Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der WO 02/081904 ist bereits eine Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der an einem Zylinder einer Brennkraftmaschine ein Zündlaser angeordnet ist. Der Zündlaser wird von zwei Lichtquellen optisch gepumpt. Eine dieser Lichtquellen ist mit dem Zündlaser über eine Glasfaser verbunden, während die andere Lichtquelle unmittelbar an dem Zündlaser angebracht ist. Nur wenn beide Pumplichtquellen aktiv sind, wird durch den Zündlaser ein Lichtimpuls in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nur eine Pumplichtquelle zum Pumpen und Aktivieren des Zündlasers vorgesehen ist. Die so aufgebaute Vorrichtung zum Zünden der Brennkraftmaschine ist daher besonders einfach aufgebaut, da auch keine weitere elektrische Zuleitung zu den Zündlasern benötigt wird.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine angewendet, bei der dann mehrere Zündlaser vorgesehen sind, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sind. Es wird für diesen Fall nur eine zentrale Einheit für den Pumplaser vorgesehen. Der Pumplaser kann besonders

einfach eine Mehrzahl von Halbleiterelementen aufweisen, die jeweils zum Pumpen eines der Zündlaser vorgesehen ist. Alternativ ist es auch möglich, das Licht eines einzigen Halbleiterlaserelementes durch einen optischen Verteiler mehreren unterschiedlichen Zündlasern zuzuordnen. Die Lichtleiterstruktur wird besonders einfach als Glasfaser ausgebildet. Der Zündlaser ist besonders einfach aufgebaut, wenn er einen passiven Q- switch aufweist. Eine sichere Zündung wird gewährleistet, wenn der Zündlaser eine Fokussieroptik und ein entsprechendes Brennraumfenster aufweist.

Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Gesamteinsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine und Figur 2 und 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pumplasers.

Beschreibung In der Figur 1 wird schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine dargestellt. Die Brennkraftmaschine wird hier schematisch durch einen Zylinder 1 angedeutet, in dem ein beweglicher Kolben 2 angeordnet ist. Der von dem Zylinder 1 und Kolben 2 umschlossene Raum bildet einen Brennraum 3, in den ein brennfähiges Luft-Benzin-Gemisch durch hier nicht dargestellte Ventile eingebracht wird. Durch Zünden dieses Luft-Benzin-Gemisches wird der Druck im Brennraum 3 erhöht, was zu einer Bewegung des Kolbens 2 in den Zylinder 1 führt. Diese Bewegung des Kolbens 2 wird über ein Pleul in eine entsprechende Drehbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt. Es handelt sich hier somit um einen üblichen Benzin-Otto-Motor.

In der Regel erfolgt heute die Zündung des Benzin-Luft-Gemisches in dem Brennraum durch einen Zündfunken an einer Zündkerze, d. h. zwischen zwei Elektroden wird ein elektrischer Funkenüberschlag im Brennraum erzeugt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine weist hier keine Zündkerze, sondern einen Zündlaser 4 auf. Von dem Zündlaser 4 wird ein

fokussierter Laserstrahl 5 im Brennraum 3 erzeugt, dessen Hitze zumindest im Fokuspunkt so groß ist, dass das brennfähige Gemisch im Brennraum 3 entflammt wird.

Der Zündlaser 4 weist ein stabförmiges Laserelement 6 auf. Zur Anregung des Laserlichts in dem stabförmigen Laserelement 6 wird über einen Lichtleiter 7 Energie in der Form von Pumplicht zugeführt. Zwischen dem Ende des Lichtleiters 7 und dem stabförmigen Laserelement 6 sind zunächst eine Einkoppeloptik 8 und ein Einkoppelspiegel 9 angeordnet. Durch die Einkoppeloptik 8 wird sichergestellt, dass das Pumplicht des Lichtleiters 7 aus dem Lichtleiter 7 heraus in das stabförnige Laserelement 6 durch den Spiegel 9 hindurch eingebracht wird. Der Einkoppelspiegel 9 ist so ausgebildet, dass er Durchlässigkeit für die Wellenlänge des Pumplichtes, aber eine volle Reflektion für die Wellenlänge des in dem stabförmigen Laserelement 6 erzeugten Zündlaserlichtes aufweist. Auf der dem Brennraum 3 zugewandten Seite des stabförmigen Laserelements 6 ist zunächst ein sogenannter Q-switch 10, ein Auskoppelspiegel 11, eine Fokussieroptik 12 und danach ein Brennraumfenster 13 angeordnet. Bei dem Q-switch 10 handelt es sich um ein nicht lineares optisches Material, welches bis zu einer bestimmten Schwelle der Emissionen des stabförmigen Laserelements möglichst undurchsichtig ist und jenseits dieser Intensitätsschwelle möglichst durchsichtig ist. Ein solch starkes nicht lineares Verhalten weist zum Beispiel ein mit Chrom dotiertes YAG-oder LiF-Kristall auf. Der nach dem Q-switch 10 folgende Auskoppelspiegel 11 weist möglichst eine vollständige Reflektivität für die Wellenlänge des Pumplichts, das durch den Lichtleiter 7 eingebracht wird, auf. Für die Wellenlänge des Lichtes des stabförmigen Laserelements 6 weist der Auskoppelspiegel 11 eine gewisse Reflektivität auf. Dem Auskoppelspiegel 11 nachgeordnet ist die Fokussieroptik 12 und ein Brennraumfenster 13 aus Quarzglas oder Saphir. Das Brennraumfenster (13) kann einige Millimeter in den Brennraum hineinragen, bündig mit der Wand des Brennraums abschließen oder aber einen gewissen Rücksprung gegenüber der Wand des Brennraums aufweisen. Je weiter das Brennraumfenster (13) in den Brennraum hineinragt um so stärker wird die Oberfläche des Brennraumfensters (13) erwärmt. Die Temperatur kann dabei so eingestellt werden dass evtl. auf der Oberfläche anhaftende Rußpartikel wieder abgebrannt werden können. Die Position des Brennraumfenster wird so gewählt, dass eine gute Selbstreinigung bei noch vertretbarer thermischer Belastung und nur geringen Störungen der Strömungsverhältnisse im Brennraum erreicht werden.

Wenn durch den Lichtleiter 7 Licht mit einer ersten Wellenlänge in das stabförmige Element 6 eingebracht wird, so wird in dem laseraktiven Material des stabförmigen

Laserelements 6 Laserlicht einer zweiten Wellenlänge erzeugt. Das stabförmige Laserelement 6 besteht beispielsweise aus laseraktivem Material wie mit Neodym oder Ytterbium dotierten Einkristallen oder Gläsern. Nach dem Einschalten des Pumplichts erfolgt mit einer gewissen Zeitverzögerung ein starker Laserimpuls, der durch die Optik 12 in einem Fokuspunkt im Brennraum 3 fokussiert wird. In diesem Fokuspunkt erreicht die Energiedichte des Laserlichtes und somit auch die Temperatur eine solche Höhe, dass das im Brennraum 3 vorhandene Benzin-Luft-Gemisch entzündet wird. Durch das Pumplicht wird in das laseraktive Material des stabförmigen Laserelements 6 eine Energiemenge bereitgestellt, die sich dann in einem starken, sehr energiereichen Laserimpuls entlädt. Da das Pumplicht über eine gewisse Zeit zugeführt wird in der Größenordnung zwischen 200, us bis zu 2ms, muss der Lichtleiter 7 nicht so aufgebaut sein, dass durch ihn hindurch sehr große Energiemengen pro Zeiteinheit transportiert werden können. Es ist ausreichend, wenn eine Leistung von 100W über den Lichtleiter übertragen werden kann, was mit flexiblen Lichtleiterstrukturen wie beispielsweise Glasfasern möglich ist. Das über den Lichtleiter 7 zugeführte Pumplicht wird von einer Pumplichtquelle 14 erzeugt. Die Pumplichtquelle 14 weist weitere Ausgänge für mehrere Lichtleiter 17 auf, die entsprechend den anderen Zylindern einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine zugeordnet sind. Der genaue innere Aufbau der Pumplichtquelle wird in den nachfolgenden Figuren beschrieben.

Der Vorteil der Vorrichtung zum Zünden eines brennfähigen Gemischs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, wie sie in der Figur 1 dargestellt wird, ist besonders für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug geeignet. An den Zylindern 1 der Brennkraftmaschine müssen nur unmittelbar die Zündlaser angeordnet sein. Diese können relativ einfach aufgebaut sein und müssen in ihrer Anmessungen, insbesondere in ihrem Durchmesser, die Abmessungen üblicher Zündkerzen in der Größenordnung von ca.

14 mm nicht überschreiten sondern können diese sogar deutlich unterschreiten. Die Lichtleiter 7,17 zur Zufuhrung des Pumplichts können flexibel ausgebildet werden, so dass die vom Motor erzeugten Vibrationen nicht zu einer Zerstörung der Lichtleiter 7 bzw. zur Übertragung der Vibrationen auf die Pumplichtquelle 14 fuhren. Die von dem Motor weggebaute Pumplichtquelle 14 erfährt daher nur sehr geringe Schüttelbeanspruchungen und ist auch thermisch gut von dem heißen Motor entkoppelbar. Es wird daher die mechanische und Temperaturbelastung der Pumplichtquelle 14 deutlich entschärft. Weiterhin erfordert der hier gezeigte Aufbau keinen elektrischen Anschluss des Zündlasers 14.

Alternativ kann aber auch daran gedacht werden, den passiven Q-switch 10 durch andere Elemente zu ersetzen, die aktiv durch ein elektrisches Signal angesteuert werden müssen wie beispielsweise Pockelzellen, Kerrzellen oder akustooptische Modulatoren. In diesem Fall wäre aber jedoch wieder eine Zuführung von elektrischen Signalen zum Zündlaser 4 vorzusehen.

In der Figur 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Pumplichtquelle 14 dargestellt.

Die Pumplichtquelle 14 der Figur 2 weist eine Vielzahl von Halbleiterlaserelementen 21 auf, die jeweils mittels einer Einkoppeloptik 22 mit Lichtleitern 7,17 verbunden sind. Die Anzahl an Halbleiterlaserelementen 21 entspricht dabei der Anzahl der Lichtleiter 7,17, d. h. für jeden dieser Lichtleiter ist ein Halbleiterlaserelement 21 vorgesehen. Die Halbleiterlaserelemente 21 sind durch entsprechende elektrische Leitungen 23 mit einer Pulsstromversorgung 24 verbunden Die Pulsstromversorgung 24 ist über eine Zuleitung 25 mit der Batterie des Kraftfahrzeuges verbunden. Weiterhin weist die Pulsstromversorgung 24 noch Eingänge für Ansteuerleitungen 26 auf, die an ein hier nicht gezeigtes Motorsteuergerät angeschlossen sind. Immer dann, wenn auf einer der Ansteuerleitungen 26 ein entsprechendes Signal erzeugt wird, wird von der Pulsstromversorgung 24 über die Ansteuerleitungen 23 das entsprechende Halbleiterlaserelement 21 mit einem Betriebsstrom beaufschlagt. Dadurch wird das Halbleiterlaserelement aktiviert und sendet entsprechendes Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge aus. Dieses Laserlicht wird über die optische Einkopplung 22 in den jeweils angesteuerten Lichtleiter 7,17 eingespeist. Es kann so durch entsprechende Ansteuersignale an den Leitungen 26 ein Laserimpuls an einem Zündlaser 4, der einem bestimmten Zylinder 1 der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet ist, ausgelöst werden. Durch die entsprechenden elektrischen Ansteuerimpulse an den Ansteuerleitungen 26 werden so selektiv in den einzelnen Zylindern 1 der Brennkraftmaschine Laserimpulse eingebracht, was zu einer Entzündung des in den jeweiligen Zylindern angeordneten Benzin-Luft- Gemisches führt.

Eine weitere Ausgestaltung der Pumplichtquelle 14 wird in der Figur 3 gezeigt. In der Figur 3 werden vier Lichtleiter 7,17 gezeigt, die über jeweils eine Einkoppeloptik 22 an einen optischen Verteiler 31 optisch angekoppelt sind. Der optische Verteiler 31 verteilt das Licht eines Lichtleiters 32 wahlweise auf eine der vier angeschlossenen Wellenleiter 7,17. Der optische Verteiler 31 wird von einem hier nicht dargestellten

Motorsteuerungsgerät über eine Ansteuerleitung 35 geschaltet. Der Lichtleiter 32 ist über eine Einkoppeloptik 22 optisch an ein Halbleiterlaserelement 33 angeschlossen. Das Halbleiterlaserelement 33 wird von einer elektrischen Pulsstromversorgung mit einem elektrischen Strom versorgt. Aus VereinfachungsgründerL wurden hier entsprechende Ansteuerleitungen für die einzelnen Elemente nicht dargestellt. Wenn in einem der Zylinder der Brennkraftmaschine ein Laserimpuls eingebracht werden soll, so wird durch ein Steuergerät die Pulsstromversorgung 34 aktiviert und somit das Halbleiterlaserelement 33 zum Aussenden von Laserlicht veranlasst. Dieses Laserlicht wird durch die optische Ankopplung 32 und den Lichtleiter 32 dem optischen Verteiler 31 zugeführt. Der optische Verteiler 31 weist beispielsweise verstellbare Spiegel auf, die piezoelektrisch oder mittels eines Stellmotors angesteuert werden. Das von dem Lichtleiter 32 in den optischen Verteiler 31 eingebrachte Licht wird dann von dem optischen Verteiler 31 auf eine der angekoppelten Lichtleiter 7,17 verteilt. Es wird so ein Laserimpuls in einem Zylinder der Brennkraftmaschine erzeugt.

Die Pumplichtquelle nach der Figur 2 weist eine mehrfache Pulsstromversorgung und mehrere Halbleiterlaserelemente auf. Im Unterschied dazu weist die Vorrichtung nach der Figur 3 nur eine Pulsstromversorgung, ein Halbleiterlaserelement, dafür aber einen optischen Verteiler auf. Welche dieser beiden Vorrichtungen jeweils zweckmäßiger bzw. günstiger ist, orientiert sich daher an den relativen Kosten für die einzelnen Bauelemente.