WO2011069731A1 - Zündeinrichtung - Google Patents

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WO2011069731A1
WO2011069731A1 PCT/EP2010/065814 EP2010065814W WO2011069731A1 WO 2011069731 A1 WO2011069731 A1 WO 2011069731A1 EP 2010065814 W EP2010065814 W EP 2010065814W WO 2011069731 A1 WO2011069731 A1 WO 2011069731A1
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WO
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laser
exhaust gas
combustion chamber
ignition device
internal combustion
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/065814
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Juergen Raimann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP10773022A priority Critical patent/EP2510222A1/de
Priority to US13/513,747 priority patent/US20120304958A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/045—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions combined with electronic control of other engine functions, e.g. fuel injection
    • 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
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/1023—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s)
    • F02B19/1028—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s) pre-combustion chamber and cylinder having both intake ports or valves, e.g. HONDS CVCC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D21/00—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas
    • F02D21/06—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air
    • F02D21/08—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air the other gas being the exhaust gas of engine
    • 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
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • 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 ignition device for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, a control and / or regulating device and a computer program according to the preambles of the independent claims.
  • This de-throttling in the intake ducts can also be improved by "diluting" the stoichiometric air-fuel mixture with exhaust gas, which is referred to as exhaust gas recirculation (EGR), thereby increasing the efficiency of the internal combustion engine
  • EGR exhaust gas recirculation
  • Exhaust gas recirculation has the positive side effect that the Combustion temperature and thus the nitrogen oxide raw emission decreases, which can cause a reduction of the catalyst sizes.
  • Ignition voltage correlates with the density at ignition timing.
  • An increase in the ignition voltage offer means reduced reliability with increased size and increased weight.
  • a large part of the energy stored in the ignition coil is required in order to charge the secondary-side capacitances until spark arrest occurs.
  • the laser ignition device comprises a
  • the laser ignition device has a substantially cylindrical prechamber which has a plurality of overflow channels as a connection between the prechamber and the combustion chamber of the internal combustion engine. Through the overflow channels, a generated flame core can escape from the pre-chamber and then enter into the combustion chamber in the form of torches, which ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber.
  • the present invention differs from the aforementioned prior art in that a blowing device is provided in the laser ignition device, wherein an outlet opening of the blowing device opens into the prechamber.
  • the laser spark plug and the blowing device are advantageously arranged in a common housing.
  • the injection device is designed as a controllable directional control valve and blows exhaust gas into the prechamber in an opened state.
  • the volume of the prechamber can be reduced relative to the known laser ignition devices and can preferably be between 0.5 cm 3 and 2 cm 3 . This leads to a
  • the invention is further based on the idea of forming a stoichiometric prechamber mixture with residual gas and injected exhaust gas and then igniting it by means of the laser ignition device and to burn. This creates an excess pressure in the pre-chamber relative to the combustion chamber, so that the air-fuel mixture of the combustion chamber is reliably and quickly inflamed by the emerging from the openings of the antechamber torches.
  • the pre-chamber can blow due to the chemically driven amplification of the ignition in the form of flares in the combustion chamber and extremely lean mixtures fast enough and in this capacity is far superior to any conventional ignition system with spark plugs. This leads to a significant fuel economy, but also to a reduction in nitrogen oxide raw emissions.
  • the invention is characterized by a special high-voltage strength and a reduction of the required installation space.
  • An important advantage of the laser ignition is also the fact that the ignition takes place just in front of the openings of a low-residue ignition location, the antechamber, and ensures safe ignition. In addition, a very lean air-fuel mixture can be safely ignited.
  • the at least one opening radially and / or tangentially in a wall of the prechamber and / or in the center of a
  • Combustion chamber facing bottom plate of the antechamber is arranged.
  • Openings are in operation the connection between the prechamber and the combustion chamber and act as overflow holes for the flamed in the antechamber air-fuel mixture, which penetrates in the form of torches in the combustion chamber.
  • the geometric properties of the openings such as the number, location, orientation and cross-section of the aperture's shape (torch length and torch width) and the flame direction of the torch.
  • the number of openings is preferably between three and seven openings, wherein the number of openings and their orientation and the geometric properties of the geometry of the combustion chamber are to be adjusted.
  • an exhaust gas quantity blown into the prechamber via the blowing device is controlled.
  • the control is preferably carried out via a map.
  • the procedure necessary for this is controlled or controlled by a control and / or regulating device of the internal combustion engine.
  • the method is advantageously designed such that, in operation, exhaust gas is blown into the prechamber after a threshold value of an exhaust gas recirculation rate in the combustion chamber has fallen below a threshold value.
  • the injection quantity of exhaust gas into the pre-chamber is determined by the characteristic field, depending on the current operating point of the internal combustion engine.
  • the map essentially represents the
  • the antechamber is flushed defined by the blowing device, so that reduced after ignition of the pressure increase in the antechamber due to the then there slower energy conversion and thus the torch reach is adjusted in the combustion chamber. This prevents the torch reach in the combustion chamber of the internal combustion engine without exhaust rinsing of the prechamber of the torches emerging from the prechamber from being too extensive, and thus the
  • Length of the torches in dependence on a load according to the invention is controllable.
  • laser ignitions according to the invention with prechambers can be used in almost all car applications.
  • Injection quantity is different.
  • Engine cycle may be provided as in one or all stationary load / load conditions. Also possible is the provision of multiple laser pulses per
  • Engine cycle per combustion chamber in said phases wherein in one or all stationary load state / load conditions only one laser pulses per engine cycle per combustion chamber is provided.
  • the specific adjustments of the insufflations and the laser pulses are made such that an emerging from the antechamber torch length is adapted to the length of the combustion chamber, in particular adjusted.
  • the optimization of an emission, in particular NOx emission and / or particle emission is possible.
  • the optimization of the ignition safety, especially when burning a rich or enriched in comparison to one or all stationary load / load conditions fuel-air mixture, according to the invention is possible in the phases mentioned.
  • enrichment of the fuel-air mixture by an appropriate injection in particular in the above
  • Figure 1 a is a schematic diagram of an internal combustion engine with a laser-based ignition device
  • Figure 1 b is a schematic representation of the ignition device of Figure 1 a;
  • FIG. 2 is a detailed view of an ignition device according to the invention in a vertical section
  • FIG. 3 shows a flowchart of the method.
  • Figures 1 a and 1 b show the known environment of the invention.
  • Internal combustion engine carries in Figure 1 a total of the reference numeral 10. It can be used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the internal combustion engine 10 usually comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is of a
  • Fuel passes into the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated as a rail fuel pressure accumulator 20th
  • an air-fuel mixture may also be formed outside the combustion chamber 14, for example in a suction pipe (not shown).
  • the present in the combustion chamber 14 air-fuel mixture 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is radiated from a laser spark plug 26 comprising a laser ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the ignition in the combustion chamber 14 can also be prepared in an antechamber (not shown in FIG. 1) upstream of the combustion chamber.
  • the laser spark plug 26 is connected via a
  • Fiber optic device 28 fed with a pumping light, which of a
  • the pumping light source 30 is provided.
  • the pumping light source 30 is of a
  • Control unit 32 which is designed as a control and / or regulating device, controlled, which can also control the injector 18.
  • the pumping light source 30 feeds several
  • Pumplichtario 30 a plurality of individual pump laser light sources 34 which are connected to a pulse power supply 36. Due to the presence of a plurality of individual pump laser light sources 34, the pumping light is distributed as it were "dormant" to the various laser spark plugs 26, so that no optical distributor or the like between the pumping light source 30 and the laser spark plugs 26 are required.
  • the laser spark plug 26 has, for example, a laser-active solid 44 with a passive Q-switching circuit 46, which forms an optical resonator together with a coupling-in mirror 42 and an output mirror 48.
  • Exit window 58 for the laser pulses 24 from the combustion chamber 14 (or,
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of a device according to the invention
  • Laser ignition 27 in a vertical section The illustrated
  • Laser ignition device 27 includes the laser spark plug 26 with the exit window 58 for the laser pulses 24.
  • the laser ignition device 27 includes a separately arranged injection device 60 for exhaust gas, which is designed as a controllable by the controller 32 directional control valve.
  • An exit port 62 is disposed longitudinally at a free end of the inflator 60.
  • the blowing device 60 has a separate housing 64.
  • the laser spark plug 26 and the injection device 60 are integrated at an acute angle to each other in a common housing 66 which is screwed with a thread 68 in a designated opening of a cylinder head 70 of the internal combustion engine 10.
  • Alternative mounting options such as by a
  • Bayonet catch or a Spannpratze are also possible.
  • the ignition ZP of the laser spark plug 26 is located in a cylindrical insert, which serves as an antechamber 72 for the laser ignition device 27.
  • the pre-chamber 72 is installed in the housing 68 or integrated in the housing 68.
  • the outlet opening 62 of the laser spark plug 26 is located in a cylindrical insert, which serves as an antechamber 72 for the laser ignition device 27.
  • Einblasvortechnisch 60 also opens into the antechamber 72.
  • the prechamber 72 in addition to the laser spark plug 26 and the blowing device 60 is an integral part of the laser ignition 27.
  • the pre-chamber 72 includes a cylindrical side portion 74, the in
  • Figure 2 is closed at the bottom of a bottom plate 76, wherein the
  • the openings 78 may be radial and / or tangential to walls 74 and 76 of the antechamber 72 and / or centrally in the Floor plate 76 may be arranged.
  • the openings 78 may be aligned obliquely or perpendicular to the side region 74 or to the bottom plate 76.
  • Figure 3 shows a flowchart of the process of the method, wherein the basic method for igniting an air-fuel mixture in a
  • Combustion chamber via a laser ignition device with prechamber is assumed to be known.
  • an exhaust gas recirculation rate in the combustion chamber 14 is determined and compared with a stored in the control unit 32 threshold.
  • step 1 If the exhaust gas recirculation rate is below the threshold value, in step 1 10, the injection quantity of exhaust gas into the antechamber 72 becomes dependent on a current one
  • the map essentially represents the
  • Injection quantity of exhaust gas into the antechamber 72 As Einblaszeittician the beginning of a compression phase of the internal combustion engine 10 is preferably selected. As a result, the antechamber 72 is flushed in a defined manner via the blowing device 60, so that after ignition the pressure increase in the prechamber 72 is reduced as a result of the then slower energy conversion and thus the torch reach is adapted to the combustion chamber 14.
  • the outlet opening 62 of the injection device 60 is closed in step 120, so that no exhaust gas can flow into the pre-chamber 70. In this case, the optimum torch range can be achieved without exhaust gas flushing.
  • step 1 10 or 120 fuel is also injected into the prechamber 72.
  • a determined by the control unit 32 air-fuel mixture is conveyed into the combustion chamber 14 by known methods, which is ignited in step 130 by igniting the pre-chamber charge through the apertures 78 escaping flared torches 80 in the working cycle of the internal combustion engine 10.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10). Die Laserzündeinrichtung (27) umfasst eine Laserzündkerze (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44) und einem Austrittsfenster (58) für einen Laserimpuls (24), und eine Vorkammer (72). Die Vorkammer (72) wird bereichsweise von dem Austrittsfenster (58) begrenzt und weist mindestens eine Öffnung (78) zu einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) auf. Eine Einblasvorrichtung (60) ist vorgesehen, wobei eine Austrittsöffnung (62) der Einblasvorrichtung (60) in der Vorkammer (72) mündet.

Description

Beschreibung
Titel
Zündeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.
Stand der Technik
Das Betreiben von Brennkraftmaschinen wird derzeit weitgehend durch eine Hochspannungszündung über eine meist zentral angeordnete Zündkerze zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches realisiert. Dabei wird zunehmend das sogenannte Downsizing kombiniert mit einer Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt, um eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen. Dabei wird für die Verbrennung ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda = 1 ) angestrebt, weil dabei z.B. die bereits etablierte Drei-Wege-Katalysator-Technik zur Abgasreinigung vorteilhaft genutzt werden kann. Die durch das Downsizing erreichte Verbrauchsreduzierung ist aber auch Folge einer sog. Entdrosselung, also einer Reduzierung der Strömungswiderstände in den Ansaugkanälen der Brennkraftmaschine. Diese Entdrosselung in den Ansaugkanälen kann auch dadurch verbessert werden, dass das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Abgas„verdünnt" wird. Dieser Vorgang wird als Abgasrückführung (AGR) bezeichnet. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden. Die
Abgasrückführung hat den positiven Nebeneffekt, dass die Verbrennungstemperatur und somit die Stickoxid- Rohemission absinkt, was eine Reduktion der Katalysatorgrößen bewirken kann.
Das Konzept der Entdrosselung und Abgasrückführung weist jedoch auch Nachteile auf. Da hohe Abgasrückführraten eine Verdünnung des
stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs bedeuten, werden dadurch sowohl die Flammkernbildung als auch ein ausreichend schnelles Durchbrennen des Luft- Kraftstoff-Gemischs schwierig. Zur sicheren Flammkernbildung müssen daher z.B. Zündanlagen mit gesteigerter Energie und Zündspannung verwendet werden. Das ausreichend schnelle Durchbrennen kann bspw. durch
Strömungserhöhung (z. B. durch Zuschalten von Drall- und/oder
Tumbleströmungserzeugern) realisiert werden.
Ein weiterer Schwachpunkt der Downsizing- Konzepte besteht im hohen
Zündspannungsbedarf der künftig zunehmend höher aufgeladenen Motoren. Die
Zündspannung korreliert mit der Dichte zum Zündzeitpunkt. Eine Steigerung des Zündspannungsangebots bedeutet reduzierte Zuverlässigkeit bei erhöhter Baugröße und erhöhtem Gewicht. Zudem wird bei hohen Zündspannungen ein Großteil der in der Zündspule gespeicherten Energie benötigt, um bis zum Funkendurchbruch die sekundärseitigen Kapazitäten aufzuladen.
Diese Energie korreliert mit der Zündspannung im Quadrat und lässt sich nicht zur Flammkernbildung nutzen, weil sie in Entstör- und Abbrandwiderständen umgesetzt wird. Jedoch erzeugt der daraus folgende gesteigerte Strom eine ungewollte drastische Erhöhung eines Elektrodenabbrands, der zudem noch in der sogenannten Nachentladungsphase des Funkens durch Bogenphasen mit Aufschmelzen der Funkenfußpunkte weiter erhöht wird. Zudem besteht bei den hohen Zündspannungen die Gefahr von Gleitentladungen von der Mittelelektrode über den Keramikisolator zum Kerzengehäuse mit einer großen
Wahrscheinlichkeit von Funkeneingrabungen in die Keramik mit der Folge von
Fehlzündungen. Um die bekannten Nachteile der Zündung durch Zündkerzen zumindest teilweise zu umgehen, sind Laserzündeinrichtungen entwickelt worden, die eine flexiblere und zuverlässigere Anwendung zulassen.
Aus der DE 10 2006 018 973 A1 ist eine Laserzündeinrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Brennraum in einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Laserzündeinrichtung in den Brennraum der
Brennkraftmaschine hineinragt. Die Laserzündeinrichtung umfasst einen
Zündlaser, der über einen Lichtleiter von einer Pumplichtquelle optisch versorgt wird. Außerdem weist die Laserzündeinrichtung eine im Wesentlichen zylindrische Vorkammer auf, welche mehrere Überströmkanäle als Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist. Durch die Überströmkanäle kann ein erzeugter Flammkern aus der Vorkammer austreten und anschließend in Form von Fackeln in den Brennraum eintreten, die das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum zünden.
Offenbarung der Erfindung
Um die Vorteile der zuvor beschriebenen Konzepte in Verbindung mit der Laserzündeinrichtung vorteilhaft nutzen zu können, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem eingangs genannten Stand der Technik darin, dass eine Einblasvorrichtung in der Laserzündeinrichtung vorgesehen ist, wobei eine Austrittsöffnung der Einblasvorrichtung in der Vorkammer mündet. Die Laserzündkerze und die Einblasvorrichtung sind dabei vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Einblasvorrichtung ist als steuerbares Wegeventil ausgebildet und bläst in einem geöffneten Zustand dosiert Abgas in die Vorkammer. Dadurch kann das Volumen der Vorkammer relativ zu den bekannten Laserzündeinrichtungen verringert werden und kann bevorzugt zwischen 0,5 cm3 und 2 cm3 betragen. Dies führt zu einem
verringerten Bauraumbedarf sowie reduzierten Herstellungskosten.
Der Erfindung liegt des Weiteren die Idee zu Grunde, ein stöchiometrisches Vorkammergemisch mit Restgas und eingeblasenem Abgas zu bilden und es anschließend mittels der Laserzündeinrichtung zu entflammen und zu verbrennen. Dadurch entsteht ein Uberdruck in der Vorkammer relativ zum Brennraum, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch des Brennraums durch die aus den Öffnungen der Vorkammer austretende Fackeln sicher und schnell entflammt wird.
Die Auslegung der Vorkammerzündung erfolgt immer mit der Zielsetzung, dass die Fackeln die Zylinderwand der Brennkraftmaschine gerade nicht erreichen. Dadurch stellen sich einerseits kurze Flammwege bei der Verbrennung im Brennraum ein und andererseits werden die Turbulenz und damit die
Brenngeschwindigkeit erhöht. Beides reduziert bei hoher Abgasrückführrate die Dauer der Verbrennung (Ladungsumsatz) und bewirkt so vorteilhafterweise eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads.
Die Vorkammer kann infolge der chemisch getriebenen Verstärkung der Zündung in Form von Fackeln im Brennraum auch extrem magere Gemische schnell genug durchbrennen und ist in dieser Eigenschaft jedem herkömmlichen Zündsystem mit Zündkerzen weit überlegen. Dies führt zu einer wesentlichen Kraftstoffersparnis, aber auch zu einer Reduzierung Stickoxid-Rohemissionen.
Im Gegensatz zu konventionellen Hochspannungszündungen zeichnet sich die Erfindung durch eine besondere Hochspannungsfestigkeit und eine Reduktion des benötigten Bauraums aus. Ein wesentlicher Vorteil der Laserzündung liegt auch darin, dass die Zündung dicht vor den Öffnungen eines restgasarmen Entflammungsorts, der Vorkammer, stattfindet und eine sichere Entflammung gewährleistet. Zudem kann ein sehr mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch sicher entzündet werden.
Außerdem ist vorteilhaft, dass die mindestens eine Öffnung radial und/oder tangential in einer Wandung der Vorkammer und/oder mittig in einer zum
Brennraum zeigenden Bodenplatte der Vorkammer angeordnet ist. Die
Öffnungen stellen im Betrieb die Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Brennraum dar und wirken als Überströmbohrungen für das in der Vorkammer entflammte Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in Form von Fackeln in den Brennraum eindringt. Dabei beeinflussen die geometrischen Eigenschaften der Öffnungen, wie die Anzahl, die Lage, die Ausrichtung und der Querschnitt der Öffnung die Form (Fackellänge und Fackelbreite) und die Flammrichtung der Fackel. Die Anzahl der Öffnungen liegt bevorzugt zwischen drei und sieben Öffnungen, wobei die Anzahl der Öffnungen sowie ihre Ausrichtung und die geometrischen Eigenschaften der Geometrie des Brennraums anzupassen sind.
Um einen möglichst flexiblen Einsatz der Erfindung zu erlangen, ist besonders vorteilhaft, dass in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine eine über die Einblasvorrichtung in die Vorkammer eingeblasene Abgasmenge gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt dabei bevorzugt über ein Kennfeld. Das dazu notwenige Verfahren wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine gesteuert bzw. geregelt. Durch das Verfahren und den zuvor genannten geometrischen Voraussetzungen ist es möglich, die zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum nötigen Fackeln den aktuellen
Gegebenheiten beim Betrieb der Brennkraftmaschine optimal anzupassen.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass im Betrieb nach einem Unterschreiten eines Schwellwertes einer Abgasrückführrate im Brennraum Abgas in die Vorkammer eingeblasen wird. Die Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer wird je nach dem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch das Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld stellt im Wesentlichen den
Zusammenhang zwischen der Abgasrückführrate im Brennraum zur
Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer her. Zusätzliche Betriebsparameter, die die Einblasmenge beeinflussen, können dabei bei Bedarf berücksichtigt werden. Als Einblaszeitpunkt wird bevorzugt der Beginn einer
Kompressionsphase der Brennkraftmaschine gewählt. Durch das Verfahren wird die Vorkammer über die Einblasvorrichtung definiert gespült, so dass nach der Zündung der Druckanstieg in der Vorkammer infolge des dann dort langsameren Energieumsatzes reduziert und somit die Fackelreichweite im Brennraum angepasst wird. Damit wird verhindert, dass die Fackelreichweite im Brennraum der Brennkraftmaschine ohne Abgasspülung der Vorkammer der aus der Vorkammer austretenden Fackeln zu weitreichend wäre und somit den
Gesamtumsatz zu stark beschleunigen würde. Nach einem Überschreiten des Schwellwertes der Abgasrückführrate im
Brennraum wird kein Abgas in die Vorkammer eingeblasen, da in diesem Fall ohne Abgasspülung die optimale Fackelreichweite erzielt werden kann. Die Erfindung ermöglicht einen weitreichenden Einsatz in Kraftfahrzeugen, da die
Länge der Fackeln in Abhängigkeit von einer Last erfindungsgemäß steuerbar ist. Dies führte dazu, dass erfindungsgemäße Laserzündungen mit Vorkammern in nahezu allen PKW-Anwendungen einsetzbar sind.
Jedoch auch in anderen Anwendungen, zum Beispiel in stationären Gasmotoren oder Großgasmotoren, die insbesondere der Erzeugung von elektrischem Strom dienen, oder in derartigen Motoren, die dem Antrieb einer beliebigen Maschine oder eines beliebigen Fahrzeugs, insbesondere eines Schiffes dienen, ist der Einsatz der Erfindung möglich.
Insbesondere in Beschleunigungsphasen oder in Phasen, in denen ein Übergang zwischen verschiedenen Lastpunkten erfolgt, und/oder beim Starten eines Motors, insbesondere einer Stationärmaschine oder eines Schiffes, ist vorgesehen, eine Einblasung vorzusehen, die sich von einer Einblasung, die in einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen vorgesehen ist, zumindest hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und/oder ihrer
Einblasungsmenge unterscheidet.
Zusätzlich zur Anpassung der Einblasung oder alternativ zu dieser ist es auch möglich, in den genannten Phasen die Anzahl der Laserimpulse pro Motorzyklus abweichend von einer Anzahl der Laserimpulse pro Motorzyklus, die einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen vorgesehen ist, vorzusehen.
Insbesondere können in den genannten Phasen mehr Laserimpulse pro
Motorzyklus als in einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen vorgesehen sein. Auch möglich ist die Vorsehung mehrerer Laserimpulse pro
Motorzyklus pro Brennraum in den genannten Phasen, wobei in einem oder allen stationären Lastzustand/ Lastzuständen nur ein Laserimpulse pro Motorzyklus pro Brennraum vorgesehen ist. Die spezifischen Anpassungen der Einblasungen und der Laserimpulse erfolgen derart, dass eine aus der Vorkammer austretende Fackellänge an die Länge des Brennraums angepasst, insbesondere angeglichen wird. Zusätzlich oder alternativ ist die Optimierung einer Emission, insbesondere NOx-Emission und/oder Partikelemission, möglich. Auch die Optimierung der Zündsicherheit, insbesondere bei Verbrennung eines fetten oder im Vergleich zu einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen angefetteten Kraftstoff-Luftgemisch, ist in den genannten Phasen erfindungsgemäß möglich. Andererseits ist, insbesondere bei Stationärmotoren, eine Anfettung des Kraftstoff-Luftgemischs auch durch eine entsprechende Einblasung, insbesondere in den genannten
Phasen, erreichbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in
schematischer Form: Figur 1 a eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung;
Figur 1 b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 a;
Figur 2 eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung in einem Vertikalschnitt; und
Figur 3 ein Flussdiagramm des Verfahrens. Die Figuren 1 a und 1 b zeigen das bekannte Umfeld der Erfindung. Eine
Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 a nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem
Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20
angeschlossen ist. Alternativ kann ein Luft-Kraftstoff-Gemisch auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel in einem Saugrohr (nicht dargestellt), gebildet werden.
Das im Brennraum 14 vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Laserzündkerze 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Die Zündung im Brennraum 14 kann auch in einer dem Brennraum vorgelagerten Vorkammer (in Figur 1 nicht dargestellt) vorbereitet werden. Die Laserzündkerze 26 wird über eine
Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer
Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem
Steuergerät 32, das als Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgebildet ist, gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuern kann.
Wie aus Figur 1 b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere
Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Laserzündkerzen 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die
Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Pumplaserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein mehrerer einzelner Pumplaserlichtquellen 34 wird das Pumplicht gleichsam„ruhend" an die verschiedenen Laserzündkerzen 26 verteilt, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Laserzündkerzen 26 erforderlich sind.
Die Laserzündkerze 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter
Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (oder in einer nicht
dargestellten Vorkammer) befindlichen Zündort ZP fokussiert ist. Die in einem
Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein
Austrittsfenster 58 für die Laserimpulse 24 von dem Brennraum 14 (bzw.,
Vorkammer) getrennt.
Figur 2 zeigt eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung 27 in einem Vertikalschnitt. Die dargestellte
Laserzündeinrichtung 27 umfasst die Laserzündkerze 26 mit dem Austrittsfenster 58 für die Laserimpulse 24. Außerdem umfasst die Laserzündeinrichtung 27 eine separat angeordnete Einblasvorrichtung 60 für Abgas, die als ein vom Steuergerät 32 steuerbares Wegeventil ausgebildet ist. Eine Austrittsöffnung 62 ist in Längsrichtung an einem freien Ende der Einblasvorrichtung 60 angeordnet. Die Einblasvorrichtung 60 weist ein separates Gehäuse 64 auf.
Die Laserzündkerze 26 sowie die Einblasvorrichtung 60 sind in einem spitzen Winkel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse 66 integriert, das mit einem Gewinde 68 in eine dafür vorgesehene Öffnung eines Zylinderkopfs 70 der Brennkraftmaschine 10 eingedreht ist. Alternative Befestigungsmöglichkeiten, wie bspw. durch einen
Bajonettverschluss oder eine Spannpratze, sind auch möglich.
Der Zündort ZP der Laserzündkerze 26 liegt in einem zylindrischen Einsatz, der als Vorkammer 72 für die Laserzündeinrichtung 27 dient. Die Vorkammer 72 ist in das Gehäuse 68 eingebaut bzw. in dem Gehäuse 68 integriert. Die Austrittsöffnung 62 der
Einblasvorrichtung 60 mündet ebenfalls in der Vorkammer 72. Damit ist die Vorkammer 72 neben der Laserzündkerze 26 und der Einblasvorrichtung 60 integraler Bestandteil der Laserzündeinrichtung 27. Die Vorkammer 72 umfasst dabei einen zylindrischen Seitenbereich 74, der in
Figur 2 nach unten von einer Bodenplatte 76 abgeschlossen ist, wobei die
Bodenplatte 76 in einem Randbereich schräg nach unten verlaufende Öffnungen 78 zum Brennraum 14 hin aufweist. Die Öffnungen 78 können radial und/oder tangential an Wandungen 74 und 76 der Vorkammer 72 und/oder mittig in der Bodenplatte 76 angeordnet sein. Die Öffnungen 78 können dabei schräg oder senkrecht zum Seitenbereich 74 bzw. zur Bodenplatte 76 ausgerichtet sein.
Figur 3 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf des Verfahrens, wobei das prinzipielle Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem
Brennraum über eine Laserzündeinrichtung mit Vorkammer als bekannt vorausgesetzt wird.
In der Abfrage 100 wird eine Abgasrückführrate im Brennraum 14 ermittelt und mit einem im Steuergerät 32 abgelegten Schwellwert verglichen.
Liegt die Abgasrückführrate unter dem Schwellwert, wird in Schritt 1 10 die Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer 72 je nach einem aktuellen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 durch ein im Steuergerät 32
abgelegtes Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld stellt im Wesentlichen den
Zusammenhang zwischen der Abgasrückführrate im Brennraum 14 zur
Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer 72 her. Als Einblaszeitpunkt wird bevorzugt der Beginn einer Kompressionsphase der Brennkraftmaschine 10 gewählt. Dadurch wird die Vorkammer 72 über die Einblasvorrichtung 60 definiert gespült, so dass nach der Zündung der Druckanstieg in der Vorkammer 72 infolge des dann dort langsameren Energieumsatzes reduziert und somit die Fackelreichweite dem Brennraum 14 angepasst wird.
Liegt die Abgasrückführrate über dem Schwellwert, wird in Schritt 120 die Austrittsöffnung 62 der Einblasvorrichtung 60 geschlossen, so dass kein Abgas in die Vorkammer 70 einströmen kann. In diesem Fall kann ohne Abgasspülung die optimale Fackelreichweite erzielt werden.
Parallel zu Schritt 1 10 oder 120 wird auch Kraftstoff in die Vorkammer 72 gespritzt. Außerdem wird nach bekannten Verfahren ein vom Steuergerät 32 ermitteltes Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum 14 gefördert, das in Schritt 130 durch Zünden der Vorkammerladung durch aus den Öffnungen 78 austretende entflammte Fackeln 80 im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 10 gezündet wird.

Claims

Ansprüche
1 . Laserzündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), umfassend eine Laserzündkerze (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44) und einem Austrittsfenster (58) für Laserimpulse (24), und eine Vorkammer (72), wobei die Vorkammer (72) bereichsweise von dem Austrittsfenster (58) begrenzt ist und mindestens eine Öffnung (78) zu einem Brennraum (14) der
Brennkraftmaschine (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einblasvorrichtung (60) vorgesehen ist, wobei eine Austrittsöffnung (62) der Einblasvorrichtung (60) in der Vorkammer (72) mündet.
2. Laserzündeinrichtung (27) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (26) und die Einblasvorrichtung (60) in einem
gemeinsamen Gehäuse (66) angeordnet sind.
3. Laserzündeinrichtung (27) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einblasvorrichtung (60) als steuerbares
Wegeventil ausgebildet ist.
4. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasvorrichtung (60) in einem geöffneten Zustand dosiert Abgas in die Vorkammer (72) bläst.
5. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (78) radial und/oder tangential in einer Wandung der Vorkammer (72) und/oder mittig in einem zum Brennraum (14) zeigenden Bodenplatte (76) der Vorkammer (72) angeordnet ist.
6. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit einer
Laserzündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (10) eine über die Einblasvorrichtung (60) in die Vorkammer (72) eingeblasene Abgasmenge gesteuert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
eingeblasene Abgasmenge über ein Kennfeld gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im
Betrieb nach einem Unterschreiten eines Schwellwertes einer
Abgasrückführrate im Brennraum (14) Abgas dosiert in die Vorkammer (72) eingeblasen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb nach einem Überschreiten des Schwellwertes der
Abgasrückführrate im Brennraum (14) kein Abgas in die Vorkammer (72) eingeblasen wird.
10. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (32) für eine Laserzündeinrichtung (27), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 9 programmiert ist.
1 1 . Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 9 programmiert ist.
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