WO2012152471A1 - Laserzündkerze - Google Patents

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Publication number
WO2012152471A1
WO2012152471A1 PCT/EP2012/054223 EP2012054223W WO2012152471A1 WO 2012152471 A1 WO2012152471 A1 WO 2012152471A1 EP 2012054223 W EP2012054223 W EP 2012054223W WO 2012152471 A1 WO2012152471 A1 WO 2012152471A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
prechamber
longitudinal axis
spark plug
overflow
chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/054223
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
Priority to US14/115,975 priority Critical patent/US20140165945A1/en
Publication of WO2012152471A1 publication Critical patent/WO2012152471A1/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
    • 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 of a motor vehicle or a large gas engine with an antechamber for receiving an ignitable medium, with means for
  • the at least one overflow channel is arranged and designed so that when flowing a fluid through the overflow channel into the interior of the prechamber results in a fluid flow, the flow direction at an angle of about a maximum
  • Outlet opening of the aperture means is located.
  • Fluid flow in the pre-chamber and advantageously ensures at the same time that there is no significant stagnation point flow from the interior of the pre-chamber through the diaphragm means in the direction of the laser spark plug, for example, to a combustion chamber window, resulting in a
  • the configuration according to the invention is superior to those conventional approaches which involve the formation of a dominant tumble flow (tangential flow in the region of the combustion chamber window) or of a dominant one
  • a main Wrbelachse is arranged substantially concentric to the longitudinal axis of the prechamber and the laser spark plug.
  • Overflow channels are arranged so that a longitudinal axis of the first
  • Transfer port includes a first arc with the longitudinal axis of the prechamber, and the one longitudinal axis of the second transfer port includes a second angle with the longitudinal axis of the prechamber, wherein the second
  • Angle is different from the first angle.
  • the overflow channels themselves for example, are preferably designed as essentially circular-cylindrical channels, it is advantageous to obtain a fluid flow which flows into the interior of the prechamber and which discharges the fluid
  • Angular difference between the longitudinal axes of the at least two Matterströmkanäle the flow direction of the present invention obtained fluid flow are influenced in the antechamber, so that an angle between the flow direction and the longitudinal axis of the pre-chamber does not exceed a value of about 30 °, and that in particular the flow direction is directed into a space region which is not in the central region the outlet opening of the diaphragm means is located.
  • the above exemplified at two overflow channels explained principle is also applicable to more than two transfer channels.
  • Overflow channels are arranged so that an entry of the first
  • Overflow into the prechamber more precisely into the interior of the prechamber, having a first distance to an axial reference point, and that an entry of the second overflow channel into the prechamber or in the
  • Reference point wherein the second distance is different from the first distance.
  • an axial reference point for example, in the
  • Substantially flat surface can be used, which extends substantially orthogonal to the longitudinal axis of the laser spark plug and the pre-chamber, for example, a surface of a combustion chamber of the window
  • Laser spark plug which faces the diaphragm means.
  • an end face of the aperture means the one
  • Combinations of the variants of the invention described above are also conceivable.
  • a plurality of overflow channels are provided whose longitudinal axes in each case enclose the same angle with the longitudinal axis of the prechamber, wherein at least two of these overflow channels are arranged in the prechamber, that they each have different distances to the axial reference point.
  • At least one overflow channel is provided and designed as a center hole, that is to say arranged in a combustion chamber end region of the prechamber, specifically in the region of the longitudinal axis of the prechamber.
  • a longitudinal axis of the center hole does not coincide exactly with the longitudinal axis of the pre-chamber, but is preferably arranged parallel to it.
  • Combinations of the central hole having variant with the above-described variants of the invention may be provided which overflow channels have different orientations of their longitudinal axes and their entry points with respect to an axial reference point.
  • At least two overflow channels are arranged so that their longitudinal axes intersect in each case the longitudinal axis of the prechamber.
  • This configuration is also referred to as the radial orientation of the overflow channels. If the respective transfer channels each have different orientations of their longitudinal axis or different entry locations in the pre-chamber, each individual points of intersection between the longitudinal axis of an overflow channel and the longitudinal axis of the pre-chamber, that is, the result
  • At least two overflow channels are arranged so that their longitudinal axes do not intersect the longitudinal axis of the pre-chamber, that is, on it lead past, preferably a fictitious triangle, the two
  • Partial currents at least partially compensate each other to the
  • the arrangement of the overflow can be such that at least one bisector of the notional triangle of the embodiment described above with the longitudinal axis or
  • optical axis of the prechamber cuts.
  • At least two overflow channels are arranged approximately parallel to each other and further so that the longitudinal axis of the pre-chamber between the respective
  • Longitudinal axes of the overflow channels lies. Also in this case advantageously results in a compensation of the channels through the two overflow channels flowing partial flows such that the formation of a dominant swirl or tumble flow is avoided.
  • a Wnkelabstand is not constant in the circumferential direction of the prechamber each adjacent overflow channels. For example, with a total of five in total, arranged radially
  • At least one overflow channel a first facing the outer space
  • Has cross-sectional area, in terms of shape and / or area is different from the interior of the pre-chamber facing second cross-sectional area, whereby further degrees of freedom are given to influence the fluid flow in the prechamber.
  • At least one passage channel of the aperture means for the laser radiation in approximately truncated cone shape, wherein an opening angle of the passage channel is greater than or approximately equal to a beam angle of the laser radiation, whereby the laser radiation substantially unhindered by the aperture means from the laser spark plug or a laser device or the like provided there can be irradiated into the antechamber, while at the same time a
  • Combustion end products (oil pockets and the like) is given.
  • Figure 1 a schematically shows a partial cross section of a first
  • FIG. 1b schematically shows a partial cross-section of an end region of the combustion chamber-facing end region having an antechamber
  • Figure 1 c schematically shows a plan view of the antechamber of
  • FIG. 1 d schematically shows a plan view of one of the pre-chambers
  • 2 shows schematically in partial cross section an antechamber according to a further embodiment
  • FIG. 3 shows a plan view of a combustion chamber-facing end region of an antechamber according to a further embodiment
  • FIG. 4 schematically shows a partial cross section of an antechamber according to a further embodiment
  • FIG. 5 schematically shows a partial cross section of an antechamber according to a further embodiment
  • FIG. 6 schematically shows a partial cross section of an antechamber according to a further embodiment
  • Figure 7 schematically shows a partial cross section of
  • FIG. 8 a schematically shows an arrangement and orientation of
  • FIG. 8 b schematically shows a further configuration of overflow channels with respect to a longitudinal axis of an antechamber according to a further embodiment.
  • FIG. 1a shows a partial cross section of a first embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention.
  • the laser spark plug 100 has means 105 for irradiating laser radiation 20 on at least one
  • Ignition point ZP which is arranged in a pre-chamber 1 10 associated with the laser spark plug 100.
  • the means 105 for example, a solid-state laser 105a, which may have a passive wascnies (not shown) and energized upon exposure to pump light in a conventional manner Laser ignition pulses 20 generated.
  • the solid-state laser 105a is associated with a focusing optics 105b, which focuses the laser radiation 20 generated by the solid-state laser 105a to the ignition point ZP.
  • the laser spark plug 100 In its end region facing the prechamber 110, the laser spark plug 100 has a combustion chamber window 105c, through which the laser radiation 20 is radiated into the prechamber 1 10 and that the
  • the laser spark plug 100 can be operated, for example, in a stationary gas engine or also in an internal combustion engine of a motor vehicle and serves to ignite an air chamber located in the combustion chamber 200.
  • Exterior space 200 designated main combustion chamber of the internal combustion engine or the gas engine and the interior 11 1 of the pre-chamber 110 allows.
  • the laser spark plug 100 has aperture means 15 which, as can be seen in FIG. 1 a, are arranged between the laser source 105 of the laser spark plug 100 and the prechamber 110 such that the generated laser radiation 20 passes through a corresponding passage opening of the diaphragm means 115 into the interior space 11 the antechamber 110, in particular to the ignition point ZP, can be irradiated.
  • the diaphragm means 15 thus advantageously allow the irradiation of the laser radiation 20 at the ignition point ZP, while at the same time loading one of the prechamber 110
  • Passage opening of the diaphragm means 115 is reduced.
  • the laser spark plug 100 can also be supplied with laser radiation for the laser ignition, which is generated by a laser source (not shown) arranged externally of the laser spark plug 100.
  • the at least one overflow channel 120 is arranged and designed such that, when a fluid (eg ignitable mixture) flows in from the outer space 200 (main combustion chamber of the Gas engine) through the overflow channel 120 into the interior 11 1 of the
  • Pre-chamber 110 results in a fluid flow, the flow direction forms an angle of at most about 30 ° with a longitudinal axis of the pre-chamber 1 10, and which is directed into a spatial region of the pre-chamber 1 10, the substantially predominantly, preferably completely, outside a central region of the outlet opening the aperture means 115 is located.
  • FIG. 1b shows a detail view of the prechamber 110 according to FIG. 1a in a partial cross section.
  • the block arrow F symbolizes here the channels due to the inventive configuration of the overflow 120 in the prechamber 110 and its interior 11 1 adjusting fluid flow F, which consists in a conventional manner of an ignitable air / fuel mixture and / or at least partially of exhaust gas ,
  • the fluid flow F has a flow direction such that a curvature ⁇ between the
  • Laser spark plug 100 corresponding longitudinal axis LA of the prechamber 1 10 does not exceed a preferred maximum value of about 30 °.
  • the fluid flow F is advantageously directed so that it does not reach the area of the outlet opening 115 a facing the prechamber 110
  • Aperture means 115 for the laser radiation 20 indicates, but rather in a radially further outward region 11 1a of the interior 11 of the
  • Pre-chamber 110 This advantageously prevents the occurrence of a stagnation point flow in the region of the combustion chamber window 105c, as would be obtained with pre-chamber laser spark plugs, when the fluid flow F can flow directly through the outlet opening 15a of the diaphragm means 115 onto the combustion chamber window 105c. According to investigations by the applicant, the application of the
  • FIG. 1 c schematically shows a plan view of the prechamber 110 according to FIG. 1 b in a partial cross section. From FIG. 1 c, an end face 15b of the diaphragm means 115 facing the interior 11 1 of the pre-chamber 110 can be seen. The viewing direction of FIG. 1 c extends along the longitudinal axis LA (FIG. 1 b) in the direction of the combustion chamber window 105 c.
  • the fluid flow F is advantageously not directed to a central region 115a 'of the outlet opening 115a of the diaphragm means 115, but rather to a radially outer region 11 1a in which, as expected, a stagnation point flow as a result of the application of the Fluid flow F is set.
  • a stagnation point flow in the region 11a may obviously not be significant
  • FIG. 1 d shows schematically a plan view of the outlet opening 115 a of the diaphragm means 115 according to a further embodiment.
  • the overflow channels 120 ( Figure 1 b) of the laser spark plug containing the diaphragm means 15 15 are configured so that the fluid flow F is directed to a radially outer edge region of the outlet opening 15a.
  • FIG. 2 shows an antechamber 110 according to a further embodiment of the invention.
  • two overflow channels 120_1, 120_2 which are designed, for example, as essentially circular-cylindrical overflow holes, are shown by way of example.
  • the longitudinal axis LA1 of the first overflow channel 120_1 has a first angle ⁇ 1 to the longitudinal axis LA of the pre-chamber 110, while the longitudinal axis LA2 of the second overflow channel 120_2 one of the first angle ⁇ 1
  • FIG. 3 shows a plan view of a combustion chamber-facing end region of an antechamber 110 according to a further embodiment of the invention.
  • the illustrated prechamber 110 has five overflow channels 120_3, 120_4, 120_5, 120_6, 120_7.
  • the overflow channels 120_3, 120_4 formed so that they have a first angle ⁇ 1 ( Figure 2) with the
  • FIG. 4 shows an antechamber 110 according to a further embodiment of the invention
  • the first overflow channel 120_1 is arranged in the region of the wall of the prechamber 110 such that an entry location E01, at which it enters the interior 11 1 of the prechamber 110, is measured at a first distance L1 relative to a reference coordinate 105c 'along the Longitudinal axis LA of the pre-chamber 110 and the
  • Laser spark plug 100 is arranged.
  • the reference coordinate 105c ' is formed by a surface of the combustion chamber window 105c facing the antechamber 110 or the diaphragm means 15.
  • the reference coordinate 105c ' is formed by a surface of the combustion chamber window 105c facing the antechamber 110 or the diaphragm means 15.
  • reference coordinate may also be formed by other surfaces or virtual surfaces, which preferably is substantially approximately orthogonal to the longitudinal axis LA of the antechamber 110 and the optical axis of the
  • Laser spark plug 100 extend.
  • the second overflow is channel 120_2 with a second distance L2 between its entry E02 and the
  • Reference coordinate 105c ' where L2> L1.
  • the entry location E02 of the second transfer passage 120_2 in FIG. 4 is located slightly further to the left, that is, closer to the end region of the pre-chamber 110 facing the combustion chamber, than the entry location E01 of the first transfer passage 120_1.
  • Pre-chamber 110 favors that in particular no Stagnation point flow in a radially inner region, that is, along the longitudinal axis LA, and in the region of the outlet opening 1 15a of the diaphragm means 1 15 results.
  • FIG. 5 schematically shows a detailed view of a further prechamber 110 according to the invention in a partial cross section.
  • two overflow channels 120_1, 120_2 are again present, which are designed differently both with regard to their angles ⁇ 1, ⁇ 2 with respect to the longitudinal axis LA and with respect to their distances L1, L2 from the reference coordinate 105c '.
  • a fluid flow F which has a flow direction which encloses an angle of at most approximately 30 ° with the longitudinal axis LA, and which, in particular, is not directed to a central region of the outlet opening 115a, but rather-as can be seen from FIG. 5-results. on a radially further outward region of the end face 1 15b of the diaphragm means 1 15, which delimit the inner space 1 11 of the pre-chamber 110 in Figure 5 to the right.
  • FIG. 6 shows schematically in a partial cross section another one
  • the pre-chamber 1 10 has two radial overflow channels 120_1, 120_2, which may be configured according to the preceding embodiments. Alternatively, however, the two overflow channels 120_1, 120_2 can also be configured radially and symmetrically, ie in particular include the same angle between their longitudinal axes and the longitudinal axis LA of the prechamber 110, and an identical distance from a reference point along the longitudinal axis LA of the prechamber 110 or Laser spark plug 100 have.
  • Prechamber 1 10 according to Figure 6, a further, in the present case as a center hole 120_M trained overflow, which in the combustion chamber facing
  • Wall portion 110a of the antechamber 110 that is, in Figure 6 left, is arranged.
  • the central hole 120_M is desalted with respect to the longitudinal axis LA of the prechamber 110, that is, the longitudinal axis LAM of the center hole 120_M is radially offset by a distance L3 from the longitudinal axis LA of the prechamber 110, so that once again an asymmetrical Fluid flow F from the outer space into the interior 11 1 of the pre-chamber 110 results in.
  • the variant of the invention according to FIG. 6 can be used with the centered center hole 120_M together with radial, symmetrical overflow channels 120_1, 120_2.
  • the center hole 120_M is also a combination of the center hole 120_M with the unbalanced
  • a tilting of the longitudinal axis LAM of the center hole 120_M with respect to the longitudinal axis LA of the prechamber 110 is also conceivable, e.g. at an angle between about 0 ° and about 30 °, preferably about 10 ° and about 30 °.
  • FIG. 7 schematically shows a partial cross-section of the diaphragm means 115, as contained in the beam path of the laser spark plug 100 according to FIG. 1 a.
  • the diaphragm means 15 have an im
  • Aperture angle ⁇ of the passage opening 15b is preferably chosen such that it is approximately equal to or greater than the beam angle ⁇ of the laser radiation 20.
  • FIG. 8a shows schematically a plan view of an antechamber 110 according to a further embodiment of the invention.
  • two overflow channels 120_X, 120_Y are arranged so that their longitudinal axes LAX and LAY do not intersect the longitudinal axis LA of the prechamber 110, respectively. This means that the overflow channels 120_X, 120_Y are not "radial
  • the overflow channels 120_X, 120_Y are furthermore designed and arranged such that the further ones
  • the arrangement of the overflow channels 120_X, 120_Y can take place such that at least one bisector of the notional triangle of the embodiment described above intersects with the longitudinal axis LA or optical axis of the prechamber 110.
  • this may apply to the Wnkel distrierende of the enclosed by the sides LAX, LAY Wnkels the fictitious triangle.
  • FIG 8b shows a further embodiment of the invention, in which two
  • Overflow channels 120_X, 120_Y are arranged substantially parallel to each other, so that the longitudinal axis LA of the pre-chamber 110 between the
  • Overflow channels 120_X, 120_Y effectively avoid the formation of a dominant swirl flow in the prechamber 110.
  • the configuration according to the invention advantageously makes it possible to form a fluid flow F (FIG. 1 a) in the interior 11 1 of the pre-chamber 1 10 in such a way that no fluid flows into the pre-chamber 1 10 when the fluid flows in
  • the diaphragm means 115 which is also referred to as a "light path" is preferably designed as a cylindrical basic body with a hollow cone extending from the Brennraum pre 105c starting in the direction of the pre-chamber 1 10 ( Figure 1 a), tapered and its conical geometry, in particular cone angle ⁇ (Fig. 7) is chosen so that the lateral surface of the hollow cone very close to the laser beam 20, but this - not. in the sense of an optical aperture - impaired.
  • the opening angle ⁇ of the hollow cone is particularly preferably approximately in agreement with the beam angle ⁇ of the laser beam 20. Alternatively, however, it may also be provided that the opening angle ⁇ of the hollow cone differs from the beam angle ⁇ of the laser radiation 20 by up to about 20 °. This means that the difference ⁇ - ß between the
  • the Lightpath element 1 15 has an axial length (measured along the longitudinal axis LA of the pre-chamber 1 10) of about 2mm to about 10mm, in particular about 6mm.
  • the principle according to the invention advantageously makes it possible to form a dominant fluid flow F in the interior 11 of the prechamber 110 which is desalted, that is to say there is no direct inflow, in particular stagnation point flow, into the hollow cone 15b (FIG. 7) of the lightpath element 115, resulting in a greatly reduced stagnation point flow to the combustion chamber window 105c ( Figure 1a).
  • Overflow channels 120 may also be arranged such that one or more points of intersection of their longitudinal axes with the longitudinal axis LA of the prechamber 110 result.
  • a plurality of overflow channels are arranged such that an intersection of their longitudinal axes has a radial distance from the longitudinal axis LA of the prechamber 110 which is at most about two thirds of a minimum diameter of the through opening 15c (FIG. 7). is, preferably about 50% of the minimum diameter of the passage opening 1 15c. Distances of about one-third of the minimum
  • Diameter of the passage opening 115c are also conceivable. If the longitudinal axes of the overflow channels do not intersect at one point, then instead of the above-mentioned point of intersection, a point for the dimensioning of the abovementioned maximum distance can be selected, in which the sum of the distances (in the geometrical sense, ie the shortest distance) between this point and the several longitudinal axes is approximately minimal.
  • the center hole 120_M (FIG. 6) can be arranged and aligned such that its longitudinal axis LAM encloses an angle of approximately 10 ° to approximately 30 ° with the longitudinal axis LA of the prechamber 110.
  • one or more of the overflow channels 120 as
  • Embodiments are also conceivable.
  • prechamber 110 it is conceivable to form the geometry of the prechamber 110 asymmetrically or to arrange further means, such as flow flaps or the like, influencing a fluid flow F in the prechamber 110.
  • a diaphragm means 115 with a desachined lightpath or with a plurality of lightpaths, that is to say passage openings 15c (FIG. 7), is likewise conceivable.
  • Transfer ports 120 for forming the specific fluid flow F are also applicable to high voltage spark plugs.

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Abstract

Die Erfindung betriff eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen Großgasmotor, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, mit Mitteln (105) zur Einstrahlung von Laserstrahlung (20) auf mindestens einen in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkt (ZP), mit mindestens einem eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum (111) der Vorkammer (110) und einem die Vorkammer (110) umgebenden Außenraum (200) ermöglichenden Überströmkanal (120). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mitteln (105) zur Einstrahlung von Laserstrahlung (20) und der Vorkammer (110) Blendenmittel (115) angeordnet sind, die mindestens eine der Vorkammer (110) zugewandte Austrittsöffnung (115a) für die Laserstrahlung (20) in die Vorkammer (110) aufweisen, und dass der mindestens eine 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, deren Strömungsrichtung einen Winkel (a) von maximal etwa 30° mit einer Längsachse (LA) der Vorkammer (110) einschließt, und die in einen Raumbereich (111a) der Vorkammer (110) gerichtet ist, der im wesentlichen überwiegend, vorzugsweise vollständig, außerhalb eines zentralen Bereichs (115a') der Austrittsöffnung (115a) der Blendenmittel (115) liegt.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen Großgasmotor, mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, mit Mitteln zur
Einstrahlung von Laserstrahlung auf mindestens einen in der Vorkammer angeordneten Zündpunkt, mit mindestens einem eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum der Vorkammer und einem die Vorkammer umgebenen Außenraum ermöglichenden Überström kanal. Eine derartige Laserzündkerze ist beispielsweise aus EP 2 072 803 A2 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein zuverlässiger Betrieb und eine erhöhte Standzeit gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Mitteln zur Einstrahlung von Laserstrahlung und der Vorkammer Blendenmittel angeordnet sind, die mindestens eine der Vorkammer zugewandte Austrittsöffnung für die
Laserstrahlung in die Vorkammer aufweisen, und dass der mindestens eine Überströmkanal so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überström kanal in den Innenraum der Vorkammer eine Fluidströmung ergibt, deren Strömungsrichtung einen Winkel von maximal etwa
30° mit einer Längsachse der Vorkammer einschließt, und die in einen Raumbereich der Vorkammer gerichtet ist, der im Wesentlichen überwiegend, vorzugsweise vollständig, außerhalb eines zentralen Bereichs der
Austrittsöffnung der Blendenmittel liegt. Die erfindungsgemäße Konfiguration der Vorkammer mit dem mindestens einen
Überströmkanal ermöglicht Untersuchungen der Anmelderin zufolge vorteilhaft die Ausbildung einer besonders gut mittels Laserstrahlung zündbaren
Fluidströmung in der Vorkammer und stellt vorteilhaft gleichzeitig sicher, dass sich keine wesentliche Staupunktströmung aus dem Innenraum der Vorkammer durch die Blendenmittel hindurch in Richtung der Laserzündkerze hin, beispielsweise auf ein Brennraumfenster zu, ergibt, wodurch eine
Verschmutzung der betreffenden Komponenten, insbesondere des
Brennraumfensters, besonders effizient verhindert werden kann. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine erhöhte Standzeit der Laserzündkerze bei gleichzeitig zuverlässigen Betriebseigenschaften.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Konfiguration solchen herkömmlichen Ansätzen überlegen, welche die Ausbildung einer dominanten Tumble-Strömung (Tangentialströmung im Bereich des Brennraumfensters) bzw. einer dominanten
Swirl-Strömung vorsehen, bei der eine Haupt-Wrbelachse im Wesentlichen konzentrisch zu der Längsachse der Vorkammer bzw. der Laserzündkerze angeordnet ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Überströmkanäle vorgesehen sind, und dass die
Überströmkanäle so angeordnet sind, dass eine Längsachse des ersten
Überströmkanals einen ersten Wnkel mit der Längsachse der Vorkammer, einschließt, und das eine Längsachse des zweiten Überströmkanals einen zweiten Winkel mit der Längsachse der Vorkammer einschließt, wobei der zweite
Winkel verschieden ist von dem ersten Winkel. Bei dieser Erfindungsvariante, bei der die Überströmkanäle selbst beispielsweise bevorzugt als im Wesentlichen kreiszylindrische Kanäle ausgebildet sind, wird vorteilhaft eine in den Innenraum der Vorkammer strömende Fluidströmung erhalten, welche den
erfindungsgemäßen Kriterien genügt. Insbesondere kann durch die
Winkeldifferenz zwischen den Längsachsen der mindestens zwei Überströmkanäle die Strömungsrichtung der erfindungsgemäß erhaltenen Fluidströmung in der Vorkammer beinflusst werden, sodass ein Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Längsachse der Vorkammer einen Wert von etwa 30° nicht übersteigt, und dass insbesondere die Strömungsrichtung in einen Raumbereich gerichtet ist, der nicht in dem zentralen Bereich der Austrittsöffnung der Blendenmittel liegt. Das vorstehend beispielhaft an zwei Überström kanälen erläuterte Prinzip ist auch auf mehr als zwei Überströmkanäle übertragbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Überströmkanäle vorgesehen sind, und dass die
Überströmkanäle so angeordnet sind, dass ein Eintrittsort des ersten
Überströmkanals in die Vorkammer, genauer in den Innenraum der Vorkammer, einen ersten Abstand zu einem axialen Referenzpunkt aufweist, und dass ein Eintrittsort des zweiten Überström kanals in die Vorkammer bzw. in den
Innenraum der Vorkammer einen zweiten Abstand zu dem axialen
Referenzpunkt aufweist, wobei der zweite Abstand von dem ersten Abstand verschieden ist. Als axialer Referenzpunkt kann beispielsweise eine im
Wesentlichen ebene Fläche herangezogen werden, die sich im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse der Laserzündkerze und der Vorkammer erstreckt, beispielsweise eine Oberfläche eines Brennraumfensters der
Laserzündkerze, die den Blendenmitteln zugewandt ist. Alternativ hierzu kann beispielsweise auch eine Stirnfläche der Blendenmittel, die einen
brennraumabgewandten Endbereich des Innenraums der Vorkammer begrenzen, als axialer Referenzpunkt herangezogen werden. In allen Fällen wird bevorzugt zur Definition der Abstände eine Messung entlang einer
Ortskoordinate durchgeführt, die sich parallel zu der Längsachse der
Laserzündkerze und der Vorkammer erstreckt.
Kombinationen der vorstehend beschriebenen Erfindungsvarianten sind ebenfalls denkbar. Beispielsweise können mehrere Überströmkanäle vorgesehen sein, deren Eintrittsorte in die Vorkammer jeweils denselben Abstand zu einem axialen Referenzpunkt aufweisen, deren Längsachsen jedoch jeweils unterschiedliche Winkel mit der Längsachse der Vorkammer einschließen. Ebenso ist es möglich, dass mehrere Überström kanäle vorgesehen sind, deren Längsachsen jeweils denselben Winkel mit der Längsachse der Vorkammer einschließen, wobei mindestens zwei dieser Überströmkanäle so in der Vorkammer angeordnet sind, dass sie jeweils unterschiedliche Abstände zu dem axialen Referenzpunkt aufweisen.
Die Vorsehung von zwei oder mehr Überströmkanälen, welche jeweils
Längsachsen mit unterschiedlichen Winkeln zur Längsachse der Vorkammer und darüber hinaus auch unterschiedliche Abstände bezüglich ihrer Eintrittsorte zu dem axialen Referenzpunkt aufweisen, sind ebenfalls denkbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass mindestens ein Überströmkanal vorgesehen und als Mittelloch ausgebildet ist, das heißt in einem brennraumseitigen Endbereich der Vorkammer angeordnet ist, und zwar etwa im Bereich der Längsachse der Vorkammer. Besonders bevorzugt fällt jedoch eine Längsachse des Mittellochs nicht genau zusammen mit der Längsachse der Vorkammer, sondern ist vorzugsweise parallel zu dieser angeordnet. Durch eine solche„Desachsierung" kann die erfindungsgemäße Fluidströmung in der Vorkammer ebenfalls begünstigt werden. Es sind
Erfindungsvarianten denkbar, bei denen das vorstehend beschriebene Mittelloch den einzigen Überströmkanal bildet, weiterhin können jedoch auch
Kombinationen der das Mittelloch aufweisenden Variante mit den vorstehend beschriebenen Erfindungsvarianten vorgesehen sein, welche Überströmkanäle unterschiedlicher Ausrichtungen ihrer Längsachsen bzw. ihrer Eintrittsorte bezüglich eines axialen Referenzpunkts aufweisen.
Einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge ist vorgesehen, dass mindestens zwei Überströmkanäle so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen jeweils die Längsachse der Vorkammer schneiden. Diese Konfiguration wird auch als radiale Ausrichtung der Überströmkanäle bezeichnet. Sofern die betreffenden Überströmkanäle jeweils unterschiedliche Ausrichtungen ihrer Längsachse bzw. unterschiedliche Eintrittsorte in der Vorkammer aufweisen, ergeben sich jeweils einzelne Schnittpunkte zwischen der Längsachse eines Überström kanals und der Längsachse der Vorkammer, dass heißt, die
Längsachsen der Überström kanäle schneiden sich untereinander nicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass mindestens zwei Überströmkanäle so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen jeweils nicht die Längsachse der Vorkammer schneiden, mithin an ihr vorbeiführen, wobei vorzugsweise ein fiktives Dreieck, das die beiden
Längsachsen und eine fiktive Verbindungslinie zwischen den jeweiligen
Eintrittsorten der Überströmkanäle in die Vorkammer als Grundseiten aufweist, einen Schnittpunkt mit der Längsachse der Vorkammer aufweist. In diesem Fall ist also sichergestellt, dass sich die Längsachse der Vorkammer innerhalb der
Eintrittsorte und des Schnittpunkts der Längsachsen der betreffenden
Überströmkanäle bzw. des hieraus gebildeten Dreiecks befindet, sodass sich die durch die einzelnen Überströmkanäle in die Vorkammer ergebenen
Teilströmungen zumindest teilweise gegenseitig kompensieren, um die
Ausbildung einer dominanten Swirl-Strömung bzw. einer dominanten Tumble-
Strömung zu verhindern.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung der Überströmkanäle so erfolgen, dass sich mindestens eine Winkelhalbierende des fiktiven Dreiecks der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit der Längsachse bzw.
optischen Achse der Vorkammer schneidet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Überström kanäle in etwa parallel zueinander und ferner so angeordnet sind, dass die Längsachse der Vorkammer zwischen den jeweiligen
Längsachsen der Überström kanäle liegt. Auch in diesem Fall ergibt sich vorteilhaft eine Kompensation der durch die beiden beteiligten Überström kanäle strömenden Teilströmungen derart dass die Ausbildung einer dominanten Swirl- bzw. Tumble-Strömung vermieden wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Wnkelabstand von in Umfangsrichtung der Vorkammer jeweils zueinander benachbarten Überströmkanälen nicht konstant ist. Beispielsweise können bei einer Gesamtzahl von insgesamt fünf radial angeordneten
Überströmkanälen vier Überströmkanäle jeweils einen Winkelabstand zueinander von etwa 60° aufweisen, wobei sich zwischen zwei benachbarten
Überströmkanälen ein verbleibender Wnkelabstand von etwa 120° ergibt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Überströmkanal eine dem Außenraum zugewandte erste
Querschnittsfläche aufweist, die hinsichtlich Form und/oder Flächeninhalt unterschiedlich ist von einer dem Innenraum der Vorkammer zugewandten zweiten Querschnittsfläche, wodurch weitere Freiheitsgrade zur Beeinflussung der Fluidströmung in der Vorkammer gegeben sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Durchtrittskanal der Blendenmittel für die Laserstrahlung in etwa Kegelstumpfform aufweist, wobei ein Öffnungswinkel des Durchtrittskanals größer oder etwa gleich einem Strahlwinkel der Laserstrahlung ist, wodurch die Laserstrahlung im Wesentlichen ungehindert durch die Blendenmittel aus der Laserzündkerze bzw. einer dort vorgesehenen Lasereinrichtung oder dergleichen in die Vorkammer eingestrahlt werden kann, während gleichzeitig eine
Abschirmwirkung der Komponenten der Laserzündkerze (z.B. Brennraumfenster) vor von aus der Vorkammer stammenden Schmutzpartikeln bzw.
Verbrennungsendprodukten (Ölaschen und dergleichen) gegeben ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 a schematisch ein teilweisen Querschnitt einer ersten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 1 b schematisch einen teilweisen Querschnitt eines eine Vorkammer aufweisenden brennraumzugewandten Endbereichs der
Laserzündkerze gemäß Figur 1a,
Figur 1 c schematisch eine Draufsicht auf die Vorkammer der
Laserzündkerze gemäß Figur 1 b in einem teilweisen Querschnitt,
Figur 1 d schematisch eine Draufsicht auf einen der Vorkammer
zugewandten Endbereich der Blendenmittel gemäß einer weiteren Ausführungsform, Figur 2 schematisch in teilweisem Querschnitt eine Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 3 eine Draufsicht auf einen brennraumzugewandten Endbereich einer Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 4 schematisch einen teilweisen Querschnitt einer Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 5 schematisch einen teilweisen Querschnitt einer Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 6 schematisch einen teilweisen Querschnitt einer Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 7 schematisch einen teilweisen Querschnitt der
erfindungsgemäßen Blendenmittel,
Figur 8a schematisch eine Anordnung und Ausrichtung von
Überströmkanälen bezüglich einer Längsachse der Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
Figur 8b schematisch eine weitere Konfiguration von Überströmkanälen bezüglich einer Längsachse einer Vorkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Figur 1 a zeigt einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100. Die Laserzündkerze 100 verfügt über Mittel 105 zur Einstrahlung von Laserstrahlung 20 auf mindestens einen
Zündpunkt ZP, der in einer der Laserzündkerze 100 zugeordneten Vorkammer 1 10 angeordnet ist.
Vorliegend weisen die Mittel 105 beispielsweise einen Festkörperlaser 105a auf, der über eine passive Güteschaltung (nicht gezeigt) verfügen kann und unter Beaufschlagung mit Pumplicht in an sich bekannter Weise energiereiche Laserzündimpulse 20 erzeugt. Dem Festkörperlaser 105a ist eine Fokussieroptik 105b zugeordnet, die die von dem Festkörperlaser 105a erzeugte Laserstrahlung 20 auf den Zündpunkt ZP bündelt. In ihrem der Vorkammer 110 zugewandten Endbereich weist die Laserzündkerze 100 ein Brennraumfenster 105c auf, durch das die Laserstrahlung 20 in die Vorkammer 1 10 eingestrahlt wird und das den
Innenraum der Laserzündkerze 100 zu der Vorkammer 1 10 hin abdichtet.
Die Laserzündkerze 100 kann beispielsweise in einem stationären Gasmotor oder auch in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs betrieben werden und dient zur Entzündung eines in dem Brennraum 200 befindlichen Luft-
/Kraftstoffgemischs. Durch ein oder mehrere Überströmkanäle 120 im Bereich der Vorkammerwand wird ein Fluidaustausch zwischen dem auch als
Außenraum 200 bezeichneten Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine bzw. des Gasmotors und dem Innenraum 11 1 der Vorkammer 110 ermöglicht.
Ferner verfügt die Laserzündkerze 100 über Blendenmittel 1 15, die wie aus Figur 1 a ersichtlich so zwischen der Laserquelle 105 der Laserzündkerze 100 und der Vorkammer 110 angeordnet sind, dass die erzeugte Laserstrahlung 20 durch eine entsprechende Durchtrittsöffnung der Blendenmittel 115 hindurch in den Innenraum 1 11 der Vorkammer 110, insbesondere auf den Zündpunkt ZP, eingestrahlt werden kann. Die Blendenmittel 1 15 ermöglichen demnach vorteilhaft die Einstrahlung der Laserstrahlung 20 auf den Zündpunkt ZP, während gleichzeitig eine Beaufschlagung einer der Vorkammer 110
zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters 105c mit Schmutzpartikeln und sonstigen Verbrennungsprodukten (Ölaschen und dergleichen) aufgrund der einen verhältnismäßig geringen Öffnungsquerschnitt aufweisenden
Durchtrittsöffnung der Blendenmittel 115 verringert wird.
Anstelle der lokalen Erzeugung der Laserstrahlung 20 in der Laserzündkerze 100 kann der Laserzündkerze 100 auch Laserstrahlung für die Laserzündung zugeführt werden, die von einer extern der Laserzündkerze 100 angeordneten Laserquelle (nicht gezeigt) erzeugt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der mindestens eine Überstromkanal 120 so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids (z.B. zündfähiges Gemisch) aus dem Außenraum 200 (Hauptbrennraum des Gasmotors) durch den Überstromkanal 120 in den Innenraum 11 1 der
Vorkammer 110 eine Fluidströmung ergibt, deren Strömungsrichtung einen Winkel von maximal etwa 30° mit einer Längsachse der Vorkammer 1 10 einschließt, und die in einen Raumbereich der Vorkammer 1 10 gerichtet ist, der im Wesentlichen überwiegend, vorzugsweise vollständig, außerhalb eines zentralen Bereichs der Austrittsöffnung der Blendenmittel 115 liegt.
Dadurch ist vorteilhaft gewährleistet, dass einerseits optimale Zündbedingungen hinsichtlich der Fluidströmung in der Vorkammer 1 10 gegeben sind und dass andererseits eine direkte Beaufschlagung des Brennraumfensters 105c durch eine entsprechende Fluidströmung aus dem Innenraum 1 11 der Vorkammer 1 10 weitestgehend vermieden wird, um den Eintrag von Schmutzpartikeln und Verbrennungsprodukten auf das Fenster 105c zu vermindern. Figur 1 b zeigt eine Detailansicht der Vorkammer 110 gemäß Figur 1a in einem teilweisen Querschnitt. Der Blockpfeil F symbolisiert hierbei die sich aufgrund der erfindungsgemäßen Konfiguration der Überström kanäle 120 in der Vorkammer 110 bzw. ihrem Innenraum 11 1 einstellende Fluidströmung F, welche in an sich bekannter Weise aus einem zündfähigen Luft-/Kraftstoffgemisch und/oder zumindest teilweise aus Abgas besteht. Vorteilhaft weist die Fluidströmung F eine Strömungsrichtung derart auf, dass ein Wnkel α zwischen der
Strömungsrichtung und der im Wesentlichen der optischen Achse der
Laserzündkerze 100 entsprechenden Längsachse LA der Vorkammer 1 10 (bzw. der in Fig. 1 b durch eine gestrichelte Linie angedeuteten parallelen zu der Längsachse LA) einen bevorzugten Maximalwert von etwa 30° nicht übersteigt.
Dadurch ist vorteilhaft gewährleistet, dass die Ausbildung einer dominanten Tumble-Strömung in dem Innenraum 1 11 der Vorkammer 110 vermieden wird. Gleichzeitig ist die Fluidströmung F vorteilhaft so gerichtet, dass sie nicht in den Bereich der der Vorkammer 110 zugewandten Austrittsöffnung 115a der
Blendenmittel 115 für die Laserstrahlung 20 deutet, sondern vielmehr in einen radial weiter außen gelegenen Bereich 11 1a des Innenraums 1 11 der
Vorkammer 110. Dadurch wird vorteilhaft das Auftreten einer Staupunktströmung im Bereich des Brennraumfensters 105c vermieden, wie sie bei Laserzündkerzen mit Vorkammer erhalten würde, wenn die Fluidströmung F direkt durch die Austrittsöffnung 1 15a der Blendenmittel 115 auf das Brennraumfenster 105c zuströmen kann. Untersuchungen der Anmelderin zufolge kann die Beaufschlagung des
Brennraumfensters 105c mit unerwünschten Partikeln bereits dann signifikant verringert werden, wenn durch eine entsprechende Konfiguration der
Überströmkanäle 120 sichergestellt ist, dass die sich in der Vorkammer 1 10 ergebene Fluidströmung F zumindest nicht zentral, das heißt entlang der Längsachse LA der Vorkammer 1 10, auf die Austrittsöffnung 1 15a trifft.
Figur 1 c zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Vorkammer 110 gemäß Figur 1 b in einem teilweisen Querschnitt. Aus Figur 1 c ist eine dem Innenraum 11 1 der Vorkammer 110 zugewandte Stirnfläche 1 15b der Blendenmittel 115 ersichtlich. Die Blickrichtung der Figur 1c verläuft entlang der Längsachse LA (Figur 1 b) in Richtung des Brennraumfensters 105c.
Aus Figur 1c ist ersichtlich, dass die Fluidströmung F vorteilhaft nicht auf einen zentralen Bereich 115a' der Austrittsöffnung 115a der Blendenmittel 115 gerichtet ist, sondern vielmehr auf einen radial weiter außen gelegenen Bereich 11 1a, in dem sich erwartungsgemäß eine Staupunktströmung infolge der Beaufschlagung mit der Fluidströmung F einstellen wird. Eine derartige Staupunktströmung in dem Bereich 1 11 a kann jedoch offensichtlich nicht zu einer signifikanten
Verschmutzung des Brennraumfensters 105c führen, weil das Eindringen von entsprechenden Partikeln in den Zwischenraum zwischen dem Brennraumfenster 105c und den Blendenmitteln 1 15 (Figur 1 b) durch die Stirnfläche 115b der Blendenmittel 115 verhindert wird. Das bedeutet, bei der Konfiguration gemäß Figur 1 c ergeben sich allenfalls geringe Anteile einer Fluidströmung, welche sich überhaupt durch die Austrittsöffnung 115a hindurch in Richtung auf das
Brennraumfenster 105c hin ausbreiten können.
Figur 1 d zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Austrittsöffnung 115a der Blendenmittel 115 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser
Ausführungsform sind die Überströmkanäle 120 (Figur 1 b) der die Blendenmittel 1 15 enthaltenden Laserzündkerze so konfiguriert, dass die Fluidströmung F auf einen radial äußeren Randbereich der Austrittsöffnung 1 15a gerichtet ist. Bereits eine derartige Ausrichtung der Fluidströmung F hat Untersuchungen der
Anmelderin zu folge einen signifikanten Effekt betreffend die Verringerung der
Beaufschlagung des Brennraumfensters 105c (Figur 1 b) mit Schmutzpartikeln. Das heißt, die Tatsache, dass die Fluidströmung F gemäß Figur 1 d nicht in einen radial inneren, zentralen Bereich 115a' der Austrittsöffnung 1 15a gerichtet ist, sondern vielmehr in den radial äußeren Bereich, trägt bereits zu einer geringeren Verschmutzung des Brennraumfensters 105c und damit einer Erhöhung der Standzeit der Laserzündkerze 100 bei.
Figur 2 zeigt eine Vorkammer 1 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei der in Figur 2 abgebildeten Vorkammerkonfiguration sind beispielhaft zwei Überströmkanäle 120_1 , 120_2, welche beispielsweise als im Wesentlichen kreiszylindrische Überströmbohrungen ausgebildet sind, abgebildet. Andere als die beispielhaft genannte Kreiszylindergeometrie für die Überströmkanäle 120_1 , 120_2 sind ebenfalls denkbar. Erfindungsgemäß weist die Längsachse LA1 des ersten Überströmkanals 120_1 einen ersten Winkel γ1 zu der Längsachse LA der Vorkammer 110 auf, während die Längsachse LA2 des zweiten Überstromkanals 120_2 einen von dem ersten Winkel γ1
verschiedenen zweiten Winkel γ2 zu der Längsachse LA der Vorkammer 1 10 aufweist, das heißt γ1 γ2.
Daraus ergeben sich wie aus Figur 2 ebenfalls ersichtlich jeweilige Schnittpunkte der Längsachsen LA1 , LA2 mit der Längsachse LA der Vorkammer 1 10 in unterschiedlichen axialen Bereichen der Vorkammer 110. Die in Figur 2 abgebildete Konfiguration der Überströmkanäle 120_1 , 120_2 trägt
Untersuchungen der Anmelderin zufolge ebenfalls vorteilhaft dazu bei, eine erfindungsgemäße Fluidströmung (nicht gezeigt) zu begünstigen. Insbesondere wird durch die unsymmetrische Konfiguration bezüglich der Längsachsen LA1 , LA2 und ihrer Winkel γ1 , γ2 vermieden, dass sich direkt im Bereich der
Austrittsöffnung 1 15a eine Staupunktströmung mit resultierender
Strömungsrichtung auf das Brennraumfenster 105c zu ausbildet.
Vielmehr wird sich bei der in Figur 2 abgebildeten Konfiguration allenfalls in einem radial äußeren Bereich, keinesfalls jedoch in einem zentralen Bereich der Austrittsöffnung 115a, eine Staupunktströmung einstellen.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf einen brennraumzugewandten Endbereich einer Vorkammer 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Insgesamt weist die abgebildete Vorkammer 110 fünf Überströmkanäle 120_3, 120_4, 120_5, 120_6, 120_7 auf. Vorliegend sind die Überströmkanäle 120_3, 120_4 so ausgebildet, dass sie einen ersten Winkel γ1 (Figur 2) mit der
Längsachse LA der Vorkammer 1 10 einschließen. Demgegenüber sind die drei weiteren Überströmkanäle 120_5, 120_6, 120_7 so ausgebildet, dass sie jeweils einen zweiten Winkel γ2 (Figur 2) mit γ1 γ2 mit der Längsachse LA der Vorkammer 1 10 einschließen. Insgesamt ergibt sich daraus vorteilhaft wiederum eine im Wesentlichen unsymmetrische Konfiguration der Überströmkanäle 120_3, .., 120_7, welche die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Fluidströmung F (Figur 1a) begünstigt. Figur 4 zeigt eine Vorkammer 1 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Figur 2 weisen beide Überströmkanäle 120_1 , 120_2 jeweils denselben Wnkel γ1 = γ2 gegenüber der Längsachse LA der Vorkammer 110 auf. Allerdings ist der erste Überströmkanal 120_1 vorliegend so im Bereich der Wand der Vorkammer 1 10 angeordnet, dass ein Eintrittsort E01 , an dem er in den Innenraum 11 1 der Vorkammer 110 eintritt, in einem ersten Abstand L1 bezogen auf eine Referenzkoordinate 105c' gemessen entlang der Längsachse LA der Vorkammer 110 bzw. der
Laserzündkerze 100 angeordnet ist. Vorliegend ist die Referenzkoordinate 105c' durch eine der Vorkammer 110 bzw. dem Blendenmittel 1 15 zugewandte Oberfläche des Brennraumfensters 105c gebildet. Alternativ hierzu kann die
Referenzkoordinate jedoch auch durch andere Flächen bzw. virtuelle Flächen gebildet sein, welche sich bevorzugt im Wesentlichen etwa orthogonal zu der Längsachse LA der Vorkammer 110 bzw. der optischen Achse der
Laserzündkerze 100 erstrecken.
Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, ist der zweite Überström kanal 120_2 mit einem zweiten Abstand L2 zwischen seinem Eintrittsort E02 und der
Referenzkoordinate 105c' angeordnet, wobei gilt L2 > L1. Mit anderen Worten befindet sich der Eintrittsort E02 des zweiten Überströmkanals 120_2 in Figur 4 etwas weiter links, das heißt näher an dem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer 110, als der Eintrittsort E01 des ersten Überströmkanals 120_1.
Durch die vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 4 beschriebene Konfiguration der Überströmkanäle 120_1 , 120_2 wird wiederum die Ausbildung der erfindungsgemäßen Fluidströmung F (Figur 1 a) in dem Innenraum 1 11 der
Vorkammer 110 derart begünstigt, dass sich insbesondere keine Staupunktströmung in einem radial inneren Bereich, das heißt entlang der Längsachse LA, und im Bereich der Austrittsöffnung 1 15a der Blendenmittel 1 15 ergibt.
Figur 5 zeigt schematisch eine Detailansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorkammer 110 in einem teilweisen Querschnitt. Vorliegend sind wiederum zwei Überströmkanäle 120_1 , 120_2 vorhanden, welche sowohl hinsichtlich ihrer Winkel γ1 , γ2 bezüglich der Längsachse LA als auch hinsichtlich ihrer Abstände L1 , L2 zu der Referenzkoordinate 105c' unterschiedlich ausgebildet sind.
Dementsprechend ergibt sich wiederum eine Fluidströmung F, welche eine Strömungsrichtung aufweist, die mit der Längsachse LA einen Winkel von maximal etwa 30° einschließt, und welche insbesondere nicht auf einen zentralen Bereich der Austrittsöffnung 115a gerichtet ist, sondern vielmehr - wie aus Figur 5 ersichtlich - auf einen radial weiter außen gelegenen Bereich der Stirnfläche 1 15b der Blendenmittel 1 15, die den Innenraum 1 11 der Vorkammer 110 in Figur 5 nach rechts begrenzen.
Figur 6 zeigt schematisch in einem teilweisen Querschnitt eine weitere
Vorkammer 110 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorkammer 1 10 weist zwei radiale Überströmkanäle 120_1 , 120_2 auf, die entsprechend den vorstehenden Ausführungsbeispielen konfiguriert sein können. Alternativ können die beiden Überströmkanäle 120_1 , 120_2 jedoch auch radial und symmetrisch ausgeführt sein, das heißt insbesondere dieselben Winkel zwischen ihren Längsachsen und der Längsachse LA der Vorkammer 110 einschließen, sowie einen identischen Abstand von einem Referenzpunkt entlang der Längsachse LA der Vorkammer 110 bzw. der Laserzündkerze 100 aufweisen.
Zusätzlich zu den radialen Überström kanälen 120_1 , 120_2 weist die
Vorkammer 1 10 gemäß Figur 6 einen weiteren, vorliegend als Mittelloch 120_M ausgebildeten Überströmkanal auf, der in dem brennraumzugewandten
Wandbereich 110a der Vorkammer 110, das heißt in Figur 6 links, angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Mittelloch 120_M gegenüber der Längsachse LA der Vorkammer 110 desachsiert, das bedeutet, die Längsachse LAM des Mittellochs 120_M ist um einen Abstand L3 gegenüber der Längsachse LA der Vorkammer 110 radial versetzt, sodass sich wiederum eine unsymmetrische Fluidströmung F aus dem Außenraum in den Innenraum 11 1 der Vorkammer 110 hinein ergibt.
Wie bereits vorstehend beschrieben, kann die Erfindungsvariante gemäß Figur 6 mit dem desachsierten Mittelloch 120_M zusammen mit radialen, symmetrischen Überströmkanälen 120_1 , 120_2 verwendet werden. Insbesondere ist aber auch eine Kombination des Mittellochs 120_M mit den unsymmetrischen
Überströmkanälen gemäß Figur 2, 4 möglich.
Eine Verkippung der Längsachse LAM des Mittellochs 120_M gegenüber der Längsachse LA der Vorkammer 110 ist ebenso denkbar, z.B. in einem Winkel zwischen etwa 0° und etwa 30°, vorzugsweise etwa 10° und etwa 30°.
Figur 7 zeigt schematisch einen teilweisen Querschnitt der Blendenmittel 115, wie sie in dem Strahlengang der Laserzündkerze 100 gemäß Figur 1 a enthalten sind. We aus Figur 7 ersichtlich, weisen die Blendenmittel 1 15 eine im
Wesentlichen kegelförmige Durchtrittsöffnung 115c zur Einstrahlung der
Laserstrahlung 20 von dem Brennraumfenster 105c auf den Zündpunkt ZP in dem Innenraum 1 11 der Vorkammer 110 auf. Ein entsprechender
Öffnungswinkel δ der Durchtrittsöffnung 1 15b ist einer Erfindungsvariante zufolge bevorzugt so gewählt, dass er etwa gleich oder görßer dem Strahlwinkel ß der Laserstrahlung 20 ist.
Dadurch ergibt sich einerseits eine besonders effiziente, ungestörte Einstrahlung der Laserstrahlung 20 auf den Zündpunkt ZP in den Innenraum 1 11 der
Vorkammer, während gleichzeitig der Eintrag von störenden Partikeln aus dem Innenraum 1 11 der Vorkammer 110 in Richtung des Brennraumfensters 105c minimiert wird. Figur 8a zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Vorkammer 1 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Vorliegend sind zwei Überström kanäle 120_X, 120_Y so angeordnet, dass ihre Längsachsen LAX und LAY jeweils nicht die Längsachse LA der Vorkammer 1 10 schneiden. Das bedeutet, bei den Überströmkanälen 120_X, 120_Y handelt es sich nicht um„radiale
Überströmkanäle" im Sinne der vorstehenden Beschreibung. Darüberhinaus bilden die Längsachsen LAX, LAY der Überströmkanäle 120_X, 120_Y zusammen mit einer fiktiven Verbindungslinie XY zwischen den jeweiligen Eintrittsorten EOX, EOY der Überströmkanäle 120_X, 120_Y in die Vorkammer 1 10 ein fiktives Dreieck derart, dass die Längsachse LA der Vorkammer 110 das fiktive Dreieck in dem Schnittpunkt SLA schneidet. Dadurch ist vorteilhaft sichergestellt, dass sich aufgrund der Anordnung der Überström kanäle 120_X, 120_Y bei dem Einströmen von Fluid in die Vorkammer 110 ergebende
Teilströmungen mit tangentialen Komponenten im Wesentlichen gegenseitig kompensieren, sodass sich insbesondere keine dominante Swirl-Strömung in der Vorkammer 110 ausbreiten kann. Gleichzeitig sind die Überströmkanäle 120_X, 120_Y ferner so ausgebildet und angeordnet, dass die weiteren
erfindungsgemäßen Kriterien (Winkel α zwischen der Strömungsrichtung der resultierenden Fluidströmung F (Figur 1a), Vermeidung der Staupunktströmung im Bereich der Längsachse LA der Vorkammer 1 10) gegeben sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung der Überströmkanäle 120_X, 120_Y so erfolgen, dass sich mindestens eine Winkelhalbierende des fiktiven Dreiecks der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit der Längsachse LA bzw. optischen Achse der Vorkammer 110 schneidet.
Beispielsweise kann dies für die Wnkelhalbierende des von den Seiten LAX, LAY eingeschlossenen Wnkels des fiktiven Dreiecks gelten.
Figur 8b zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei
Überström kanäle 120_X, 120_Y im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, sodass sich die Längsachse LA der Vorkammer 110 zwischen den
Längsachsen LAX, LAY befindet. Auch bei dieser Konfiguration der
Überströmkanäle 120_X, 120_Y wird wirksam die Ausbildung einer dominanten Swirl-Strömung in der Vorkammer 110 vermieden.
Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft die Ausbildung einer Fluidströmung F (Figur 1 a) in dem Innenraum 1 11 der Vorkammer 1 10 derart, dass sich bei dem Einströmen des Fluids in die Vorkammer 1 10 keine
Hauptwirbel um die Längsachse LA der Vorkammer 1 10 bzw. der
Laserzündkerze 100, also keine Swirl-Strömung, bildet. Das auch als„Lightpath" bezeichnete Blendenmittel 115 ist bevorzugt als zylindrischer Grundkörper mit Hohlkegel ausgebildet, der sich von dem Brennraumfenster 105c ausgehend in Richtung der Vorkammer 1 10 (Figur 1 a), verjüngt und dessen Kegelgeometrie, insbesondere Kegelwinkel δ (Fig. 7), so gewählt ist, dass die Mantelfläche des Hohlkegels sehr nahe an dem Laserstrahl 20 verläuft, diesen jedoch nicht - im Sinne einer optischen Blende - beeinträchtigt. Besonders bevorzugt ist der Öffnungswinkel δ des Hohlkegels etwa übereinstimmend mit dem Strahlwinkel ß des Laserstrahls 20. Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sich der Öffnungswinkel δ des Hohlkegels um bis zu etwa 20° von dem Strahlwinkel ß der Laserstrahlung 20 unterscheidet. Das bedeutet, dass sich die Differenz δ - ß zwischen dem
Öffnungswinkel δ des Hohlkegels und dem Strahlwinkel ß der Laserstrahlung 20 in einem Wertebereich von etwa 0° bis etwa 20° bewegt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Lightpath-Element 1 15 eine axiale Länge (gemessen entlang der Längsachse LA der Vorkammer 1 10) von etwa 2mm bis etwa 10mm auf, insbesondere etwa 6mm.
Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht vorteilhaft die Ausbildung einer dominanten Fluidströmung F in dem Innenraum 1 11 der Vorkammer 1 10, welche desachsiert ist, das heißt es gibt keine direkte Einströmung, insbesondere Staupunktströmung, in den Hohlkegel 1 15b (Fig. 7) des Lightpath-Elements 115, wodurch sich eine stark reduzierte Staupunktströmung auf das Brennraumfenster 105c (Figur 1a) ergibt.
Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge können die
Überströmkanäle 120 auch so angeordnet sein, dass sich ein oder mehrere Schnittpunkte ihrer Längsachsen mit der Längsachse LA der Vorkammer 1 10 ergeben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Überströmkanäle so angeordnet sind, dass ein Schnittpunkt ihrer Längsachsen einen radialen Abstand von der Längsachse LA der Vorkammer 1 10 hat, der maximal etwa zwei Drittel eines minimalen Durchmessers der Durchtrittsöffnung 1 15c (Fig. 7) beträgt, vorzugsweise etwa 50% des minimalen Durchmessers der Durchtrittsöffnung 1 15c. Abstände von etwa ein Drittel des minimalen
Durchmessers der Durchtrittsöffnung 115c sind ebenfalls denkbar. Sofern sich die Längsachsen der Überströmkanäle nicht in einem Punkt schneiden, so kann anstelle des vorstehend genannten Schnittpunkts auch ein Punkt für die Bemessung des vorstehend genannten Maximalabstands gewählt werden, bei dem die Summe der Abstände (im geometrischen Sinne, also kürzeste Distanz) zwischen diesem Punkt und den mehreren Längsachsen in etwa minimal wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Mittelloch 120_M (Figur 6) so angeordnet und ausgerichtet sein, dass seine Längsachse LAM einen Winkel von etwa 10° bis etwa 30° mit der Längsachse LA der Vorkammer 1 10 einschließt.
Unterschiedliche Durchmesser bzw. Durchmesserverläufe für die
Überströmkanäle über ihre Länge sind ebenfalls denkbar.
Es ist ferner möglich, einen oder mehrere der Überström kanäle 120 als
Kegelbohrungen auszuführen, wobei die betreffenden Überströmkanäle eine minimale Querschnittsfläche in etwa in der Mitte der Vorkammerwand aufweisen.
Eine Kombination der vorstehend beschriebenen Erfindungsvarianten bzw.
Ausführungsformen ist ebenfalls denkbar.
Ferner ist es vorstellbar, die Geometrie der Vorkammer 110 unsymmetrisch auszubilden oder weitere, eine Fluidströmung F beeinflussende Mittel wie beispielsweise Strömungsklappen oder dergleichen in der Vorkammer 110 anzuordnen.
Die Vorsehung eines Blendenmittels 115 mit einem desachsierten Lightpath oder mit mehreren Lightpaths, also Durchtrittsöffnungen 1 15c (Fig. 7), ist ebenfalls denkbar.
Das erfindungsgemäße Prinzip der Anordnung und Ausbildung der
Überströmkanäle 120 zur Ausbildung der spezifischen Fluidströmung F (Fig. 1 b) ist auch auf Hochspannungszündkerzen anwendbar.

Claims

Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen Großgasmotor, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, mit Mitteln (105) zur Einstrahlung von Laserstrahlung (20) auf mindestens einen in der Vorkammer (1 10) angeordneten Zündpunkt (ZP), mit mindestens einem eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum (1 11) der Vorkammer (1 10) und einem die Vorkammer (110) umgebenden Außenraum (200) ermöglichenden
Überströmkanal (120), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mitteln (105) zur Einstrahlung von Laserstrahlung (20) und der Vorkammer (110) Blendenmittel (115) angeordnet sind, die mindestens eine der Vorkammer (1 10) zugewandte Austrittsöffnung (1 15a) für die Laserstrahlung (20) in die Vorkammer (1 10) aufweisen, und dass der mindestens eine Überströmkanal (120) so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich beim Einströmen eines Fluids durch den Überströmkanal (120) in den Innenraum (1 11) der
Vorkammer (1 10) eine Fluidströmung (F) ergibt, deren Strömungsrichtung einen Winkel (a) von maximal etwa 30° mit einer Längsachse (LA) der Vorkammer (110) einschließt, und die in einen Raumbereich (1 1 1a) der Vorkammer (1 10) gerichtet ist, der im wesentlichen überwiegend, vorzugsweise vollständig, außerhalb eines zentralen Bereichs (1 15a') der Austrittsöffnung (1 15a) der Blendenmittel (1 15) liegt.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , wobei mindestens zwei
Überströmkanäle (120_1 , 120_2) vorgesehen sind, und wobei die
Überströmkanäle (120_1 , 120_2) so angeordnet sind, dass eine Längsachse (LA1) des ersten Überströmkanals (120_1) einen ersten Winkel (γ^ mit der Längsachse (LA) der Vorkammer (1 10) einschließt, und dass eine
Längsachse (LA2) des zweiten Überström kanals (120_2) einen zweiten Winkel (γ2) mit der Längsachse (LA) der Vorkammer (1 10) einschließt, wobei der zweite Wnkel (γ2) verschieden ist von dem ersten Wnkel (γ^. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Überström kanäle (120_1 , 120_2) vorgesehen sind, und wobei die Überström kanäle (120_1 , 120_2) so angeordnet sind, dass ein Eintrittsort (E01) des ersten Überströmkanals (120_1) in die Vorkammer (1 10) einen ersten Abstand (L1) zu einem axialen Referenzpunkt (105c') aufweist, und dass ein Eintrittsort (E02) des zweiten Überströmkanals (120_2) in die Vorkammer (110) einen zweiten Abstand (L2) zu dem axialen Referenzpunkt (105c') aufweist, wobei der zweite Abstand (L2) von dem ersten Abstand (L1) verschieden ist.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Überström kanal als Mittelloch (120_M) ausgebildet und in einem brennraumseitigen Endbereich (1 10a) der Vorkammer (1 10) angeordnet ist, wobei eine Längsachse (LAM) des Mittellochs (120_M) nicht mit der Längsachse (LA) der Vorkammer (1 10) zusammenfällt, sondern vorzugsweise parallel zu dieser angeordnet ist.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Überström kanäle (120_1 , 120_2) so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen (LA1 , LA2) jeweils die Längsachse (LA) der Vorkammer (1 10) schneiden.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Überströmkanäle (120_X, 120_Y) so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen (LAX, LAY) jeweils nicht die Längsachse (LA) der Vorkammer (1 10) schneiden, wobei vorzugsweise ein fiktives Dreieck, das die beiden Längsachsen (LAX, LAY) und eine fiktive Verbindungslinie (XY) zwischen den jeweiligen Eintrittsorten (EOX, EOY) der Überströmkanäle (120_X, 120_Y) in die Vorkammer (1 10) als Grundseiten aufweist, einen Schnittpunkt (SLA) mit der Längsachse (LA) der Vorkammer (1 10) aufweist.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Überströmkanäle (120_X, 120_Y) in etwa parallel zueinander und ferner so angeordnet sind, dass die Längsachse (LA) der Vorkammer (110) zwischen den jeweiligen Längsachsen (LAX, LAY) der Überströmkanäle (120_X, 120_Y) liegt.
8. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Winkelabstand von in Umfangsrichtung der Vorkammer (1 10) jeweils zueinander benachbarter Überströmkanäle nicht konstant ist.
9. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Überströmkanal (120) eine dem Außenraum (200) zugwandte erste Querschnittsfläche aufweist, die hinsichtlich Form und/oder Flächeninhalt unterschiedlich ist von einer dem Innenraum (1 11) der Vorkammer (1 10) zugewandten zweiten Querschnittsfläche.
10. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Durchtrittskanal (115b) der Blendenmittel (1 15) für die Laserstrahlung (20) in etwa Kegelstumpfform aufweist, und wobei ein Öffnungswinkel (δ) des Durchtrittskanals (115b) größer oder etwa gleich einem Strahlwinkel (ß) der Laserstrahlung (20) ist.
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