WO2012152462A1 - Laserzündkerze und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

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WO2012152462A1
WO2012152462A1 PCT/EP2012/053729 EP2012053729W WO2012152462A1 WO 2012152462 A1 WO2012152462 A1 WO 2012152462A1 EP 2012053729 W EP2012053729 W EP 2012053729W WO 2012152462 A1 WO2012152462 A1 WO 2012152462A1
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WO
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spark plug
laser
laser spark
face
antechamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/053729
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to US14/115,936 priority Critical patent/US20140130761A1/en
Publication of WO2012152462A1 publication Critical patent/WO2012152462A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug, in particular for a
  • Internal combustion engine with an antechamber for receiving an ignitable medium and with means for acting on a arranged in the antechamber ignition point with laser radiation.
  • the invention further relates to a corresponding operating method.
  • Laser spark plugs of the type mentioned are, for example, in
  • Layers are separated from each other, in which is adjacent to the end face portion or an adjoining central portion, preferably in the adjacent to the end face portion.
  • a distance of the ignition point from the end face of the laser spark plug is between about 0 mm and about 15 mm, preferably between about 0 mm and about 10 mm.
  • the means for exposing the ignition point to laser radiation may include focusing optics, which may be configured by suitable design, for example with respect to their focal length, so as to obtain the spark gap distance from the end face of the laser spark plug.
  • a volume of the prechamber is about 50 mm 3 to about 100 cm 3 , preferably about 500 mm 3 to about 10 cm 3 .
  • Antechamber delimiting wall section at least one
  • the antechamber of the laser spark plug according to the invention can advantageously be charged with an ignitable mixture which, for example, flows through the overflow channels from the main combustion chamber into the prechamber during a compression stroke of the internal combustion engine.
  • At least one overflow channel can be designed as a swirl channel in order to impart a tangential component of movement to a fluid flow through a tangential component, whereby the flow characteristics in the prechamber can be even better controlled, particularly with regard to optimum burn through.
  • At least one overflow channel is formed as a tangential bore, and that at least one further overflow channel is formed as a center hole, which is arranged approximately in the region of a longitudinal axis of the pre-chamber, resulting in investigations by the Applicant according to a particularly favorable Mixing of residual gas contained in the prechamber with fresh gas flowing into the prechamber from the main combustion chamber, in particular in the region of the longitudinal axis of the laser spark plug, results.
  • This ensures that an ignitable mixture is also present in particular in the location of the ignition point defined according to the invention and that the mixture there is one for a safe ignition
  • the means for acting on the arranged in the antechamber ignition point with laser radiation and the overflow are coordinated so that the ignition point in an operating state of the laser spark plug in the fluid over the at least one overflow channel flows into the prechamber, in one
  • Range lies in which an average flow velocity of the fluid to
  • Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the prechamber of the spark plug according to the invention in particular in an application in the field of stationary engines or large gas engines, etc. preferably integral part of the spark plug or is formed by the spark plug itself, according to a further variant of the invention can also be provided that a
  • Prechamber, in particular combustion chamber side, limiting wall portion at least partially formed by the cylinder head and / or integral part of the
  • Cylinder head is. That is, in this case, portions of the cylinder head and the spark plug suitably cooperate to separate the prechamber of the cylinder head
  • the pre-chamber can also be designed as a separate component.
  • the prechamber is e.g. connectable via a screw or inseparable with the spark plug.
  • the pre-chamber may have a screw connection for connection to a cylinder head.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a laser spark plug according to the invention in a partial cross section
  • Figure 2a is an enlarged view of a pre-chamber having
  • FIG. 2b shows the laser spark plug according to FIG. 2a with a fluid flow indicated by block arrows during an operating state of the laser spark plug
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a laser spark plug.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention in the installed position in a spark plug shaft of a cylinder head 200
  • Internal combustion engine which is for example a stationary
  • the laser spark plug 100 has an antechamber 110, which can be charged via an inlet valve 140 with an ignitable mixture.
  • an inlet valve 140 with an ignitable mixture.
  • Laser spark plug 100 is thus equipped with a so-called "purged pre-chamber" 110.
  • the invention can also be applied without restricting generality
  • the laser spark plug 100 has means 120 for acting on a firing point ZP arranged in the pre-chamber 110 with laser radiation 130.
  • the means 120 may be e.g. Have a laser device which is presently monolithic and a laser-active
  • Solid 124 having a passive Q-switching 126 has.
  • the spark plug 100 is connected to a light guide device 128, which is the integrated into the spark plug 100 laser device
  • a laser pulse 130 is generated in a conventional manner, of the
  • Laser device 120 is coupled via a coupling optics 128a, 128b in the antechamber 110.
  • the coupling optics preferably comprises a focusing optics 128a for focusing the laser radiation 130 onto the ignition point ZP.
  • the coupling-in optical system has a combustion chamber window 128b, which surrounds the combustion chamber window 128b
  • Laser device 120 of the spark plug 100 seals the front side to the pre-chamber 110 back.
  • Laser spark plug 100 could the laser spark plug 100 via a
  • Fiber optic device 128, a laser ignition pulse are supplied.
  • the laser spark plug 100 serves i.w. for irradiation of the laser ignition pulse 130 to the ignition point ZP and possibly for beam shaping, but without locally laser radiation is to be generated.
  • the means 120 in this case in particular the components 128a, 128b of the coupling optics, are designed so that the laser radiation 130 is focused on at least one ignition point ZP, which in a division of the pre-chamber 1 10 in three approximately equal volume partial areas 1 10_1 , 1 10_2, 110_3, which extend axially away from an end face 110a of the laser spark plug 100 adjoining the prechamber 110 and are separated from one another by imaginary planes substantially parallel to the end face 110a, in the portion 1 10_1 adjoining the end face 110a or an adjoining middle sub-area 1 10_2, preferably in the area adjacent to the end face 110a portion 1 10_1.
  • the means 120 for applying the ignition point ZP are designed with laser radiation 130 so that the ignition point ZP in the first Volume range 1 10_1, which is directly adjacent to the front end 110 a of the laser spark plug 100.
  • the end-side end region 0a forms the
  • the distance X of the ignition point ZP from the end face 110a of the laser spark plug 100 is between about 0 mm and about 15 mm, preferably between about 0 mm and about 10 mm.
  • the distance X can also be between about 0 mm and about 5 mm, in particular between about 1 mm and about 3 mm.
  • a length coordinate I is entered, which extends in a vertical direction from top to bottom in FIG.
  • An end region of the laser spark plug 100 facing away from the combustion chamber corresponds to the length coordinate I0.
  • Laser spark plug 100 corresponds to a length coordinate 11, which is also used as a reference for the definition of the distance X according to the invention.
  • the length coordinate 11 coincides with the front end 110a of the laser spark plug 100.
  • the volume of the pre-chamber 110 thus extends in FIG.
  • the inventive design of the means 120 for generating or irradiation of the laser radiation 130 in the pre-chamber 1 10 ensures that the ignition point ZP within the first volume range
  • the distance X according to the invention is advantageously provided by an end region facing the combustion chamber or the pre-chamber the corresponding end face 1 10a of the laser spark plug 100 from measured.
  • the end region 110a is formed by an end face of a housing of the laser spark plug 100, and not by the end of the interior of the laser spark plug 100 to the antechamber 0 final
  • Combustion chamber window 128b because the combustion chamber window 128b as shown in Figure 1 in the axial direction slightly opposite to the front side
  • End portion 110a of the laser spark plug 100 axially inwardly, that is offset in Figure 1 upwards.
  • the prechamber 1 10 has a plurality of overflow channels 112 in the prechamber wall 11, which serve to exchange fluids with a main combustion chamber 300 of the internal combustion engine containing the laser spark plug 100 arranged on the outside of the prechamber 110.
  • a volume of the pre-chamber 1 10 is about 50 mm 3 to about 100 cm 3 , preferably about 500 mm 3 to about 10 cm 3 .
  • FIG. 2 a shows an enlarged view of an end chamber having a pre-chamber of a laser spark plug according to a further embodiment.
  • the prechamber 1 10 extends in Figure 2a in the vertical direction, in turn, from the length coordinate 11 to the length coordinate 12.
  • Length coordinates I ⁇ 11 is in this case also a to the
  • Pre-chamber 110 provided directly adjacent opening, however, which serves to receive a Restgaspolsters or shielding the combustion chamber window and therefore not counted to Vorschvolumen and used to define the distance X according to the invention. This means that the distance X according to the invention is presently based on the
  • Length coordinate 11 in Figure 2a measured vertically downwards.
  • the prechamber 1 10 according to FIG. 2 a has, in its end region facing the combustion chamber, a plurality of overflow channels 1 12, which allow the passage of fluid from the main combustion chamber 300 (FIG. 1) into the prechamber 110 and vice versa.
  • the overflow channels 112 with respect to their
  • FIG. 2 b shows the laser spark plug 100 according to FIG. 2 a together with fluid flows indicated by block arrows as they occur during a
  • inflowing ignitable mixture is as shown by the corresponding block arrow S1 in Figure 2b a.
  • a further flow S2 results in a substantially vertical upward direction in FIG. 2b.
  • a first region B1 which, according to the definition of the distance X according to the invention, does not already belong to the geometry of the prechamber 0, but rather to the front end region of the laser spark plug 100, there is a residual gas cushion which, in a manner known per se, serves to protect the
  • a second region B2 with a comparatively large flow velocity is established, in particular in the region of the fluid flow S1, S2.
  • the region B3 which is particularly favorable for laser ignition lies in the upper or middle volume fraction of FIG.
  • FIG. 3 shows schematically and in partial cross-section another
  • the laser spark plug 100 according to FIG. 3 has a so-called "light path" module 128c between the combustion chamber window 128b and the prechamber 110, which has a substantially conical opening 128c ', which has a Passing through the laser radiation 130 from the laser spark plug 100 into the pre-chamber 1 10 allows.
  • the geometry of the light path module 128c according to the invention reduces the fact that dirt particles from combustion processes pass from the prechamber 110 into the region of an optically effective surface of the combustion chamber window 128b.
  • the laser radiation 130 is preferably irradiated according to the dimensioning rule for the distance X in the antechamber 110. It should again be noted that the distance X selected according to the invention is measured from the end-face end region 128c "of the light path module 128c, because the conical light guide opening 128c 'of the light path module 128c does not already correspond to the pre-chamber volume
  • the means 120 for acting on the arranged in the pre-chamber 1 10 ignition ZP with
  • Laser spark plug 100 in which fluid via the at least one overflow channel 1 12, 1 12 'flows into the pre-chamber 110, in a range B3 ( Figure 2b) is located in which an average flow velocity of the fluid or ignitable mixture by at least about 30%, preferably about 50% is lower than in a region B2, in which the transfer channels 1 12, 112 'are arranged.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit Mitteln (120) zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkts (ZP) mit Laserstrahlung (130). Erfindungsgemäß sind die Mittel (120) so ausgebildet, dass die Laserstrahlung (130) auf mindestens einen Zündpunkt (ZP) fokussiert wird, der bei einer Einteilung der Vorkammer (110) in drei etwa volumengleiche Teilbereiche (110_1, 110_2, 110_3), die sich von einer an die Vorkammer (110) angrenzenden Stirnfläche (110a) der Laserzündkerze (100) axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im wesentlichen zu der Stirnfläche (110a) parallele Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche (110a) angrenzenden Teilbereich (110_1) oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich (110_2) liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche (110a) angrenzenden Teilbereich (110_1).

Description

Beschreibung Titel
Laserzündkerze und Betriebsverfahren hierfür Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine
Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit Mitteln zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer angeordneten Zündpunkts mit Laserstrahlung.
Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Laserzündkerzen der eingangs genannten Art werden beispielsweise in
Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder insbesondere auch in stationären Gasmotoren zur Zündung eines in einem Brennraum befindlichen zündfähigen Luft-/Kraftstoffgemischs verwendet.
Aus der US 7,770,552 B2 ist bereits eine Laserzündkerze mit einer Vorkammer bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein optimaler Durchbrand des in der Vorkammer vorhandenen zündfähigen Gemischs und damit die Erzeugung von möglichst energiereichen Zündfackeln, welche aus der Vorkammer in einen Hauptbrennraum austreten, möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Mittel zur Beaufschlagung des Zündpunkts mit Laserstrahlung so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlung auf mindestens einen Zündpunkt fokussiert wird, der bei einer Einteilung der
Vorkammer in drei etwa volumengleiche Teilbereiche, die sich von einer an die Vorkammer angrenzenden Stirnfläche der Laserzündkerze axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im Wesentlichen zu der Stirnfläche parallele
Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche angrenzenden Teilbereich oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche angrenzenden Teilbereich.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergibt sich bei einer derartigen
Positionierung des Zündpunkts in der Vorkammer ein besonders guter und schneller Durchbrand des in der Vorkammer befindlichen zündfähigen Gemischs, wodurch besonders energiereiche Zündfackeln zur Entzündung eines in einem Hauptbrennraum vorhandenen Gemischs erhalten werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Abstand des Zündpunkts von der Stirnfläche der Laserzündkerze zwischen etwa 0 mm und etwa 15 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 0 mm und etwa 10 mm. Beispielsweise können die Mittel zur Beaufschlagung des Zündpunkts mit Laserstrahlung eine Fokussieroptik enthalten, die durch eine geeignete Auslegung zum Beispiel hinsichtlich ihrer Brennweite so konfiguriert werden kann, dass der erfindungsgemäße Abstand für den Zündpunkt von der Stirnfläche der Laserzündkerze erhalten wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der
Abstand zwischen etwa 0 mm und etwa 5 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 1 mm und etwa 3 mm.
Die erfindungsgemäße Dimensionierung für den Abstand des Zündpunkts von der Stirnfläche der Laserzündkerze hat Versuchen der Anmelderin zufolge bei gespülten Vorkammern wie auch bei ungespülten Vorkammern mit jeweils unterschiedlichen Geometrien einen besonders effizienten Durchbrand des in der Vorkammer enthaltenen zündfähigen Gemischs ergeben. Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge beträgt ein Volumen der Vorkammer etwa 50 mm3 bis etwa 100 cm3, vorzugsweise etwa 500 mm3 bis etwa 10 cm3. Noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge weist ein die
Vorkammer begrenzender Wandabschnitt mindestens einen eine
Fluidverbindung zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überstromkanal auf. Dadurch kann die Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze vorteilhaft mit einem zündfähigen Gemisch beschickt werden, das beispielsweise während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine durch die Überströmkanäle aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer hineinströmt.
Besonders vorteilhaft kann einer weiteren Ausführungsform zufolge mindestens ein Überströmkanal als Drallkanal ausgebildet sein, um einem durchströmenden Fluid eine tangentiale Bewegungskomponente bezogen auf eine Längsachse des Überströmkanals aufzuprägen, wodurch die Strömungseigenschaften in der Vorkammer insbesondere im Hinblick auf einen optimalen Durchbrand noch besser steuerbar sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Überströmkanal als tangentiale Bohrung ausgebildet ist, und dass mindestens ein weiterer Überström kanal als Mittelloch ausgebildet ist, das etwa im Bereich einer Längsachse der Vorkammer angeordnet ist, wodurch sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge eine besonders günstige Vermischung von in der Vorkammer enthaltenem Restgas mit aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer einströmendem Frischgas, insbesondere im Bereich der Längsachse der Laserzündkerze, ergibt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein zündfähiges Gemisch insbesondere auch in dem Ort des erfindungsgemäß definierten Zündpunkts vorliegt und dass das Gemisch dort eine für eine sichere
Laserzündung maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit nicht überschreitet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittel zur Beaufschlagung des in der Vorkammer angeordneten Zündpunkts mit Laserstrahlung und die Überströmkanäle so aufeinander abgestimmt sind, dass der Zündpunkt in einem Betriebszustand der Laserzündkerze, in dem Fluid über den mindestens einen Überström kanal in die Vorkammer einströmt, in einem
Bereich liegt, in dem eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids um
mindestens etwa 30%, vorzugsweise etwa 50% niedriger ist als in einem
Bereich, in dem die Überströmkanäle angeordnet sind, wodurch vorteilhaft
sichergestellt wird, dass eine Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts nicht so groß wird, dass sie eine wirksame Entzündung des in der Vorkammer
befindlichen Gemischs mittels der Laserstrahlung beeinträchtigt.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein
Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 9 angegeben. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Obwohl die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze insbesondere bei einer Anwendung im Bereich von Stationärmotoren bzw. Großgasmotoren usw. bevorzugt integraler Bestandteil der Zündkerze bzw. durch die Zündkerze selbst gebildet ist, kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen sein, dass ein die
Vorkammer, insbesondere brennraumseitig, begrenzender Wandabschnitt zumindest teilweise durch den Zylinderkopf gebildet und/oder integraler Bestandteil des
Zylinderkopfes ist. D.h., in diesem Falle wirken Teilbereiche des Zylinderkopfes und der Zündkerze in geeigneter Weise zusammen, um die Vorkammer der
erfindungsgemäßen Zündkerze auszubilden.
Die Vorkammer kann auch als separates Bauteil ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Vorkammer z.B. über eine Schraubverbindung oder auch unlösbar mit der Zündkerze verbindbar. Ebenso kann die Vorkammer eine Schraubverbindung zur Verbindung mit einem Zylinderkopf aufweisen.
Es ist ferner denkbar, die Vorkammer einstückig auszuführen mit der Zündkerze bzw. einem Gehäuse der Zündkerze.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze in einem teilweisen Querschnitt,
Figur 2a eine vergrößerte Darstellung eines eine Vorkammer aufweisenden
Endbereichs einer Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 2b die Laserzündkerze gemäß Figur 2a mit einer durch Blockpfeile angedeuten Fluidströmung während eines Betriebszustands der Laserzündkerze, und
Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer Laserzündkerze.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 in Einbaulage in einem Zündkerzenschacht eines Zylinderkopfes 200 einer
Brennkraftmaschine, bei der es sich beispielsweise um einen stationären
Großgasmotor handelt.
Die Laserzündkerze 100 weist eine Vorkammer 110 auf, die über ein Einlassventil 140 mit einem zündfähigen Gemisch beschickt werden kann. Vorliegend ist die
Laserzündkerze 100 demnach mit einer sog.„gespülten Vorkammer" 110 ausgestattet. Die Erfindung kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit jedoch auch auf
Laserzündkerzen mit ungespülten Vorkammern angewendet werden. Zur Entzündung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer 110 weist die Laserzündkerze 100 Mittel 120 zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer 110 angeordneten Zündpunkts ZP mit Laserstrahlung 130 auf. Bevorzugt können die Mittel 120 z.B. eine Lasereinrichtung aufweisen, die vorliegend monolithisch ausgebildet ist und einen laseraktiven
Festkörper 124 mit einer passiven Güteschaltung 126 aufweist.
Über einen Anschluss 128' ist die Zündkerze 100 mit einer Lichtleitereinrichtung 128 verbunden, die der in die Zündkerze 100 integrierten Lasereinrichtung
Pumplicht von einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle 129 zuführt. Unter Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 124 beziehungsweise der passiven Güteschaltung 126 mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle 129 wird in an sich bekannter Weise ein Laserimpuls 130 erzeugt, der von der
Lasereinrichtung 120 über eine Einkoppeloptik 128a, 128b in die Vorkammer 110 eingekoppelt wird. Die Einkoppeloptik umfasst vorzugsweise eine Fokussieroptik 128a zur Fokussierung der Laserstrahlung 130 auf den Zündpunkt ZP. Ferner weist die Einkoppeloptik ein Brennraumfenster 128b auf, das die
Lasereinrichtung 120 der Zündkerze 100 stirnseitig zu der Vorkammer 110 hin abdichtet.
Alternativ zu der lokalen Erzeugung der Laserzündimpulse 130 in der
Laserzündkerze 100 könnte der Laserzündkerze 100 auch über eine
Lichtleitereinrichtung 128 ein Laserzündimpuls zugeführt werden. In diesem Fall dient die Laserzündkerze 100 i.w. zur Einstrahlung des Laserzündimpulses 130 auf den Zündpunkt ZP und ggf. zur Strahlformung, ohne dass jedoch lokal Laserstrahlung zu erzeugen ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mittel 120, vorliegend insbesondere die Komponenten 128a, 128b der Einkoppeloptik, so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlung 130 auf mindestens einen Zündpunkt ZP fokussiert wird, der bei einer Einteilung der Vorkammer 1 10 in drei etwa volumengleiche Teilbereiche 1 10_1 , 1 10_2, 110_3, die sich von einer an die Vorkammer 110 angrenzenden Stirnfläche 110a der Laserzündkerze 100 axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im Wesentlichen zu der Stirnfläche 110a parallele Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche 110a angrenzenden Teilbereich 1 10_1 oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich 1 10_2 liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche 110a angrenzenden Teilbereich 1 10_1.
Dadurch ergibt sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge ein besonders effizienter Durchbrand des in der Vorkammer 110 befindlichen zündfähigen Gemischs.
Besonders bevorzugt sind die Mittel 120 zur Beaufschlagung des Zündpunkts ZP mit Laserstrahlung 130 so ausgelegt, dass der Zündpunkt ZP in dem ersten Volumenbereich 1 10_1 liegt, der direkt an das stirnseitige Ende 110a der Laserzündkerze 100 angrenzt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, bildet der stirnseitige Endbereich 0a der
Laserzündkerze 100 gleichzeitig eine in Figur 1 in axialer Richtung nach oben wirkende räumliche Begrenzung der Vorkammer 1 10.
Besonders bevorzugt beträgt der Abstand X des Zündpunkts ZP von der Stirnfläche 110a der Laserzündkerze 100 zwischen etwa 0 mm und etwa 15 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0 mm und etwa 10 mm.
Weiter bevorzugt kann der Abstand X auch zwischen etwa 0 mm und etwa 5 mm betragen, insbesondere auch zwischen etwa 1 mm und etwa 3 mm. In Figur 1 ist zur Veranschaulichung des Abstands X eine Längenkoordinate I eingetragen, welche sich in Figur 1 in vertikaler Richtung von oben nach unten erstreckt. Ein brennraumabgewandter Endbereich der Laserzündkerze 100 entspricht der Längenkoordinate I0. Der brennraumzugewandte, das heißt vorliegend auch der Vorkammer 110 zugewandte, Endbereich der
Laserzündkerze 100 korrespondiert mit einer Längenkoordinate 11 , die gleichzeitig als Referenz für die Definition des erfindungsgemäßen Abstands X verwendet wird. Die Längenkoordinate 11 stimmt mit dem stirnseitigen Ende 110a der Laserzündkerze 100 überein. Das Volumen der Vorkammer 110 erstreckt sich in Figur 1 somit von der
Längenkoordinate 11 bis hin zu der Längenkoordinate 12.
Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Mittel 120 zur Erzeugung beziehungsweise Einstrahlung der Laserstrahlung 130 in die Vorkammer 1 10 ist sichergestellt, dass der Zündpunkt ZP innerhalb des ersten Volumenbereichs
1 10_1 beziehungsweise maximal des zweiten Volumenbereichs 1 10_2 angeordnet ist. Vorliegend ergibt sich die Lage des Zündpunkts ZP bei einer Längenkoordinate 11' für die gilt: IT - 11 = X.
Der erfindungsgemäße Abstand X wird vorteilhaft von einem dem Brennraum beziehungsweise der Vorkammer zugewandten Endbereich beziehungsweise der entsprechenden Stirnfläche 1 10a der Laserzündkerze 100 aus gemessen. Vorliegend wird der Stirnbereich 110a durch eine Stirnfläche eines Gehäuses der Laserzündkerze 100 gebildet, und nicht etwa durch das den Innenraum der Laserzündkerze 100 zu der Vorkammer 0 hin abschließende
Brennraumfenster 128b, weil das Brennraumfenster 128b wie aus Figur 1 ersichtlich in axialer Richtung geringfügig gegenüber dem stirnseitigen
Endbereich 110a der Laserzündkerze 100 axial nach innen, das heißt in Figur 1 nach oben, versetzt ist.
Vorliegend weist die Vorkammer 1 10 mehrere Überströmkanäle 112 in der Vorkammerwand 1 11 auf, die einem Fluidaustausch mit einem außenseitig der Vorkammer 110 angeordneten Hauptbrennraum 300 der die Laserzündkerze 100 enthaltenden Brennkraftmaschine dienen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Volumen der Vorkammer 1 10 etwa 50 mm3 bis etwa 100 cm3 beträgt, vorzugsweise etwa 500 mm3 bis etwa 10 cm3.
Figur 2a zeigt eine vergrößerte Darstellung eines eine Vorkammer aufweisenden Endbereichs einer Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Vorkammer 1 10 erstreckt sich in Figur 2a in vertikaler Richtung wiederum von der Längenkoordinate 11 bis zu der Längenkoordinate 12. Für
Längenkoordinaten I < 11 ist vorliegend zwar ebenfalls eine sich an die
Vorkammer 110 direkt anschließende Öffnung vorgesehen, die jedoch zur Aufnahme eines Restgaspolsters oder Abschirmung des Brennraumfensters dient und daher nicht zum Vorkammervolumen gezählt und zur Definition des erfindungsgemäßen Abstands X herangezogen wird. Das bedeutet, der erfindungsgemäße Abstand X wird vorliegend ausgehend von der
Längenkoordinate 11 in Figur 2a vertikal nach unten gemessen.
Die Vorkammer 1 10 gemäß Figur 2a weist in ihrem brennraumzugewandten Endbereich mehrere Überströmkanäle 1 12 auf, die das Hindurchtreten von Fluid aus dem Hauptbrennraum 300 (Figur 1) in die Vorkammer 110 und umgekehrt ermöglichen. Vorliegend sind die Überström kanäle 112 bezüglich ihrer
Längsachse so ausgerichtet, dass sich bei einem Hereinströmen von Fluid aus dem Hauptbrennraum 300 in die Vorkammer 110 eine zumindest teilweise tangentiale Fluidströmung in der Vorkammer 1 10 ergibt, so dass sich ein stabiler Fluidwirbel um die Längsachse der Vorkammer 110 bzw. der Laserzündkerze 100 bilden kann.
Zusätzlich kann auch eine weitere Überströmöffnung 112' vorgesehen sein, die im Wesentlichen im Bereich der Längsachse der Laserzündkerze 100
angeordnet ist. Durch die in Figur 2a abgebildete Konfiguration von
Überströmkanälen 1 12, 1 12' ergibt sich eine optimierte Vermischung von in der Vorkammer 110 vorliegendem Restgas mit frischem zündfähigen Gemisch, so dass optimale Zündbedingungen in dem Zündpunkt ZP in der Vorkammer 1 10 vorliegen.
Figur 2b zeigt die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 2a zusammen mit durch Blockpfeile angedeuteten Fluidströmungen, wie sie sich während eines
Betriebszustands der Laserzündkerze 100 einstellen.
Eine erste, mindestens eine tangentiale Komponente aufweisende Fluidströmung S1 von aus dem Hauptbrennraum 300 (Fig. 1) in die Vorkammer 1 10
einströmendem zündfähigen Gemisch stellt sich wie durch den entsprechenden Blockpfeil S1 in Figur 2b abgebildet ein. Zusätzlich ergibt sich eine weitere Strömung S2 in in Figur 2b im Wesentlichen vertikaler Richtung nach oben.
In einem ersten Bereich B1 , der der erfindungsgemäßen Definition des Abstands X zufolge nicht bereits zur Geometrie der Vorkammer 0 gehört, sondern vielmehr noch zu dem stirnseitigen Endbereich der Laserzündkerze 100, befindet sich ein Restgaspolster, das in an sich bekannter Weise zum Schutz des
Brennraumfensters 128b vor Verbrennungsrückständen beziehungsweise Schmutzpartikeln dienen kann.
Ein zweiter Bereich B2 mit verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit stellt sich insbesondere im Bereich der Fluidströmung S1 , S2 ein.
Ein zwischen dem ersten Bereich B1 und dem zweiten Bereich B2 liegender dritter Volumenbereich B3 der Vorkammer 110 weist Untersuchungen der Anmelderin zufolge optimale Bedingungen für eine Laserzündung mittels der Laserzündimpulse 130 auf. Bei den meisten Zündkerzen- und Vorkammergeometrien liegt der für die Laserzündung besonders günstige Bereich B3 in dem in Fig. 2b oberen oder mittleren Volumenanteil des
Vorkammervolumens, vgl. Bezugszeichen 110_1 , 110_2 aus Fig. 1. Daher können bei geeigneter Auslegung der Überströmkanäle 112, 1 12' und
Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Definition für den Abstand X optimale Bedingungen für die Laserzündung in dem Zündpunkt ZP sichergestellt werden.
Figur 3 zeigt schematisch und in teilweisem Querschnitt eine weitere
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einer
Vorkammer 110. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Figur 2a weist die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 3 zwischen dem Brennraumfenster 128b und der Vorkammer 1 10 ein sogenanntes "Light Path"-Modul 128c auf, welches eine im Wesentlichen kegelförmige Öffnung 128c' aufweist, die ein Hindurchtreten der Laserstrahlung 130 aus der Laserzündkerze 100 in die Vorkammer 1 10 ermöglicht. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Geometrie des Light Path-Moduls 128c reduziert, dass Schmutzpartikel von Verbrennungsprozessen aus der Vorkammer 1 10 in den Bereich einer optisch wirksamen Oberfläche des Brennraumfensters 128b gelangen.
Auch bei dieser Erfindungsvariante wird die Laserstrahlung 130 bevorzugt gemäß der Dimensionierungsvorschrift für den Abstand X in die Vorkammer 110 eingestrahlt. Hierbei ist wiederum zu beachten, dass der erfindungsgemäß gewählte Abstand X von dem stirnseitigen Endbereich 128c" des Light Path- Moduls 128c aus gemessen wird, weil die konische Lichtführungsöffnung 128c' des Light Path-Moduls 128c nicht bereits zum Vorkammervolumen der
Vorkammer 1 10 zählt.
Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge sind die Mittel 120 zur Beaufschlagung des in der Vorkammer 1 10 angeordneten Zündpunkts ZP mit
Laserstrahlung 130 und die Überström kanäle 112, 112' so aufeinander abgestimmt, dass der Zündpunkt ZP in einem Betriebszustand der
Laserzündkerze 100, in dem Fluid über den mindestens einen Überströmkanal 1 12, 1 12' in die Vorkammer 110 einströmt, in einem Bereich B3 (Figur 2b) liegt, in dem eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids beziehungsweise zündfähigen Gemischs um mindestens etwa 30%, vorzugsweise etwa 50% niedriger ist als in einem Bereich B2, in dem die Überströmkanäle 1 12, 112' angeordnet sind.

Claims

Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit Mitteln (120) zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkts (ZP) mit Laserstrahlung (130), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (120) so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlung (130) auf mindestens einen Zündpunkt (ZP) fokussiert wird, der bei einer Einteilung der Vorkammer (110) in drei etwa volumengleiche Teilbereiche (110_1, 110_2, 110_3), die sich von einer an die Vorkammer (110) angrenzenden Stirnfläche (110a) der Laserzündkerze (100) axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im wesentlichen zu der Stirnfläche (110a) parallele Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche (110a) angrenzenden Teilbereich (110_1) oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich (110_2) liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche (110a) angrenzenden Teilbereich (110_1).
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, wobei ein Abstand (X) des
Zündpunkts (ZP) von der Stirnfläche (110a) der Laserzündkerze (100) zwischen etwa 0 mm und etwa 15 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 0 mm und etwa 10 mm.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 2, wobei der Abstand (X) zwischen etwa 0 mm und etwa 5 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 1 mm und etwa 3 mm.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Volumen der Vorkammer (110) etwa 50 mm3 bis etwa 100 cm3 beträgt, vorzugsweise etwa 500 mm3 bis etwa 10 cm3.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein die Vorkammer (110) begrenzender Wandabschnitt (111) mindestens einen eine Fluidverbindung zu einem Brennraum (300) der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überströmkanal (112, 112') aufweist. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 5, wobei mindestens ein
Überströmkanal (112) als Drallkanal ausgebildet ist, um einem
durchströmenden Fluid eine tangentiale Bewegungskomponente bezogen auf eine Längsachse des Überströmkanals (112) aufzuprägen.
Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei mindestens ein Überströmkanal (112) als tangentiale Bohrung ausgebildet ist, und wobei mindestens ein weiterer Überströmkanal (112') als Mittelloch ausgebildet ist, das etwa im Bereich einer Längsachse der Vorkammer (110) angeordnet ist.
Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Mittel (120) zur Beaufschlagung des in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkts (ZP) mit Laserstrahlung (130) und die Überströmkanäle (112, 112') so aufeinander abestimmt sind, dass der Zündpunkt (ZP) in einem Betriebszustand der Laserzündkerze (100), in dem Fluid über den mindestens einen Überströmkanal (112, 112') in die Vorkammer (110) einströmt, in einem Bereich (B3) liegt, in dem eine mittlere
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids um mindestens etwa 30 Prozent, vorzugsweise etwa 50 Prozent, niedriger ist als in einem Bereich (B2), in dem die Überströmkanäle (112, 112') angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit Mitteln (120) zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkts (ZP) mit Laserstrahlung (130), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (120) die Laserstrahlung (130) auf mindestens einen Zündpunkt (ZP) fokussieren, der bei einer Einteilung der Vorkammer (110) in drei etwa volumengleiche Teilbereiche (110_1, 110_2, 110_3), die sich von einer an die Vorkammer (110) angrenzenden
Stirnfläche (110a) der Laserzündkerze (100) axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im wesentlichen zu der Stirnfläche (110a) parallele Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche (110a) angrenzenden Teilbereich (110_1) oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich (110_2) liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche (110a) angrenzenden Teilbereich (110_1).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mittel (120) die Laserstrahlung (130) so fokussieren, dass ein Abstand (X) des Zündpunkts (ZP) von der
Stirnfläche (110a) der Laserzündkerze (100) zwischen etwa 0 mm und etwa 15 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 0 mm und etwa 10 mm.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Mittel (120) die Laserstrahlung (130) so fokussieren, dass der Abstand (X) zwischen etwa 0 mm und etwa 5 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 1 mm und etwa 3 mm.
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