WO2011147608A1 - Laserinduzierte fremdzündung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Laserinduzierte fremdzündung für eine brennkraftmaschine Download PDF

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WO2011147608A1
WO2011147608A1 PCT/EP2011/054634 EP2011054634W WO2011147608A1 WO 2011147608 A1 WO2011147608 A1 WO 2011147608A1 EP 2011054634 W EP2011054634 W EP 2011054634W WO 2011147608 A1 WO2011147608 A1 WO 2011147608A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion chamber
diaphragm
spark plug
laser spark
laser
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/054634
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Joerg Engelhardt
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
Publication of WO2011147608A1 publication Critical patent/WO2011147608A1/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 according to the preamble of claim 1.
  • WO 2005/066488 A1 discloses a device for igniting an internal combustion engine, which comprises an ignition laser.
  • the ignition laser has at its combustion chamber end a combustion chamber window which is transmissive to the laser pulses emitted by the ignition laser.
  • the combustion chamber window must withstand the high pressures and temperatures prevailing in the combustion chamber and seal the interior of the ignition laser against the combustion chamber. In this case, in particular at the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window high
  • the present invention has the advantage of making the operation of the laser spark plug more reliable.
  • measures are taken according to the invention to reduce deposits on the combustion chamber window.
  • the invention provides that a laser spark plug for an internal combustion engine at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation and a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the opposite side of the center of the combustion chamber window, in particular at a combustion chamber end of the housing, a diaphragm for the passage through the means guided, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber.
  • the diaphragm affects the conditions to which the combustion chamber window is exposed, so that the formation of deposits on the combustion chamber window is reduced and the reliability of the laser spark plug is improved overall.
  • the means for guiding, shaping and / or generating laser radiation on the one hand can be a solid-state laser, for example a passive one
  • Q-switched solid-state laser which is formed for example monolithic act.
  • Devices for the optical excitation of the solid-state laser in particular semiconductor lasers, may be included in the laser spark plug.
  • devices for the optical excitation of the solid-state laser from the laser spark plug spaced. In this case, the means of guidance,
  • Laser spark plug spaced arrangement of one or more solid state lasers, in particular of Q-switched or mode-locked solid state lasers, is possible.
  • the emission of the laser spark plug can be supplied for example in an optical fiber, the laser spark plug itself does not laser active element, but only jet-guiding and / or jet-forming means, in particular lenses and / or mirrors includes.
  • the mountability of the laser spark plug to an internal combustion engine is ensured in particular by the housing.
  • the housing for this purpose, known per se
  • Clamping for example, with clamping claws, can interact.
  • the housing also has the particular task, the at least one means for guiding, shaping and / or for the generation of laser radiation and the
  • the combustion chamber window is a transparent, consisting of at least one permanently heat and radiation resistant solid, such as a glass or crystal, for example sapphire, existing component. These are in particular the in
  • the invention provides that the housing on its means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation opposite side of the combustion chamber window, ie in particular has on the combustion chamber facing side of the combustion chamber window, a diaphragm.
  • the combustion chamber window is thus arranged in particular between the means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation and the diaphragm.
  • the diaphragm forms a combustion chamber-side end portion of the housing.
  • the panel is designed as a separate component and attached to a further part of the housing, for example, welded or screwed.
  • further components of the laser spark plug such as purged and / or unsprayed prechambers, are arranged on the combustion chamber side of the diaphragm.
  • the diaphragm is in particular a passage, in particular exactly one passage, exhibiting structure.
  • the combustion chamber facing the side of the combustion chamber window communicates with the combustion chamber and / or with one of the diaphragm upstream
  • the passage is bounded radially to the direction of radiation by the inner contour of the diaphragm.
  • the passage is moreover provided for the passage of the laser radiation guided through the means, shaped and / or generated into a combustion chamber of an internal combustion engine, into an antechamber of the combustion chamber and / or into an antechamber of the laser spark plug arranged upstream of the diaphragm.
  • the invention is based on the idea that by the provision of a diaphragm, or by a suitable design of such a diaphragm, a protection of the combustion chamber window is possible, in particular protection of the combustion chamber window prevailing in a combustion chamber conditions, especially at high temperatures, high flow velocities and Media like oil ash etc.
  • Combustion chamber window avoided. Remaining deposits thus adhere less firmly to the combustion chamber window and can be easily cleaned. Also, a reduction in the pressure applied to the combustion chamber window, or taking place there
  • Pressure change rates can be effected by a diaphragm according to the invention, which can also result in reliability increases.
  • the length of the aperture is to be understood as meaning, in particular, the length of the passage of the aperture in the jet direction.
  • Longitudinal axis of the laser spark plug or a direction perpendicular to the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window are based.
  • the length of the passage is further measured between the opening facing the combustion chamber (also: outlet opening) and the opening facing away from the combustion chamber (also: inlet opening) of the diaphragm.
  • it In the case of diaphragms or passages with irregularly shaped openings, it must be particularly important with respect to their position whether lateral shielding of the section which is to be considered as the passage is predominantly given.
  • the targeted choice of the length of the diaphragm is provided in a laser spark plug for an internal combustion engine, comprising at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, the housing being on the opposite side of the center of the
  • a diaphragm for the passage of the guided, shaped and / or generated by the means Laser radiation into a combustion chamber, the diaphragm, in particular a material of the diaphragm targeted to be selected so that it has a high thermal conductivity.
  • the material of the panel should also have a high wear resistance, in particular heat resistance, as can be achieved, for example, by high-alloy steels.
  • the material of the entire aperture can be uniform with that of the entire housing and have a high thermal conductivity. But it is also possible to form only the entire diaphragm of a material having a high thermal conductivity, while other components of the housing have a different, in particular lower, thermal conductivity. It is also possible, only parts of the diaphragm, for example, based on mass and / or volume predominant parts of the diaphragm and / or inside, as it were designed as "souls" formed parts of the diaphragm, from a material with a high thermal conductivity, while other parts of the diaphragm may have a different, in particular lower, thermal conductivity, Such an arrangement advantageously makes it possible to set the desired heat conduction with simultaneously high wear resistance.
  • diaphragms which comprise a material with a thermal conductivity of 80 W / (m * K) or more or 120 W / (m * K) or more, in particular consisting of such a material.
  • a material with a thermal conductivity of 80 W / (m * K) or more or 120 W / (m * K) or more in particular consisting of such a material.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the means
  • the combustion chamber-side end of the housing a diaphragm for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, to provide at least one cooling channel in the interior of the aperture.
  • the cooling channel is in particular for the flow through with a cooling medium, for example one
  • Coolant provided.
  • Cooling channel diameter of 1 mm 2 or more and / or 5 mm 2 or less is preferred.
  • Such a cooling channel is in itself already suitable for reducing the temperature of the combustion chamber window.
  • the heat from the aperture can be particularly well supplied to the cooling channel and thus dissipate from the aperture.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the side opposite the center of the combustion chamber window, in particular at a combustion chamber end of the housing, a diaphragm for the passage of the guided, guided and / or generated laser radiation in a combustion chamber, the combustion chamber window upstream of the combustion chamber side, a gap communicating with the interior of the diaphragm is provided, the height of which is deliberately selected to be small.
  • a gap is to be understood as meaning, in particular, a spatial region which is bounded axially on both sides, in particular on one side by the combustion chamber window and the diaphragm, and radially on the outside, in particular by the housing, and communicates with the interior of the diaphragm via its radial inner side.
  • the gap is thus formed between the diaphragm and the combustion chamber window. Under the height of the gap, in particular, the distance between the gap axially limiting surfaces to understand. In the case of irregular geometries, it must be determined whether an axial limitation of the gap is predominantly given.
  • the targeted choice of the height of the gap is such that soot formation in the region of the gap is completely or at least largely avoided.
  • Slit cross section is favorable, in particular it is advantageous that the gap cross section is at most 100%, in particular at most 40%, preferably at most 20% of
  • Inlet cross-section of the aperture is.
  • Embodiments and examples of the invention are additionally or alternatively to the specific choice of the length of the diaphragm and additionally or alternatively to Provide a high thermal conductivity of the diaphragm and additionally or alternatively to the provision of the combustion chamber window combustion chamber side upstream, communicating with the interior of the diaphragm gap whose height is deliberately selected low, provided that in a laser spark plug for an internal combustion engine, comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the means
  • the combustion chamber-side end of the housing a diaphragm for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, the aperture on its side facing away from the combustion chamber window side a small
  • Opening cross-section also: "outlet cross-section" has.
  • the outlet cross section of the diaphragm is in particular the open combustion chamber side
  • Combustor window avoided and the reliability of the laser spark plug can be increased. This effect occurs when the outlet cross section is 78 mm 2 or less, in particular 19 mm 2 or less. Increasingly particularly good results are achieved with outlet cross sections which are 7 mm 2 or less, in particular 2 mm 2 or less.
  • the lower limit is 0.05 mm 2 , 0.4 mm 2 and 1 mm 2 into consideration. With even smaller exit diameters, the passage of the laser radiation through the diaphragm may no longer be ensured with sufficient certainty.
  • Provision of cooling channels are already suitable alone or in combination with each other to reduce the temperature of the combustion chamber window, so that a "burn-in" of contamination on the combustion chamber window is reduced and thus the reliability of the laser spark plug is increased by the provision of a combustion chamber window on the combustion chamber side upstream gap If these measures are combined with the provision of a small outlet cross-section of the orifice, the overall effect is that on the one hand fewer particles reach the combustion chamber window, and on the other hand the combustion chamber window is also more resistant to one Pollution from these remaining particles is
  • Laser spark plug can be increased significantly in this way.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprises at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation and a combustion chamber window and a housing , wherein the housing on the opposite side of the middle of
  • Aperture in particular a cylindrical diaphragm, for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, wherein the length of the diaphragm is L and the outlet cross-section of the diaphragm Q B A, wherein 1 ⁇ L / (4Q BA / n) 1/2 ⁇ 10.
  • Aperture cross-section of the aperture in the context of the condition 1 ⁇ _ / (40 ⁇ / ⁇ ) 2 ⁇ 10 is taken into account. This is based on the finding that even relatively short diaphragms can have the advantages according to the invention, provided that
  • Opening cross-section of these panels is small in the defined dimensions.
  • diaphragms with a relatively large opening cross-section can also have one
  • the specified technical effect occurs when 2 ⁇ L / (4Q BA / TI) 1 2 and / or L / (4Q BA / 7t) 1/2 ⁇ 7, in particular IJ (4Q BA / ⁇ ) 1 2 -S 6, is.
  • the size (4Q BA / n) 1 2 represents the
  • a small outlet cross-section of the diaphragm provided that in a laser spark plug for an internal combustion engine, comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising Combustion chamber window and a housing, the housing being on the center
  • a diaphragm for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, the inner contour of the diaphragm in a region of both the combustion chamber facing the end of the diaphragm and the combustion chamber remote from the end of the panel, at least one edge, in particular a plurality of edges, has. , ,
  • an edge of the inner contour of the diaphragm is to be understood as meaning, in particular, a geometric object, in particular a line, against which different areas of the inner contour of the diaphragm meet at an angle different from zero.
  • a region of the inner contour of the diaphragm which is spaced both from the end of the diaphragm facing the combustion chamber and from the end of the diaphragm facing away from the combustion chamber is to be understood as meaning a central region of the inner contour of the diaphragm, in particular an area which, with respect to the longitudinal extent the aperture is centered.
  • a region is in the center of the longitudinal extent of the diaphragm, in particular when it is arranged between a front fifth and a rear fifth of the diaphragm, in particular between a front quarter and a rear quarter of the diaphragm, or is arranged in a central third of the diaphragm ,
  • An inner contour which has an edge in a region is to be understood as meaning that at least parts of the edge are arranged in this region, wherein it is also possible for the edge to be arranged in but also outside this region. As an advantageous special case can always be provided that the edge is completely in the area.
  • an edge of the type described represents a starting point for a disturbance of the flow of gases into the diaphragm or the flow in the diaphragm.
  • turbulence of the gas flowing into the orifice or of the gas flowing in the orifice can occur. Due to the disturbance, in particular as a result of turbulence, the interaction of the gas flowing into the orifice with the inner contour of the orifice is increased and due to this increased interaction also the tendency of particles contained in the gas to accumulate within the orifice and especially at the edges and not to penetrate to the combustion chamber window. In this way, the edge is almost the effect of a particle trap. There is thus a reduction of the deposits on the combustion chamber window and increased reliability of the laser spark plug.
  • a plurality of edges are two or more edges, in particular more than two edges. Particularly effective is the
  • the edge is particularly suitable, a fault or a
  • Turbulence in the parts of the penetrating into the aperture flow or the flow in the aperture to be inserted, which are directed primarily to the combustion chamber window.
  • a particularly advantageous arrangement of the edge or the plurality of edges is done such that it comes through the arrangement of the edge or by the arrangement of the plurality of edges to form steps and / or that the inner contour of the aperture at least partially in the direction of their
  • Combustion chamber facing end gradually tapered.
  • at least two, in particular at least three, preferably at least four stages may be provided.
  • at least one further stage, in particular a plurality of further stages can be provided, at which the panel tapers in the direction of its end facing away from the combustion chamber.
  • a step of the inner contour is understood in particular to mean an arrangement of at least three partial surfaces of the inner contour, one of the partial surfaces being arranged in the longitudinal direction of the inner contour between the two other partial surfaces and the radial inclination of the one partial surface being related to the radial inclinations of all three partial surfaces extremal is.
  • the partial surfaces may in particular have an annular shape, but other geometries are possible in principle.
  • the steps are almost rectangular (88 ° - 92 °), in particular at right angles, formed, that is, in particular, the two
  • Partial surfaces run parallel to a longitudinal axis of the laser spark plug, while one partial surface is oriented perpendicular thereto.
  • a plurality of such stages for example, more than three or more than seven may be provided.
  • steps that consist of surfaces that always or partially at obtuse angles or always or partially at acute angles, but preferably not in angles more than 25 °, collide, are conceivable and advantageous in each case in different ways. Combinations of stages of the mentioned types are in principle possible in a diaphragm.
  • outlet cross sections of 78 mm 2 or less, in particular 19 mm 2 or less, preferably 7 mm 2 or less, particularly preferably 2 mm 2 or less, are favorable, these outlet diameters in each case
  • a step-shaped inner contour of the aperture in particular with a stepped inner contour of the aperture, which has a plurality of stages, in particular of rectangular steps, in particular of steps at which the cross-sectional area of the aperture in each case in the direction of the combustion chamber facing the end the inner contour of the diaphragm to the end remote from the combustion chamber of the inner contour of the diaphragm increases by at least 10%, in particular by at least 35%.
  • Provision of cooling channels are each alone or in combinations
  • the effect occurs overall that on the one hand fewer particles reach the combustion chamber window, the combustion chamber window on the other hand is also more resistant to contamination by these few particles.
  • the reliability of the laser spark plug can be significantly increased in this way.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the means
  • a diaphragm for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, wherein the diaphragm has an end facing the combustion chamber and an end facing away from the combustion chamber, the inner contour of the diaphragm in a region which extends both from the end of the diaphragm facing the combustion chamber and from the latter
  • An extreme cross section of the inner contour of a diaphragm is to be understood in particular as meaning a cross section which represents a local maximum with respect to its surface area and with respect to the longitudinal direction of the laser spark plug, that is to say
  • the extreme cross-section of the diaphragm in a region which is spaced both from the end of the diaphragm facing the combustion chamber and from the end of the diaphragm facing away from the combustion chamber can be expressed in particular in that there is a cross section of the diaphragm which is larger than the diaphragm Inlet cross-section of the aperture and is greater than the outlet cross-section of the aperture, or that there is a cross-section of the aperture, which is smaller than the inlet cross-section of the aperture and smaller than the outlet cross-section of the aperture.
  • the extremal cross-section is a cross-section lying in a plane parallel to a plane in which the
  • Outlet cross-section of the aperture is and / or lies in a plane which is parallel to a plane in which the inlet cross-section of the diaphragm is located and / or which is parallel to a plane in which the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window is and / or which is oriented perpendicular to a longitudinal axis of the laser spark plug.
  • the technical effect of the measure that the inner contour of the diaphragm in an area which is spaced from both the combustion chamber facing the end of the aperture and the combustion chamber facing away from the end of the aperture, has an extreme cross section, is that the area extremalen Cross-section represents a starting point for a disturbance of the influx of gases into the diaphragm or a disturbance of the flow in the diaphragm.
  • the area extremalen Cross-section represents a starting point for a disturbance of the influx of gases into the diaphragm or a disturbance of the flow in the diaphragm.
  • turbulence of the exhaust gas flowing into the diaphragm or the flow in the diaphragm can occur.
  • the disturbance in particular as a result of turbulence, the interaction of the exhaust gas flowing into the orifice with the inner contour of the orifice is increased and increased as a result thereof
  • Outlet cross section is or at least 10%, in particular at least 20%, preferably at least 30%, greater than inlet cross section and at least 10%, in particular at least 20%, preferably at least 30%, greater than the outlet cross section.
  • An advantageous form of the inner contour of the diaphragm provides that the inner contour of the diaphragm has two sections, each having a frusto-conical shape, in particular in the form of a straight circular truncated cone, these two portions are preferably immediately adjacent, ie each with its larger or Each adjacent to each other with their smaller face and thus, as it were a
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, the housing on the means
  • the combustion chamber end of the housing a diaphragm for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, to deviate from a rotationally symmetrical shape of the inner contour of the diaphragm.
  • Such asymmetries have the effect that there is an increased interaction of the inflowing into the aperture exhaust gas with the inner contour of the diaphragm and as a result of this increased interaction and the tendency of particles contained in the exhaust gas to accumulate within the diaphragm and does not penetrate to the combustion chamber window is.
  • the deposits on the combustion chamber window are thus reduced and the reliability of the laser spark plug is increased.
  • Distant combustion chamber facing away from the aperture are advantageous because the recess and / or the bulge represent a starting point for a disturbance of the inflow of exhaust gases into the diaphragm.
  • turbulence of the gas flowing into the orifice may occur.
  • the bulge and / or the recess is in a region of the diaphragm, both of the
  • Combustion chamber facing the end of the aperture and from the combustion chamber
  • Provision of cooling channels are each alone or in combinations with each other already suitable to reduce the temperature of the combustion chamber window, so that deposits are reduced to the combustion chamber window and thus the
  • Blend is spaced, combined, the overall effect occurs that fewer particles get to the combustion chamber window, the combustion chamber window on the other hand, but also more resistant to contamination by these remaining particles.
  • the life of the laser spark plug can be significantly increased in this way.
  • Internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a
  • Combustor window in particular at a combustion chamber end of the housing, a diaphragm for the passage of the guided through the means, shaped and / or generated laser radiation in a combustion chamber, the laser spark plug at least one
  • Focusing means for determining a beam shape of the laser radiation passing through the aperture and the distance between the aperture and laser radiation does not exceed a maximum distance, at least along predominant parts of the inner contour of the aperture.
  • the at least one focusing means may be a focusing optics, for example one or more lenses and / or one or more mirrors, in particular one or more mirrors each having a curved surface.
  • Laser radiation as a focusing element is additionally or alternatively possible.
  • the provision of the at least one focusing means basically defines a beam shape of the laser radiation passing through the diaphragm.
  • the beam shape of the laser radiation passing through the diaphragm depends on a further operating parameter of the laser spark plug, for example a current or a temperature
  • the beam shape determined by the focusing means is to be understood as the beam shape provided by the laser spark plug, when the operating parameter assumes a value intended for the operation of the laser spark plug.
  • the beam shape of the laser radiation in particular the beam position, - -
  • Beam dimensions and distances between the beam and the diaphragm are understood to be in accordance with and / or in the context of the standard DIN EN ISO 1 145.
  • the provision that the distance between the diaphragm and laser radiation does not exceed a maximum distance, at least along predominant parts of the inner contour of the diaphragm, is based on the one hand knowledge that it to achieve a combustion chamber window shielding effect and to reduce deposits on the combustion chamber window along predominant parts of the inner contour the aperture, in particular along the entire inner contour of the aperture is conducive when the passage of the aperture is designed as narrow as possible.
  • this requirement is contrary to the fact that the largest possible proportion of guided through the means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, shaped and / or generated laser radiation should pass through the aperture, so the aperture must not be too narrow, in particular , as also manufacturing tolerances are to be considered.
  • the predominant parts of the inner contour of the diaphragm may comprise 70% of the surface of the inner contour or more, 90% of the surface of the inner contour or more or even the entire inner contour.
  • Internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or for generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a
  • Combustor window in particular at a combustion chamber end of the housing, a diaphragm for the passage of the guided, guided and / or generated laser radiation in the combustion chamber, wherein the inner contour of the diaphragm has the shape of the lateral surface of a truncated cone, wherein the truncated cone a
  • Beam divergence angle ⁇ of the laser beam passing through the aperture is provided, where 0 ⁇ - ⁇ ⁇ 30 °, in particular 0 ⁇ - ⁇ ⁇ 30 °.
  • the beam shape of the laser radiation in particular the beam divergence angle, beam position, beam dimensions and distances between beam and diaphragm are understood according to and / or against the background of the standard DIN EN ISO 11145.
  • the design and the effect of the focusing agent the above applies. Due to the feature that 0 ⁇ - ⁇ ⁇ 30 °, in particular 0 ⁇ - ⁇ ⁇ 30 ° results in the technical effect that an outlet cross-section of the aperture is relatively narrow, so that only a few particles can enter the interior of the aperture, itself but the aperture in their combustion chamber window facing part widens relatively strong, whereby the areal extent of the inner contour of the aperture is relatively large.
  • the penetrated by the laser radiation surface of the combustion chamber window is due to the lower
  • Beam divergence angle ⁇ relatively small. Overall, these surface ratios result in the majority of the particles, which have penetrated into the diaphragm from the outset, accumulating on the diaphragm and not on the combustion chamber window. The deposits on the combustion chamber window are thus reduced and the
  • Circular truncated cone has the opening angle ⁇ , where 0 ⁇ - ⁇ ⁇ 30 °, in particular 0 ⁇ - ⁇ ⁇ 30 °. Furthermore, it is preferred that the opening angle ⁇ has 90 ° or less, in particular 70 ° or less, preferably 60 ° or less, and / or that the opening angle ⁇ is 3 ° or more, in particular 10 ° or more, and or 5 ° ⁇ ⁇ - ⁇ , in particular 13 ° ⁇ - ⁇ and / or that ⁇ - ⁇ ⁇ 20 °, in particular ⁇ - ⁇ ⁇ 15 °.
  • Outlet cross-section of the diaphragm as well as by the provision of the described relationships between outlet cross section and length of the diaphragm and / or by
  • the shielding effect can be significantly increased again, so that overall a significant reduction of deposits and a significant increase in the reliability of the laser spark plug results.
  • Laser spark plug not included devices are provided for influencing the flow in said areas, for example by the design of the shape of the combustion chamber or the combustion chamber associated piston or other components of the internal combustion engine.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the opposite side of the center of the combustion chamber window, a diaphragm for the passage through the Center guided, shaped and / or generated laser radiation disposed in a combustion chamber end of the housing
  • Overflow channel is arranged and designed so that when a fluid flows through the overflow into the interior of the prechamber a desired fluid flow results.
  • the at least one overflow channel has a cross section which is not larger, in particular smaller, than the one
  • the at least one overflow channel has a cross section QQ which is not larger, in particular smaller, than a maximum cross section, the maximum cross section being 10 mm 2 , 6 mm 2 , 4 mm 2 , 2 mm 2 or 1 mm 2 can be.
  • Overflow channel LQ is high in comparison to a cross section QQ of the at least one overflow channel, in particular according L ü > (Qo / n) V2 , LQ> (16 * Qo / 7i) 2 or LQ> (36 * ⁇ / ⁇ ) 1 / 2 .
  • the targeted influencing of the fluid flowing into the pre-chamber results in a
  • a region of the laser spark plug arranged on the combustion chamber side of the diaphragm can be understood, which has, in particular at least in sections, an enlarged cross section relative to the entire diaphragm or the outlet opening of the diaphragm.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the opposite side of the center of the combustion chamber window, a diaphragm for the passage guided by the means, shaped and / or generated laser radiation disposed in a combustion chamber end of the housing
  • Overflow channel is arranged and designed so that when a fluid flows through the overflow into the interior of the pre-chamber, a fluid flow occurs at a finite minimum angle, in particular measured to the longitudinal axis of the laser spark plug, into the interior of the diaphragm.
  • Minimum angle ⁇ in particular measured to the longitudinal axis of the laser spark plug, enters the interior of the diaphragm, on the one hand results in the effect that the inflowing fluid is directed to the inner contour of the diaphragm and stored particles contained in the fluid there.
  • the number of particles that reach the combustion chamber window can thus be reduced, the deposits on the combustion chamber window are reduced and the
  • the at least one overflow channel is arranged so that its longitudinal axis in the radial direction forms an angle with the longitudinal axis of the laser spark plug, which is less than about 25 °, preferably less than about 10 °.
  • a plurality of overflow channels are provided.
  • additional means are provided, through which a purge gas is blown into the prechamber, and these means are in particular arranged and are operable so that together with the through the
  • Overflow bore inflowing fluid results in a resulting total flow, which at the minimum angle, as explained above, enters the interior of the diaphragm or which is at least substantially parallel to an outlet opening of the diaphragm.
  • the flow is formed within the antechamber as a tumble flow.
  • Outlet cross section Q B A through which the fluid flow enters the interior of the diaphragm together, since in such developments, the inner contour of the diaphragm through the
  • a similar situation can also be expressed by the fact that the minimum angle ⁇ , the length of the diaphragm L of the ratio n and the outlet cross-section of the diaphragm Q BA fulfill one of the following conditions:
  • the providence of a minimum angle occurs in the manner described in mutual effect gain, so that a total of , - Significant reduction of deposits and increase the reliability of the laser spark plug results.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the opposite side of the center of the combustion chamber window, in particular on a combustion chamber side End of the case, an aperture to the
  • an area of the diaphragm upstream of the diaphragm and / or a region of the outlet opening of the diaphragm is to be understood as being under the region of the diaphragm.
  • Areas are to be understood in particular spatial areas that have structure lengths that are slightly smaller, for example, half as large or a quarter as large as a structure lengths of the inner contour of the aperture, the structure length be given in particular by length, inlet diameter and / or outlet diameter of the diaphragm can.
  • Flow channels initially results in that the fluid flow in the region of the diaphragm has a component in the direction perpendicular to the longitudinal axis LA of the laser spark plug. Furthermore, owing to the vortex, a flow deflection results locally in a direction perpendicular to the local flow velocity. As the particles transported by the flow have a finite inertia, they follow it
  • the swirl axis forms an angle with a longitudinal axis of the laser spark plug of at most 45 °, in particular at most 20 °, preferably at most 10 °, or parallel, with the longitudinal axis LA of the laser spark plug.
  • Swirl axis is parallel to the longitudinal axis LA of the laser spark plug is, in addition to the coaxial arrangement, a spaced arrangement of vortex axis and
  • Longitudinal axis LA of the laser spark plug favorably, in particular if the distance between the swirl axis and the longitudinal axis LA of the laser spark plug is at least 2 mm, in particular at least 4 mm.
  • the maximum distances are 6 and 10mm.
  • the result of the spacing is a shear flow perpendicular to the outlet opening of the diaphragm and the impact of the particles on the inner contour of the diaphragm.
  • the intended arrangement of the overflow channel can result, in particular, from the fact that its longitudinal axis in the tangential direction encloses an angle with the longitudinal axis of the laser spark plug which is more than approximately 10 °, preferably more than approximately 25 °.
  • additional means are provided, through which a purge gas is blown into the prechamber, wherein the additional means are arranged and are operable so that together with the through the
  • Overflow bore inflowing fluid results in a resulting total flow that forms a vortex as discussed above. It is always preferred that the flow within the antechamber is formed as a swirl flow.
  • Outlet cross section Q B A through which the fluid flow enters the interior of the diaphragm, together, since in such developments, the tangentially thrown particles hit the inner contour of the diaphragm particularly close to its combustion chamber end.
  • a laser spark plug for an internal combustion engine comprising at least one means for guiding, shaping and / or generating laser radiation, further comprising a combustion chamber window and a housing, wherein the housing on the opposite side of the center of the combustion chamber window, in particular on a combustion chamber side End of the case, an aperture to the
  • sharp edge reference is made to the standard DIN ISO 13715: 2000.
  • an outer edge is considered to be sharp-edged, if it has only abradings or transitions which amount to ⁇ or less.
  • the outer edge of the diaphragm can in particular limit the inner contour of the diaphragm.
  • the outer edge of the diaphragm can in particular also be spaced from the inner contour of the diaphragm, in particular represent a radially outer boundary of the diaphragm and / or of the housing at its end on the combustion chamber side.
  • the diaphragm has on at least one outer edge on a side facing the combustion chamber whose contour deviates inwardly relative to a sharp-edged outer edge
  • the outer edge consist of a sharp-edged outer edge by an ablation of more than 0.075 mm , in particular of 0.1 mm or more, preferably 0.15 mm or more. 5 mm, 2 mm and 0.5 mm are considered as the upper limit for the ablation, as excessively large abradings could impair the mechanical stability of the diaphragm.
  • the outer edge of the diaphragm has a rounding and / or chamfering.
  • the radius of curvature, in the case of chamfering, the depth and / or the width of the chamfer has 0.075 mm or more, in particular 0.15 mm or more. It is additionally or alternatively preferred that in the case of a rounding of the
  • Rounding radius in the case of a chamfer, the depth and / or the width of the chamfer, 5 mm or less, in particular 2 mm or less, preferably 0.5 mm or less, is.
  • Chamfer angles in the range between 20 ° and 70 °, in particular in the range between 40 ° and 50 °, are preferred.
  • Outer edge of a material having a high thermal conductivity in particular brass, nickel and / or copper or an alloy of at least two of these substances.
  • the diaphragm is designed as a separate component and is attached to a further part of the housing of the laser spark plug, in particular on a shoulder. It is preferred to ensure a good dissipation of heat from the diaphragm, which can be done by the joint between the diaphragm and another part of the - -
  • the diaphragm can also be screwed to the further part of the housing with a thread, it being preferred to provide a screw connection by means of a fine thread (thread pitch ⁇ 0.5 mm, in particular ⁇ 0.3 mm).
  • a spark is preferably generated at least 1 mm, preferably at least 2 mm outside the diaphragm.
  • the distance between spark and exit surface of the diaphragm additionally or alternatively 30 mm, 10 mm and 5 mm into consideration, otherwise the outlet cross-section of the diaphragm would have to be chosen excessively large or sufficient
  • the position of a focus of the laser radiation generated or shaped by the laser spark plug can be regarded as the position of the spark.
  • combustion chamber also fixed to the laser spark plug or fixed to the laser spark plug pre-chamber includes, in particular an antechamber whose volume is less than 10 cm 3 and which has at least one overflow channel whose cross-section less than 5 mm 2 .
  • Figure 1a is a schematic representation of an internal combustion engine with a
  • Figure 1b is a schematic representation of the laser ignition device of Figure 1 and
  • An internal combustion engine carries in FIG. 1a as a whole the reference numeral 10. It can be used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel or premixed fuel-air mixture enters the combustion chamber 14 through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.
  • injected fuel 22 or pre-mixed fuel-air mixture is ignited by means of a laser radiation 24, the one of
  • Laser spark plug 100 comprehensive ignition device 27 is emitted into the combustion chamber 14.
  • the laser spark plug 100 is fed via a light guide device 28 with a light, which may be in particular pump light, which is provided by a light source 30.
  • a light which may be in particular pump light, which is provided by a light source 30.
  • the immediate provision of provided for the ignition light may be provided by the light source 30.
  • the light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
  • the light source 30 feeds a plurality of optical fiber devices 28 for different laser spark plugs 100, each of which has a cylinder 12
  • the light source 30 has a plurality of individual laser light sources 340, which are connected to a pulse power supply 36. Due to the presence of the several individual laser light sources 340, there is a quiescent distribution of light, in particular pump light, to the various
  • Laser spark plug 100 realized so that no optical splitter or the like between the light source 30 and the laser spark plugs 100 are required.
  • the light source 30 may have only one laser light source 340.
  • Each laser spark plug 100 is associated with exactly one light source 30 and / or exactly one laser light source 340.
  • the laser spark plug 100 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.
  • further optical components in particular lenses, for example for shaping the radiation supplied to the laser spark plug 100 or for expanding radiation, may be provided.
  • Pumplicht generated the laser spark plug 100 in a conventional manner laser radiation 24, which is focused by a focusing lens 52 to a in the combustion chamber 14 ( Figure 1a) located ignition point ZP.
  • the components present in the housing 38 of the laser spark plug 100 are separated from the combustion chamber 14 by a combustion chamber window 58.
  • FIGS. 2 to 21 a the detail X of FIG. 1 b, which is the combustion chamber 14
  • combustion chamber window 58 is sealingly connected to the housing 38.
  • the seal between the housing 38 and the combustion chamber window 58 may be formed in the region of the reference numeral 60 in the form of a cohesive or frictional connection.
  • the housing 38 may, as in these examples, be formed in two parts. It comprises an inner sleeve 62 and an outer sleeve 64.
  • the outer sleeve 64 has a shoulder 66 at an end facing the combustion chamber 14 (see FIG. 1 a).
  • sealing means for example sealing rings, in particular steel sealing rings, preferably copper-coated steel sealing rings, can be used and in particular with regard to thermal expansion compensation between the
  • a female thread is provided on the outer sleeve 64, which cooperates with a corresponding bolt thread of the inner sleeve 62.
  • Thread consisting of female thread and bolt thread is indicated in its entirety by the reference numeral 68. Due to the bracing of the outer sleeve 64 and inner sleeve 62, a further sealing surface 72 is formed between the shoulder 66 and the combustion chamber window 58.
  • other sealing forms of the combustion chamber window 58 are possible in addition to the sealing forms shown in these examples, for example those in which, as described in DE 102009000540 A1, a cohesive seal between the combustion chamber window and a surrounding material is provided.
  • a focusing optics 52 Opposite side of the combustion chamber window 58, a focusing optics 52 (see Figure 1a and 1 b), which generated in the laser spark plug 100 or in the
  • Laser spark plug 100 fed laser radiation 24 to the ignition point ZP, which corresponds to the focus of the focusing optics 52 in this example, focused.
  • a diaphragm 74 is provided for the passage of the laser radiation 24 into the combustion chamber 14.
  • the laser spark plug 100 shown in Figure 2 has a housing 38, whose combustion chamber side of the combustion chamber window 58 arranged portion is sleeve-shaped and an aperture 74 according to the invention.
  • the inner contour 71 of the diaphragm 74 has, for example, the shape of a cylinder jacket whose height is the
  • Length L of the aperture 74 corresponds.
  • the length L is measured, for example, starting from the combustion chamber window 58, in the longitudinal direction of the laser spark plug and is 13 mm in this example.
  • the entire housing 38 is made of this material in this example.
  • Thermal conductivity may be lower, for example, from a high-alloy steel is possible.
  • a variant is shown in Figure 3 and has inside the aperture 74 on an insert 80, which consists for example of copper and by the rapid removal of heat from the region of the aperture 74 in a further of the insert 80, which consists for example of copper and by the rapid removal of heat from the region of the aperture 74 in a further of the insert 80, which consists for example of copper and by the rapid removal of heat from the region of the aperture 74 in a further of the
  • Cooling channels 81 are provided in the interior of the diaphragm 74 instead of the insert, as shown in Figure 4. By means of these cooling channels 81, heat from the region of the orifice 74 can be conveyed to a region of the housing 38 which faces away from the combustion chamber 14, for example by circulation of water or another
  • Cooling medium to be dissipated. 5 shows an embodiment of the invention is shown, wherein the combustion chamber window 58 upstream of the combustion chamber side, a gap 82 is arranged.
  • the gap 82 is delimited axially on the side facing the combustion chamber 14 by the diaphragm 74, on the side facing away from the combustion chamber 14 through the combustion chamber window 58 and outwardly through the diaphragm 74.
  • the gap 82 communicates via the interior of the diaphragm 74 with a region lying in front of the diaphragm 74, for example one
  • the gap 82 has the base of a ring in this example.
  • the gap cross section Q s is only 20% of the inlet cross section Q B E of the diaphragm 74, namely 0.56 mm 2
  • the height H s of the gap 82 in this example is 2 mm.
  • FIG. 6 shows a further example of a laser spark plug 100, which differs from those illustrated above in that the orifice 74 has a particularly small outlet cross-section Q B A, which in this example is 3 mm 2 , in one embodiment
  • the length L, the aperture 74 is 12 mm in this example, so that the value 6 results for the quotient L / (4C 7t) 1/2 .
  • FIG. 7 a further example of a laser spark plug is shown, which differs from those shown above differs in that the inner contour of the aperture 74 in a region which of both the combustion chamber facing the end of the aperture 74 and the Distinguished combustion chamber facing away from the end of the aperture 74, at least one edge 83, in particular a plurality of edges 83, has.
  • the laser spark plug 100 shown in FIG. 7 has a diaphragm 74 which has two edges 83, an inner edge and an outer edge in a central region, which together form a step 84 formed at right angles.
  • steps 84 show a laser spark plug 100 having a multiplicity of edges 83 and rectangular steps 84 formed therefrom, the number of steps 84 actually represented being representative of, for example, 3, 7 or 8 stages, in particular in a central one Area of the aperture 74 are arranged. Even non-rectangular steps 84 are possible.
  • steps 84 are also possible, at which the diaphragm 74 tapers in the direction of its end facing away from the combustion chamber 14.
  • FIG. 9 shows an example in which such steps 84, in which the diaphragm 74 moves in the direction of its combustion chamber 14
  • FIG. 10 shows a further example of a laser spark plug 100 with a diaphragm 74 whose inner contour 71 has a circumferential edge 83.
  • FIGS. 11 to 15 each show a further example of a laser spark plug 100 which has a diaphragm 74, with the special feature that the inner contour 71 of the diaphragm 74 is in a region which extends both from the end of the diaphragm 74 facing the combustion chamber 4 is also spaced from the combustion chamber 14 facing away from the end of the aperture 74, an extreme cross-section Q x has.
  • the laser spark plug 100 shown in FIG. 11 has an aperture 74 which has a sharp-edged constriction 85 in a central area.
  • the diameter D x and thus the cross section of the aperture Q x is minimal, namely about half or quarter as large as each of the entrance and the
  • Outlet cross section Q B E, QBA of the aperture Above and below the sharp-edged constriction 85, the inner contour 71 of the aperture 74 in this example in each case in the form of straight circular truncated cone coats on. Alternatively, it is also possible to make a constriction 85 rounded, see FIG. 12.
  • the laser spark plug 100 illustrated in FIG. 13 has a diaphragm 74 which has a sharp-edged bulge 86 in a central region.
  • the diameter D x and thus the cross-section of the diaphragm Q x is a maximum, namely about twice to four times as large as in each case the inlet and outlet cross-section Q B E, QBA of the diaphragm.
  • the inner contour 71 of the aperture 74 in this example in each case in the form of straight Kreistrgelstumpfmänteln.
  • Figure 15 shows a further variant in which the aperture 74 has an undercut 87. The undercut is executed in this example as êtfreich and right angles and has a maximum
  • FIGS. 16 and 17 a further example of a laser spark plug 100 is shown, which has a diaphragm 74, with the special feature that the diaphragm 74 has at least one outer edge 88 on the side facing the combustion chamber 14, whose contour follows a sharp-edged outer edge deviates inside.
  • the laser spark plug 100 shown in FIG. 16 has an aperture 74 with a sleeve-shaped basic shape, wherein the inner edge 89 of the inner combustion chamber side has a rounding 91.
  • the fillet radius is 0.5 mm in this example.
  • the rounding 91 of the outer combustion chamber side edge 90 of the sleeve is additionally or alternatively, for example, with a radius of curvature of 0.5 mm is possible.
  • the laser spark plug 100 illustrated in FIG. 17 has an aperture 74 with a sleeve-shaped basic shape, the inner combustion chamber-side edge 89 of the sleeve having a chamfer 92.
  • the chamfer 92 (length and width) in this example is 0.5 mm, the chamfer angle is 45 °.
  • the chamfer 92 of the outer combustion chamber side edge 90 of the sleeve is additionally or alternatively, for example, with a length and width of 0.5 mm, possible. Even small and / or larger chamfer 92 are possible in principle.
  • outer edges 88 can be executed whose contour deviates inwardly from a sharp-edged outer edge, for example, outer edges with an exact or approximate elliptical, parabolic or hyperbolic shape or with an irregular shape. Combinations of chamfers 92 and fillets 91 are also conceivable.
  • FIGS. 18 and 19 each show a further example of a laser spark plug 100 which has an aperture 74 and which has focusing means 53, in particular focusing optics 52, for defining a beam shape of the laser radiation 24 passing through the aperture 74 (see FIG. 1B).
  • the proposed in these examples laser spark plugs 100 have the peculiarity that the shape of the aperture 74 is advantageously selected with respect to the shape of the laser radiation 24 passing through them.
  • the shape of the laser radiation 24 is indicated in these figures by the conical envelope lines 99 which intersect approximately at the ignition point ZP.
  • the information concerning the shape of the laser radiation 24 is understood in accordance with or against the background of the standard DIN EN ISO 11145.
  • the laser spark plug 100 illustrated in FIG. 18 has a diaphragm 74 which, along its entire inner contour 71, has a distance A from the laser radiation 24, which passes through it, of approximately 0.5 mm.
  • the illustrated laser spark plug 100 also has the property that 88% of the transmitted through the combustion chamber window 58 laser radiation 24 passes through the aperture 58 as focusable laser radiation 24, while the remaining laser radiation 24 along the inner contour 71 of the aperture 74 undergoes a deflection or absorption and for a Focusing is not available.
  • the laser spark plug 100 shown in FIG. 19 has a diaphragm 74 whose inner contour 71 has the shape of a straight circular truncated cone whose opening angle ⁇ is 45 °.
  • the laser radiation 24 passing through the diaphragm is focused in this example in such a way that the beam divergence angle ⁇ (far-field divergence) is 30 °.
  • FIGS. 20 and 21 each show an example of a laser spark plug 100 which has an aperture 74 for the passage of laser radiation 24 into an antechamber 110 arranged at the combustion chamber end of the housing 38.
  • For the fluid connection between the interior 111 of the pre-chamber 110 and the combustion chamber is a
  • Overflow 120 provided.
  • the longitudinal axis KLA of the overflow channel 120 is arranged eccentrically offset with respect to the longitudinal axis LA of the laser spark plug 100.
  • the longitudinal axis KLA of the overflow bore 120 and the longitudinal axis LA of the laser spark plug 100 are parallel to each other in this example, alternatively, they may also be arranged at an angle to each other in the radial and / or tangential direction.
  • a vortex forms within the prechamber 110 in such a way that the fluid flow along the outlet opening of the orifice 74 runs largely parallel to the outlet opening of the orifice 74.
  • the fluid flow forming inside the diaphragm 74 represents, in particular, a tumble flow.
  • the length L of the diaphragm is 5 mm and the outlet diameter D AE of the diaphragm is 6 mm. It is thus by the interaction of the angle ⁇ , under which the fluid F enters the interior of the diaphragm 74, the length L and the
  • Discharge diameter D AE of the diaphragm given in this example that the fluid flow F does not hit the combustion chamber window 58 directly, but only after deflections on the inner contour 71 of the diaphragm 74.
  • Overflow 120 is arranged and designed so that when flowing a fluid through the overflow 120 into the interior 111 of the pre-chamber 110 results in a fluid flow F at a minimum angle ⁇ , in particular measured to the longitudinal axis of the laser spark plug of 45 °, 60 ° or Entering 75 ° into the interior of the aperture 74 are possible and in particular provide that a plurality of overflow channels 120 are provided. Additionally or alternatively, it is also possible that additional means (not shown) are provided, through which a purge gas is blown into the prechamber.
  • these means for injecting purge gas cooperate together with the overflow channel 120 in such a way that a total fluid flow is formed, such that when a fluid flows through the overflow channel 120 into the interior 111 of the prechamber 110, a fluid flow F , , results, which at a minimum angle ⁇ , in particular measured to the longitudinal axis of the laser spark plug, from 45 °, 60 ° or 75 ° enters the interior of the diaphragm 74.
  • FIG. 21 shows another example of a laser spark plug 100 in part a as
  • the fluid flow forming inside the orifice 74 represents, in particular, a swirl flow.
  • the length L of the orifice is 5 mm and the orifice diameter D B E of the orifice is 6 mm. It is thus through the
  • additional means are provided, through which a purge gas in the antechamber 1 10 is inflatable. It is provided, in particular, that these means for injecting purge gas cooperate together with an overflow channel 120 or a plurality of overflow channels 120 in such a way that a total fluid flow is formed, such that when a fluid flows in through the overflow channel 120 or the overflow channels into the interior 1 11 of the pre-chamber 1 10 results in a fluid flow having a vortex which rotates about a vortex axis WB, which is a component in the direction of the longitudinal axis LA of - -
  • Laser spark plug 100 has, in particular parallel or coaxial with the longitudinal axis LA of the laser spark plug 100 is.
  • embodiments are also advantageous and can be reproduced by those skilled in the art, which are based on an interaction of one or, if they do not exclude each other, several of the above-disclosed features of two or more than two of the following feature groups: Previously marked as advantageous lengths L of Aperture 74, previously referred to as advantageously marked selections of the material of the diaphragm 74, previously characterized as advantageous embodiments of the combustion chamber window 58 upstream combustion chamber side gap 82, previously marked as advantageous cross sections of the aperture 74, previously characterized as advantageous ratios between lengths L and cross-sectional areas Q of the diaphragm 74, previously characterized as advantageous features of the inner contour 71 of the panel 74, in particular edges 83 and extreme cross-sections of the aperture 74, previously characterized as advantageous features that vorteilsch a
  • shape of the aperture 74 with respect to the shape of the laser radiation 24 passing therethrough it has previously been found to be advantageous

Abstract

Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine (10) umfassend mindestens ein Mittel (26) zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung (24), ferner umfassend ein Brennraumfenster (58) und ein Gehäuse (38), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) auf der dem Mittel (26) gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters (58), insbesondere an einem brennraumseitigen Ende (381) des Gehäuses, eine Blende (74) zum Durchtritt der durch das Mittel (26) geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist wobei dem Brennraumfenster (58) brennraumseitig vorgelagert ein mit dem Inneren der Blende (74) kommunizierender Spalt (82) vorgesehen ist, dessen Höhe (Hs) 0,3 mm oder mehr, insbesondere 0,6 mm oder mehr beträgt.

Description

Beschreibung
Titel
Laserinduzierte Fremdzündung für eine Brennkraftmaschine Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beispielsweise aus der WO 2005/066488 A1 ist eine Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Zündlaser umfasst. Der Zündlaser weist an seinem brennraumseitigen Ende ein Brennraumfenster auf, welches transmissiv für die von dem Zündlaser emittierten Laserimpulse ist. Gleichzeitig muss das Brennraumfenster den im Brennraum herrschenden hohen Drücken und Temperaturen widerstehen und das Innere des Zündlasers gegen den Brennraum hin abdichten. Dabei können insbesondere an der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters hohe
Oberflächentemperaturen und Drücke sowie Verschmutzungen, zum Beispiel in Form von Ölaschenablagerungen, Partikel, etc., auftreten.
Bei der bekannten Vorrichtung ist es als nachteilig anzusehen, dass bestimmte
Bestandteile von Abgasen, wie beispielsweise Ölaschen oder Ruß, das
Brennraumfernster schädigen, beispielsweise indem sich derartige Bestandteile auf dem Brennraumfenster ablagern und dessen Eigenschaften, insbesondere die Transmission für Laserstrahlung, verschlechtern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat hingegen den Vorteil, den Betrieb der Laserzündkerze zuverlässiger zu gestalten. Insbesondere werden erfindungsgemäß Maßnahmen ergriffen, um Ablagerungen auf dem Brennraumfenster zu reduzieren. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung und ein Brennraumfenster und ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist. Die Blende beeinflusst die Bedingungen, denen das Brennraumfenster ausgesetzt ist, sodass die Bildung von Ablagerungen auf dem Brennraumfenster vermindert wird und die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze insgesamt verbessert ist.
Bei dem Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung kann es sich einerseits um einen Festkörperlaser, beispielsweise um einen passiv
gütegeschalteten Festkörperlaser, der beispielsweise monolithisch ausgebildet ist, handeln. Vorrichtungen zur optischen Anregung des Festkörperlasers, insbesondere Halbleiterlaser, können von der Laserzündkerze umfasst sein. Alternativ ist es möglich, Vorrichtungen zur optischen Anregung des Festkörperlasers von der Laserzündkerze beabstandet anzuordnen. In diesem Fall kann es sich bei dem Mittel zur Führung,
Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung um ein optisches Fenster oder um eine optische Faser handeln, durch die eine der optischen Anregung des Festkörperlasers dienende Strahlung in die Laserzündkerze eintreten kann. Auch die von der
Laserzündkerze beabstandete Anordnung eines oder mehrerer Festkörperlaser, insbesondere von gütegeschalteten oder modengekoppelten Festkörperlasern, ist möglich. In diesem Fall kann deren Emission der Laserzündkerze beispielsweise in einer optischen Faser zugeführt werden, wobei die Laserzündkerze selbst kein laseraktives Element, sondern lediglich strahlführende und/oder strahlformende Mittel, insbesondere Linsen und/oder Spiegel, umfasst.
Durch das Gehäuse ist insbesondere die Montierbarkeit der Laserzündkerze an eine Brennkraftmaschine sichergestellt. Zu diesem Zweck können an sich bekannte
Befestigungsmittel vorgesehen sein, wie von dem Gehäuse umfasste Gewinde und/oder von dem Gehäuse umfasste Dicht- und/oder Anlageflächen, die mit weiteren
Spannmitteln, beispielsweise mit Spannpratzen, in Wechselwirkung treten können. Dem Gehäuse kommt ferner insbesondere die Aufgabe zu, das mindestens eine Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung und das
Brennraumfenster mechanisch zu fixieren.
Das Brennraumfenster ist eine transparente, aus mindestens einem dauerhaft hitze- und strahlungsbeständigen Festkörper, beispielsweise einem Glas oder Kristall, zum Beispiel Saphir, bestehende Komponente. Dabei handelt es sich insbesondere um die in
Strahlungsrichtung hinterste von der Laserzündkerze umfasste Komponente der genannten Art, sodass die dem Brennraum zugewandte Oberfläche des Brennraumfensters mit dem Brennraum kommuniziert.
Um eine Verschmutzung und/oder Schädigung der dem Brennraum ausgesetzten Seite des Brennraumfensters durch im Brennraum vorherrschende Bedingungen (hohe
Temperatur, hoher Druck, hohe Strömungsgeschwindigkeit) und Medien (Partikel, Ölaschen etc.) weitgehend zu reduzieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse auf seiner dem Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, also insbesondere auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Brennraumfensters, eine Blende aufweist. Das Brennraumfenster ist somit insbesondere zwischen dem Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung und der Blende angeordnet. Bevorzugt bildet die Blende einen brennraumseitigen Endabschnitt des Gehäuses. Es ist insbesondere möglich, die Blende einstückig mit dem Gehäuse der Laserzündkerze und/oder aus dem gleichen Material wie das Gehäuse auszubilden. Alternativ ist die Blende als separates Bauteil ausgebildet und an einem weiteren Teil des Gehäuses befestigt, beispielsweise verschweißt oder verschraubt. Optional sind brennraumseitig der Blende weitere von der Laserzündkerze umfasste Baugruppen, beispielsweise gespülte und/oder ungespülte Vorkammern, angeordnet.
Die Blende ist insbesondere ein einen Durchgang, insbesondere genau einen Durchgang, aufweisendes Gebilde. Die dem Brennraum zugewandte Seite des Brennraumfensters kommuniziert mit dem Brennraum und/oder mit einer der Blende vorgelagerten
Vorkammer der Laserzündkerze, insbesondere ausschließlich, durch den einen
Durchgang der Blende. Der Durchgang wird radial zur Strahlungsrichtung durch die Innenkontur der Blende begrenzt. Der Durchgang ist überdies vorgesehen zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, in eine Vorkammer des Brennraums und/oder in eine der Blende vorgelagerte Vorkammer der Laserzündkerze.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass durch die Vorsehung einer Blende, beziehungsweise durch eine geeignete Ausbildung einer solchen Blende, ein Schutz des Brennraumfensters möglich ist, insbesondere ein Schutz des Brennraumfensters vor in einem Brennraum vorherrschende Bedingungen, insbesondere vor hohen Temperaturen, hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Medien wie Ölaschen etc.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Blende wird zum einen die Menge der sich auf dem Brennraumfenster niederschlagenden Verschmutzung in Form von Partikel,
Ölaschen, etc. reduziert. Andererseits wird der Impuls mit dem zum Beispiel die Partikel auf die Oberfläche des Brennraumfensters auftreffen, reduziert. Beide Effekte sorgen . . jeweils dafür, dass Ablagerungen auf dem Brennraumfenster deutlich verringert werden und die wenigen Ablagerungen weniger fest am Brennraumfenster haften. In Folge dessen ist die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung zuverlässiger. Eine weitere Wirkung der Blende ist es, dass die Temperatur des Brennraumfensters herabgesetzt ist. Durch die herabgesetzte Temperatur wird eine chemische Reaktion der Ablagerungen bzw. eine chemische Reaktion des Brennraumfensters mit den Ablagerungen, gleichsam ein Einbrennen der Ablagerungen und somit eine bleibende Schädigung des
Brennraumfensters, vermieden. Verbleibenden Ablagerungen haften somit weniger fest am Brennraumfenster und lassen sich leicht abreinigen. Auch eine Minderung des an dem Brennraumfensters anliegenden Drucks, beziehungsweise der dort erfolgenden
Druckänderungsraten, kann durch eine erfindungsgemäße Blende bewirkt werden, woraus ebenfalls Zuverlässigkeitserhöhungen resultieren können.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, die Länge der Blende gezielt zu wählen. Unter der Länge der Blende ist hierbei insbesondere die Länge des Durchtritts der Blende in Strahlrichtung zu verstehen. Alternativ kann auch eine
Längsachse der Laserzündkerze oder eine Richtung senkrecht auf der dem Brennraum zugewandten Fläche des Brennraumfensters zugrunde gelegt werden. Die Länge des Durchtritts bemisst sich ferner zwischen der dem Brennraum zugewandten Öffnung (auch: Austrittsöffnung) und der dem Brennraum abgewandten Öffnung (auch: Eintrittsöffnung) der Blende. Bei Blenden bzw. Durchgängen mit unregelmäßig geformten Öffnungen ist bezüglich deren Lage insbesondere darauf abzustellen, ob eine laterale Abschirmung des als Durchgang in Betracht kommenden Abschnitts überwiegend gegeben ist. Die
Vermeidung von Ablagerungen auf dem Brennraumfenster, insbesondere durch
Strömungsumlenkung und durch Herabsetzung der Temperatur des Brennraumfensters, erfolgt bei Blenden, deren Länge 4mm oder mehr beträgt. Zunehmend besonders gute Ergebnisse werden mit Blenden, deren Mindestlänge 6mm, 8mm, 10mm oder 12mm beträgt, erzielt. Als Obergrenze für die Länge der Blende kommen 25mm, 20mm oder 15mm in Betracht. Noch längere Blenden könnten die Länge und damit den für den Verbau einer Laserzündkerze erforderlichen Raum übermäßig erhöhen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende vorgesehen, bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des
Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, die Blende, insbesondere ein Material der Blende gezielt so zu wählen, dass es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Vorzugsweise sollte das Material der Blende auch eine hohe Verschleißfestigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, wie sie beispielsweise durch hochlegierte Stähle erreichbar ist, aufweisen.
Das Material der gesamten Blende kann hierbei mit dem des gesamten Gehäuses einheitlich sein und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Es ist aber auch möglich, lediglich die gesamte Blende aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit auszubilden, während weitere Bestandteile des Gehäuses eine andere, insbesondere geringere, Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Auch ist es möglich, lediglich Teile der Blende, zum Beispiel bezogen auf Masse und/oder Volumen überwiegende Teile der Blende und/oder innen liegende, gleichsam als„Seelen" ausgebildete, Teile der Blende, aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit auszubilden, während weitere Teile der Blende eine andere, insbesondere geringere, Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Mit einer solchen Anordnung ist vorteilhaft die Einstellung der gewünschten Wärmeleitung mit gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit erreichbar.
Die Vermeidung von Ablagerungen auf dem Brennraumfenster insbesondere durch die Herabsetzung der Temperatur des Brennraumfensters, tritt bereits auf, wenn die Blende ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 60 W/(m*K) oder mehr aufweist,
insbesondere aus einem solchen Material ganz oder abschnittsweise besteht.
Zunehmend besonders gute Ergebnisse werden mit Blenden, die ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 80 W/(m*K) oder mehr oder 120 W/(m*K) oder mehr aufweisen, insbesondere aus einem solchen Material bestehen, erreicht. Insbesondere kommen Messing und Nickel und Kupfer und Legierungen aus Messing und Nickel sowie
Kupferlegierungen in Betracht, für innen liegende, gleichsam als„Seelen" ausgebildete, Teile der Blende besonders Kupfer.
Eine weitere Maßnahme zur Herabsetzung der Temperatur des Brennraumfensters ist es, bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem
brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, im Inneren der Blende mindestens einen Kühlkanal vorzusehen. Der Kühlkanal ist insbesondere zur Durchströmung mit einem Kühlmedium, zum Beispiel einer
Kühlflüssigkeit, vorgesehen. Die Vorsehung mehrerer Kühlkanäle und/oder eines . .
Kühlkanaldurchmessers von 1 mm2 oder mehr und/oder 5 mm2 oder weniger ist bevorzugt. Ein derartiger Kühlkanal ist an sich bereits zur Herabsetzung der Temperatur des Brennraumfensters geeignet. In Zusammenwirkung mit einer Blende, die ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, lässt sich die Wärme aus der Blende besonders gut dem Kühlkanal zuführen und damit von der Blende abführen.
Sowohl die gezielte Wahl der Länge der Blende, als auch die gezielte Materialwahl und/oder die Vorsehung von Kühlkanälen sind für sich alleine, besonders aber in
Zusammenwirkung, geeignet, die Herabsetzung der Temperatur des Brennraumfensters zu bewirken, wobei insbesondere Kombinationen eines angegebenen, die Länge der Blende betreffenden Merkmals mit einem angegebenen, die Wärmeleitung der Blende betreffenden Merkmal hinsichtlich der Vermeidung von Ablagerungen auf dem
Brennraumfenster und damit hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Laserzündkerze vorteilhaft sind. Auch die Herabsetzung der Temperatur von in dem Bereich des
Brennraumfensters angeordneten Dichtstellen verbessert die Zuverlässigkeit der
Laserzündkerze.
Erfindungsgemäß ist zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Blende vorgesehen, dass bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagert ein mit dem Inneren der Blende kommunizierender Spalt vorgesehen ist, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird.
Unter einem Spalt ist hierbei insbesondere ein Raumbereich zu verstehen, der axial beidseitig, insbesondere jeweils einseitig durch das Brennraumfenster und die Blende, und radial außenseitig, insbesondere durch das Gehäuse, begrenzt ist und über seine radiale Innenseite mit dem Inneren der Blende kommuniziert. In besonderer Ausbildung ist der Spalt somit zwischen der Blende und dem Brennraumfenster ausgebildet. Unter der Höhe des Spaltes ist insbesondere der Abstand der den Spalt axial begrenzenden Flächen zu verstehen. Bei unregelmäßigen Geometrien ist darauf abzustellen, ob eine axiale Begrenzung des Spaltes überwiegend gegeben ist.
Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich die
Temperatur eines zu niedrigen Spalt eindringenden heißen Gases, insbesondere eines brennenden Gases, stark herabsetzt. Infolge dessen kommt es zu einem sogenannten - -
Quenching, mit dem ein Erlöschung des brennenden Gases und eine Russbildung innerhalb des Spaltes einhergehen. Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt zum anderen auch die Erkenntnis zu Grunde, dass sich der so gebildete Ruß auch auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Brennraumfensters deponiert und somit grundsätzlich nachteilig ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die gezielte Wahl der Höhe des Spaltes so, dass Russbildung im Bereich des Spaltes vollständig oder zumindest weitgehend vermieden wird. Hierfür ist es vorteilhaft, die Höhe des Spaltes nicht geringer als 0,3 mm, insbesondere nicht geringer als 1 mm, zu wählen. Besonders sicher lässt sich eine Russbildung vermeiden, wenn der Spalt noch höher, zum Beispiel mindestens 2 mm oder mindestens 3 mm hoch, ist. Auch die Vorsehung eines im Vergleich zum Eintrittsquerschnitt der Blende kleinen
Spaltquerschnitt ist günstig, insbesondere ist vorteilhaft, dass der Spaltquerschnitt höchstens 100%, insbesondere höchstens 40%, bevorzugt höchstens 20% des
Eintrittsquerschnitts der Blende beträgt.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, einen Spalt vorzusehen, dessen Höhe gezielt gewählt ist, und die diesbezüglichen Weiterbildungen der Erfindung, kommen für alle
Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung, auch wo nicht explizit vermerkt, insbesondere optional, in Betracht. In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten, mit dem Inneren der Blende kommunizierenden Spaltes, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird, vorgesehen, dass bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem
brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, die Blende auf ihrer von dem Brennraumfenster abgewandten Seite einen kleinen
Öffnungsquerschnitt (auch:„Austrittsquerschnitt") aufweist.
Der Austrittsquerschnitt der Blende ist insbesondere der offene brennraumseitige
Querschnitt des Durchgangs der Blende. Bei Durchgängen mit unregelmäßig geformter Austrittsöffnung ist bezüglich des Austrittsquerschnitts insbesondere darauf abzustellen, . . ob eine laterale Abschirmung des als Durchgang in Betracht kommenden Abschnitts überwiegend gegeben ist.
Aus der Kleinheit des Austrittsquerschnitt der Blende resultiert die vorteilhafte Wirkung, dass das Brennraumfenster eine Abschirmung von den in dem Brennraum
vorherrschende Bedingungen, insbesondere vor hoher Temperatur, vor raschen
Druckschwankungen, vor hoher Strömungsgeschwindigkeit und/oder vor Partikeln von Ölaschen, Ruß und dergleichen, erfährt. Somit können Ablagerungen auf dem
Brennraumfenster vermieden und die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze erhöht werden. Diese Wirkung tritt auf, wenn der Austrittsquerschnitt 78 mm2 oder weniger, insbesondere 19 mm2 oder weniger beträgt. Zunehmend besonders gute Ergebnisse werden mit Austrittsquerschnitten erreicht, die 7 mm2 oder weniger, insbesondere 2 mm2 oder weniger, betragen. Als Untergrenze kommen 0,05 mm2, 0,4 mm2 und 1 mm2 in Betracht. Durch noch kleinere Austrittsdurchmesser ist der Durchtritt der Laserstrahlung durch die Blende unter Umständen nicht mehr ausreichend sicher gewährleistet.
Die gezielte Wahl der Länge der Blende, die gezielte Materialwahl und/oder die
Vorsehung von Kühlkanälen sind jeweils für sich alleine oder in Kombinationen miteinander bereits geeignet, die Temperatur des Brennraumfensters herabzusetzen, sodass ein„Einbrennen " einer Verschmutzung auf dem Brennraumfenster verringert und damit die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze gesteigert ist. Durch die Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten Spaltes lässt sich in der oben beschrieben Art und Weise eine ähnliche Wirkung erzielen. Werden diese Maßnahmen mit der Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitts der Blende kombiniert, tritt insgesamt die Wirkung auf, dass einerseits weniger Partikel an das Brennraumfenster gelangen, das Brennraumfenster andererseits aber auch resistenter gegenüber einer Verschmutzung durch diese verbleibenden Partikel ist. Die Zuverlässigkeit der
Laserzündkerze lässt sich auf diese Weise erheblich steigern.
Vorteilhafte Ausführungsformen sehen zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen
Wärmeleitfähigkeit der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten, mit dem Inneren der Blende
kommunizierenden Spaltes, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird, und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitt der Blende vor, dass eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung und ein Brennraumfenster und ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des
Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine . .
Blende, insbesondere eine zylindrische Blende, zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, wobei die Länge der Blende L beträgt und der Austrittsquerschnitt der Blende QBA beträgt, wobei 1 < L/(4QBA/n)1/2 < 10 ist.
Durch diese gezielte Abstimmung der Länge der Blende auf den Öffnungsquerschnitt bzw. den Öffnungsdurchmesser der Blende ist es stets gewährleistet, dass eine übermäßige Belastung des Brennraumfensters durch die Einwirkung schädlicher
Bedingungen, wie sie in Brennräumen von Brennkraftmaschinen vorherrschen, vermieden wird. Wesentlich ist hier, dass die Gesamtwirkung der Länge und Blende und des
Öffnungsquerschnitts der Blende im Rahmen der Bedingung 1 < Ι_/(40ΒΑ/π) 2 ^ 10 berücksichtigt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auch relativ kurze Blenden die erfindungsgemäßen Vorteile aufweisen können, vorausgesetzt der
Öffnungsquerschnitt dieser Blenden ist in dem definierten Maße klein. Andererseits können auch Blenden mit einem relativ großen Öffnungsquerschnitt noch eine
ausreichende abschirmende Wirkung aufweisen, vorausgesetzt, die Blende weist eine große Länge auf. Besonders tritt die angegebene technische Wirkung auf, wenn 2 < L/(4QBA/TI)1 2 und/oder L/(4QBA/7t)1/2 < 7, insbesondere IJ(4QBA /π)1 2 -S 6, ist. Im Spezialfall eines runden Austrittsquerschnitts der Blende stellt die Größe (4QBA/n)1 2 den
Austrittsdurchmesser der Blende dar.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten, mit dem Inneren der Blende
kommunizierenden Spaltes, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird, und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitt der Blende vorgesehen, dass bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem
brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, die Innenkontur der Blende in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, zumindest eine Kante, insbesondere eine Vielzahl von Kanten, aufweist. . .
Unter einer Kante der Innenkontur der Blende ist hierbei insbesondere ein geometrisches Objekt, insbesondere eine Linie, zu verstehen, an der verschiedene flächige Bereiche der Innenkontur der Blende unter einem von Null verschiedenen Winkel aufeinandertreffen. Als ein Bereich der Innenkontur der Blende, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, ist ein mittiger Bereich der Innenkontur der Blende zu verstehen, insbesondere ein Bereich, der hinsichtlich der Längserstreckung der Blende mittig ist. Ein Bereich ist hinsichtlich der Längserstreckung der Blende insbesondere dann mittig, wenn er zwischen einem vorderen Fünftel und einem hinteren Fünftel der Blende angeordnet ist, insbesondere zwischen einem vorderen Viertel und einem hinteren Viertel der Blende angeordnet ist, oder in einem zentralen Drittel der Blende angeordnet ist. Unter einer Innenkontur, die in einem Bereich eine Kante aufweist, ist zu verstehen, dass zumindest Teile der Kante in diesem Bereich angeordnet sind, wobei auch möglich ist, dass die Kante in aber zusätzlich auch außerhalb dieses Bereiches angeordnet ist. Als vorteilhafter Sonderfall kann stets auch vorgesehen sein, dass die Kante vollständig in dem Bereich liegt.
Die technische Wirkung einer Kante der beschrieben Art besteht darin, dass sie einen Ausgangspunkt für eine Störung des Einströmens von Gasen in die Blende oder der Strömung in der Blende darstellt. Insbesondere kann es ausgehend von der Kante zu einer Verwirbelung des in die Blende einströmenden Gases oder des in der Blende strömenden Gases kommen. Infolge der Störung, insbesondere infolge der Verwirbelung, ist die Wechselwirkung des in die Blende einströmenden Gases mit der Innenkontur der Blende erhöht und infolge dieser erhöhten Wechselwirkung auch die Neigung von im Gas enthaltenen Partikeln, sich innerhalb der Blende und speziell an den Kanten anzulagern und nicht bis zum Brennraumfenster vorzudringen. Auf diese Weise kommt der Kante gleichsam die Wirkung eines Partikelfängers zu. Es kommt somit zu einer Verminderung der Ablagerungen auf dem Brennraumfenster und zu einer erhöhten Zuverlässigkeit der Laserzündkerze.
Wenngleich die beschriebene Wirkung bereits durch die Vorsehung einer einzigen Kante der beschriebenen Art resultiert, sehen besonders vorteilhafte Weiterbildungen die
Vorsehung einer Vielzahl solcher Kanten vor. Eine Vielzahl von Kanten sind zwei oder mehr Kanten, insbesondere mehr als zwei Kanten. Besonders wirkungsvoll ist die
Anordnung von einer Kante oder eine Vielzahl von Kanten, wenn sie dem
Brennraumfester zumindest entlang von Teilen der Kante und/oder des
Brennraumfensters unverdeckt gegenüberliegt, also ohne dass Teile der Blende zwischen den Teilen der Kante und den Teilen des Brennraumfenstern angeordnet sind. In diesem Fall ist die Kante insbesondere geeignet, eine Störung beziehungsweise eine
Verwirbelung in die Teile der in die Blende eindringenden Strömung oder der Strömung in der Blende einzufügen, die vorwiegend auf das Brennraumfenster gerichtet sind.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Kante beziehungsweise der Vielzahl der Kanten geschieht derart, dass es durch die Anordnung der Kante beziehungsweise durch die Anordnung der Vielzahl der Kanten zur Ausbildung von Stufen kommt und/oder dass sich die Innenkontur der Blende zumindest bereichsweise in Richtung ihres dem
Brennraum zugewandten Endes stufenförmig verjüngt. Dabei können insbesondere zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, bevorzugt zumindest vier Stufen vorgesehen sein. Zusätzlich kann zumindest eine weitere Stufe, insbesondere eine Vielzahl weitere Stufen vorgesehen sein, an der sich die Blende in Richtung ihres dem Brennraum abgewandten Endes verjüngt. Unter einer Stufe der Innenkontur versteht sich hierbei insbesondere eine Anordnung von zumindest drei Teilflächen der Innenkontur, wobei eine der Teilflächen in Längsrichtung der Innenkontur zwischen den beiden anderen Teilflächen angeordnet ist und wobei die radiale Neigung der einen Teilfläche bezogen auf die radialen Neigungen aller der drei Teilflächen extremal ist. Die Teilflächen können dabei insbesondere eine ringförmige Gestalt aufweisen, aber auch andere Geometrien sind prinzipiell möglich.
In einer fertigungstechnisch günstigen Variante sind die Stufen nahezu rechtwinklig (88° - 92°), insbesondere rechtwinklig, ausgebildet, das heißt insbesondere, die beiden
Teilflächen verlaufen parallel zu einer Längsachse der Laserzündkerze, während die eine Teilfläche senkrecht dazu orientiert ist. Insbesondere eine Vielzahl derartiger Stufen, zum Beispiel mehr als drei oder mehr als sieben kann vorgesehen sein. Auch Stufen, die aus Flächen bestehen, die stets oder teilweise in stumpfen Winkeln oder stets oder teilweise in spitzen Winkeln, hierbei jedoch vorzugsweise nicht in Winkeln spitzer als 25°, aufeinanderstoßen, sind denkbar und in jeweils unterschiedlicher Art auch vorteilhaft. Auch Kombinationen von Stufen der genannten Arten sind in einer Blende prinzipiell möglich.
Sowohl die Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitts der Blende als auch die Vorsehung von mindestens einer Kante in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum
abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, ermöglichen es jeweils für sich, die Anzahl der Partikel, die auf dem Brennraumfenster auftreffen, zu verringern. Werden beide Maßnahmen miteinander kombiniert, ergibt sich der synergetische Effekt, dass die durch den kleinen Austrittsquerschnitt der Blende räumlich konzentrierte Strömung in die Blende durch geeignete Kanten besonders gezielt stören, insbesondere verwirbeln - - lassen. Günstig sind hierbei insbesondere Austrittsquerschnitte von 78 mm2 oder weniger, insbesondere 19 mm2 oder weniger, bevorzugt 7 mm2 oder weniger, insbesondere bevorzugt 2 mm2 oder weniger, wobei diese Austrittsdurchmesser jeweils
vorteilhafterweise mit einer stufenförmigen Innenkontur der Blende kombiniert werden kann, insbesondere mit einer stufenförmigen Innenkontur der Blende, die eine Vielzahl von Stufen aufweist, insbesondere von rechtwinkligen Stufen, insbesondere von Stufen, an denen die Querschnittsfläche der Blende jeweils in Richtung von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Innenkontur der Blende zu dem dem Brennraum abgewandten Ende der Innenkontur der Blende um mindestens 10%, insbesondere um mindestens 35%, zunimmt.
Die gezielte Wahl der Länge der Blende, die gezielte Materialwahl und/oder die
Vorsehung von Kühlkanälen sind jeweils für sich alleine oder in Kombinationen
miteinander bereits geeignet, die Temperatur des Brennraumfensters herabzusetzen, sodass ein„Einbrennen " von Partikeln auf Brennraumfensters verringert, Ablagerungen vermindert und somit die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze gesteigert ist. Durch die Vorsehung eines dem Brennraumfester brennraumseitig vorgelagerten Spaltes lässt sich eine ähnliche Wirkung erzielen. Werden diese Maßnahmen mit der Vorsehung von mindestens einer Kante in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum
zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, kombiniert, tritt insgesamt die Wirkung auf, dass einerseits weniger Partikel an das Brennraumfenster gelangen, das Brennraumfenster andererseits aber auch resistenter gegenüber einer Verschmutzung durch diese wenigen Partikel ist. Die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze lässt sich auf diese Weise erheblich steigern.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten, mit dem Inneren der Blende
kommunizierenden Spaltes, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird, und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitts der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer Kante der beschriebenen Art vorgesehen, dass bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem
brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, wobei die Blende ein dem Brennraum zugewandtes Ende und ein dem Brennraum abgewandtes Ende aufweist, die Innenkontur der Blende in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem
Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, einen extremalen Querschnitt aufweist.
Unter einem extremalen Querschnitt der Innenkontur einer Blende ist insbesondere ein Querschnitt zu verstehen, der bezüglich seines Flächeninhaltes und bezüglich der Längsrichtung der Laserzündkerze ein lokales Maximum darstellt, das heißt
insbesondere, sich in beide Längsrichtungen verkleinert, oder ein lokales Minimum darstellt, das heißt insbesondere, sich in beide Längsrichtungen vergrößert. Der extremale Querschnitt der Blende in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, kann sich insbesondere darin äußern, dass es einen Querschnitt der Blende gibt, der größer als der Eintrittsquerschnitt der Blende und größer als der Austrittsquerschnitt der Blende ist, oder dass es einen Querschnitt der Blende gibt, der kleiner als der Eintrittsquerschnitt der Blende und kleiner als der Austrittsquerschnitt der Blende ist. Bei dem extremalen Querschnitt handelt es sich insbesondere um einen Querschnitt, der in einer Ebene liegt, die parallel zu einer Ebene liegt, in der der
Austrittsquerschnitt der Blende liegt und/oder der in einer Ebene liegt, die parallel zu einer Ebene liegt, in der der Eintrittsquerschnitt der Blende liegt und/oder die parallel zu einer Ebene liegt, in der die dem Brennraum zugewandte Oberfläche des Brennraumfensters liegt und/oder die senkrecht zu einer Längsachse der Laserzündkerze orientiert ist.
Die technische Wirkung der Maßnahme, dass die Innenkontur der Blende in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, einen extremalen Querschnitt aufweist, besteht darin, dass der Bereich extremalen Querschnitts einen Ausgangspunkt für eine Störung des Einströmens von Gasen in die Blende oder eine Störung der Strömung in der Blende darstellt. Insbesondere kann es ausgehend von dem Bereich extremalen Querschnitts zu Verwirbelung des in die Blende einströmenden Abgases oder der Strömung in der Blende kommen. Infolge der Störung, insbesondere infolge der Verwirbelung, ist die Wechselwirkung des in die Blende einströmenden Abgases mit der Innenkontur der Blende erhöht und infolge dieser erhöhten
Wechselwirkung auch die Neigung von im Abgas enthaltenen Partikeln, sich innerhalb der Blende anzulagern und nicht bis zum Brennraumfenster vorzudringen. Auf diese Weise kommt dem Bereich extremalen Querschnitts gleichsam die Wirkung eines
Partikelfängers zu. . .
Wenngleich die beschriebene Wirkung bereits durch die Vorsehung eines Bereiches, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist und der einen extremalen Querschnitt aufweist, an sich resultiert, sehen Weiterbildungen vor, dass die Blende an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende einen Eintrittsquerschnitt aufweist und an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende einen Austrittsquerschnitt aufweist und dass der extremale Querschnitt entweder mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%, bevorzugt mindestens 30%, kleiner als der Eintrittsquerschnitt und mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%, bevorzugt mindestens 30%, kleiner als der
Austrittsquerschnitt ist oder mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%, bevorzugt mindestens 30%, größer als Eintrittsquerschnitt ist und mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%, bevorzugt mindestens 30%, größer als der Austrittsquerschnitt ist. Eine vorteilhafte Form der Innenkontur der Blende sieht vor, dass die Innenkontur der Blende zwei Abschnitte aufweist, die jeweils eine kegelstumpfförmige Form, insbesondere jeweils die Form eines gerade Kreiskegelstumpfes, aufweisen, wobei diese beiden Abschnitte vorzugsweise unmittelbar benachbart sind, also jeweils mit ihrer größeren oder jeweils mit ihrer kleineren Stirnfläche aneinander angrenzen und somit gleichsam einen
Doppelkegelstumpf bilden. An der Stelle, an der die Kegelstümpfe aneinandergrenzen bildet sich somit eine Kante aus, die entweder längs einer Einschnürung oder längs einer Ausbauchung der Innenkontur der Blende verläuft.
Neben rotationssymmetrischen Innenkonturen der Blende, die insbesondere umlaufende geometrische Merkmale wie Einschnürungen und/oder Ausbauchungen vorsehen und/oder einen Freistich vorsehen, ist es grundsätzlich möglich und vorteilhaft, bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, das Gehäuse auf der dem Mittel
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem
brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, von einer rotationssymmetrischen Form der Innenkontur der Blende abzuweichen.
Derartige Asymmetrien haben die Wirkung, dass es zu einer erhöhten Wechselwirkung des in die Blende einströmenden Abgases mit der Innenkontur der Blende kommt und infolge dieser erhöhten Wechselwirkung auch die Neigung von im Abgas enthaltenen Partikeln, sich innerhalb der Blende anzulagern und nicht bis zum Brennraumfenster vorzudringen erhöht ist. Die Ablagerungen auf dem Brennraumfenster sind somit vermindert und die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze ist erhöht. Spezielle
Innenkonturen mit einer nicht rotationssymmetrischen Form weisen zumindest eine Ausnehmung, insbesondere eine Vielzahl von Ausnehmungen auf, die insbesondere sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet sind. Auch
Ausbuchtung, insbesondere eine Vielzahl von Ausbuchtungen, die insbesondere sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem
Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet sind, sind vorteilhaft, da die Ausnehmung und/oder die Ausbuchtung einen Ausgangspunkt für eine Störung des Einströmens von Abgasen in die Blende darstellen. Insbesondere kann es ausgehend von der Ausnehmung und/oder der Ausbuchtung zu einer Verwirbelung des in die Blende einströmenden Gases kommen. Besonders vorteilhaft befindet sich die Ausbuchtung und/oder die Ausnehmung in einem Bereich der Blende, der sowohl von dem dem
Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum
abgewandten Ende der Blende beabstandet ist und der einen extremalen Querschnitt aufweist. Auch die Vorsehung anderer Innenkonturen der Blende, insbesondere solcher, die hinsichtlich einer Strömung optimiert sind, beispielweise nicht scharfkantig, sondern abgerundet und/oder vollständig oder abschnittsweise als Lavaldüse ausgebildet sind, ist grundsätzlich denkbar.
In einem Bereich der Innenkontur der Blende, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende beabstandet ist, wirken sowohl die Vorsehung von einer oder mehrerer Kanten als auch die Vorsehung extremaler Querschnitte und/oder von Ausnehmungen oder
Ausbuchtungen, wie oben beschrieben, bereits jeweils für sich in der Weise, dass eine Störung des Einströmens von Gasen in die Blende dargestellt wird und dass es insbesondere zu einer Verwirbelung des in die Blende einströmenden Gases kommt. Diese technische Wirkung tritt in gesteigertem Maße bei einer Blende mit mehreren der genannten Merkmale auf.
Die gezielte Wahl der Länge der Blende, die gezielte Materialwahl und/oder die
Vorsehung von Kühlkanälen sind jeweils für sich alleine oder in Kombinationen miteinander bereits geeignet, die Temperatur des Brennraumfensters herabzusetzen, sodass Ablagerungen auf dem Brennraumfenster vermindert sind und damit die
Zuverlässigkeit der Laserzündkerze gesteigert ist. Durch die Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten Spaltes der oben beschriebenen Art lässt sich wie oben beschrieben für sich allein und besonders in Kombinationen eine ähnlicher Wirkung erzielen. Werden diese Maßnahmen mit der Vorsehung eines extremalen Querschnitts in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der - -
Blende beabstandet ist, kombiniert, tritt insgesamt die Wirkung auf, dass weniger Partikel an das Brennraumfenster gelangen, das Brennraumfenster andererseits aber auch resistenter gegenüber einer Verschmutzung durch diese verbleibenden Partikel ist. Die Lebensdauer der Laserzündkerze lässt sich auf diese Weise erheblich steigern.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten, mit dem Inneren der Blende kommunizierenden Spaltes, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird, und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitt der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer Kante und/oder eines extremalen
Querschnitts der jeweils beschriebenen Art bei einer Laserzündkerze für eine
Brennkraftmaschine umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein
Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des
Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, die Laserzündkerze zumindest ein
Fokussierungsmittel zur Festlegung einer Strahlform der durch die Blende durchtretenden Laserstrahlung aufweist und der Abstand zwischen Blende und Laserstrahlung zumindest entlang überwiegender Teile der Innenkontur der Blende einen Höchstabstand nicht überschreitet.
Bei dem zumindest einen Fokussierungsmittel kann es sich um eine Fokussieroptik, beispielsweise um eine Linse oder mehrere Linsen und/oder um einen oder mehrere Spiegel handeln, insbesondere um einen oder mehrere Spiegel mit jeweils einer gekrümmten Oberfläche. Auch die Ausbildung des Brennraumfensters und/oder die Ausbildung des Mittels zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von
Laserstrahlung als fokussierendes Element ist zusätzlich oder alternativ möglich. Durch die Vorsehung des zumindest einen Fokussierungsmittels ist eine Strahlform der durch die Blende durchtretenden Laserstrahlung grundsätzlich festgelegt. Bei Laserzündkerzen, bei denen die Strahlform der durch die Blende durchtretenden Laserstrahlung von einem weiteren Betriebsparameter der Laserzündkerze, zum Beispiel einem Strom oder einer Temperatur, abhängt, ist als die durch die Fokussierungsmittel festgelegte Strahlform, die Strahlform aufzufassen, die durch die Laserzündkerze bereitgestellt wird, wenn der Betriebsparameter einen Wert annimmt, der für den Betrieb der Laserzündkerze vorgesehen ist. Die Strahlform der Laserstrahlung, insbesondere Strahllage, - -
Strahlabmessungen und Abstände zwischen Strahl und Blende verstehen sich gemäß und/oder vor dem Hintergrund der Norm DIN EN ISO 1 1 145.
Der Vorsehung, dass der Abstand zwischen Blende und Laserstrahlung zumindest entlang überwiegender Teile der Innenkontur der Blende einen Höchstabstand nicht überschreitet, liegt einerseits Erkenntnis zugrunde, dass es zur Erreichung einer das Brennraumfenster abschirmenden Wirkung und zur Verminderung von Ablagerungen auf dem Brennraumfenster entlang überwiegenden Teilen der Innenkontur der Blende, insbesondere entlang der gesamten Innenkontur der Blende förderlich ist, wenn der Durchgang der Blende so eng wie nur möglich ausgelegt ist. Anderseits steht dieser Anforderung entgegen, dass ein möglichst großer Anteil der durch das Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung geführten, geformte und/oder erzeugten Laserstrahlung durch die Blende durchtreten soll, die Blende also nicht zu eng sein darf, insbesondere, da auch fertigungstechnische Toleranzen zu berücksichtigen sind.
Ein guter Kompromiss zwischen diesen beiden Anforderungen ist bereits gegeben, wenn entlang überwiegender Teile der Innenkontur der Blende ein Abstand zwischen Blende und Laserstrahlung zwar gegeben ist, dieser aber einen Höchstabstand von 4 mm nicht überschreitet. Noch bessere Kompromisse sehen vor, dass der Höchstabstand entlang überwiegender Teile der Innenkontur der Blende 2 mm, insbesondere 1 mm, bevorzugt 0,55 mm, beträgt und/oder dass ein Mindestabstand entlang der überwiegenden Teile der Innenkontur der Blende nicht unterschritten wird, wobei dieser Mindestabstand
vorteilhafterweise 0,1 mm, 0,25 mm oder 0,45 mm beträgt. Die überwiegenden Teile der Innenkontur der Blende können 70% der Fläche der Innenkontur oder mehr, 90% der Fläche der Innenkontur oder mehr oder sogar die gesamte Innenkontur umfassen.
Dass ein guter Kompromiss zwischen den genannten Anforderungen gefunden wurde, kann statt durch geometrische, auf die Blende und/oder auf die Laserstrahlung bezogene Maße alternativ auch in dem Anteil der durch die Blende durchtretenden Laserstrahlung zum Ausdruck kommen. So ist es günstig, wenn dieser Anteil zwischen 50% und 100%, insbesondere zwischen 70% und 95%, bevorzugt zwischen 85% und 93%, beträgt, wobei der verbleibende Anteil durch die Blende insbesondere absorbiert und/oder diffus gestreut wird. Der verbleibende Anteil steht für eine Fokussierung des Laserstrahls insbesondere nicht mehr zur Verfügung.
Sowohl durch die Vorsehung von Mindest- und/oder Höchstabständen in der
beschriebenen Art, als auch durch weitere oben beschriebene Maßnahmen, insbesondere der Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitts der Blende, als auch durch die
Vorsehung der beschriebenen Verhältnisse zwischen Austrittsquerschnitt und Länge der Blende und/oder durch Anpassung von Innenkontur der Blende zum Laserstrahl lässt sich jeweils für sich bereits eine gute Abschirmung des Brennraumfensters von in dem
Brennraum herrschenden Bedingungen erzielen. Durch Zusammenwirken dieser
Maßnahmen lässt sich die abschirmende Wirkung nochmals erheblich steigern.
Insgesamt lassen sich so Ablagerungen auf dem Brennraumfenster besonders wirkungsvoll vermindern und die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze erheblich steigern.
Auch mit den weiteren oben oder nachfolgend beschriebenen Maßnahmen, die eine Herabsetzung der Brennraumfenstertemperatur und/oder eine Minderung der Exposition des Brennraumfensters mit Partikeln bewirken, insbesondere gezielte Wahl der Länge der Blende, gezielte Materialwahl und/oder Vorsehung von Kühlkanälen und/oder eines Spaltes in der beschriebenen Art und Weise, tritt die Vorsehung von Mindest- und/oder Höchstabständen in der beschriebenen Art in gegenseitige Wirkungsverstärkung, sodass insgesamt eine erhebliche Erhöhung der Zuverlässigkeit der Laserzündkerze resultiert.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich oder alternativ zur gezielten Wahl der Länge der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines dem Brennraumfenster brennraumseitig vorgelagerten, mit dem Inneren der Blende kommunizierenden Spaltes, dessen Höhe gezielt gering gewählt wird, und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung eines kleinen Austrittsquerschnitt der Blende und zusätzlich oder alternativ zur Vorsehung einer Kante und/oder eines extremalen
Querschnitts der jeweils beschriebenen Art bei einer Laserzündkerze für eine
Brennkraftmaschine umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein
Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des
Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, wobei die Innenkontur der Blende die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist, wobei der Kegelstumpf einen
Öffnungswinkel φ aufweist, Fokussierungsmittel zur Festlegung eines
Strahldivergenzwinkel ψ der durch die Blende durchtretenden Laserstrahlung vorgesehen sind aufweist, wobei 0 < φ - ψ < 30°, insbesondere 0 < φ - ψ < 30°.
Die Strahlform der Laserstrahlung, insbesondere der Strahldivergenzwinkel, Strahllage, Strahlabmessungen und Abstände zwischen Strahl und Blende verstehen sich gemäß und/oder vor dem Hintergrund der Norm DIN EN ISO 11145. Bezüglich der Ausführung und der Wirkung des Fokussierungsmittels gilt das voranstehend ausgeführte. Durch das Merkmal, dass 0 < φ - ψ < 30°, insbesondere 0 < φ - ψ < 30° resultiert die technische Wirkung, dass ein Austrittsquerschnitt der Blende relativ eng ist, sodass nur wenige Partikel in das Innere der Blende eintreten können, sich die Blende aber in ihrem dem Brennraumfenster zugewandten Teil relativ stark aufweitet, wodurch die flächenhafte Ausdehnung der Innenkontur der Blende relativ groß ist. Die von der Laserstrahlung durchdrungene Fläche des Brennraumfensters ist, bedingt durch den geringeren
Strahldivergenzwinkel ψ, hingegen relativ klein. Aus diesen Flächenverhältnissen resultiert insgesamt, dass sich die Mehrzahl der von vorneherein wenigen, in die Blende eingedrungenen Partikel, auf der Blende und nicht auf dem Brennraumfenster anlagern. Die Ablagerungen auf dem Brennraumfenster sind somit vermindert und die
Zuverlässigkeit der Laserzündkerze ist gesteigert.
Diese vorteilhafte Wirkung tritt besonders hervor, wenn die Innenkontur der Blende die Form der Mantelfläche eines geraden Kreiskegelstumpfes hat, wobei der gerade
Kreiskegelstumpf den Öffnungswinkel φ aufweist, wobei 0 < φ - ψ < 30°, insbesondere 0 < φ - ψ < 30°. Ferner ist bevorzugt, dass der Öffnungswinkel φ 90° oder weniger, insbesondere 70° oder weniger, bevorzugt 60° oder weniger, aufweist und/oder dass der Öffnungswinkel φ 3° oder mehr, insbesondere 10° oder mehr, beträgt und oder 5°< φ - Ψ, insbesondere 13°< φ - ψ und/oder dass φ - ψ < 20°, insbesondere φ - ψ < 15°.
Sowohl durch die Wahl von φ - ψ in der beschriebenen Art, als auch durch weitere oben beschriebene Maßnahmen, insbesondere der Vorsehung eines kleinen
Austrittsquerschnitts der Blende, als auch durch die Vorsehung der beschriebenen Verhältnisse zwischen Austrittsquerschnitt und Länge der Blende und/oder durch
Anpassung von Innenkontur der Blende zum Laserstrahl lässt jeweils für sich bereits eine gute Abschirmung des Brennraumfensters von in dem Brennraum herrschenden
Bedingungen erzielen. Durch Zusammenwirken dieser Maßnahmen lässt sich die abschirmende Wirkung nochmals erheblich steigern, sodass insgesamt eine erhebliche Verminderung von Ablagerungen und eine erhebliche Erhöhung der Zuverlässigkeit der Laserzündkerze resultiert.
Auch mit weiteren, oben oder nachfolgend beschriebenen Maßnahmen, die eine
Herabsetzung der Brennraumfenstertemperatur und/oder eine Minderung der Exposition des Brennraumfensters mit Partikeln bewirken, insbesondere gezielte Wahl der Länge der Blende, gezielte Materialwahl und/oder Vorsehung von Kühlkanälen und/oder eines Spaltes in der beschriebenen Art und Weise, tritt die geeignete Wahl von φ - ψ in der beschriebenen Art in gegenseitige Wirkungsverstärkung, sodass insgesamt eine erhebliche Verminderung von Ablagerungen und eine erhebliche Erhöhung der
Zuverlässigkeit der Laserzündkerze resultiert. - -
Vorteilhafte weitere Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere Weiterbildungen der voranstehend erläuterten Ausführungsformen, betreffen Maßnahmen zur Führung der Strömung in einem der Blende vorgelagerten Bereich und/oder im Bereich der Blende und/oder in einem Bereich der Austrittsöffnung der Blende und/oder in der Blende. Diese Maßnahmen können einerseits eine von der Laserzündkerze umfasste, insbesondere am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnete Vorkammer betreffen, hierbei insbesondere die gezielte Anordnung mindestens eines Überstromkanals der eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum der Vorkammer und einem die Vorkammer umgebenden Brennraum ermöglicht. Andererseits können auch in von der
Laserzündkerze nicht umfassten Vorrichtungen Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung in den genannten Bereichen vorgesehen werden, beispielsweise durch die Auslegung der Form des Brennraums oder des dem Brennraum zugehörigen Kolbens oder anderer Komponenten der Brennkraftmaschine.
Insbesondere vorteilhaft ist es, zusätzlich oder alternativ zu den voranstehend
ausgeführten Maßnahmen bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in eine am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnete
Vorkammer aufweist, wobei mindestens ein eine Fluidverbindung zwischen einem
Innenraum der Vorkammer und einem die Vorkammer umgebenden Brennraum ermöglichenden Überströmkanal vorgesehen ist, dass der mindestens eine
Überströmkanal so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal in den Innenraum der Vorkammer eine gewünschte Fluidströmung ergibt.
Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Überströmkanal einen Querschnitt aufweist, der nicht größer ist, insbesondere kleiner ist, als der
Austrittsquerschnitt der Blende und/oder nicht größer ist, insbesondere kleiner ist, als ein minimaler Querschnitt der Blende. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Überströmkanal einen Querschnitt QQ aufweist, der nicht größer ist, insbesondere kleiner, als ein Höchstquerschnitt ist, wobei der Höchstquerschnitt 10 mm2, 6 mm2, 4 mm2, 2 mm2 oder 1 mm2 betragen kann. Durch diese relativ kleinen Querschnitte kann die Richtung des in die Vorkammer einströmenden Fluids besonders gezielt beeinfiusst werden. Es ist ferner zusätzlich oder alternativ zur gezielten Beeinflussung des in die Vorkammer einströmenden Fluids förderlich, wenn die Länge des mindestens einen - -
Überstromkanals LQ hoch im Vergleich zu einem Querschnitt QQ des mindestens einen Überstromkanals ist, insbesondere gemäß Lü > (Qo/n)V2, LQ > (16*Qo/7i) 2 oder gemäß LQ > (36*Οϋ/π)1/2. Aus der gezielten Beeinflussung des in die Vorkammer einströmenden Fluids, insbesondere in einer der nachstehend ausgeführten Arten, resultiert eine
Verminderung der Ablagerungen auf dem Brennraumfenster und somit eine
Verbesserung der Zuverlässigkeit der Laserzündkerze.
Hierbei kann unter der Blende insbesondere ein zwischen Vorkammer und
Brennraumfenster liegender zylindrischer oder sich in Richtung Brennraum verjüngender Bereich der Laserzündkerze aufzufassen sein, während unter der Vorkammer
insbesondere ein brennraumseitig der Blende angeordneten Bereich der Laserzündkerze aufzufassen sein kann, der insbesondere zumindest abschnittsweise einen gegenüber der gesamten Blende oder der Austrittsöffnung der Blende vergrößerten Querschnitt aufweist.
Insbesondere vorteilhaft ist bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters eine Blende zum Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in eine am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnete
Vorkammer aufweist, wobei mindestens ein eine Fluidverbindung zwischen einem
Innenraum der Vorkammer und einem die Vorkammer umgebenden Brennraum ermöglichender Überströmkanal vorgesehen ist, dass der mindestens eine
Überströmkanal so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal in den Innenraum der Vorkammer eine Fluidströmung ergibt, die unter einem endlichen Mindestwinkel, insbesondere gemessen zur Längsachse der Laserzündkerze, in das Innere der Blende eintritt.
Daraus, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal in den Innenraum der Vorkammer eine Fluidströmung ergibt, die unter einem endlichen
Mindestwinkel ε, insbesondere gemessen zur Längsachse der Laserzündkerze, in das Innere der Blende eintritt, resultiert einerseits die Wirkung, dass das einströmenden Fluid auf die Innenkontur der Blende gelenkt wird und sich im Fluid enthaltene Partikel dort ablagern. Die Anzahl der Partikel, die das Brennraumfenster erreichen, lässt sich somit reduzieren, die Ablagerungen auf dem Brennraumfenster sind vermindert und die
Zuverlässigkeit der Laserzündkerze ist gesteigert.
Die beschriebene Wirkung tritt bereits ein, wenn der Mindestwinkel ε 45° beträgt, noch günstigere Mindestwinkel ε betragen 60° oder 75° oder 85°, jeweils insbesondere gemessen zur Längsachse der Laserzündkerze. Alternativ ist die Messung des . -
Mindestwinkels stets auch zu einer Senkrechten auf der Eintrittsfläche der Blende und/oder zu einer Senkrechten auf einer, dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters möglich. Um diese Strömung zu erzielen ist bevorzugt vorgesehen, dass der mindestens eine Überströmkanal so angeordnet ist, dass seine Längsachse in radialer Richtung einen Winkel mit der Längsachse der Laserzündkerze einschließt, der weniger als etwa 25° beträgt, vorzugsweise weniger als etwa 10°. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mehrere Überströmkanäle vorgesehen sind.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass zusätzliche Mittel vorgesehen sind, durch die ein Spülgas in die Vorkammer einblasbar ist, und diese Mittel insbesondere so angeordnet sind und so betreibbar sind, dass zusammen mit dem durch die
Überströmbohrung einströmenden Fluid eine resultierende Gesamtströmung resultiert, die unter dem Mindestwinkel, wie oben erläutert, in das Innere der Blende eintritt oder die zumindest weitgehend parallel zu einer Austrittsöffnung der Blende ist. Stets bevorzugt ist die Strömung innerhalb der Vorkammer als Tumble-Strömung ausgebildet.
Die oben erläuterte Wirkung der Vorsehung des Mindestwinkels ε wirkt bei einem gegebenen Mindestwinkel ε synergetisch mit einer besonders langen Blende und/oder mit einer besonders schlanken Blende, insbesondere einer Blende mit kleinem
Austrittsquerschnitt QBA, durch den die Fluidströmung in das Innere der Blende eintritt, zusammen, da bei solchen Weiterbildungen die Innenkontur der Blende durch die
Fluidströmung besonders nah an ihrem brennraumseitigen Ende getroffen wird und sich Partikel bevorzugt dort an der Innenkontur der Blende ablagern. Bevorzugt ist, dass die Innenkontur der Blende durch die Fluidströmung in einer dem Brennraum zugewandten Hälfte der Innenkontur der Blende getroffen wird. Noch günstiger ist ein Auftreffen der Fluidströmung in einem dem Brennraum zugewandten Endabschnitt dessen Länge in Längsrichtung der Innenkontur 1/n der Gesamtlänge der Innenkontur der Blende ausmacht, wobei n=3, oder n=4 oder n=5 sein kann. Ein ähnlicher Sachverhalt kann auch dadurch zum Ausdruck kommen, dass der Mindestwinkel ε, die Länge der Blende L der Verhältniszahl n und der Austrittsquerschnitt der Blende QBA eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllen:
n* tan ε = U(QA/n)V2 ; n = 2 ... 5.
Auch mit den weiteren oben oder nachfolgend beschriebenen Maßnahmen, die eine Herabsetzung der Brennraumfenstertemperatur und/oder eine Minderung der Exposition des Brennraumfensters mit Partikeln bewirken, insbesondere gezielte Wahl der Länge der Blende, gezielte Materialwahl und/oder Vorsehung von Kühlkanälen und/oder eines Spaltes in der beschriebenen Art und Weise, tritt die Vorsehung eines Mindestwinkels in der beschriebenen Art in gegenseitige Wirkungsverstärkung, sodass insgesamt eine . - erhebliche Verminderung von Ablagerungen und Erhöhung der Zuverlässigkeit der Laserzündkerze resultiert.
Insbesondere vorteilhaft ist bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum
Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in eine am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnete Vorkammer aufweist, wobei mindestens ein eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum der Vorkammer und einem die Vorkammer umgebenden Brennraum ermöglichender Überströmkanal vorgesehen ist, dass der mindestens eine Überströmkanal so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal in den Innenraum der Vorkammer eine Fluidströmung ergibt, die im Bereich der Blende mindestens einen Wirbel aufweist, der sich um eine Wirbelachse dreht, die eine Komponente in Richtung der Längsachse der Laserzündkerze aufweist.
Unter dem Bereich der Blende ist hierbei insbesondere ein der Blende vorgelagerten Bereich und/oder ein Bereich der Austrittsöffnung der Blende aufzufassen. Unter
Bereichen sind insbesondere räumliche Gebiete zu verstehen, die Strukturlängen aufweisen, die etwas kleiner, beispielsweise halb so groß oder ein Viertel so groß sind wie eine Strukturlängen der Innenkontur der Blende, wobei die Strukturlänge insbesondere durch Länge, Eintrittsdurchmesser und/oder Austrittsdurchmesser der Blende gegeben sein kann.
Aus einer derartigen Anordnung und Ausbildung des Überströmkanals oder der
Strömungskanäle resultiert zunächst, dass die Fluidströmung im Bereich der Blende eine Komponente in Richtung senkrecht zur Längsachse LA der Laserzündkerze aufweist. Ferner resultiert bedingt durch den Wirbel lokal eine Strömungsablenkung in eine zur lokalen Strömungsgeschwindigkeit senkrechte Richtung. Da die durch die Strömung transportierten Partikel eine endliche Trägheit aufeisen, folgen sie dieser
Strömungsablenkung nur bedingt und neigen, insbesondere bei scharfer
Strömungsablenkung, dazu, auf die Innenkontur der Blende beziehungsweise auf eine Seitenwand der Vorkammer zu treffen. Insgesamt resultiert, dass die Menge der das Brennraumfenster erreichenden Partikel herabgesetzt ist, sodass Ablagerungen auf dem Brennraumfenster vermindert und die Zuverlässigkeit der Laserzündkerze erhöht ist.
Wenngleich die beschriebene technische Wirkung bereits resultiert, wenn die Wirbelachse nur eine Komponente in Richtung der Längsachse der Laserzündkerze aufweist, ist bevorzugt, dass die Wirbelachse einen Winkel mit einer Längsachse der Laserzündkerze von höchstens 45°, insbesondere höchstens 20°, bevorzugt höchstens 10°, einschließt oder parallel, mit der Längsachse LA der Laserzündkerze ist. Im Fall, dass die
Wirbelachse parallel mit der Längsachse LA der Laserzündkerze ist, ist neben der koaxialen Anordnung auch eine beabstandete Anordnung von Wirbelachse und
Längsachse LA der Laserzündkerze günstig, insbesondere wenn der Abstand zwischen Wirbelachse und Längsachse LA der Laserzündkerze mindestens 2 mm, insbesondere mindestens 4 mm beträgt. Als Höchstabstände kommen 6 und 10mm in Betracht.
Ergebnis der Beabstandung ist eine Scherströmung senkrecht zur Austrittsöffnung der Blende und das Auftreffen der Partikel auf der Innenkontur der Blende.
Die vorgesehen Anordnung des Überströmkanals kann insbesondere daraus resultieren, dass seine Längsachse in tangentialer Richtung einen Winkel mit der Längsachse der Laserzündkerze einschließt, der mehr als etwa 10° beträgt, vorzugsweise mehr als etwa 25° beträgt.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass zusätzliche Mittel vorgesehen sind, durch die ein Spülgas in die Vorkammer einblasbar ist, wobei die zusätzlichen Mittel so angeordnet sind und so betreibbar sind, dass zusammen mit dem durch die
Überströmbohrung einströmenden Fluid eine resultierende Gesamtströmung resultiert, die einen Wirbel wie oben erläutert ausbildet. Stets ist bevorzugt, dass die Strömung innerhalb der Vorkammer als Drallströmung ausgebildet ist.
Die oben erläuterte Wirkung der Vorsehung eines Wirbels wirkt bei einem gegebenen Wirbel synergetisch mit einer besonders langen Blende und/oder mit einer Blende mit einer besonders schlanken Geometrie, insbesondere einer Blende mit kleinem
Austrittsquerschnitt QBA, durch den die Fluidströmung in das Innere der Blende eintritt, zusammen, da bei solchen Weiterbildungen die tangential weggeschleuderten Partikel die Innenkontur der Blende besonders nah an ihrem brennraumseitigen Ende treffen.
Bevorzugt ist, dass die Innenkontur der Blende durch die tangential weggeschleuderten Partikel in einer dem Brennraum zugewandten Hälfte der Innenkontur der Blende getroffen wird. Noch günstiger ist ein Auftreffen der tangential weggeschleuderten Partikel in einer dem Brennraum zugewandten Endabschnitt dessen Länge in Längsrichtung der Innenkontur 1/n der Gesamtlänge der Innenkontur der Blende ausmacht, wobei n=3, oder n=4 oder n=5 sein kann.
Ein ähnlicher Sachverhalt kann auch dadurch zum Ausdruck kommen, dass der
Höchstwinkel v, den die Wirbelachse mit der Längsachse der Laserzündkerze ausbildet, die Länge der Blende L, die Verhältniszahl n und der Austrittsquerschnitt der Blende QBA eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllen: - n* tan v = L/(QA/TI)1 2 ; n = 2 ... 5.
Auch mit den weiteren oben oder nachfolgend beschriebenen Maßnahmen, die eine Herabsetzung der Brennraumfenstertemperatur und/oder eine Minderung der Exposition des Brennraumfensters mit Partikeln bewirken, insbesondere gezielte Wahl der Länge der Blende, gezielte Materialwahl und/oder Vorsehung von Kühlkanälen und/oder eines Spaltes in der beschriebenen Art und Weise tritt die Anordnung und Ausbildung eines Überströmkanals in der angegebenen Art und Weise in gegenseitige
Wirkungsverstärkung, sodass insgesamt eine erhebliche Verminderung von
Ablagerungen und eine erhebliche Erhöhung der Zuverlässigkeit der Laserzündkerze resultiert.
Insbesondere vorteilhaft ist bei einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Mittel zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung, ferner umfassend ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse auf der dem Mittel gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters, insbesondere an einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses, eine Blende zum
Durchtritt der durch das Mittel geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist, dass die Blende auf einer dem Brennraum zugewandten Seite zumindest eine Außenkante aufweist, deren Kontur gegenüber einer scharfkantigen Außenkante nach innen abweicht.
Bezüglich des Begriffs„Scharfkantigkeit" wird auf die Norm DIN ISO 13715:2000 verwiesen. Insbesondere wird eine Außenkante als scharfkantig aufgefasst, wenn sie lediglich Abtragungen oder Übergänge aufweist, die δθμσι oder weniger betragen.
Die Außenkante der Blende kann dabei insbesondere die Innenkontur der Blende begrenzen. Die Außenkante der Blende kann andererseits aber insbesondere auch von der Innenkontur der Blende beabstandet sein, insbesondere eine radial außen liegende Begrenzung der Blende und/oder des Gehäuses an seinem brennraumseitigen Ende darstellen.
Der Vorsehung der Abweichung der Kontur der Außenkante nach innen liegt die
Erkenntnis zugrunde, dass Laserzündkerzen bei einem Betrieb in einer
Brennkraftmaschine brennraumseitig den im Inneren des Brennraums herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Durch thermische Kopplung der Laserzündkerze auf ihrer dem Brennraum abgewandten Seite erfolgt andererseits ein Abfluss von Wärme, sodass der Anstieg der Temperatur der Laserzündkerze begrenzt wird. Es wurde erkannt, dass insbesondere aus brennraumseitig angeordneten scharfen Außenkanten im Bereich der Laserzündkerze der Wärmeabfluss verschlechtert ist und infolgedessen in diesen - -
Bereichen besonders hohe Temperaturen auftreten, die zum Auftreten von
Glühzündungen im Brennraum und damit zu einem verschlechterten Betrieb der
Brennkraftmaschine führen können. Durch die Abweichung der Kontur der Außenkante nach innen werden Bereiche derart hoher Temperaturanstiege vermieden und
infolgedessen kann das Auftreten von Glühzündungen im Brennraum vermieden werden.
Wenngleich die beschriebene technische Wirkung bereits resultiert, wenn die Blende auf einer dem Brennraum zugewandten Seite zumindest eine Außenkante aufweist, deren Kontur gegenüber einer scharfkantigen Außenkante nach innen abweicht, ist bevorzugt, dass die Außenkante aus einer scharfkantigen Außenkante durch eine Abtragung von mehr als 0,075 mm, insbesondere von 0,1 mm oder mehr, bevorzugt 0,15 mm oder mehr, hervorgeht. Als Obergrenze für die Abtragung kommen 5 mm, 2 mm und 0,5 mm in Betracht, da zu große Abtragungen die mechanische Stabilität der Blende beeinträchtigen könnten.
In bevorzugten Ausführungen ist vorgesehen, dass die Außenkante der Blende eine Verrundung und/oder eine Anfasung aufweist. Hierbei ist ferner bevorzugt, dass im Falle einer Verrundung der Verrundungsradius, im Falle einer Anfasung die Tiefe und/oder die Breite der Fase, 0,075 mm oder mehr, insbesondere 0, 15 mm oder mehr aufweist. Hierbei ist zusätzlich oder alternativ bevorzugt, dass im Falle einer Verrundung der
Verrundungsradius, im Falle einer Anfasung die Tiefe und/oder die Breite der Fase, 5 mm oder weniger, insbesondere 2 mm oder weniger, bevorzugt 0,5 mm oder weniger, beträgt. Fasenwinkel im Bereich zwischen 20° und 70° insbesondere im Bereich zwischen 40° und 50° sind bevorzugt.
Eine besondere Bedeutung kommt der Vorsehung der Abweichung der Kontur der Außenkante nach innen, insbesondere der Verrundung und/oder der Anfasung bei Blenden zu, die eine große Länge aufweisen, da diese Blenden dem Brennraum gegenüber besonders exponiert sind und damit für eine übermäßige Temperaturerhöhung besonders anfällig sind. Besonders wirksam vermieden werden kann eine derartige übermäßige Temperaturerhöhung, wenn die Blende, zumindest im Bereich der
Außenkante aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Messing, Nickel und/oder Kupfer oder einer Legierung mindestens zwei dieser Stoffe, besteht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung sieht vor, dass die Blende als separates Bauteil ausgebildet ist und an einem weiteren Teil des Gehäuses der Laserzündkerze, insbesondere an einem Absatz, befestigt ist. Es ist bevorzugt, eine gute Ableitung von Wärme aus der Blende sicherzustellen, was dadurch geschehen kann, dass die Fügestelle zwischen Blende und einem weiteren Teil des - -
Gehäuses gut wärmeleitend, insbesondere mittels einer großflächigen Lötung
(mindestens 10 mm2, insbesondere mindestens 20 mm2) und/oder unter Verzicht von Schweißverbindungen, zum Beispiel durch einen Pressverbund, ausgeführt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Blende mit dem weiteren Teil des Gehäuses auch mit einem Gewinde verschraubt sein, wobei es bevorzugt ist, eine Verschraubung mittels eines Feingewindes (Gewindesteigung < 0,5 mm, insbesondere < 0,3 mm) vorzusehen.
Es ist grundsätzlich möglich, durch die Laserzündkerze einen Zündfunken im Inneren der Blende zu erzeugen. Jedoch ist die Erzeugung eines Zündfunkens in einem der Blende brennraumseitig vorgelagerten Bereich, insbesondere in einem Brennraum oder einer Vorkammer, eher vorteilhaft, da sich so Quenchingverluste bei der Entflammung vermeiden lassen. Bevorzugt wird hierbei ein Zündfunke mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm außerhalb der Blende erzeugt. Als Obergrenze für den Abstand zwischen Zündfunke und Austrittsfläche der Blende kommen zusätzlich oder alternativ 30 mm, 10 mm und 5 mm in Betracht, da sonst der Austrittsquerschnitt der Blende übermäßig groß gewählt werden müsste beziehungsweise eine ausreichende
Fokussierung der Laserstrahlung erschwert wäre. Als Lage des Zündfunkens kann insbesondere die Lage eines Fokusses der durch die Laserzündkerze erzeugten oder geformten Laserstrahlung angesehen werden.
Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung als Spezialfall eines Brennraumes auch eine an der Laserzündkerze fixierte oder an der Laserzündkerze fixierbare Vorkammer mit umfasst, insbesondere eine Vorkammer, deren Volumen weniger als 10 cm3 aufweist und die mindestens einen Überstromkanal aufweist, dessen Querschnitt weniger als 5 mm2 beträgt.
- -
Kurze Beschreibung der Zeichnungen In der Zeichnung zeigt:
Figur 1a eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer
Laserzündeinrichtung;
Figur 1b eine schematische Darstellung der Laserzündeinrichtung aus Figur 1 und
Figuren 2 bis 21 Ausführungsformen erfindungsgemäßer Laserzündkerzen.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff oder vorab gemischtes Kraftstoff-Luftgemisch gelangt in den Brennraum 14 durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 oder vorab gemischtes Kraftstoff- Luftgemisch wird mittels einer Laserstrahlung 24 entzündet, die von einer eine
Laserzündkerze 100 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Laserzündkerze 100 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Licht gespeist, bei welchem es sich insbesondere um Pumplicht handeln kann, welches von einer Lichtquelle 30 bereitgestellt wird. Auch die unmittelbare Bereitstellung von für die Zündung vorgesehenem Licht kann durch die Lichtquelle 30 vorgesehen sein. Die Lichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Wie aus Figur 1 b hervorgeht, speist die Lichtquelle 30 mehrere Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Laserzündkerzen 100, die jeweils einem Zylinder 12 der
Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Lichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 340 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 340 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Licht, insbesondere Pumplicht, an die verschiedenen
Laserzündkerzen 100 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Lichtquelle 30 und den Laserzündkerzen 100 erforderlich sind. Alternativ kann die Lichtquelle 30 auch nur eine Laserlichtquelle 340 besitzen. Insbesondere ist jeder Laserzündkerze 100 genau eine Lichtquelle 30 und/oder genau eine Laserlichtquelle 340 zugeordnet.
Die Laserzündkerze 100 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. Optional können weitere optische Komponenten, insbesondere Linsen, beispielsweise zur Formung der der Laserzündkerze 100 zugeführten Strahlung oder zur Aufweitung von Strahlung, vorgesehen sein.
Unter Beaufschlagung mit von der Lichtquelle 30 erzeugtem Licht, insbesondere
Pumplicht, erzeugt die Laserzündkerze 100 in an sich bekannter weise Laserstrahlung 24, die durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (Figur 1a) befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 der Laserzündkerze 100 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt.
In den Figuren 2 bis 21 a ist das Detail X der Figur 1 b, das dem Brennraum 14
zugewandte Ende 381 des Gehäuses 38 der Laserzündkerze 100, stark vergrößert im Teillängsschnitt dargestellt. Aus dieser stark vergrößerten Darstellung wird deutlich, dass das Brennraumfenster 58 mit dem Gehäuse 38 dichtend verbunden ist. Die Abdichtung zwischen Gehäuse 38 und Brennraumfenster 58 kann im Bereich des Bezugszeichens 60 in Form einer stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet sein.
Das Gehäuse 38 kann, wie in diesen Beispielen, zweiteilig ausgebildet sein. Es umfasst eine Innenhülse 62 und eine Außenhülse 64. Die Außenhülse 64 weist an einem dem Brennraum 14 (siehe Figur 1 a) zugewandten Ende einen Absatz 66 auf. Insbesondere bei der kraftschlüssigen Verbindung dient der Absatz 66 dazu, das Brennraumfenster 58 gegen die Innenhülse 62 zu pressen und dadurch die Dichtheit im Bereich der Verbindung 60 zu erhöhen. Auch Dichtmittel, beispielsweise Dichtringe, insbesondere Stahldichtringe, bevorzugt kupferbeschichtete Stahldichtringe, können zum Einsatz kommen und insbesondere hinsichtlich Wärmeausdehnungskompensation zwischen dem
Fenstermaterial und dem umgebendem Material günstig sein.
In diesem Beispiel ist an der Außenhülse 64 ein Muttergewinde vorgesehen, welches mit einem entsprechenden Bolzengewinde der Innenhülse 62 zusammenwirkt. Dieses
Gewinde, bestehend aus Muttergewinde und Bolzengewinde, ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 68 gekennzeichnet. Durch das Verspannen von Außenhülse 64 und Innenhülse 62 entsteht zwischen dem Absatz 66 und dem Brennraumfenster 58 eine weitere Dichtfläche 72. Grundsätzlich sind neben den in diesen Beispielen gezeigten Abdichtungsformen auch andere Abdichtungsformen des Brennraumfensters 58 möglich, zum Beispiel solche, bei denen, wie in der DE 102009000540 A1 beschrieben, eine stoffschlüssige Abdichtung zwischen dem Brennraumfenster und einem umgebenden Material vorgesehen ist.
Im Inneren des Gehäuses 38 befindet sich auf der dem Brennraum 14
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters 58 eine Fokussieroptik 52 (siehe Figur 1a und 1 b), welche die in der Laserzündkerze 100 erzeugte oder die in die
Laserzündkerze 100 eingespeiste Laserstrahlung 24 auf den Zündpunkt ZP, der in diesem Beispiel dem Brennpunkt der Fokussieroptik 52 entspricht, fokussiert. An dem brennraumseitigen Ende 381 des Gehäuses 38 ist eine Blende 74 zum Durchtritt der Laserstrahlung 24 in den Brennraum 14 vorgesehen.
Die in Figur 2 dargestellte Laserzündkerze 100 weist ein Gehäuse 38 auf, dessen brennraumseitig des Brennraumfensters 58 angeordneter Abschnitt hülsenförmig ausgeführt ist und eine erfindungsgemäße Blende 74 darstellt. Die Innenkontur 71 der Blende 74 weist beispielsweise die Form eines Zylindermantels auf, dessen Höhe der
Länge L der Blende 74 entspricht. Die Länge L wird dabei, beispielsweise ausgehend von dem Brennraumfenster 58, in Längsrichtung der Laserzündkerze gemessen und beträgt in diesem Beispiel 13 mm.
Es ist in diesem Beispiel ferner vorgesehen, dass die Blende 74 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 60 W/(m*K) oder mehr oder sogar mit einer
Wärmeleitfähigkeit von 80 W/(m*K) oder mehr, beispielsweise aus Messing, Nickel oder Kupfer oder einer zumindest einen dieser Stoffe aufweisen Legierung besteht. Zu diesem Zweck ist in diesem Beispiel das gesamte Gehäuse 38 aus diesem Material gefertigt. Alternativ wäre es auch möglich, lediglich in dem Bereich des brennraumseitigen Endes 381 des Gehäuses 38 dieses Material vorzusehen. Auch die Vorsehung des Materials lediglich im Inneren der Blende, umschlossen von anderem Material, dessen
Wärmeleitfähigkeit geringer sein kann, zum Beispiel von einem hochlegierten Stahl, ist möglich. Eine solche Variante ist in der Figur 3 gezeigt und weist im Inneren der Blende 74 eine Einlage 80 auf, die zum Beispiel aus Kupfer besteht und durch die eine rasche Abführung von Wärme aus dem Bereich der Blende 74 in einen weiter von dem
Brennraum 14 abgewandten Bereich des Gehäuses 38 möglich ist. In einer weiteren Alternative sind an Stelle der Einlage 80 Kühlkanäle 81 im Inneren der Blende 74 vorgesehen, wie in Figur 4 gezeigt. Durch diese Kühlkanäle 81 kann Wärme aus dem Bereich der Blende 74 in einen weiter von dem Brennraum 14 abgewandten Bereich des Gehäuses 38, beispielweise durch Zirkulation von Wasser oder einem anderen
Kühlmedium, abgeführt werden. In Figur 5 ist eine Ausführung der Erfindung gezeigt, wobei dem Brennraumfenster 58 brennraumseitig vorgelagert ein Spalt 82 angeordnet ist. Der Spalt 82 wird in diesem Beispiel axial auf der dem Brennraum 14 zugewandten Seite durch die Blende 74, auf der dem Brennraum 14 abgewandten Seite durch das Brennraumfenster 58 und nach außen durch die Blende 74 begrenzt. Nach innen kommuniziert der Spalt 82 über das Innere der Blende 74 mit einem vor der Blende 74 liegenden Bereich, zum Beispiel einem
Brennraum 14. Der Spalt 82 hat in diesem Beispiel die Grundfläche eines Ringes. Der Spaltquerschnitt Qs beträgt lediglich 20% des Eintrittsquerschnitts QBE der Blende 74, nämlich 0,56 mm2 Die Höhe Hs des Spaltes 82 beträgt in diesem Beispiel 2 mm.
Die Vorsehung eines Spaltes 82 der beschriebenen Art kommt, wo nicht explizit anders angegeben, auch in den anderen Ausführungsformen und Beispielen der Erfindung in Betracht.
Figur 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze 100, das sich von den oben dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Blende 74 einen besonders kleinen Austrittsquerschnitt QBA aufweist, der in diesem Beispiel 3 mm2 beträgt, bei einem
Austrittsdurchmesser DBA der Blende von 2 mm. Die Länge L, der Blende 74 beträgt in diesem Beispiel 12 mm, sodass sich für den Quotienten L/(4C 7t)1/2 der Wert 6 ergibt.
In den Figuren 7 bis 10 ist jeweils ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze dargestellt, das sich von den oben dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Innenkontur der Blende 74 in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum zugewandten Ende der Blende 74 als auch von dem dem Brennraum abgewandten Ende der Blende 74 beabstandet ist, zumindest eine Kante 83, insbesondere eine Vielzahl von Kanten 83, aufweist. Die in der Figur 7 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 auf, die in einem mittigen Bereich zwei Kanten 83, eine Innenkante und eine Außenkante aufweist, die zusammen eine rechtwinklig ausgebildete Stufe 84 bilden. In Figur 8 ist eine Laserzündkerze 100 dargestellt, die eine Vielzahl von Kanten 83 und aus ihnen gebildeten rechtwinkligen Stufen 84 aufweist, wobei die tatsächlich abgebildete Zahl von Stufen 84 stellvertretend beispielsweise auch für 3, 7 oder 8 Stufen aufzufassen ist, die insbesondere in einem mittigen Bereich der Blende 74 angeordnet sind. Auch nicht rechtwinklige Stufen 84 sind möglich. Neben den oben gezeigten Stufen 84, an denen sich die Blende 74 in Richtung ihres dem Brennraum 14 zugewandten Endes verjüngt, sind auch Stufen 84 möglich, an der sich die Blende 74 in Richtung ihres dem Brennraum 14 abgewandten Endes verjüngt. In Figur 9 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem derartige Stufen 84, an denen sich die Blende 74 in Richtung ihres dem Brennraum 14
zugewandten Endes verjüngt, brennraumseitig vorgelagert sind. - -
Figur 10 zeigt ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze 100 mit einer Blende 74, deren Innenkontur 71 eine umlaufe Kante 83 aufweist.
In den Figuren 11 bis 15 ist jeweils ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze 100 dargestellt, die eine Blende 74 aufweist, mit der Besonderheit, dass die Innenkontur 71 der Blende 74 in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum 4 zugewandten Ende der Blende 74 als auch von dem dem Brennraum 14 abgewandten Ende der Blende 74 beabstandet ist, einen extremalen Querschnitt Qx aufweist.
Die in der Figur 1 1 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 auf, die in einem mittigen Bereich eine scharfkantige Einschnürung 85 aufweist. Im Bereich der Einschnürung 85 ist der Durchmesser Dx und damit der Querschnitt der Blende Qx minimal, nämlich etwa halb oder viertel so groß wie jeweils der Eintritts- und der
Austrittsquerschnitt QBE, QBA der Blende. Oberhalb und unterhalb der scharfkantigen Einschnürung 85 weist die Innenkontur 71 der Blende 74 in diesem Beispiel jeweils die Form von geraden Kreiskegelstumpfmänteln auf. Alternativ ist es auch möglich, eine Einschnürung 85 abgerundet auszuführen, siehe Figur 12.
Die in der Figur 13 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 auf, die in einem mittigen Bereich eine scharfkantige Ausbauchung 86 aufweist. Im Bereich der Ausbauchung 86 ist der Durchmesser Dx und damit der Querschnitt der Blende Qx maximal, nämlich etwa doppelt bis vier mal so groß wie jeweils der Eintritts- und der Austrittsquerschnitt QBE, QBA der Blende. Oberhalb und unterhalb der scharfkantigen Ausbauchung 86 weist die Innenkontur 71 der Blende 74 in diesem Beispiel jeweils die Form von geraden Kreiskegelstumpfmänteln auf. Alternativ ist es auch möglich, eine Ausbauchung 86 abgerundet auszuführen, siehe Figur 14. Figur 15 zeigt eine weitere Variante, bei der die Blende 74 einen Freistich 87 aufweist. Der Freistich ist in diesem Beispiel als Innenfreistich und rechtwinklig ausgeführt und weist einen maximalen
Querschnitt der Blende Qx auf, der etwa doppelt bis viermal so groß ist wie jeweils der Eintritts- und der Austrittsquerschnitt QBE, QBA der Blende.
In den Figuren 16 und 17 ist jeweils ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze 100 dargestellt, die eine Blende 74 aufweist, mit der Besonderheit, dass die Blende 74 auf der dem Brennraum 14 zugewandten Seite zumindest eine Außenkante 88 aufweist, deren Kontur gegenüber einer scharfkantigen Außenkante nach innen abweicht. Die in Figur 16 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 mit einer hülsenförmige Grundform auf, wobei die innere brennraumseitig liegende Kante 89 der Hülse eine Verrundung 91 aufweist. Der Verrundungsradius beträgt in diesem Beispiel 0,5 mm. Auch die Verrundung 91 der äußeren brennraumseitig liegende Kante 90 der Hülse ist zusätzlich oder alternativ, beispielsweise mit einem Verrundungsradius der 0,5 mm beträgt, möglich. Auch kleine und/oder größere Verrundungsradien sind prinzipiell möglich. Die in Figur 17 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 mit einer hülsenförmige Grundform auf, wobei die innere brennraumseitig liegende Kante 89 der Hülse eine Anfasung 92 aufweist. Die Anfasung 92 (Länge und Breite) beträgt in diesem Beispiel 0,5 mm, der Fasenwinkel beträgt 45°. Auch die Anfasung 92 der äußeren brennraumseitig liegende Kante 90 der Hülse ist zusätzlich oder alternativ, beispielsweise mit einer Länge und Breite von jeweils 0,5 mm, möglich. Auch kleine und/oder größere Anfasungen 92 sind prinzipiell möglich. Selbstverständlich sind neben den in Figur 16 und 17 gezeigten Außenkanten 88, weitere Außenkanten 88 ausführbar, deren Kontur gegenüber einer scharfkantigen Außenkante nach innen abweicht, zum Beispiel Außenkanten mit einer exakt oder nährungsweise elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Form oder mit einer unregelmäßigen Form. Auch Kombinationen von Anfasungen 92 und Verrundungen 91 sind denkbar.
In den Figuren 18 und 19 ist jeweils ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze 100 dargestellt, die eine Blende 74 aufweist und die Fokussierungsmittel 53, insbesondere eine Fokussieroptik 52, zur Festlegung einer Strahlform der durch die Blende 74 durchtretenden Laserstrahlung 24 aufweist (siehe Figur 1 B). Die in diesen Beispielen vorgeschlagenen Laserzündkerzen 100 weisen die Besonderheit auf, dass die Form der Blende 74 hinsichtlich der Form der durch sie hindurchtretenden Laserstrahlung 24 vorteilhaft gewählt ist. Die Form der Laserstrahlung 24 ist in diesen Figuren durch die kegelförmigen Hülllinien 99 angedeutet, die sich näherungsweise im Zündpunkt ZP schneiden. Die Form der Laserstrahlung 24 betreffende Angaben verstehen sich im Rahmen dieser Erfindung gemäß oder vor dem Hintergrund der Norm DIN EN ISO 11145.
Die in der Figur 18 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 auf, die entlang ihrer gesamten Innenkontur 71 einen Abstand A zu der durch sie hindurchtretenden Laserstrahlung 24 von ca. 0,5 mm aufweist. Die dargestellte Laserzündkerze 100 hat überdies die Eigenschaft, dass 88% der durch das Brennraumfenster 58 transmittierten Laserstrahlung 24 durch die Blende 58 als fokussierbare Laserstrahlung 24 hindurchtritt, während die übrige Laserstrahlung 24 entlang der Innenkontur 71 der Blende 74 eine Ablenkung oder Absorption erfährt und für eine Fokussierung nicht zur Verfügung steht.
Die in der Figur 19 dargestellte Laserzündkerze 100 weist eine Blende 74 auf, deren Innenkontur 71 die Gestalt eines geraden Kreiskegelstumpfes hat, dessen Öffnungswinkel φ 45° beträgt. Die durch die Blende hindurchtretende Laserstrahlung 24 ist in diesem Beispiel derart fokussiert, dass der Strahldivergenzwinkel ψ (Fernfelddivergenz) 30° beträgt. In den Figuren 20 und 21 ist jeweils ein Beispiel einer Laserzündkerze 100 dargestellt, die eine Blende 74 zum Durchtritt von Laserstrahlung 24 in eine am brennraumseitigen Ende des Gehäuses 38 angeordnete Vorkammer 110 aufweist. Für die Fluidverbindung zwischen dem Innenraum 111 der Vorkammer 110 und dem Brennraum ist ein
Überströmkanal 120 vorgesehen.
Bei dem in Figur 20 dargestellten Beispiel ist die Längsachse KLA des Überströmkanals 120 bezüglich der Längsachse LA der Laserzündkerze 100 außermittig, versetzt angeordnet. Die Längsachse KLA der Überströmbohrung 120 und die Längsachse LA der Laserzündkerze 100 sind in diesem Beispiel parallel zueinander, alternativ können sie auch in radialer und/oder in tangentialer Richtung unter einem Winkel zueinander angeordnet sein. Bei einem Einströmen von einem Fluid F bildet sich innerhalb der Vorkammer 110 ein Wirbel so aus, dass die Fluidströmung entlang der Austrittsöffnung der Blende 74 weitgehend parallel zu der Austrittsöffnung der Blende 74 verläuft.
Dennoch in das Innere der Blende 74 eintretendes Fluid tritt demzufolge unter einem Winkel ε in die Blende 74 ein, der gemessen zur Längsachse LA der Laserzündkerze fast 90°, insbesondere stets mindestens 75° beträgt. Die sich im Inneren der Blende 74 ausbildende Fluidströmung stellt insbesondere eine Tumble-Strömung dar. In diesem Beispiel beträgt die Länge L der Blende 5 mm und der Austrittsdurchmesser DAE der Blende beträgt 6 mm. Es ist somit durch die Zusammenwirkung des Winkels ε, unter dem das Fluid F in das Innere der Blende 74 eintritt, der Länge L und dem
Austrittsdurchmesser DAE der Blende in diesem Beispiel gegeben, dass die Fluidströmung F das Brennraumfenster 58 nicht unmittelbar, sondern erst nach Umlenkungen an der Innenkontur 71 der Blende 74 trifft.
Weitere Ausführungen von Laserzündkerzen 100 mit Vorkammern 110 deren ein
Überströmkanal 120 so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal 120 in den Innenraum 111 der Vorkammer 110 eine Fluidströmung F ergibt, die unter einem Mindestwinkel ε, insbesondere gemessen zur Längsachse der Laserzündkerze, von 45°, 60° oder 75° in das Innere der Blende 74 eintritt, sind möglich und sehen insbesondere vor, dass mehrere Überströmkanale 120 vorgesehen sind. Zusätzlich oder alternativ ist auch möglich, dass zusätzliche Mittel (nicht gezeichnet) vorgesehen sind, durch die ein Spülgas in die Vorkammer einblasbar ist. Es ist insbesondere vorgesehen, dass diese Mittel zum Einblasen von Spülgas zusammen mit dem Überstromkanal 120 in einer Weise zusammenwirken, dass sich insgesamt eine Fluidströmung ausbildet, derart dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal 120 in den Innenraum 111 der Vorkammer 110 eine Fluidströmung F . . ergibt, die unter einem Mindestwinkel ε, insbesondere gemessen zur Längsachse der Laserzündkerze, von 45°, 60° oder 75° in das Innere der Blende 74 eintritt.
Figur 21 zeigt ein weiteres Beispiel einer Laserzündkerze 100, im Teil a als
Teillängsschnitt entlang der Langsachse LA der Laserzündkerze 100, im Teil b in Aufsicht in Richtung B im Teil a und im Teil c in einem Schnitt entlang der Linie CC in Teil b der Figur 21. Diese Laserzündkerze 100 weist für die Fluidverbindung zwischen dem
Innenraum 1 1 1 der Vorkammer 110 und dem Brennraum fünf Überströmkanäle 120 auf, die um jeweils 72° versetzt zueinander, symmetrisch angeordnet sind. Die Längsachsen KLA der Überströmbohrungen 120 sind sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung geneigt, derart dass die Längsachsen KLA der Überström bohrungen 120 in Aufsicht auf die Laserzündkerze (Figur 21 b) ein regelmäßiges Fünfeck bilden. Aufgrund der Anordnung und der Orientierung der Überströmbohrungen 120 bildet sich beim Einströmen eines Fluids F in die Vorkammer 110 ein Wirbel aus, dessen Wirbelachse WB im Inneren der Vorkammer 110 und im Bereich der Blende 74 mit der Längsachse LA der Laserzündkerze 100 zusammenfällt. Aus den Strömungsverhältnissen im Bereich der Blende 74 resultiert, dass insbesondere schwere Partikel, die die Strömung im Bereich eines Wirbels, tangential verlassen, die Innenkontur 71 der Blende 74 treffen und nicht zum Brennraumfenster 58 vordringen.
Die sich im Inneren der Blende 74 ausbildende Fluidströmung stellt insbesondere eine Drallströmung dar. In diesem Beispiel beträgt die Länge L der Blende 5 mm und der Austrittsdurchmesser DBE der Blende beträgt 6 mm. Es ist somit durch die
Zusammenwirkung des Winkels v, unter dem die Wirbelachse WB gegen die Längsachse LA der Laserzündkerze verkippt ist (hier: 0°), der Länge L und dem Austrittsdurchmesser DAE der Blende 74 in diesem Beispiel gegeben, dass die besagten Partikel das
Brennraumfenster 58 nicht treffen, wenn sie die Strömung in tangentialer Richtung verlassen. Auch für tan v < U DBE ist diese Wirkung zumindest zum Teil gegeben, insbesondere für n*tan v < \J DBE, n=2, 3, 4.
Es ist ferner möglich, dass zusätzliche Mittel (nicht gezeichnet) vorgesehen sind, durch die ein Spülgas in die Vorkammer 1 10 einblasbar ist. Es ist insbesondere vorgesehen, dass diese Mittel zum Einblasen von Spülgas zusammen mit einem Überstromkanal 120 oder mehreren Überströmkanälen 120 in einer Weise zusammenwirken, dass sich insgesamt eine Fluidströmung ausbildet, derart dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal 120 oder die Überströmkanäle in den Innenraum 1 11 der Vorkammer 1 10 eine Fluidströmung ergibt, die einen Wirbel aufweist, der sich um eine Wirbelachse WB dreht, die eine Komponente in Richtung der Längsachse LA der - -
Laserzündkerze 100 aufweist, insbesondere parallel oder koaxial zu der Längsachse LA der Laserzündkerze 100 ist.
Wenngleich für die in den Figuren 2 bis 21 gezeigten Blenden 74 einerseits, wie gezeichnet, eine achssymmetrische Form bevorzugt ist, können auch Abweichungen von einer Achssymmetrie vorteilhaft vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nicht auf die voranstehenden und/oder auf die explizit erläuterten und/oder in den Figuren explizit dargestellten Ausführungen und Beispielen beschränkt, sondern weitere Ausführungen und Beispiele sind durch Kombinationen der zu den einzelnen Ausführungen und Beispielen erläuterten Merkmale in einer für den Fachmann nacharbeitbaren Weise gegeben. Von diesen Kombinationen sind insbesondere jene von Bedeutung, deren vorteilhafte Wirkung vorangehend bereits explizit betont wurde.
Insbesondere sind auch Ausführungsformen vorteilhaft und für den Fachmann nacharbeitbar, die auf einem Zusammenwirken von jeweils einem oder, sofern sie einander nicht ausschließen, mehreren, der vorangehend offenbarten Merkmalen aus zwei oder mehr als zwei der folgenden Merkmalsgruppen basieren: Vorangehend als vorteilhaft gekennzeichnete Längen L der Blende 74, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichneten Auswahlen des Materials der Blende 74, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichnete Ausgestaltungen eines dem Brennraumfenster 58 brennraumseitig vorgelagerten Spalts 82, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichneten Querschnitte der Blende 74, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichnete Verhältnisse zwischen Längen L und Querschnittsflächen Q der Blende 74, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichnete Merkmale der Innenkontur 71 der Blende 74, insbesondere Kanten 83 und extremale Querschnitte der Blende 74, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichnete Merkmale, die eine vorteilhafte Gestaltung der Form der Blende 74 hinsichtlich der Form der durch sie hindurchtretenden Laserstrahlung 24 betreffen, vorangehend als vorteilhaft
gekennzeichnete Merkmale, die die Gestaltung einer Außenkante 88 der Blende 74 betreffen, vorangehend als vorteilhaft gekennzeichnete Merkmale, die die Gestaltung einer Vorkammer 1 10, insbesondere eines Überstromkanals 120, betreffen.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine (10) umfassend mindestens ein Mittel (26) zur Führung, Formung und/oder zur Erzeugung von Laserstrahlung (24), ferner umfassend ein Brennraumfenster (58) und ein Gehäuse (38), dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) auf der dem Mittel (26)
gegenüberliegenden Seite des Brennraumfensters (58), insbesondere an einem brennraumseitigen Ende (381) des Gehäuses, eine Blende (74) zum Durchtritt der durch das Mittel (26) geführten, geformten und/oder erzeugten Laserstrahlung in einen Brennraum aufweist wobei dem Brennraumfenster (58) brennraumseitig vorgelagert ein mit dem Inneren der Blende (74) kommunizierender Spalt (82) vorgesehen ist, dessen Höhe (Hs) 0,3 mm oder mehr, insbesondere 0,6 mm oder mehr beträgt.
2. Laserzündkerze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (82) ringförmig oder sichelförmig ausgebildet ist.
3. Laserzündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (82) dem Brennraumfenster (58) unmittelbar vorgelagert ist.
4. Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (Hs) des Spaltes (82) 1 mm oder mehr, insbesondere 2 mm oder mehr beträgt.
5. Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Spalt (82) brennraumseitig vorgelagert Bereich im Inneren der Blende (74) einen Eintrittsquerschnitt (QBE) aufweist und der Spalt (82) einen Spaltquerschnitt (Qs) aufweist und der Spaltquerschnitt (Qs) höchstens 100% des
Eintrittsquerschnitts (QBE), vorzugsweise höchstens 40% des Eintrittsquerschnitts (QBE), bevorzugt höchstens 20% des Eintrittsquerschnitts (QBE) beträgt.
6. Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Blende (74) 4 mm oder mehr, insbesondere 6 mm oder mehr beträgt.
7. Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Blende (74) 8 mm oder mehr, insbesondere 10 mm oder mehr, bevorzugt 12 mm oder mehr, beträgt.
8. Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Blende (74) 20 mm oder weniger, insbesondere 15 mm oder weniger, beträgt.
9. Laserzündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Blende (74) ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 60 W/(m*K) oder mehr aufweist, insbesondere aus einem solchen Material ganz oder abschnittsweise besteht.
10. Laserzündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Blende (74) mindestens einen Kühlkanal (81 ), insbesondere mehrere Kühlkanäle (81 ), aufweist.
1 1 . Laserzündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, dass die Blende (74) auf ihrer von dem Brennraumfenster (58) abgewandten Seite einen Öffnungsquerschnitt (QBE) von 78 mm2 oder weniger, insbesondere von 7 mm2 oder weniger, aufweist.
12. Laserzündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Innenkontur (71 ) der Blende (74) in einem Bereich, der sowohl von dem dem Brennraum (14) zugewandten Ende der Blende (74) als auch von dem dem Brennraum (14) abgewandten Ende der Blende (74) beabstandet ist, zumindest eine Kante (83) aufweist.
13. Laserzündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Blende (74) auf einer dem Brennraum (14) zugewandten Seite zumindest eine Außenkante (88) aufweist, deren Kontur gegenüber einer scharfkantigen Außenkante nach innen abweicht, insbesondere eine Verrundung (91 ) oder eine Anfasung (92) aufweist.
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WO2010057904A1 (de) * 2008-11-21 2010-05-27 Robert Bosch Gmbh Laserinduzierte fremdzündung für eine brennkraftmaschine

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