine zeitlich nacheinander erfolgende Mehrfachzündung an unterschiedlichen Zündpunkten möglich ist.
Die Antriebsmittel zur Bewegung des erfindungsgemäßen Volumen-Bragg-
Gitterelements sind bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante direkt in der Laserzündkerze angeordnet. Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen, die auf einer Deformation von Sammellinsen beruhen, ist für die erfindungsgemäße Bewegung des Volumen-Bragg-Gitterelements eine vergleichsweise geringe Antriebsenergie erforderlich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist das Volumen-Bragg-Gitterelement so angeordnet, dass es einer zur Auskopplung der erzeugten Laserstrahlung vorgesehenen Stirnfläche einer in der Laserzündkerze angeordneten Lasereinrichtung direkt gegenüberliegt. Die für einen ordnungsgemäßen Betrieb des erfindungsgemäßen Volumen-Bragg-Gitterelements erforderliche präzise Winkelausrichtung des Volumen-Bragg-Gitterelements zu der Auskoppelfläche der Lasereinrichtung beziehungsweise zu der optischen Achse der Lasereinrichtung wird erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch erzielt, dass ein Abstandshalter zwischen dem Volumen-Bragg-Gitterelement und der Lasereinrichtung vorgesehen ist. Der erfindungsgemäße Abstandshalter weist vorzugsweise eine Parallelität seiner Oberflächen von weniger als etwa 2 μm auf und besitzt bevorzugt eine im wesentlichen ringförmige Geometrie, so dass Laserstrahlung von der Lasereinrichtung durch das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement hindurchtreten kann. Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Volumen- Bragg-Gitterelement federkraftbeaufschlagt so gelagert, dass es in seiner Ruhelage durch die Federkräfte auf den Abstandshalter gedrückt wird, wodurch das Volumen-Bragg-Gitterelement die geforderte präzise Parallellage zur Auskoppelfläche der Lasereinrichtung einnimmt.
Ein erfindungsgemäß in der Laserzündkerze vorgesehener Antrieb für das Volumen-Bragg-Gitterelement kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er das Volumen-Bragg-Gitterelement in seinem radialen Außenbereich axial gegen die Federkräfte verschiebt, so dass sich eine Verkippung des Volumen-Bragg-
Gitterelements gegenüber der optischen Achse der Lasereinrichtung ergibt. Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg- Gitterelement eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweist, mithin als chirped Volumen-Bragg-Gitterelement ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines chirped VBG, das vorteilhaft eine gesteigerte spektrale Akzeptanz gegenüber VBGs mit ortsunabhängiger, konstanter Gitterkonstante aufweist, kann den im Bereich der Zündkerze auftretenden verhältnismäßig großen Temperaturschwankungen Rechnung getragen werden, die sich üblicherweise negativ auf die Wellenlängenstabilität der in der Laserzündkerze enthaltenen
Lasereinrichtung auswirken.
Zur Erzeugung energiereicher Laserzündimpulse weist die erfindungsgemäße Laserzündkerze bevorzugt einen laseraktiven Festkörper mit einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung auf. Das erfindungsgemäße VBG ist auf einfache Weise in den laseraktiven Festkörper integrierbar und eignet sich speziell auch für den Betrieb mit hochenergetischen Laserimpulsen, die aufgrund der hohen Leistungsdichten die Standzeiten von herkömmlichen, dielektrischen Reflexionsschichten stark verringern.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer
Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze,
Figur 2 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze aus Figur 1 im Detail, Figur 3a, 3b, 3c Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einem mehrere Volumen-Bragg-Gitter aufweisenden Volumen- Bragg-Gitterelement,
Figur 4a, 4b Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einem Volumen-Bragg-Gitterelement verminderter Beugungseffizienz zur Erzeugung von off-axis-Laserstrahlen,
Figur 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze, und
Figur 6 noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. 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 Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form eines Laserimpulses 24 von einer eine
Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 auf den Zündpunkt ZP in dem Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Die Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der Lichtleitereinrichtung 28 und der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein laserbasiertes Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 neben einem laseraktiven Festkörper 44 erfindungsgemäß auch eine passive Güteschaltung 46 auf, so dass die Komponenten 44, 46 zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator bilden.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 ist folgende: Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 über die Lichtleitereinrichtung 28 zugeführt wird, tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60 durchsichtigen Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein. Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion führt. Die zunächst hohen Transmissionsverluste der passiven Güteschaltung 46 verhindern eine Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren des durch den laseraktiven Festkörper 44 und die passive Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten Resonators. Ab einer gewissen Strahlungsdichte bleicht die passive Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator zustande kommt.
Durch diesen Mechanismus wird ein Laserstrahl 24 in Form eines sog.
Riesenimpulses erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt und nachfolgend als Laserzündimpuls bezeichnet wird.
Anstelle der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement in dem Strahlengang der Laserzündkerze 100 angeordnet. Vorliegend ist der Auskoppelspiegel 48 durch ein derartiges Volumen-Bragg-Gitterelement gebildet, so dass an dieser Stelle vorteilhaft auf eine herkömmliche dielektrische
Reflexionsbeschichtung verzichtet werden kann.
Das den Auskoppelspiegel bildende Volumen-Bragg-Gitterelement 48 kann vorteilhaft direkt in die Lasereinrichtung 26 integriert sein, beispielsweise durch Einschreiben eines entsprechenden Gittermusters in den laseraktiven Festkröper
44 bzw. die Güteschaltung 46. Das Volumen-Bragg-Gitterelement 48 kann alternativ hierzu auch als separates Bauteil ausgeführt sein, das extern zu den Komponenten 44, 46 angeordnet ist oder mit der Lasereinrichtung 26 beispielsweise durch Ansprengen oder adhäsionsfreies Bonden verbindbar ist.
Das Volumen-Bragg-Gitterelement 48 ist vorliegend neben seiner Funktion als Auskoppelspiegel so ausgebildet, dass es als Strahlteiler wirkt. Dadurch werden die durch die Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserimpulse 24 vorteilhaft in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt. Diese Teilstrahlen können durch eine dem
Volumen-Bragg-Gitterelement 110 nachgeordnete, nicht in Figur 2 abgebildete Fokussieroptik vorteilhaft auf mehrere unterschiedliche Zündpunkte in dem Brennraum 14 (Figur 1 ) der Brennkraftmaschine 10 gebündelt werden.
Figur 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der ein außerhalb der Lasereinrichtung 26 angeordnetes Volumen-Bragg-Gitterelement 1 10 vorgesehen ist. Das Volumen- Bragg-Gitterelement 110 gemäß Figur 3a weist mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter auf, so dass die von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserstrahlung 24 wie bereits beschrieben in zwei Teilstrahlen 24a, 24b aufgeteilt wird. Die Integration der mindestens zwei unterschiedlichen Volumen- Bragg-Gitter in das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement 110 ist in Figur 3a durch die sich in zwei unterschiedliche Raumrichtungen erstreckenden Linienscharen symbolisiert.
Wie aus Figur 3a ersichtlich ist, wird die aus dem Volumen-Bragg-Gitterelement 1 10 austretende Laserstrahlung 24a, 24b zunächst durch eine bikonkave Zerstreuungslinse 49a aufgeweitet, so dass sie danach durch eine der Zerstreuungslinse 49a nachgeordnete bikonvexe Sammellinse 49b auf die Zündpunkte ZP1 , ZP2 in den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 (Figur 1 ) fokussierbar ist. Vorliegend bildet die Sammellinse 49b gleichzeitig ein den Innenraum der Laserzündkerze 100 gegenüber dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine abschließendes Brennraumfenster.
Figur 3b zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
100, bei der das mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter aufweisende Volumen-Bragg-Gitterelement 110 monolithisch integriert ist in die Lasereinrichtung 26.
Figur 3c zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der die mindestens zwei unterschiedlichen Volumen-
Bragg-Gitter zur Realisierung einer räumlichen Mehrfachzündung vorteilhaft direkt in das Brennraumfenster 49c integriert sind.
Bei dieser Erfindungsvariante ist die Zerstreuungslinse 49a und die Sammellinse 49b in dem Innenraum der Laserzündkerze 100 angeordnet.
Figur 4a zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der eine räumliche Mehrfachzündung vorteilhaft dadurch realisiert wird, dass das Volumen-Bragg- Gitterelement 1 10 eine geringere Beugungseffizienz aufweist als etwa 95%.
Dadurch entsteht neben einem zu der optischen Achse OA der Lasereinrichtung 26 koaxialen primären Teilstrahl 24a auch ein sogenannter off-axis-Teilstrahl 24b, der durch die vorliegend nicht näher bezeichnete Fokussieroptik auf einen zweiten Zündpunkt ZP2 außerhalb der optischen Achse OA fokussiert wird.
Durch die Auswahl der Beugungseffizienz des erfindungsgemäßen Volumen- Bragg-Gitterelements 1 10 kann vorteilhaft die Verteilung der Laserleistung auf die verschiedenen Laserzündpunkte ZP1 , ZP2 gesteuert werden.
Figur 4b zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der ein off-axis-Lasertei Istrah I 24b wiederum durch die Vorsehung eines Volumen-Bragg-Gitterelements 110 mit einer geringen Beugungseffizienz von etwa 50% erzeugt wird. Im Unterschied zu der in Figur 4a abgebildten Erfindungsvariante weist die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 4b ein bewegbar angeordnetes Volumen-Bragg-Gitterelement 1 10 auf, das vorliegend mittels eines Drehgelenks 11 1 drehbar an einer Gehäuseinnenwand der Laserzündkerze 100 gelagert ist. Auf diese Weise kann das Volumen-Bragg-Gitterlement 110 unter Antrieb durch die Antriebseinrichtung 1 12 vorteilhaft so gegenüber einer die Laserstrahlung 24 auskoppelnden Stirnseite der Lasereinrichtung 26 verkippt werden, dass der off-axis-
Laserteilsstrahl 24b dann erzeugt wird, wenn das Volumen-Bragg-Gitterelement 1 10 in einem entsprechenden Winkel bezüglich der Lasereinrichtung 26 bzw. der optischen Achse OA der Laserzündkerze angeordnet ist.
Das heißt, bei der in Figur 4b veranschaulichten Erfindungsvariante kann durch entsprechende Ausrichtung des Volumen-Bragg-Gitterelements 110, die durch die Antriebseinheit 1 12 steuerbar ist, zwischen einer Laserzündung nur in dem Zündpunkt ZP1 oder auch in dem Zündpunkt ZP2 gewählt werden.
Im Unterschied zu herkömmlichen deformierbaren Sammellinsen zur Realisierung einer räumlichen Mehrfachzündung erfordert die erfindungsgemäße
Konfiguration einer verhältnismäßig geringe Antriebsenergie und einen sehr geringen axialen Verstellweg der Antriebseinheit 112 parallel zu der optischen Achse OA der Laserzündkerze 100, was durch die verhältnismäßig geringe Winkelakzeptanz des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 bedingt ist.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Volumen-Bragg-Gitterelement 1 10 bevorzugt eine möglichst hohe Beugungseffizienz aufweist, insbesondere eine Beugungseffizienz von 99% oder mehr.
Auf diese Weise kann durch entsprechende Ausrichtung des Volumen-Bragg- Gitterelements 1 10 relativ zu der Lasereinrichtung 26 ein off-axis-Zündpunkt ZP' realisiert werden, dessen Lage in dem Brennraum 14 abhängig ist von dem Verkippungswinkel zwischen dem Volumen-Bragg-Gitterelement 110 und der ihm zugeordneten Stirnfläche der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise der optischen Achse OA.
Figur 6 zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Laserzündkerze 100, bei der ein Volumen-Bragg-Gitterelement 1 10 bewegbar angeordnet ist relativ zu der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise ihrer optischen Achse OA.
Das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 ist dabei vorliegend eingefasst durch einen Montagering 115, der wie aus Figur 6 ersichtlich federkraftbeaufschlagt und so gegenüber dem Gehäuse der Laserzündkerze 100 angeordnet ist, dass das in dem Montagering 1 15 gehaltene Volumen-Bragg-Gitterelement 110 in Planlage bezüglich einer Auskoppelfläche 48 befindlich ist, solange es nicht wie abgebildet durch die Antriebseinheit 1 12 ausgelenkt wird. Zwischen der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise ihrer Auskoppelfläche 48' und der entsprechenden Stirnfläche des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 ist vorliegend erfindungsgemäß ein Abstandshalter 116 vorgesehen. Der Abstandshalter 116 kann bevorzugt, ebenso wie der Montagering 115, eine ringförmige Geometrie aufweisen, so dass die von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserstrahlung durch den Montagering 1 15 hindurch auf das Volumen- Bragg-Gitterelement 110 austreten kann.
Gleichzeitig gewährleistet der Abstandshalter 116 eine präzise Planlage des
Volumen-Bragg-Gitterelements 110 gegenüber der Lasereinrichtung 26. Die entsprechenden Stirnflächen des Abstandshalters 116 weisen hierzu bevorzugt eine Parallelität von etwa 2 μm oder weniger auf.
Durch die Vorsehung des erfindungsgemäßen Abstandshalters 116 ist ferner vorteilhaft gewährleistet, dass keine Berührung zwischen dem Volumen-Bragg- Gitterelement 1 10 und der Lasereinrichtung 26 stattfindet, wodurch eine mechanische Beeinträchtigung der Auskoppelfläche 48' verhindert wird. Über die Antriebseinrichtung 1 12, bei der es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Aktor handeln kann, kann das Volumen-Bragg-Gitterelement
1 10 wie aus Figur 6 ersichtlich aus einer Ruhelage, in der seine Längsachse einen rechten Winkel zu der optischen Achse OA der Lasereinrichtung 26 aufweist, verkippt werden, so dass die räumliche Lage des Zündpunkts in dem Brennraum 14 in der bereits vorstehend beschriebenen Weise präzise einstellbar ist.
Bei weiteren bevorzugten Erfindungsvarianten kann das Volumen-Bragg- Gitterelement 1 10 eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweisen, um die spektrale Akzeptanz des Volumen-Bragg-Gitterelements 1 10 in an sich bekannter Art und Weise zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement 110 ermöglicht vorteilhaft die Bereitstellung einer kostengünstigen und kompakten Laserzündkerze 100, die gleichzeitig eine räumliche und zeitliche Mehrfachzündung bietet. Zudem ist das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement 110 vorteilhaft geeignet für die bei der Laserzündung auftretenden hohen optischen Pulsleistungen und bis mindestens etwa 400 ° C temperaturstabil.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement (48, 1 10) in einem Strahlengang der Laserzündkerze (100) angeordnet ist.
2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterlement (110) als Strahteiler ausgebildet ist, um in der Laserzündkerze (100) geführte Laserstrahlung (24) in mehrere Teilstrahlen
(24a, 24b) aufzuteilen.
3. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (110) mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter aufweist.
4. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (1 10) in eine Fokussieroptik (49b) und/oder ein Brennraumfenster (49c) integriert ist.
5. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (1 10) eine
Beugungseffizienz aufweist, die geringer ist als etwa 95 Prozent.
6. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (110) relativ zu einer optischen Achse (OA) der Laserzündkerze (100) bewegbar angeordnet ist.
7. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Antriebsmittel (1 12) zur Bewegung des Volumen-Bragg-Gitterelements (1 10).
8. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Auskoppelfläche (48') einer in der Laserzündkerze (100) angeordneten Lasereinrichtung (26) und dem Volumen-Bragg-Gitterelement (1 10) ein, vorzugsweise eine im wesentlichen ringförmige Geometrie aufweisender, Abstandshalter (1 16) angeordnet ist, dessen zur Kontaktierung der Auskoppelfläche (48') und des Volumen- Bragg-Gitterlements (110) vorgesehene Stirnflächen planparallel zueinander sind.
9. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (1 10) eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweist.
10. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (110) monolithisch integriert ist in einen laseraktiven Festkörper (44) und/oder eine weitere in dem Strahlengang angeordnete optische Komponente.
1 1. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein laseraktiver Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) in die Laserzündkerze (100) integriert ist.
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