WO2011054610A1 - Laserzündkerze - Google Patents

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WO2011054610A1
WO2011054610A1 PCT/EP2010/064749 EP2010064749W WO2011054610A1 WO 2011054610 A1 WO2011054610 A1 WO 2011054610A1 EP 2010064749 W EP2010064749 W EP 2010064749W WO 2011054610 A1 WO2011054610 A1 WO 2011054610A1
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WO
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spark plug
ignition
laser
laser spark
percent
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/064749
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Martin Weinrotter
Juergen Raimann
Andreas Letsch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to JP2012537334A priority Critical patent/JP2013510258A/ja
Priority to US13/504,860 priority patent/US20120304959A1/en
Priority to EP10770526A priority patent/EP2496827A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • 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 with an antechamber, wherein the laser spark plug is adapted to irradiate in the laser spark plug guided and / or generated laser radiation to at least two mutually different in the antechamber lying ignition points, in particular to focus.
  • a laser spark plug of the aforementioned type is described in FR 2 873 763 A1. Disclosure of the invention
  • the laser spark plug is adapted to irradiate the laser radiation in the antechamber, that a distance between at least a first ignition point and a second adjacent thereto ignition point is greater than a minimum distance of first and / or second ignition point to an inner surface of the antechamber.
  • the inventive design of the laser spark plug advantageously allows a more uniform and efficient combustion of a pre-chamber located in the air / fuel mixture, because in compliance with the
  • Abstandskriteriums invention in the individual ignition points Emerging flame cores or flame fronts developing therefrom can propagate for a maximum of unhindered until they hit the inner surface of the pre-chamber or an adjacent flame front.
  • Fluid connection to a main combustion chamber realizing overflow can escape.
  • the distance between the adjacent ignition points is at least about 120 percent, preferably at least about 160 percent, of the minimum distance of the first and / or second ignition point to the inner surface of the prechamber, whereby investigations of the According to the applicant, results in a particularly efficient combustion.
  • a distance between all adjacent ignition points is at least about 120 percent, preferably at least about 160 percent, of the minimum distance of a point of ignition to the inner surface of the pre-chamber, ie the principle according to the invention is used in the case of transmitted more than two ignition points on the totality of all ignition points. Furthermore, it is particularly advantageous in this case to have as uniform a distribution as possible
  • Ignition points in the antechamber in each case in consideration of the boundary conditions according to the invention for the distance between adjacent ignition points and their distance from the inner surface of the pre-chamber.
  • a minimum distance of an ignition point to the inner surface of the pre-chamber is about 10 percent to about 40 percent of a maximum extent of an interior of the pre-chamber, in the case of a substantially at least partially spherical or ellipsoidal
  • antechamber about 10 percent to about 40 percent of a radius of the antechamber. This configuration is particularly useful for systems with two to about eight points of ignition.
  • the distance between the first ignition point and the second ignition point is about twice as large as a minimum distance of the first and / or second Ignition point to the inner surface of the antechamber.
  • a mean distance between adjacent ignition points is greater than a mean distance of the ignition points to the inner surface of the antechamber.
  • the mean distance between adjacent ignition points to each other can be determined, for example, as an average over the respective distances to each other adjacent ignition points. The same applies to the determination of the average distance of the ignition points to the inner surface of the pre-chamber, wherein preferably only a minimum distance of the respective ignition point is considered to the inner surface.
  • the setting according to the invention of the plurality of ignition points in the antechamber of the laser spark plug can, according to a preferred embodiment, be carried out by means of an optical element which focuses the laser radiation onto the different ignition points.
  • optical element may according to a further variant of the invention
  • focusing optics For example, be formed as a multiple focal lengths focusing optics, the focusing optics having at least two substantially concentric with each other or juxtaposed focusing areas each having a different focal length.
  • a focusing optics can be realized, for example, by a lenticular optical body, the surfaces of which correspond in sections, in particular
  • Laser spark plug provides that the laser spark plug is adapted to irradiate the laser radiation in such a way in the antechamber that a Rayleigh length the irradiated laser radiation is at least about 10 percent, preferably at least about 30 percent, of a maximum extent of an interior of the prechamber.
  • Configuration results in a string of spark points called multiple ignition points along the optical axis of the laser spark plug in the antechamber, which also allows fast and efficient combustion.
  • spark chain in particular long focal length focusing optics are used, which combine the laser radiation in a corresponding manner in the antechamber.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber-facing end portion of a first embodiment of the laser spark plug according to the invention in a partial cross-section
  • FIGS. 2, 3, 4 each show different pre-chamber configurations of further embodiments of the laser spark plug according to the invention.
  • FIGS. 5, 6, 7 each show a combustion chamber-facing end section of further embodiments of the laser spark plug according to the invention, a course of operating variables of
  • Laser spark plug according to the invention applied over a beam axis of the laser spark plug, schematically a partial cross section of another embodiment of the laser spark plug according to the invention.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber-facing end section of a first
  • the prechamber 110 of the laser spark plug 100 projects into the combustion chamber 300 of a cylinder of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine may, for example, be a stationary one
  • the laser spark plug 100 has an integrated laser device 120, which may be, for example, a laser-active solid with a passive Q-switching, which generates high-energy laser ignition pulses 24 in a conventional manner with appropriate exposure to pump radiation.
  • an integrated laser device 120 may be, for example, a laser-active solid with a passive Q-switching, which generates high-energy laser ignition pulses 24 in a conventional manner with appropriate exposure to pump radiation.
  • the laser radiation 24 is radiated by the laser device 120 onto an optical element 130, which i.a. for focusing the laser radiation 24 in a manner to be described later.
  • the optical element 130 is formed so that it
  • ignition flares from the pre-chamber 1 10 out pressed into the combustion chamber 300, ignite a present in the combustion chamber 300 air / fuel mixture.
  • the laser spark plug 100 is designed to radiate the laser radiation 24 into the prechamber 110 such that a distance d12 between the first ignition point ZP1 and the second ignition point ZP2 adjacent thereto is greater than a minimum distance d2min of the second ignition point ZP2 to an inner surface 1 10a of the prechamber 1 10.
  • a corresponding minimum distance dl min of the first ignition point ZP1 to the inner surface 1 10a also smaller than the distance d12 of the ignition points ZP1, ZP2 with each other.
  • the inventive arrangement of the ignition ZP1, ZP2 in the prechamber 1 10 is advantageously ensured that an efficient and rapid combustion of the pre-chamber 1 10 located air / fuel mixture takes place, whereby a maximum pressure increase in the prechamber 1 10 is realized. Accordingly, in the laser ignition according to the invention in the pre-chamber 1 10 high-energy ignition torches that allow a safe ignition of the present in the combustion chamber 300 mixture.
  • the interior of the antechamber 1 10 is of an interior of the antechamber 1 10
  • Laser spark plug 100 separated by a combustion chamber window 140, the focusing optics 130 with respect to the primary propagation direction of the
  • Laser radiation 24 is optically downstream.
  • a laser device 120 for generating laser radiation is preferably provided directly in the laser spark plug 100
  • the inventive principle of the configuration of the ignition points ZP1, ZP2 in the prechamber 110 can also be used with laser spark plugs which are not designed for the local generation of laser ignition pulses 24. but rather, from a source located remotely, generate laser firing pulses 24 into the prechamber 10.
  • the optical element 130 has the function of a focusing lens, wherein, as shown in FIG. 1, two focusing areas of respectively different focal lengths arranged essentially concentrically with one another are provided. In a radially inner region, for example, the optical element 130 has a first one
  • the core beam 24a of the laser ignition pulse 24 is focused onto the first ignition point ZP1, while the sheath beam 24b of the
  • Laserzündimpulses 24 is focused on the different thereof, the second ignition point ZP2.
  • the laser spark plug 100 is formed so that it focuses the laser radiation 24 to ignition ZP1, ZP2, which at or about in the region of an optical axis of the laser spark plug, especially in pre-chambers 1 10 with rotationally symmetrical geometry 100 lie.
  • both ignition points ZP1, ZP2 are exposed to laser radiation substantially simultaneously. It may - depending on the design of the laser device 26 - but also a temporal
  • a particular advantage of the invention is that none of the
  • laser ignition according to the invention allows an efficient
  • Laser spark plug 100 is provided that the distance d12 between the adjacent ignition points ZP1, ZP2 at least about 120 percent,
  • the minimum distance d2min of the second ignition point ZP2 to the inner surface 110a of the prechamber 1 is 10.
  • FIG. 2 shows a further variant of the invention, which deviates from the system described with reference to FIG.
  • the at least partially approximately spherical or ellipsoidal-shaped pre-chamber 1 10 according to Figure 2 is in turn of the remaining interior, not shown in Figure 2 of the laser spark plug 100 by a
  • Combustion chamber window 140 separated.
  • the laser spark plug 100 or its focusing optics (not shown in FIG. 2) is designed so that the laser radiation 24 (FIG. 1) generated in the laser spark plug 100 is focused onto the ignition points ZP1, ZP2 apparent from FIG.
  • the minimum distance dl min of the first ignition point ZP1 to the inner surface 110a of the pre-chamber 110 is selected to be approximately 25 percent of a maximum longitudinal extent of the interior corresponds to the antechamber 1 10, which extends in Figure 2 in the vertical direction.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, in which the prechamber 110 has a substantially cylindrical shape.
  • FIG. 4 shows a further variant of the invention, in which the prechamber 110 has a substantially ellipsoidal basic shape. Unlike the described above with reference to Figures 1 to 3
  • Embodiments of the laser spark plug according to the invention the configuration shown in Figure 4 has a total of three ignition ZP1, ZP2, ZP3, of which two ignition points ZP1, ZP3 outside the optical axis of
  • Laser spark plug 100 in particular relatively close to a region
  • the overflow ducts 150a, 150b can advantageously be arranged relative to one another in such a way that the partial flows 151a, 151b flowing through them overlap with respect to their flow direction and speed in such a way that in the region of the inner wall 110a of the prechamber 110 they are particularly large Flow rates result.
  • the overflow channels 150a, 150b are arranged with their longitudinal axis, in particular tangentially to the optical axis or the longitudinal axis of the prechamber 110, and not approximately radially.
  • At least one, but preferably two, ignition points ZP1, ZP3 to be arranged in the region of high flow velocity in order to enable reliable ignition of the air / fuel mixture present in the prechamber 110.
  • the further ignition point ZP2 arranged centrally on the optical axis of the laser spark plug 100 effects a safe ignition
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention
  • Laser spark plug 100 in which a beam splitter by means of two mirrors 132a, 132b, one of which is partially reflecting, realized, to irradiate the laser ignition pulses 24 to two different ignition points ZP1, ZP2.
  • a focusing optics 133 Optically downstream of the beam splitter 132a, 132b is a focusing optics 133 which has different refractive properties in sections such that a partial beam 24_1 passing through the mirror 132a is focused on the first ignition point ZP1 and a partial beam 24_2 reflected by the mirror 132b is focused on the second ignition point ZP2.
  • the distance criterion according to the invention is again fulfilled such that the distance between the ignition points ZP1, ZP2 is significantly greater than a minimum distance between the two present Ignition points ZP1, ZP2 and a relevant portion of an inner surface 1 10a ( Figure 1) of
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a device according to the invention
  • Laser spark plug 100 in which instead of a focusing optics diffractive optics 135 is used to disassemble the laser ignition pulse 24 into a plurality of partial beams.
  • the diffractive optic 135 can advantageously be designed so that it focuses the two partial beams onto corresponding ignition points ZP1, ZP2.
  • focusing of the partial beams can also be carried out by the combustion chamber windows 140 which are optically arranged downstream of the diffractive optics 135.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a device according to the invention
  • a Rayleigh length of irradiated into the pre-chamber 1 10 laser radiation 24 is at least about 10 percent, preferably at least about 30 percent, a maximum extent L of the interior of the pre-chamber 1 10.
  • the Rayleigh length may be selected to be about 0.4 cm to about 1.2 cm.
  • the air / fuel mixture in the pre-chamber 1 10 can be ignited substantially simultaneously over the entire Rayleigh length.
  • Embodiment of the invention does not necessarily meet the primary criterion of the underlying distance criterion, also results from the further inventively relatively large selected Rayleigh length a particularly uniform and rapid combustion in the pre-chamber 1 10th
  • a further possibility according to the invention of realizing two laterally offset ignition points consists of a simply astigmatic laser beam 24 and / or an astigmatic optical element, i. H. an element with
  • FIG. 8 shows a profile of a beam diameter of the laser radiation 24 in mutually perpendicular planes x, y along a spatial coordinate z, which corresponds to the beam direction of the laser radiation 24.
  • the reference numeral SDx is the beam diameter of the reference numeral SDx
  • Laser radiation 24 in a first plane x denotes, and with the
  • Reference character SDy is the beam diameter of the laser radiation 24 in the second plane x orthogonal to the first plane x. As can be seen from FIG. 8, the locations z1, z2 of minimum beam diameter fall apart along the beam coordinate z, so that the power density S logarithmically plotted in the graph of FIG. 8 accordingly has two local maxima at the locations z1, z2.
  • the locations z1, z2 from the diagram according to FIG. 8 correspond to a first and a second ignition point ZP1, ZP2 in the pre-chamber 110.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a device according to the invention.
  • Laser spark plug 100 in which a focusing optical element 136, which is embodied for example as an aspheric, is provided.
  • a first possibility according to the invention of generating the beam diameter SDx, SDy of the laser radiation generated by the laser device 120 according to FIG. 8 consists in the provision of a cylindrical lens 138 which is arranged in the
  • Beam path of the laser spark plug 100 is introduced, in particular between the laser device 120 and the focusing optics 136th
  • Beam diameter SDx, SDy, cf. Figure 8 is to provide a combustion chamber window 140, the first optical surface is designed, for example, as a cylindrical surface. That is, the combustion chamber window 140 has the shape of a cylindrical lens.
  • an optical element 139, cf. 10a which is embodied on a first optically active side 139a as a sphere or as an asphere, and which is embodied on the opposite optical side 139b as a cylinder.
  • FIGS. 10a, 10b show corresponding sections through such an optical element 139 in the x-z and y-z planes, respectively.
  • the optical element 139 can also take over the function of the combustion chamber window 140, so that the element 139 simultaneously realizes the focusing, the generation of two or more ignition points, and the function of the combustion chamber window. Furthermore, it is possible to use an optical element 139 ', cf. 1 1 a, which is formed on a first optically active surface 139 'a as a cylinder or sphere or asphere, and which has a second cylindrical surface on an opposite second optical surface 139' b, which realizes a different focal length than the geometry of the first optical
  • Another way to generate multiple, different ignition points is to use a simple astigmatic laser beam that has different waist positions.
  • a simple astigmatic laser beam that has different waist positions.
  • Such a laser beam generates two ignition points by itself in combination with a rotationally symmetrical optical system.
  • An astigmatic laser beam can be emitted, for example, by a solid-state laser having a
  • the asymmetry can be achieved either by a correspondingly asymmetric pumping profile, e.g. be generated in the case of a Q-switched laser or by impressing a temperature and / or mechanical stress profile. This can be impressed on the solid-state laser, for example, by an asymmetric coupling to heat source sinks.
  • one or more cylindrical surfaces may be used as resonator mirrors for the laser resonator to produce an astigmatic laser beam.
  • An astigmatic laser beam generated in the manner described above can preferably also be combined with the further measures according to the invention described above.
  • the ignition points are particularly advantageous chosen so that all emanating from them flame fronts fill the pre-chamber volume as quickly as possible. This effect is achieved according to the invention in particular when the ignition points are arranged in the antechamber so that the flame fronts propagating away from them as late as possible on the

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100) mit einer Vorkammer (110), wobei die Laserzündkerze (100) dazu ausgebildet ist, in der Laserzündkerze (100) geführte und/oder erzeugte Laserstrahlung (24) auf mindestens zwei voneinander verschiedene in der Vorkammer (110) liegende Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen, insbesondere zu fokussieren. Erfindungsgemäß ist die Laserzündkerze (100) dazu ausgebildet, die Laserstrahlung (24) so in die Vorkammer (110) einzustrahlen, dass ein Abstand (d12) zwischen mindestens einem ersten Zündpunkt (ZP1) und einem hierzu benachbarten zweiten Zündpunkt (ZP2) größer ist als ein minimaler Abstand (d2min) des ersten und/oder zweiten Zündpunktes (ZP1, ZP2) zu einer Innenoberfläche (110a) der Vorkammer (110).

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze mit einer Vorkammer, wobei die Laserzündkerze dazu ausgebildet ist, in der Laserzündkerze geführte und/oder erzeugte Laserstrahlung auf mindestens zwei voneinander verschiedene in der Vorkammer liegende Zündpunkte einzustrahlen, insbesondere zu fokussieren.
Eine Laserzündkerze der vorstehend genannten Art ist in der FR 2 873 763 A1 beschrieben. Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine verbesserte, insbesondere gleichmäßigere und schnellere, Verbrennung in der Vorkammer möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Laserzündkerze dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung so in die Vorkammer einzustrahlen, dass ein Abstand zwischen mindestens einem ersten Zündpunkt und einem hierzu benachbarten zweiten Zündpunkt größer ist als ein minimaler Abstand des ersten und/oder zweiten Zündpunkts zu einer Innenoberfläche der Vorkammer.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Laserzündkerze ermöglicht vorteilhaft eine gleichmäßigere und effizientere Verbrennung eines in der Vorkammer befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs, weil sich unter Einhaltung des
erfindungsgemäßen Abstandskriteriums die in den einzelnen Zündpunkten entstehenden Flammkerne bzw. sich hieraus entwickelnde Flammenfronten maximal lang ungehindert ausbreiten können, bis sie auf die Innenoberfläche der Vorkammer oder eine benachbarte Flammenfront stoßen.
Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht vorteilhaft eine maximale
Druckerhöhung während der Verbrennung in der Vorkammer, wodurch besonders energiereiche Zündfackeln aus der Vorkammer durch eine
Fluidverbindung zu einem Hauptbrennraum realisierende Überströmkanäle austreten können.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen den benachbarten Zündpunkten mindestens etwa 120 Prozent, vorzugsweise mindestens etwa 160 Prozent, des minimalen Abstands des ersten und/oder zweiten Zündpunkts zu der Innenoberfläche der Vorkammer beträgt, wodurch sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge eine besonders effiziente Verbrennung ergibt.
Ganz besonders vorteilhaft kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen allen benachbarten Zündpunkten mindestens etwa 120 Prozent, vorzugsweise mindestens etwa 160 Prozent, des minimalen Abstands eines Zündpunkts zu der Innenoberfläche der Vorkammer beträgt, d.h., das erfindungsgemäße Prinzip wird im Falle von mehr als zwei Zündpunkten auch auf die Gesamtheit aller Zündpunkte übertragen. Besonders vorteilhaft ist hierbei ferner eine möglichst gleichmäßige Verteilung der
Zündpunkte in der Vorkammer, jeweils unter Beachtung der erfindungsgemäßen Randbedingungen für den Abstand benachbarter Zündpunkte und deren Abstand zu der Innenoberfläche der Vorkammer.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass ein minimaler Abstand eines Zündpunkts zu der Innenoberfläche der Vorkammer etwa 10 Prozent bis etwa 40 Prozent einer maximalen Ausdehnung eines Innenraums der Vorkammer beträgt, im Falle einer im Wesentlichen zumindest teilweise kugel- oder ellipsoidförmigen Vorkammer insbesondere etwa 10 Prozent bis etwa 40 Prozent eines Radius der Vorkammer. Diese Konfiguration ist besonders zweckmäßig für Systeme mit zwei bis etwa acht Zündpunkten. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante, bei der die Vorkammer zumindest teilweise im Wesentlichen Kugel- oder Ellipsoidform aufweist, ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem ersten Zündpunkt und dem zweiten Zündpunkt etwa doppelt so groß ist wie ein minimaler Abstand des ersten und/oder zweiten Zündpunktes zu der Innenoberfläche der Vorkammer.
Generell kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass ein mittlerer Abstand benachbarter Zündpunkte zueinander größer ist als ein mittlerer Abstand der Zündpunkte zu der Innenoberfläche der Vorkammer. Der mittlere Abstand benachbarter Zündpunkte zueinander kann beispielsweise als Mittelwert über die jeweiligen Abstände zueinander benachbarter Zündpunkte ermittelt werden. Das Gleiche gilt für die Ermittlung des mittleren Abstands der Zündpunkte zu der Innenoberfläche der Vorkammer, wobei bevorzugt jeweils nur ein minimaler Abstand des betreffenden Zündpunktes zu der Innenoberfläche betrachtet wird.
Die erfindungsgemäße Einstellung der mehreren Zündpunkte in der Vorkammer der Laserzündkerze kann einer bevorzugten Ausführungsform zufolge mittels eines optischen Elements vorgenommen werden, das die Laserstrahlung auf die verschiedenen Zündpunkte bündelt.
Das optische Element kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge
beispielsweise als eine mehrere Brennweiten aufweisende Fokussieroptik ausgebildet sein, wobei die Fokussieroptik mindestens zwei im Wesentlichen konzentrisch zueinander oder nebeneinander angeordnete Fokussierbereiche mit jeweils unterschiedlicher Brennweite aufweist. Eine derartige Fokussieroptik kann beispielsweise durch einen linsenförmigen optischen Körper realisiert werden, dessen Oberflächen abschnittsweise entsprechende, insbesondere
unterschiedliche, Krümmungseigenschaften aufweisen. Alternativ oder ergänzend zu Linsenanordnungen können auch (Hohl-)Spiegel verwendet werden, um die erfindungsgemäß vorgesehene Lage der Zündpunkte zu realisieren.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze sieht vor, dass die Laserzündkerze dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung derart in die Vorkammer einzustrahlen, dass eine Rayleigh-Länge der eingestrahlten Laserstrahlung wenigstens etwa 10 Prozent, vorzugsweise wenigstens etwa 30 Prozent, einer maximalen Ausdehnung eines Innenraums der Vorkammer beträgt.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge kann sich bei einer derartigen
Konfiguration eine als Funkenkette bezeichnete Aneinanderreihung mehrerer Zündpunkte entlang der optischen Achse der Laserzündkerze in der Vorkammer ergeben, die ebenfalls eine schnelle und effiziente Verbrennung ermöglicht. Zur Erzielung einer derartigen Funkenkette werden insbesondere langbrennweitige Fokussieroptiken eingesetzt, die die Laserstrahlung in entsprechender Weise in die Vorkammer bündeln.
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 deren Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze in einem teilweisen Querschnitt,
Figur 2, 3, 4 jeweils unterschiedliche Vorkammerkonfigurationen weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 5, 6, 7 jeweils einen brennraumzugewandten Endabschnitt weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, einen Verlauf von Betriebsgrößen der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze aufgetragen über einer Strahlachse der Laserzündkerze, schematisch einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, und
Figur 10a, 10b, 1 1 a, 1 1 b verschiedene Ausführungsformen optischer Elemente zur Verwendung in der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze.
Figur 1 zeigt einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer ersten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100. Die
Laserzündkerze 100 verfügt über eine Vorkammer 1 10. Bei der in Figur 1 abgebildeten Einbaulage der Laserzündkerze 100 in einem Zylinderkopf 200 einer Brennkraftmaschine ragt die Vorkammer 1 10 der Laserzündkerze 100 in den Brennraum 300 eines Zylinders der Brennkraftmaschine hinein. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich beispielsweise um einen stationären
Großgasmotor oder auch um eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln.
Die Laserzündkerze 100 verfügt über eine integrierte Lasereinrichtung 120, bei der es sich beispielsweise um einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung handeln kann, der unter entsprechender Beaufschlagung mit Pumpstrahlung hochenergetische Laserzündimpulse 24 in an sich bekannter Weise erzeugt.
Die Laserstrahlung 24 wird von der Lasereinrichtung 120 auf ein optisches Element 130 gestrahlt, das u.a. zur Fokussierung der Laserstrahlung 24 in einer später näher zu beschreibenden Weise dient.
Vorliegend ist das optische Element 130 so ausgebildet, dass es die
Laserstrahlung 24 auf insgesamt zwei in der Vorkammer 1 10 angeordnete und voneinander verschiedene Zündpunkte ZP1 , ZP2 bündelt. In den Zündpunkten ZP1 , ZP2 entsteht bei der Laserzündung in an sich bekannter Weise ein Flammkern, der sich in Abhängigkeit des vorliegenden Luft-/Kraftstoffgemischs - unter Vernachlässigung von nichtverschwindenden Strömungsgeschwindigkeiten in der Vorkammer 1 10 - in etwa kugelförmig ausbreitet und dabei eine entsprechende Flammenfront ausbildet.
Dabei werden durch die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Vorkammer 1 10 und dem Brennraum 300 herstellenden Überströmkanäle 150 sogenannte Zündfackeln aus der Vorkammer 1 10 heraus in den Brennraum 300 gepresst, die ein in dem Brennraum 300 vorliegendes Luft-/Kraftstoffgemisch entzünden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Laserzündkerze 100 dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung 24 so in die Vorkammer 1 10 einzustrahlen, dass ein Abstand d12 zwischen dem ersten Zündpunkt ZP1 und dem hierzu benachbarten zweiten Zündpunkt ZP2 größer ist als ein minimaler Abstand d2min des zweiten Zündpunktes ZP2 zu einer Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10.
Besonders bevorzugt ist ein entsprechender minimaler Abstand dl min des ersten Zündpunkts ZP1 zu der Innenoberfläche 1 10a ebenfalls kleiner als der Abstand d12 der Zündpunkte ZP1 , ZP2 untereinander.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Zündpunkte ZP1 , ZP2 in der Vorkammer 1 10 ist vorteilhaft gewährleistet, dass eine effiziente und schnelle Verbrennung des in der Vorkammer 1 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs erfolgt, wodurch eine maximale Drucküberhöhung in der Vorkammer 1 10 realisiert wird. Dementsprechend ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Laserzündung in der Vorkammer 1 10 hochenergetische Zündfackeln, die ein sicheres Entzünden des in dem Brennraum 300 vorliegenden Gemischs ermöglichen.
Der Innenraum der Vorkammer 1 10 ist von einem Innenraum der
Laserzündkerze 100 getrennt durch ein Brennraumfenster 140, das der Fokussieroptik 130 bezüglich der primären Ausbreitungsrichtung der
Laserstrahlung 24 optisch nachgeordnet ist. Obwohl bevorzugt eine Lasereinrichtung 120 zur Erzeugung von Laserstrahlung direkt in der Laserzündkerze 100 vorgesehen ist, kann das erfindungsgemäße Prinzip der Konfiguration der Zündpunkte ZP1 , ZP2 in der Vorkammer 1 10 auch eingesetzt werden bei Laserzündkerzen, die nicht zur lokalen Erzeugung von Laserzündimpulsen 24 ausgebildet sind, sondern vielmehr von einer entfernt angeordneten Quelle erzeugte Laserzündimpulse 24 in die Vorkammer 1 10 einstrahlen.
Bei der in Figur 1 abgebildeten Erfindungsvariante weist das optische Element 130 die Funktion einer Fokussierlinse auf, wobei wie aus Figur 1 ersichtlich zwei im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Fokussierbereiche jeweils unterschiedlicher Brennweite vorgesehen sind. In einem radial inneren Bereich weist das optische Element 130 beispielsweise einen ersten
Krümmungsradius oder allgemein eine gekrümmte Oberfläche mit ersten
Brechungseigenschaften auf, während ein radial äußerer Bereich einen hiervon verschiedenen Krümmungsradius bzw. allgemein eine gekrümmte Oberfläche mit von den ersten Brechungseigenschaften verschiedenen zweiten
Brechungseigenschaften aufweist.
Dadurch wird der Kernstrahl 24a des Laserzündimpulses 24 auf den ersten Zündpunkt ZP1 gebündelt, während der Mantelstrahl 24b des
Laserzündimpulses 24 auf den hiervon verschiedenen, zweiten Zündpunkt ZP2 gebündelt wird.
Obwohl es für die Funktion des erfindungsgemäßen Prinzips nicht erforderlich ist, wird insbesondere bei Vorkammern 1 10 mit rotationssymmetrischer Geometrie die Laserzündkerze 100 so ausgebildet, dass sie die Laserstrahlung 24 auf Zündpunkte ZP1 , ZP2 bündelt, welche auf oder etwa im Bereich einer optischen Achse der Laserzündkerze 100 liegen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Zündpunkte ZP1 , ZP2 in dem Innenraum der Vorkammer 1 10 ist vorteilhaft gewährleistet, dass sich die von den Zündpunkten ZP1 , ZP2 ausgehenden Flammenfronten für eine möglichst lange Zeit ab der Laserzündung ungehindert in dem Innenraum der Vorkammer 1 10 ausbreiten können, was zu der vorstehend bereits beschriebenen
gewünschten Drucküberhöhung in der Vorkammer 1 10 führt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden beide Zündpunkte ZP1 , ZP2 im Wesentlichen zeitgleich mit Laserstrahlung beaufschlagt. Es kann - je nach Ausbildung der Lasereinrichtung 26 - jedoch auch eine zeitliche
Verzögerung zwischen der Einstrahlung der Laserzündimpulse auf die unterschiedlichen Zündpunkte ZP1 , ZP2 vorgesehen sein. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine der von den
Zündpunkten ZP1 , ZP2 ausgehenden Flammenfronten unnötig früh einen Kontakt mit der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10 oder einer
benachbarten Flammenfront erfährt, was bei herkömmlichen Systemen ein effizientes Durchbrennen des Vorkammervolumens verhindert. Die
erfindungsgemäße Laserzündung ermöglicht demgegenüber eine effiziente
Verbrennung in der Vorkammer 1 10 und damit die Erzeugung besonders energiereicher Zündfackeln, die in den Brennraum 300 austreten und das dort vorhandene Gemisch zuverlässig zünden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100 ist vorgesehen, dass der Abstand d12 zwischen den benachbarten Zündpunkten ZP1 , ZP2 mindestens etwa 120 Prozent,
vorzugsweise mindestens etwa 160 Prozent, des minimalen Abstands d2min des zweiten Zündpunktes ZP2 zu der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10 beträgt.
Sofern der erste Zündpunkt ZP1 näher an der Innenoberfläche 1 10a der
Vorkammer 1 10 liegt als der zweite Zündpunkt ZP2, ist das erfindungsgemäße Abstandskriterium d12 >= d2min oder vorzugsweise d12 >= 1.6 * d2min in entsprechender Weise auf die Relation zwischen dem Zündpunktabstand d12 und dem minimalen Abstand dl min des Zündpunkts ZP1 zu der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10 anzuwenden.
Figur 2 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, die eine im Vergleich zu dem unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen System abweichende
Vorkammerkonfiguration aufweist. Die im Wesentlichen zumindest teilweise etwa kugel- oder ellipsoidförmig ausgebildete Vorkammer 1 10 gemäß Figur 2 ist wiederum von dem restlichen in Figur 2 nicht dargestellten Innenraum der Laserzündkerze 100 durch ein
Brennraumfenster 140 getrennt.
Erfindungsgemäß ist die Laserzündkerze 100 bzw. deren Fokussieroptik (nicht in Figur 2 abgebildet) so ausgebildet, dass die in der Laserzündkerze 100 erzeugte Laserstrahlung 24 (Figur 1 ) auf die aus Figur 2 ersichtlichen Zündpunkte ZP1 , ZP2 gebündelt wird.
Neben dem primären erfindungsgemäßen Abstandskriterium d12 >= dl min und/oder d12 >= d2min ist vorliegend der minimale Abstand dl min des ersten Zündpunkts ZP1 zu der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10 so gewählt, dass er etwa 25 Prozent einer maximalen Längenausdehnung des Innenraums der Vorkammer 1 10 entspricht, die sich in Figur 2 in vertikaler Richtung erstreckt.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass diese erfindungsgemäße Konfiguration insbesondere bei im Wesentlichen zumindest teilweise kugelförmig oder ellipsoidförmig ausgebildeten Vorkammern 1 10 zu einer besonders effizienten Verbrennung in der Vorkammer 1 10 führt und damit die Bildung von hochenergetischen Zündfackeln 155 fördert.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Vorkammer 1 10 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
Auch bei einer derartigen Vorkammergeometrie ist die Realisierung der erfindungsgemäßen Abstandsbedingung d12 >= dl min, d2min vorteilhaft hinsichtlich einer schnellen und effizienten Verbrennung des in der Vorkammer 1 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs.
Figur 4 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der die Vorkammer 1 10 eine im Wesentlichen ellipsoidförmige Grundform aufweist. Im Unterschied zu den vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze weist die in Figur 4 abgebildete Konfiguration insgesamt drei Zündpunkte ZP1 , ZP2, ZP3 auf, von denen zwei Zündpunkte ZP1 , ZP3 außerhalb der optischen Achse der
Laserzündkerze 100, insbesondere verhältnismäßig dicht im Bereich einer
Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10, liegen.
Dies ist dadurch begründet, dass sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge bei einem Beschicken der Vorkammer 1 10 mit aus dem Brennraum 300 durch die Überströmkanäle 150a, 150b einströmendem Luft-/Kraftstoffgemisch
Verwirbelungen ergeben, die zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des in der Vorkammer 1 10 befindlichen Gemischs führen. Insbesondere können die Überströmkanäle 150a, 150b vorteilhaft derart relativ zueinander angeordnet sein, dass sich die durch sie einströmenden Teilströmungen 151 a, 151 b hinsichtlich ihrer Strömungsrichtung und -geschwindigkeit derart überlagern, dass sich in dem Bereich der Innenwand 1 10a der Vorkammer 1 10 besonders große Strömungsgeschwindigkeiten ergeben. Die Überströmkanäle 150a, 150b sind hierfür mit ihrer Längsachse insbesondere tangential zu der optischen Achse bzw. der Längsachse der Vorkammer 1 10 angeordnet und nicht etwa radial.
Für die vorstehend beschriebene Konfiguration aus Figur 4 ist es zweckmäßig, wenn mindestens einer, vorzugsweise jedoch zwei Zündpunkte ZP1 , ZP3 in dem Bereich großer Strömungsgeschwindigkeit angeordnet sind, um ein sicheres Entzünden des in der Vorkammer 1 10 vorliegenden Luft-/Kraftstoffgemischs zu ermöglichen. Zusätzlich bewirkt der zentral auf der optischen Achse der Laserzündkerze 100 angeordnete weitere Zündpunkt ZP2 eine sichere
Entzündung des in der Vorkammer 1 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs auch in solchen Bereichen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit
verhältnismäßig geringe Werte aufweist.
Die vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 4 beschriebenen Zündpunkte ZP1 , ZP2, ZP3 genügen vorteilhaft wiederum den erfindungsgemäßen Kriterien d12 >= dl min, d23 >= d3min, wobei die betreffenden Zündpunktabstände d12, d23 vorteilhaft sogar um mehr als etwa 160 Prozent größer sind als die betreffenden
Minimalabstände d1 min, d3min der betrachteten Zündpunkte ZP1 , ZP3. Die Kombination der erfindungsgemäßen Abstandskriterien für die Anordnung der Zündpunkte ZP1 , ZP2, ZP3 im Inneren der Vorkammer 1 10 mit der
Berücksichtigung von zu erwartenden Strömungsgeschwindigkeiten in der Vorkammer 1 10 führt zu besonders guten Ergebnissen bezüglich einer effizienten und schnellen Verbrennung in der Vorkammer 1 10.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der ein Strahlteiler mittels zweier Spiegel 132a, 132b, von denen einer teilreflektierend ist, realisiert ist, um die Laserzündimpulse 24 auf zwei verschiedene Zündpunkte ZP1 , ZP2 einzustrahlen.
Dem Strahlteiler 132a, 132b optisch nachgeordnet ist eine Fokussieroptik 133, welche abschnittsweise unterschiedliche Brechungseigenschaften derart aufweist, dass ein durch den Spiegel 132a hindurchtretender Teilstrahl 24_1 auf den ersten Zündpunkt ZP1 und ein von dem Spiegel 132b reflektierter Teilstrahl 24_2 auf den zweiten Zündpunkt ZP2 fokussiert wird.
Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß Figur 5 die Zündpunkte ZP1 , ZP2 außerhalb der optischen Achse der Laserzündkerze 100 liegen, ist wiederum das erfindungsgemäße Abstandskriterium derart erfüllt, dass der Abstand zwischen den Zündpunkten ZP1 , ZP2 deutlich größer ist als ein minimaler Abstand zwischen vorliegend beiden Zündpunkten ZP1 , ZP2 und einem betreffenden Abschnitt einer Innenoberfläche 1 10a (Figur 1 ) der
Vorkammer 1 10.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der anstelle einer Fokussieroptik eine diffraktive Optik 135 verwendet wird, um den Laserzündimpuls 24 in mehrere Teilstrahlen zu zerlegen. Die diffraktive Optik 135 kann gleichzeitig vorteilhaft so ausgebildet sein, dass sie die beiden Teilstrahlen auf entsprechende Zündpunkte ZP1 , ZP2 bündelt. Alternativ oder ergänzend kann eine Fokussierung der Teilstrahlen auch durch das der diffraktiven Optik 135 optisch nachgeordnete Brennraumfenster 140 vorgenommen werden.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze, bei der die vorstehend nicht abgebildete Fokussieroptik so ausgebildet ist, insbesondere als langbrennweitige Fokussierlinse, dass eine Rayleigh-Länge der in die Vorkammer 1 10 eingestrahlten Laserstrahlung 24 wenigstens etwa 10 Prozent, vorzugsweise wenigstens etwa 30 Prozent, einer maximalen Ausdehnung L des Innenraums der Vorkammer 1 10 beträgt.
Beispielsweise kann die Rayleigh-Länge zu etwa 0,4 cm bis etwa 1 ,2 cm gewählt sein.
Dadurch ist vorteilhaft die Ausbildung einer sogenannten Funkenkette
gewährleistet, die vorliegend dadurch entsteht, dass die in die Vorkammer 1 10 eingestrahlte Laserstrahlung 24 über einen entsprechenden Längenbereich innerhalb der Vorkammer 1 10 eine hinreichend hohe elektrische Feldstärke bzw. optische Leistungsdichte aufweist. Das bedeutet, dass das in der Vorkammer 1 10 befindliche Luft-/Kraftstoffgemisch etwa über die gesamte Rayleigh-Länge hinweg im wesentlichen gleichzeitig gezündet werden kann.
Obwohl die vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 7 beschriebene
Ausführungsform der Erfindung nicht notwendig dem primär der Erfindung zugrundeliegenden Abstandskriterium genügt, ergibt sich auch durch die weiter erfindungsgemäß verhältnismäßig groß gewählte Rayleigh-Länge eine besonders gleichmäßige und schnelle Verbrennung in der Vorkammer 1 10.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit, zwei lateral versetzte Zündpunkte zu realisieren, besteht darin, einen einfach astigmatischen Laserstrahl 24 und/oder ein astigmatisches optisches Element, d. h. ein Element mit
unterschiedlicher Brechkraft in verschiedenen Raumrichtungen, zu verwenden.
Figur 8 zeigt hierzu einen Verlauf eines Strahldurchmessers der Laserstrahlung 24 in zueinander senkrechten Ebenen x, y entlang einer Ortskoordinate z, die der Strahlrichtung der Laserstrahlung 24 entspricht.
Mit dem Bezugszeichen SDx ist vorliegend der Strahldurchmesser der
Laserstrahlung 24 in einer ersten Ebene x bezeichnet, und mit dem
Bezugszeichen SDy ist der Strahldurchmesser der Laserstrahlung 24 in zweiten, zu der ersten Ebene x orthogonalen Ebene y bezeichnet. Wie aus Figur 8 ersichtlich ist, fallen die Orte z1 , z2 minimalen Strahldurchmessers entlang der Strahlkoordinate z auseinander, so dass die in dem Diagramm aus Figur 8 logarithmisch aufgetragene Leistungsdichte S dementsprechend zwei lokale Maxima an den Orten z1 , z2 aufweist.
Die Orte z1 , z2 aus dem Diagramm gemäß Figur 8 korrespondieren mit einem ersten und einem zweiten Zündpunkt ZP1 , ZP2 in der Vorkammer 1 10.
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der ein fokussierendes optisches Element 136, das beispielsweise als Asphäre ausgeführt ist, vorgesehen ist.
Eine erste erfindungsgemäße Möglichkeit, den Strahldurchmesser SDx, SDy der durch die Lasereinrichtung 120 erzeugten Laserstrahlung gemäß Figur 8 zu erzeugen, besteht in der Vorsehung einer Zylinderlinse 138, die in den
Strahlengang der Laserzündkerze 100 eingebracht wird, insbesondere zwischen der Lasereinrichtung 120 und der fokussierenden Optik 136.
Eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Modifikation der
Strahldurchmesser SDx, SDy, vgl. Figur 8, besteht darin, ein Brennraumfenster 140 vorzusehen, dessen erste optische Oberfläche beispielsweise als zylindrische Fläche ausgeführt ist. Das bedeutet, das Brennraumfenster 140 besitzt die Form einer Zylinderlinse.
Ebenfalls möglich ist der Einsatz eines optischen Elements 139, vgl. Figur 10a, welches auf einer ersten optisch aktiven Seite 139a als Sphäre oder als Asphäre ausgeführt ist, und das auf der gegenüberliegenden optischen Seite 139b als Zylinder ausgeführt ist.
Die Figuren 10a, 10b zeigen entsprechende Schnitte durch ein derartiges optisches Element 139 jeweils in der x-z- bzw. in y-z- Ebene.
Bei hinreichender Stabilität kann das optische Element 139 auch die Funktion des Brennraumfensters 140 übernehmen, so dass durch das Element 139 gleichzeitig die Fokussierung, die Erzeugung von zwei oder mehr Zündpunkten, und die Funktion des Brennraumfensters realisiert wird. Ferner ist es möglich, ein optisches Element 139', vgl. Figur 1 1 a, zu verwenden, das auf einer ersten optisch aktiven Oberfläche 139'a als Zylinder oder auch Sphäre oder Asphäre ausgebildet ist, und das auf einer gegenüberliegenden zweiten optischen Oberfläche 139'b eine zweite Zylinderfläche besitzt, welche eine andere Brennweite realisiert als die Geometrie der ersten optischen
Oberfläche 139'a. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die betreffenden Flächen 139'a, 139'b, vgl. Figur 1 1 a, Figur 1 1 b, unterschiedliche Krümmungsparameter aufweisen und/oder dass die Symmetrieachsen der betreffenden Oberflächen senkrecht zueinander stehen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung mehrerer, voneinander verschiedener, Zündpunkte besteht darin, einen einfach astigmatischen Laserstrahl zu verwenden, der unterschiedliche Taillenlagen besitzt. Ein derartiger Laserstrahl erzeugt von sich selbst aus in Kombination mit einem rotationssymmetrischen optischen System zwei Zündpunkte. Ein astigmatischer Laserstrahl kann beispielsweise durch einen Festkörperlaser emittiert werden, der eine
entsprechende Asymmetrie aufweist. Die Asymmetrie kann entweder durch ein entsprechend asymmetrisches Pumpprofil z.B. im Falle eines gütegeschalteten Lasers erzeugt werden oder auch durch Aufprägen eines Temperatur- und/oder mechanischen Spannungsprofils. Dies kann dem Festkörperlaser beispielsweise durch eine asymmetrische Ankopplung an Wärmequellen- bzw. -senken aufgeprägt werden.
Alternativ oder ergänzend können ein oder mehrere zylindrische Flächen als Resonatorspiegel für den Laserresonator verwendet werden, um einen astigmatischen Laserstrahl zu erzeugen. Ein auf die vorstehend beschriebene Weise erzeugter astigmatischer Laserstrahl kann bevorzugt auch mit den weiteren vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen kombiniert werden.
Generell ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Prinzip unter Berücksichtigung der in der Vorkammer 1 10 gegebenen Strömungsverhältnisse anzuwenden, wobei die Zündpunkte besonders vorteilhaft so gewählt werden, dass alle von ihnen ausgehenden Flammenfronten das Vorkammervolumen möglichst schnell ausfüllen. Diese Wirkung wird erfindungsgemäß insbesondere dann erzielt, wenn die Zündpunkte so in der Vorkammer angeordnet sind, dass die sich von ihnen weg ausbreitenden Flammenfronten möglichst spät auf die
Vorkammerinnenwand oder benachbarte Flammenfronten treffen.

Claims

Ansprüche
1 . Laserzündkerze (100) mit einer Vorkammer (1 10), wobei die Laserzündkerze (100) dazu ausgebildet ist, in der Laserzündkerze (100) geführte und/oder erzeugte Laserstrahlung (24) auf mindestens zwei voneinander
verschiedene in der Vorkammer (1 10) liegende Zündpunkte (ZP1 , ZP2) einzustrahlen, insbesondere zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (100) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung (24) so in die Vorkammer (1 10) einzustrahlen, dass ein Abstand (d12) zwischen mindestens einem ersten Zündpunkt (ZP1 ) und einem hierzu benachbarten zweiten Zündpunkt (ZP2) größer ist als ein minimaler Abstand (d2min) des ersten und/oder zweiten Zündpunktes (ZP1 , ZP2) zu einer Innenoberfläche (1 10a) der Vorkammer (1 10).
2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d12) zwischen den benachbarten Zündpunkten (ZP1 , ZP2) mindestens etwa 120 Prozent, vorzugsweise mindestens etwa 160 Prozent, des minimalen Abstands (d2min) des ersten und/oder zweiten Zündpunktes (ZP1 , ZP2) zu der Innenoberfläche (1 10a) der Vorkammer (1 10) beträgt.
3. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen allen benachbarten
Zündpunkten (ZP1 , ZP2, ..) mindestens etwa 120 Prozent, vorzugsweise mindestens etwa 160 Prozent, des minimalen Abstands eines Zündpunktes (ZP1 , ZP2, ..) zu der Innenoberfläche (1 10a) der Vorkammer (1 10) beträgt.
4. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Abstand (dl min, d2min) eines
Zündpunkts (ZP1 , ZP2) zu der Innenoberfläche (1 10a) der Vorkammer (1 10) etwa 10 Prozent bis etwa 40 Prozent einer maximalen Ausdehnung eines Innenraums der Vorkammer (1 10) beträgt, im Falle einer im wesentlichen zumindest teilweise kugel- oder ellipsoidförmigen Vorkammer insbesondere etwa 10 Prozent bis etwa 40 Prozent eines Radius der Vorkammer (1 10).
5. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (1 10) zumindest teilweise im wesentlichen Kugel- oder Ellipsoidform aufweist, und dass der Abstand (d12) zwischen dem ersten Zündpunkt (ZP1 ) und dem zweiten Zündpunkt (ZP2) etwa doppelt so groß ist wie ein minimaler Abstand (dl rmin, d2min) des ersten und/oder zweiten Zündpunktes (ZP1 , ZP2) zu der Innenoberfläche (1 10a) der Vorkammer (1 10).
6. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Abstand benachbarter Zündpunkte zueinander größer ist als ein mittlerer Abstand der Zündpunkte zu der Innenoberfläche (1 10a) der Vorkammer (1 10).
7. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (130, 133) vorgesehen ist, das die Laserstrahlung (24) auf die verschiedenen Zündpunkte (ZP1 , ZP2) bündelt.
8. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (130, 133) als eine mehrere Brennweiten aufweisende Fokussieroptik ausgebildet ist.
9. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fokussieroptik (130, 133) mindestens zwei im wesentlichen konzentrisch zueinander oder nebeneinander angeordnete Fokussierbereiche mit jeweils unterschiedlicher Brennweite aufweist.
10. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (100) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung (24) derart in die Vorkammer (1 10) einzustrahlen, dass eine Rayleigh-Länge der eingestrahlten Laserstrahlung (24) wenigstens etwa 10 Prozent, vorzugsweise wenigstens etwa 30 Prozent, einer maximalen Ausdehnung (L) eines Innenraums der Vorkammer (1 10) beträgt.
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