WO2011060983A1 - Laserzündkerze und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

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WO2011060983A1
WO2011060983A1 PCT/EP2010/064053 EP2010064053W WO2011060983A1 WO 2011060983 A1 WO2011060983 A1 WO 2011060983A1 EP 2010064053 W EP2010064053 W EP 2010064053W WO 2011060983 A1 WO2011060983 A1 WO 2011060983A1
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WO
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combustion chamber
spark plug
laser spark
region
heat sink
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/064053
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Martin Astner
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to JP2012540332A priority Critical patent/JP5436693B2/ja
Priority to CN201080052801.2A priority patent/CN102612595B/zh
Priority to US13/511,324 priority patent/US8789497B2/en
Priority to EP10770515.4A priority patent/EP2504565B1/de
Publication of WO2011060983A1 publication Critical patent/WO2011060983A1/de

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug, in particular for a
  • combustion chamber facing end region arranged combustion chamber window.
  • the invention further relates to an operating method for such
  • Laser radiation is irradiated in a combustion chamber associated with the laser spark plug.
  • the deposits of combustion products affect reliable operation of the laser spark plugs and in particular reduce their service life.
  • this object is achieved in that means are provided for cooling a volume region located in the region of the combustion chamber window and / or a medium located in the volume region. According to the invention, it has been recognized that the precipitation of some combustion products, in particular of carbon and carbon compounds, which arise during operation of the laser spark plug, can be detected on the
  • combustion chamber facing surface of the combustion chamber window a successful - known per se - cleaning of this surface under exposure to
  • the means for cooling have a heat sink which has material with a relatively high thermal conductivity, in particular with a thermal conductivity of about 90 watts per Kelvin and meter at room temperature or more.
  • the heat sink may comprise nickel or a nickel alloy. It is also possible to form the entire heat sink entirely of nickel or a nickel alloy.
  • the heat sink is preferably permanently connected to the housing of the laser spark plug, for example by means of welding.
  • a particularly efficient and uniform cooling of the volume range of interest results according to the invention when the means for cooling, in particular the at least one heat sink, an optical axis of the laser spark plug surrounded, in particular concentrically surrounded.
  • the means for cooling in particular the at least one heat sink, an optical axis of the laser spark plug surrounded, in particular concentrically surrounded.
  • an inner diameter of the heat sink in the region of a front side of the heat sink facing the heat sink is smaller than an inner diameter of the heat sink in the region of a front side of the heat sink facing away from the combustion space.
  • heat conducting means are provided which allow heat to be dissipated from an end region of the laser spark plug facing towards the combustion chamber in the direction of a combustion chamber facing away end region, wherein the heat conducting means are preferably arranged in an interior of the laser spark plug and / or in at least one wall section a housing of the laser spark plug are integrated.
  • the cooling means according to the invention are particularly advantageously in good thermal contact with the heat conducting means, so that an efficient dissipation of heat from the region of the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window into the region of the combustion chamber facing away from the combustion chamber
  • the heat conducting for example, in a further
  • the cooling means according to the invention may, in addition to one or more heat sinks u.a. also have a fluid-based cooling system in which
  • Combustion chamber window is removed using a fluid.
  • heat pipes heat pipes
  • heat pipes can advantageously also be integrated directly into a housing of the laser spark plug.
  • the method according to the invention provides that a volume region located in the region of the combustion chamber window and / or a medium located in the volume region is cooled, preferably to a temperature of approximately below 350 ° C. to approximately below 300 ° C.
  • Hydrocarbons for example in the form of soot
  • Hydrocarbons in this area, so that an optimal support for cleaning the combustion chamber window by means of laser radiation is possible.
  • Investigations by the applicant according to the invention favored carbon deposits on the surface of the combustion chamber window cause a simpler removal of other, inorganic combustion residues that occur during operation of the laser spark plug on the
  • the beam density of the laser radiation may be up to an order of magnitude lower compared to conventional Abinstitutsvorticiann in which no inventively introduced carbon compounds or carbon black on the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window are present.
  • FIG. 1 shows schematically a partial cross section of a
  • FIG. 1a, 2b different embodiments of heat sinks for the
  • FIG. 3 shows a simplified flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Laser spark plug 100 in a partial cross section is used for example in internal combustion engines of motor vehicles or in stationary large gas engines to laser radiation 20 to a in A firing point ZP arranged in a combustion chamber 200 of the internal combustion engine can be focused in order to ignite an air / fuel mixture located in the combustion chamber 200.
  • the laser radiation 20 can be generated locally in the laser spark plug 100 in a manner known per se, for example by using a laser device 110, which i.a. a laser-active solid (not shown) and a passive Q-switching.
  • a laser device 110 which i.a. a laser-active solid (not shown) and a passive Q-switching.
  • the laser spark plug 100 can be bundled by the laser spark plug 100 from a laser source arranged remotely located laser source and irradiated to the ignition point ZP.
  • various combustion products in particular inorganic components, which originate, inter alia, from additives of the engine oil of the internal combustion engine, are deposited on the surface 120a of the combustion chamber window 120 of the laser spark plug 100 facing the combustion chamber 200.
  • Combustion chamber window 120 favors the cleaning. Investigations by the Applicant are by up to an order of magnitude smaller
  • Combustion chamber window 120 favors. In this way, therefore, the carbon compounds required for efficient cleaning can be particularly expedient from those produced during laser ignition
  • the laser spark plug 100 therefore has means 130 for cooling the volume region 210 located in the combustion chamber-facing end region 100a and / or a medium located in the volume region 210, for example the combustion exhaust gases.
  • the cooling means 130 have at least one heat sink 131, which, as shown in FIG. 1, is approximately annular in shape and is preferably non-detachably connected to the housing 101 of the laser spark plug 100 in its end region 100a facing the combustion chamber.
  • the heat sink 131 preferably comprises material having a relatively high thermal conductivity, in particular a thermal conductivity of about 90 watts per Kelvin and meter at room temperature or more; For example, nickel or a nickel alloy can be used for this purpose.
  • the heat sink 131 surrounds an optical axis OA of the laser spark plug 100, in particular concentrically surrounds.
  • the heat sink 131 simultaneously serves to shield the surface 120a of the combustion chamber window 120 from combustion particles which originate in the region of the ignition point ZP, which could damage the combustion chamber window 120 when it strikes the surface 120a.
  • the heat sink 131 is substantially is formed annularly, and an inner diameter D1 of the heat sink 131 in the region of its combustion chamber facing end face 131 a is a maximum of about 105 percent to about 200 percent of a beam diameter DS ( Figure 2a) of the radiated by the laser spark plug 100 laser radiation 20th
  • Heat energy can in the housing 101 of the laser spark plug 100th
  • Heat conduction means 140 may be provided, which allow a dissipation of heat from the combustion chamber facing end portion 100a of the laser spark plug 100 in the direction of a combustion chamber facing away end portion 100b.
  • the heat-conducting means 140 preferably comprise nickel and / or copper and / or silver deposits 142 or inserts made of corresponding alloys, which are either arranged directly in the interior of the laser spark plug 100 or else integrated directly into at least one wall section of the housing 101 of the laser spark plug 100 could be.
  • the heat conducting means 140 may also comprise a fluid-based system, in particular also one or more heat pipes or the like.
  • the heat sink 131 is preferably insoluble, in particular materially bonded, so connected to the housing 101 of the laser spark plug 100 that it is in good thermal contact with the heat conducting means 140 or inserts 142.
  • the heat conducting means 140 have a contact region 141 which, when the laser spark plug 100 is installed in a cylinder head (not shown) of an internal combustion engine, makes good thermal contact with the engine
  • Figure 2a shows a plan view of the combustion chamber facing end face 131 a (Figure 1) of the heat sink 131st From Figure 2a it can be seen that the
  • Inner diameter D1 of the heat sink 131 in the region of the end face 131 a ( Figure 1) is only slightly larger than the beam diameter DS of
  • Inner diameter D1 is according to one embodiment a maximum of about 105 percent to about 200 percent of the beam diameter DS.
  • the inner diameter D1 of the heat sink 131 in the region of the combustion chamber facing end face 131 a ( Figure 1) is smaller than an inner diameter D2 of the heat sink 131 in the region of
  • FIG. 2b shows a top view of a further variant of a
  • Heat sink 131 in which a total of four radially extending slits 131 'are provided, which allow improved fluid communication between the combustion chamber 200 ( Figure 1) and surrounded by the heat sink 131 volume region 210, so that an efficient flushing of the volume range 210 with fresh gas is possible.
  • This advantageously prevents the formation of a residual gas cushion in the region of the surface 120a of the combustion chamber window 120, which contributes to the fact that the surface 120a of the combustion chamber window 120 does not become sooty due to premature quenching of the flame.
  • one or more bores may also be provided in the heat sink 131 in order to allow an improved fluid exchange between the combustion chamber 200 and the volume region 210.
  • FIG. 3 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.
  • a first step 300 the volume region 210 or a medium therein is cooled, preferably to a temperature of from below about 350 ° C. to below about 300 ° C. This advantageously results in precipitation of carbon or carbon compounds in the region of the surface 120a of the combustion chamber window 120th These carbon deposits allow a simpler cleaning of the combustion chamber window 120, which is accomplished in the further step 310 by applying laser pulses 20 of high power or energy density to the surface 120a of the combustion chamber window 120.
  • the required laser beam density for cleaning is generally dependent on the covering material.
  • inorganic coatings which are derived inter alia from the additives of motor oil and the like, are only with very high beam densities, which in conventional cleaning methods close to the
  • Destruction thresholds of the material of the combustion chamber window 120 are to be cleaned.
  • the introduction of carbon into the parasitic deposits of the combustion chamber window 120 which is made possible according to the invention, advantageously makes it possible to reduce the radiance required for cleaning.
  • CaS0 4 -containing deposits are conditioned by the addition of carbon compounds according to the invention such that advantageously only one up to about one
  • the construction of the combustion chamber-facing end region 100a of the laser spark plug 100 can be optimized so that efficient cooling of the volume region 210 is possible in order to produce semi-unburned hydrocarbon compounds in the region of the combustion chamber window 120.
  • Carbon components in the deposit of inorganic combustion residues that are imaged on the surface 120 advantageously enable efficient cleaning by means of laser radiation 20 without a simultaneous destruction of the combustion chamber window 120.
  • the means 130 for cooling according to the invention allow an efficient reduction of the temperature in the volume region 210 in front of the combustion chamber window 120, so that a controlled extinction of flames before the combustion chamber
  • Combustor window 120 is achieved at the laser ignition. It is beyond that important to transport a sufficient amount of fresh mixture to the combustion chamber window 120 so that it does not become a residual gas cushion before the combustion chamber
  • Combustion chamber window 120 comes, which prevents the window 120 from becoming soiled by premature quenching of the flame.
  • the formation of the residual gas cushion can be counteracted by the slit 131 '(FIG. 2b) provided in accordance with the invention in the heat sink 131 and / or by further bores in the heat sink 131.
  • the laser spark plug 100 according to the invention is preferred.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) angeordneten Brennraumfenster (120). Erfindungsgemäß sind Mittel (130) zur Kühlung eines in dem Bereich des Brennraumfensters (120) befindlichen Volumenbereichs (210) und/oder eines in dem Volumenbereich (210) befindlichen Mediums vorgesehen. Die Mittel zur Kühlung (130) weisen einen Kühlkörper auf, der Material mit einer verhältnismäßig großen Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei Raumtemperatur oder mehr. Der Kühlkörper (131) ist im wesentlichen kreisringförmig ausgebildet. Ein Innendurchmesser (Dl) des Kühlkörpers (131) im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite (131a) des Kühlkörpers (131) ist kleiner als ein Innendurchmesser (D2) des Kühlkörpers (131) im Bereich einer brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers (131). Wärmeleitmittel (140) sind vorgesehen, die eine Ableitung von Wärme aus einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs (100b) ermöglichen.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze und Betriebsverfahren hierfür Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem
brennraumzugewandten Endbereich angeordneten Brennraumfenster.
Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine derartige
Laserzündkerze.
Während des Betriebs von solchen Laserzündkerzen bilden sich Ablagerungen auf einer brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters, durch das
Laserstrahlung in einen der Laserzündkerze zugeordneten Brennraum eingestrahlt wird. Die aus Verbrennungsprodukten bestehenden Ablagerungen beeinträchtigen einen zuverlässigen Betrieb der Laserzündkerzen und reduzieren insbesondere deren Standzeit.
Offenbarung der Erfindung
Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine gesteigerte Zuverlässigkeit und Standzeit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mittel zur Kühlung eines in dem Bereich des Brennraumfensters befindlichen Volumenbereichs und/oder eines in dem Volumenbereich befindlichen Mediums vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der Niederschlag einiger während eines Betriebs der Laserzündkerze entstehender Verbrennungsprodukte, insbesondere von Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen, auf der
brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters eine erfolgreiche - an sich bekannte - Abreinigung dieser Oberfläche unter Beaufschlagung mit
Laserstrahlung hoher Leistungs- bzw. Energiedichte begünstigt.
Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass eine Kühlung eines die betreffende Oberfläche des Brennraumfensters umgebenden Volumenbereichs beziehungsweise eines darin befindlichen Mediums die Bildung und den
Niederschlag der für die ablative Reinigung förderlichen Verbrennungsprodukte auf der Brennraumfensteroberfläche begünstigt.
Die erfindungsgemäßen Kühlungsmittel ermöglichen daher vorteilhaft die gezielte Erzeugung und Einbringung von solchen Verbrennungsprodukten auf die
Oberfläche des Brennraumfensters, die eine effiziente Reinigung durch
Beaufschlagung des Brennraumfensters mit Laserimpulsen hoher Leistungsbzw. Energiedichte begünstigen.
Einer besonders vorteilhaften da wenig komplexen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze zufolge weisen die Mittel zur Kühlung einen Kühlkörper auf, der Material mit einer verhältnismäßig großen Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei Raumtemperatur oder mehr. Bevorzugt kann der Kühlkörper Nickel oder eine Nickellegierung aufweisen. Es ist ferner möglich, den gesamten Kühlkörper vollständig aus Nickel oder einer Nickellegierung zu bilden.
Der Kühlkörper wird bevorzugt unlösbar mit dem Gehäuse der Laserzündkerze verbunden, beispielsweise mittels Schweißen.
Eine besonders effiziente und gleichmäßige Kühlung des interessierenden Volumenbereichs ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn die Mittel zur Kühlung, insbesondere der mindestens eine Kühlkörper, eine optische Achse der Laserzündkerze umgeben, insbesondere konzentrisch umgeben. Zusätzlich zu der erfindungsgemäß angestrebten Kühlung ergibt sich bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze eine wirksame Abschirmung der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters vor Schadpartikeln, wenn der Kühlkörper im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet ist und ein Innendurchmesser des Kühlkörpers im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite des Kühlkörpers maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent eines Strahldurchmessers der von der Laserzündkerze abgestrahlter Laserstrahlung beträgt.
Es ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge ferner vorteilhaft, dass ein Innendurchmesser des Kühlkörpers im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite des Kühlkörpers kleiner ist als ein Innendurchmesser des Kühlkörpers im Bereich einer brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers. Hierdurch kann vorteilhaft eine maximal mögliche Kühlwirkung erzielt werden, ohne gleichzeitig die durch den Kühlkörper hindurchtretende Laserstrahlung zu beeinträchtigen, weil der von dem erfindungsgemäßen Kühlkörper umgebene Volumenbereich optimal formangepasst ist an die von der Laserzündkerze abgegebene fokussierte Laserstrahlung.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgeschlagen, dass Wärmeleitmittel vorgesehen sind, die eine Ableitung von Wärme aus einem brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs ermöglichen, wobei die Wärmeleitmittel vorzugsweise in einem Innenraum der Laserzündkerze angeordnet sind und/oder in mindestens einen Wandabschnitt eines Gehäuses der Laserzündkerze integriert sind.
Ganz besonders vorteilhaft stehen die erfindungsgemäßen Mittel zur Kühlung in gutem thermischen Kontakt zu den Wärmeleitmitteln, so dass eine effiziente Ableitung von Wärme aus dem Bereich der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters in den brennraumabgewandten Bereich der
Laserzündkerze möglich ist.
Die Wärmeleitmittel können beispielsweise in einem weiter
brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze Kontaktbereiche aufweisen, welche bei einem Einbau der Laserzündkerze in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines stationären Großgasmotors, einen guten thermischen Kontakt mit dem Zylinderkopf herstellen.
Die erfindungsgemäßen Kühlungsmittel können neben einem oder mehreren Kühlkörpern u.a. auch ein fluidbasiertes Kühlsystem aufweisen, bei dem
Wärmeenergie von der brennraumzugewandten Oberfläche des
Brennraumfensters unter Verwendung eines Fluids abtransportiert wird.
Alternativ oder ergänzend zu dem Kühlkörper bzw. den Kühlkörpern können auch Wärmerohre („heatpipes") oder andere Wärmeleitmittel eingesetzt werden, um den interessierenden Volumenbereich abzukühlen. Wärmerohre können vorteilhaft auch direkt in ein Gehäuse der Laserzündkerze integriert werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren gemäß Patentanspruch 9 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein in dem Bereich des Brennraumfensters befindlicher Volumenbereich und/oder ein in dem Volumenbereich befindliches Medium gekühlt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa unter 350° C bis etwa unter 300° C.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergibt sich bei einem derartigen Betrieb der erfindungsgemäßen Laserzündkerze eine besonders zweckmäßige Bildung von und Beaufschlagung der brennraumzugewandten Oberfläche des
Brennraumfensters mit solchen Verbrennungsprodukten, die ein Abreinigen des Brennraumfensters unter Beaufschlagung mit Laserstrahlung hoher Leistungsbzw. Energiedichte befördern.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass insbesondere
Kohlenstoffablagerungen das Abreinigen begünstigen. Die erfindungsgemäße Kühlung des brennraumzugewandten Endbereichs der Laserzündkerze, insbesondere des das Brennraumfenster umgebenden Volumenbereichs, ermöglicht vorteilhaft die Einbringung von halb- und unverbrannten
Kohlenwasserstoffen (beispielsweise in Form von Ruß) in diesen Bereich, so dass eine optimale Unterstützung einer Abreinigung des Brennraumfensters mittels Laserstrahlung möglich ist. Untersuchungen der Anmelderin zufolge bedingen erfindungsgemäß begünstigte Kohlenstoffablagerungen auf der Oberfläche des Brennraumfensters eine einfachere Entfernung von sonstigen, anorganischen Verbrennungsrückständen, die sich während des Betriebs der Laserzündkerze auf der
brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters niederschlagen.
Beispielsweise können durch die erfindungsgemäße Einbringung von
Kohlenstoffverbindungen im Wege der Kühlung des Endbereichs der
Laserzündkerze Kalziumsulfat (CaS04)-Beläge unter Verwendung von
Laserstrahlung abgereinigt werden, wobei die Strahldichte der Laserstrahlung um bis zu eine Größenordnung geringer sein kann im Vergleich zu herkömmlichen Abreinigungsvorgängen, bei denen keine erfindungsgemäß eingebrachten Kohlenstoffverbindungen beziehungsweise Ruß auf der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters vorhanden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 schematisch einen teilweisen Querschnitt einer
erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 2a, 2b unterschiedliche Ausführungsformen von Kühlkörpern für die
Verwendung mit den erfindungsgemäßen Kühlmitteln, und
Figur 3 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100 in einem teilweisen Querschnitt. Die Laserzündkerze 100 wird beispielsweise in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder auch in stationären Großgasmotoren dazu eingesetzt, Laserstrahlung 20 auf einen in einem Brennraum 200 der Brennkraftmaschine angeordneten Zündpunkt ZP gebündelt einzustrahlen, um ein in dem Brennraum 200 befindliches Luft- /Kraftstoffgemisch zu entzünden.
Die Laserstrahlung 20 kann dabei in an sich bekannter Weise lokal in der Laserzündkerze 100 erzeugt werden, beispielsweise unter Verwendung einer Lasereinrichtung 1 10, die u.a. einen laseraktiven Festkörper (nicht gezeigt) und eine passive Güteschaltung aufweist.
Alternativ hierzu kann der Laserzündkerze 100 von einer entfernt angeordneten Laserquelle zugeführte Laserstrahlung durch die Laserzündkerze 100 gebündelt und auf den Zündpunkt ZP eingestrahlt werden.
Während des Betriebs der Laserzündkerze 100 schlagen sich verschiedene Verbrennungsprodukte, insbesondere anorganische Komponenten, die unter anderem aus Additiven des Motoröls der Brennkraftmaschine stammen, auf der dem Brennraum 200 zugewandten Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 der Laserzündkerze 100 nieder.
Es ist bereits bekannt, das Brennraumfenster 120 mit Laserimpulsen hoher Leistungs- bzw. Energiedichte zu beaufschlagen, um derartige anorganische Beläge von dem Brennraumfenster 120 abzureinigen.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Anwesenheit von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen auf der Oberfläche 120a des
Brennraumfensters 120 das Abreinigen begünstigt. Untersuchungen der Anmelderin zufolge sind um bis zu etwa eine Größenordnung geringere
Strahldichten der Laserstrahlung 20 erforderlich, um die vorstehend
beschriebenen Beläge unter Anwesenheit von Kohlenstoff abzureinigen.
Demgegenüber werden bei herkömmlichen Abreinigungsverfahren Strahldichten benötigt, welche in der Größenordnung der Zerstörungsschwelle des Materials des Brennraumfensters 120 liegen.
Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass eine Herabsetzung der Temperatur des in dem Bereich des Brennraumfensters 120 liegenden Volumenbereichs 210 bzw. eines darin befindlichen Fluids während des Betriebs der Laserzündkerze 100 einen Niederschlag von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen im Bereich der Oberfläche 120a des
Brennraumfensters 120 begünstigt. Auf diese Weise können demnach die für ein effizientes Abreinigen erforderlichen Kohlenstoffverbindungen besonders zweckmäßig aus den während der Laserzündung entstehenden
Verbrennungsprodukten gewonnen werden.
Daher verfügt die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 über Mittel 130 zur Kühlung des in dem brennraumzugewandten Endbereich 100a befindlichen Volumenbereichs 210 und/oder eines in dem Volumenbereich 210 befindlichen Mediums wie beispielsweise der Verbrennungsabgase.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel 130 zur Kühlung mindestens einen Kühlkörper 131 auf, der wie aus Figur 1 ersichtlich vorliegend in etwa kreisringförmig ausgebildet ist und vorzugsweise unlösbar mit dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 in ihrem brennraumzugewandten Endbereich 100a verbunden ist.
Der Kühlkörper 131 weist bevorzugt Material auf, das eine verhältnismäßig große Wärmeleitfähigkeit besitzt, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei Raumtemperatur oder mehr; beispielsweise kann Nickel oder eine Nickellegierung hierfür Anwendung finden.
Eine besonders gleichmäßige Kühlung des in dem Endbereich 100a
beziehungsweise dem Volumenbereich 210 anwesenden Mediums ist erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch gegeben, dass der Kühlkörper 131 eine optische Achse OA der Laserzündkerze 100 umgibt, insbesondere konzentrisch umgibt.
Neben der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Kühlwirkung dient der erfindungsgemäße Kühlkörper 131 einer weiteren Erfindungsvariante zufolge gleichzeitig zur Abschirmung der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 vor im Bereich des Zündpunkts ZP entstehenden Verbrennungspartikeln, welche bei ihrem Auftreffen auf die Oberfläche 120a das Brennraumfenster 120 beschädigen könnten. Hierzu ist der Kühlkörper 131 im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet, und ein Innendurchmesser D1 des Kühlkörpers 131 im Bereich seiner brennraumzugewandten Stirnseite 131 a beträgt maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent eines Strahldurchmessers DS (Figur 2a) der mittels der Laserzündkerze 100 abgestrahlten Laserstrahlung 20.
Für eine effiziente Ableitung der in den Kühlkörper 131 eingetragenen
Wärmeenergie können in dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100
Wärmeleitmittel 140 vorgesehen sein, die eine Ableitung von Wärme aus dem brennraumzugewandten Endbereich 100a der Laserzündkerze 100 in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs 100b ermöglichen. Bevorzugt weisen die Wärmeleitmittel 140 Nickel- und/oder Kupfer- und/oder Silbereinlagen 142 bzw. Einlagen aus entsprechenden Legierungen auf, die entweder direkt in dem Innenraum der Laserzündkerze 100 angeordnet sind oder auch direkt in mindestens einen Wandabschnitt des Gehäuses 101 der Laserzündkerze 100 integriert sein können.
Die Wärmeleitmittel 140 können auch ein fluidbasiertes System aufweisen, insbesondere auch ein oder mehrere Wärmerohre oder dergleichen.
Der Kühlkörper 131 ist vorzugsweise unlösbar, insbesondere stoffschlüssig, so mit dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 verbunden, dass er in gutem thermischem Kontakt mit den Wärmeleitmitteln 140 bzw. Einlagen 142 steht.
Die Wärmeleitmittel 140 weisen einen Kontaktbereich 141 auf, der bei einer Einbaulage der Laserzündkerze 100 in einem Zylinderkopf (nicht gezeigt) einer Brennkraftmaschine einen guten thermischen Kontakt herstellt mit dem
Zylinderkopf, so dass eine effiziente Ableitung von in die Laserzündkerze 100, insbesondere in den Kühlkörper 131 , eingetragener Wärme möglich ist.
Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf die brennraumzugewandte Stirnseite 131 a (Figur 1 ) des Kühlkörpers 131 . Aus Figur 2a ist ersichtlich, dass der
Innendurchmesser D1 des Kühlkörpers 131 im Bereich der Stirnfläche 131 a (Figur 1 ) nur unwesentlich größer ist als der Strahldurchmesser DS der
Laserstrahlung 20, so dass sich ein effektiver Schutz der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 vor Partikeln ergibt, die von dem Zündpunkt ZP oder sonstigen Bereichen des Brennraums 200 ausgehen können. Der Innendurchmesser D1 beträgt einer Ausführungsform zufolge maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent des Strahldurchmessers DS.
Besonders bevorzugt ist der Innendurchmesser D1 des Kühlkörpers 131 im Bereich der brennraumzugewandten Stirnseite 131 a (Figur 1 ) kleiner als ein Innendurchmesser D2 des Kühlkörpers 131 im Bereich der
brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers 131 , so dass sich eine effiziente Kühlung des Volumens 210 und eine zweckmäßige Formanpassung des Innenbereichs des Kühlkörpers 131 an die von der Laserzündkerze 100 abgestrahlte Laserstrahlung 20 ergeben.
Figur 2b zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Variante eines
erfindungsgemäßen Kühlkörpers 131 , bei dem insgesamt vier sich radial erstreckende Schlitzungen 131 ' vorgesehen sind, welche eine verbesserte Fluidkommunikation zwischen dem Brennraum 200 (Figur 1 ) und dem durch den Kühlkörper 131 umgebenen Volumenbereich 210 ermöglichen, so dass eine effiziente Spülung des Volumenbereichs 210 mit Frischgas möglich ist. Dadurch kann vorteilhaft die Ausbildung eines Restgaspolsters im Bereich der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 verhindert werden, was dazu beiträgt, dass die Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 nicht durch ein frühzeitiges Quenching der Flamme verrußt.
Alternativ zu den Schlitzungen 131 ' können auch eine oder mehrere Bohrungen (nicht gezeigt) in dem Kühlkörper 131 vorgesehen sein, um einen verbesserten Fluidaustausch zwischen dem Brennraum 200 und dem Volumenbereich 210 zu ermöglichen.
Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt 300 wird der Volumenbereich 210 beziehungsweise ein darin befindliches Medium gekühlt, vorzugsweise bis auf eine Temperatur von etwa unter 350° C bis etwa unter 300° C. Dadurch ergeben sich vorteilhaft Niederschläge von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen im Bereich der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120. Diese Kohlenstoffniederschläge ermöglichen ein einfacheres Abreinigen des Brennraumfensters 120, das in dem weiteren Schritt 310 dadurch bewerkstelligt wird, dass die Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 mit Laserimpulsen 20 hoher Leistungs- bzw. Energiedichte beaufschlagt wird.
Die benötigte Laserstrahldichte zur Abreinigung ist generell abhängig von dem Belagmaterial. Insbesondere anorganische Beläge, die unter anderem aus den Additiven von Motoröl und dergleichen stammen, sind nur mit sehr hohen Strahldichten, die bei herkömmlichen Reinigungsverfahren nahe an den
Zerstörschwellen des Materials des Brennraumfensters 120 liegen, abzureinigen. Die erfindungsgemäß ermöglichte Einbringung von Kohlenstoff in die parasitären Beläge des Brennraumfensters 120 ermöglicht vorteilhaft eine Reduktion der zur Abreinigung erforderlichen Strahldichte. Insbesondere CaS04-haltige Beläge werden durch die erfindungsgemäße Hinzufügung von Kohlenstoffverbindungen derart konditioniert, dass vorteilhaft nur noch eine um bis zu etwa eine
Größenordnung geringere Strahldichte für die Reinigung verwendeten
Laserstrahlung erforderlich ist.
Generell kann unter Anwendung des Erfindungsgedankens die Konstruktion des brennraumzugewandten Endbereichs 100a der Laserzündkerze 100 daraufhin optimiert werden, dass eine effiziente Kühlung des Volumenbereichs 210 möglich ist, um halb- und unverbrannte Kohlenwasserstoffverbindungen im Bereich des Brennraumfensters 120 zu erzeugen. Die hieraus entstehenden
Kohlenstoffanteile in dem sich auf der Oberfläche 120 abbildenden Belag anorganischer Verbrennungsrückstände ermöglichen vorteilhaft eine effiziente Abreinigung mittels Laserstrahlung 20 ohne eine gleichzeitige Zerstörung des Brennraumfensters 120.
Insbesondere in einem Temperaturbereich von etwa 300° C bis etwa 350° C ist eine besonders effiziente Ablagerung von Kohlenstoff beziehungsweise
Kohlenstoffverbindungen auf der Brennraumfensteroberfläche 120a möglich.
Die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Kühlung ermöglichen eine effiziente Reduktion der Temperatur im Volumenbereich 210 vor dem Brennraumfenster 120, so dass ein kontrolliertes Verlöschen von Flammen vor dem
Brennraumfenster 120 bei der Laserzündung erreicht wird. Darüberhinaus ist es wichtig, eine hinreichende Menge von Frischgemisch zu dem Brennraumfenster 120 zu transportieren, damit es nicht zu einem Restgaspolster vor dem
Brennraumfenster 120 kommt, das ein Verrußen des Fensters 120 durch frühzeitiges Quenching der Flamme verhindert.
Der Bildung des Restgaspolsters kann durch die erfindungsgemäß vorgesehen Schlitzung 131 ' (Figur 2b) in dem Kühlkörper 131 und/oder durch weitere Bohrungen in dem Kühlkörper 131 begegnet werden.
Gleichzeitig ist jedoch darauf zu achten, dass eine zu starke Anströmung des Brennraumfensters 120 durch aus dem Brennraum 200 stammendes Fluid vermieden wird, damit sich keine Partikel aus dem Verbrennungsprozess auf dem Brennraumfenster 120 ablegen. Dies wird durch die in Figur 1 beispielhaft abgebildete Geometrie des Kühlkörpers 131 ermöglicht.
Eine im Bezug auf die Stirnfläche 131 a (Figur 1 ) des Kühlkörpers 131 zurückgezogene Einbaulage des Brennraumfensters 120 in der Laserzündkerze 100 ermöglicht auf eine besonders einfache Art eine Reduzierung der
Temperatur im Bereich des Brennraumfensters 120.
Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 wird bevorzugt bei
Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und stationären (Groß-)Gasmotoren oder auch (Gas-)Turbinen eingesetzt.

Claims

Ansprüche
Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) angeordneten Brennraumfenster (120), gekennzeichnet durch Mittel (130) zur Kühlung eines in dem Bereich des Brennraumfensters (120) befindlichen Volumenbereichs (210) und/oder eines in dem Volumenbereich (210) befindlichen Mediums.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kühlung (130) einen Kühlkörper (131 ) aufweisen, der Material mit einer verhältnismäßig großen Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei
Raumtemperatur oder mehr.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (131 ) Nickel oder eine Nickellegierung aufweist, insbesondere im wesentlichen vollständig aus Nickel oder einer Nickellegierung gebildet ist.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kühlung (130), insbesondere mindestens ein Kühlkörper (131 ), eine optische Achse (OA) der
Laserzündkerze (100) umgibt, insbesondere konzentrisch umgibt.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (131 ) im wesentlichen kreisringförmig ausgebildet ist, und dass ein Innendurchmesser (D1 ) des Kühlkörpers (131 ) im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite (131 a) des Kühlkörpers (131 ) maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent eines Strahldurchmessers (DS) von mittels der Laserzündkerze (100) abgestrahlter Laserstrahlung (20) beträgt.
Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendurchmesser (D1 ) des Kühlkörpers (131 ) im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite (131 a) des Kühlkörpers (131 ) kleiner ist als ein Innendurchmesser (D2) des Kühlkörpers (131 ) im Bereich einer brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers (131 ).
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeleitmittel (140) vorgesehen sind, die eine Ableitung von Wärme aus einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs (100b) ermöglichen, wobei die Wärmeleitmittel (140) vorzugsweise in einem Innenraum der Laserzündkerze (100) angeordnet sind und/oder direkt in mindestens einen Wandabschnitt eines Gehäuses (101 ) der Laserzündkerze (100) integriert sind.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kühlung (130) in thermischem Kontakt stehen zu den
Wärmeleitmitteln (140).
Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem
brennraumzugewandten Endbereich (100a) angeordneten Brennraumfenster (120), dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Bereich des
Brennraumfensters (120) befindlicher Volumenbereich (210) und/oder ein in dem Volumenbereich (210) befindliches Medium, gekühlt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa unter 350 °C bis etwa unter 300 °C.
0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) angeordnete Mittel (130) zur Kühlung verwendet werden.
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