Titel

Zündeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.

Stand der Technik

Das Betreiben von Brennkraftmaschinen wird derzeit weitgehend durch eine Hochspannungszündung über eine meist zentral angeordnete Zündkerze zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches realisiert. Dabei wird zunehmend das sogenannte Downsizing kombiniert mit einer Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt, um eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen. Dabei wird für die Verbrennung ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda = 1 ) angestrebt, weil dabei z.B. die bereits etablierte Drei-Wege-Katalysator-Technik zur Abgasreinigung vorteilhaft genutzt werden kann. Die durch das Downsizing erreichte Verbrauchsreduzierung ist aber auch Folge einer sog. Entdrosselung, also einer Reduzierung der Strömungswiderstände in den Ansaugkanälen der Brennkraftmaschine. Diese Entdrosselung in den Ansaugkanälen kann auch dadurch verbessert werden, dass das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Abgas„verdünnt" wird. Dieser Vorgang wird als Abgasrückführung (AGR) bezeichnet. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden. Die

Abgasrückführung hat den positiven Nebeneffekt, dass die Verbrennungstemperatur und somit die Stickoxid- Rohemission absinkt, was eine Reduktion der Katalysatorgrößen bewirken kann.

Das Konzept der Entdrosselung und Abgasrückführung weist jedoch auch Nachteile auf. Da hohe Abgasrückführraten eine Verdünnung des

stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs bedeuten, werden dadurch sowohl die Flammkernbildung als auch ein ausreichend schnelles Durchbrennen des Luft- Kraftstoff-Gemischs schwierig. Zur sicheren Flammkernbildung müssen daher z.B. Zündanlagen mit gesteigerter Energie und Zündspannung verwendet werden. Das ausreichend schnelle Durchbrennen kann bspw. durch

Strömungserhöhung (z. B. durch Zuschalten von Drall- und/oder

Tumbleströmungserzeugern) realisiert werden.

Ein weiterer Schwachpunkt der Downsizing- Konzepte besteht im hohen

Zündspannungsbedarf der künftig zunehmend höher aufgeladenen Motoren. Die

Zündspannung korreliert mit der Dichte zum Zündzeitpunkt. Eine Steigerung des Zündspannungsangebots bedeutet reduzierte Zuverlässigkeit bei erhöhter Baugröße und erhöhtem Gewicht. Zudem wird bei hohen Zündspannungen ein Großteil der in der Zündspule gespeicherten Energie benötigt, um bis zum Funkendurchbruch die sekundärseitigen Kapazitäten aufzuladen.

Diese Energie korreliert mit der Zündspannung im Quadrat und lässt sich nicht zur Flammkernbildung nutzen, weil sie in Entstör- und Abbrandwiderständen umgesetzt wird. Jedoch erzeugt der daraus folgende gesteigerte Strom eine ungewollte drastische Erhöhung eines Elektrodenabbrands, der zudem noch in der sogenannten Nachentladungsphase des Funkens durch Bogenphasen mit Aufschmelzen der Funkenfußpunkte weiter erhöht wird. Zudem besteht bei den hohen Zündspannungen die Gefahr von Gleitentladungen von der Mittelelektrode über den Keramikisolator zum Kerzengehäuse mit einer großen

Wahrscheinlichkeit von Funkeneingrabungen in die Keramik mit der Folge von

Fehlzündungen. Um die bekannten Nachteile der Zündung durch Zündkerzen zumindest teilweise zu umgehen, sind Laserzündeinrichtungen entwickelt worden, die eine flexiblere und zuverlässigere Anwendung zulassen.

Aus der DE 10 2006 018 973 A1 ist eine Laserzündeinrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Brennraum in einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Laserzündeinrichtung in den Brennraum der

Brennkraftmaschine hineinragt. Die Laserzündeinrichtung umfasst einen

Zündlaser, der über einen Lichtleiter von einer Pumplichtquelle optisch versorgt wird. Außerdem weist die Laserzündeinrichtung eine im Wesentlichen zylindrische Vorkammer auf, welche mehrere Überströmkanäle als Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist. Durch die Überströmkanäle kann ein erzeugter Flammkern aus der Vorkammer austreten und anschließend in Form von Fackeln in den Brennraum eintreten, die das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum zünden.

Offenbarung der Erfindung

Um die Vorteile der zuvor beschriebenen Konzepte in Verbindung mit der Laserzündeinrichtung vorteilhaft nutzen zu können, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem eingangs genannten Stand der Technik darin, dass eine Einblasvorrichtung in der Laserzündeinrichtung vorgesehen ist, wobei eine Austrittsöffnung der Einblasvorrichtung in der Vorkammer mündet. Die Laserzündkerze und die Einblasvorrichtung sind dabei vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Einblasvorrichtung ist als steuerbares Wegeventil ausgebildet und bläst in einem geöffneten Zustand dosiert Abgas in die Vorkammer. Dadurch kann das Volumen der Vorkammer relativ zu den bekannten Laserzündeinrichtungen verringert werden und kann bevorzugt zwischen 0,5 cm ³ und 2 cm ³ betragen. Dies führt zu einem

verringerten Bauraumbedarf sowie reduzierten Herstellungskosten.

Der Erfindung liegt des Weiteren die Idee zu Grunde, ein stöchiometrisches Vorkammergemisch mit Restgas und eingeblasenem Abgas zu bilden und es anschließend mittels der Laserzündeinrichtung zu entflammen und zu verbrennen. Dadurch entsteht ein Uberdruck in der Vorkammer relativ zum Brennraum, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch des Brennraums durch die aus den Öffnungen der Vorkammer austretende Fackeln sicher und schnell entflammt wird.

Die Auslegung der Vorkammerzündung erfolgt immer mit der Zielsetzung, dass die Fackeln die Zylinderwand der Brennkraftmaschine gerade nicht erreichen. Dadurch stellen sich einerseits kurze Flammwege bei der Verbrennung im Brennraum ein und andererseits werden die Turbulenz und damit die

Brenngeschwindigkeit erhöht. Beides reduziert bei hoher Abgasrückführrate die Dauer der Verbrennung (Ladungsumsatz) und bewirkt so vorteilhafterweise eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads.

Die Vorkammer kann infolge der chemisch getriebenen Verstärkung der Zündung in Form von Fackeln im Brennraum auch extrem magere Gemische schnell genug durchbrennen und ist in dieser Eigenschaft jedem herkömmlichen Zündsystem mit Zündkerzen weit überlegen. Dies führt zu einer wesentlichen Kraftstoffersparnis, aber auch zu einer Reduzierung Stickoxid-Rohemissionen.

Im Gegensatz zu konventionellen Hochspannungszündungen zeichnet sich die Erfindung durch eine besondere Hochspannungsfestigkeit und eine Reduktion des benötigten Bauraums aus. Ein wesentlicher Vorteil der Laserzündung liegt auch darin, dass die Zündung dicht vor den Öffnungen eines restgasarmen Entflammungsorts, der Vorkammer, stattfindet und eine sichere Entflammung gewährleistet. Zudem kann ein sehr mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch sicher entzündet werden.

Außerdem ist vorteilhaft, dass die mindestens eine Öffnung radial und/oder tangential in einer Wandung der Vorkammer und/oder mittig in einer zum

Brennraum zeigenden Bodenplatte der Vorkammer angeordnet ist. Die

Öffnungen stellen im Betrieb die Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Brennraum dar und wirken als Überströmbohrungen für das in der Vorkammer entflammte Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in Form von Fackeln in den Brennraum eindringt. Dabei beeinflussen die geometrischen Eigenschaften der Öffnungen, wie die Anzahl, die Lage, die Ausrichtung und der Querschnitt der Öffnung die Form (Fackellänge und Fackelbreite) und die Flammrichtung der Fackel. Die Anzahl der Öffnungen liegt bevorzugt zwischen drei und sieben Öffnungen, wobei die Anzahl der Öffnungen sowie ihre Ausrichtung und die geometrischen Eigenschaften der Geometrie des Brennraums anzupassen sind.

Um einen möglichst flexiblen Einsatz der Erfindung zu erlangen, ist besonders vorteilhaft, dass in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine eine über die Einblasvorrichtung in die Vorkammer eingeblasene Abgasmenge gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt dabei bevorzugt über ein Kennfeld. Das dazu notwenige Verfahren wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine gesteuert bzw. geregelt. Durch das Verfahren und den zuvor genannten geometrischen Voraussetzungen ist es möglich, die zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum nötigen Fackeln den aktuellen

Gegebenheiten beim Betrieb der Brennkraftmaschine optimal anzupassen.

Das Verfahren ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass im Betrieb nach einem Unterschreiten eines Schwellwertes einer Abgasrückführrate im Brennraum Abgas in die Vorkammer eingeblasen wird. Die Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer wird je nach dem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch das Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld stellt im Wesentlichen den

Zusammenhang zwischen der Abgasrückführrate im Brennraum zur

Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer her. Zusätzliche Betriebsparameter, die die Einblasmenge beeinflussen, können dabei bei Bedarf berücksichtigt werden. Als Einblaszeitpunkt wird bevorzugt der Beginn einer

Kompressionsphase der Brennkraftmaschine gewählt. Durch das Verfahren wird die Vorkammer über die Einblasvorrichtung definiert gespült, so dass nach der Zündung der Druckanstieg in der Vorkammer infolge des dann dort langsameren Energieumsatzes reduziert und somit die Fackelreichweite im Brennraum angepasst wird. Damit wird verhindert, dass die Fackelreichweite im Brennraum der Brennkraftmaschine ohne Abgasspülung der Vorkammer der aus der Vorkammer austretenden Fackeln zu weitreichend wäre und somit den

Gesamtumsatz zu stark beschleunigen würde. Nach einem Überschreiten des Schwellwertes der Abgasrückführrate im

Brennraum wird kein Abgas in die Vorkammer eingeblasen, da in diesem Fall ohne Abgasspülung die optimale Fackelreichweite erzielt werden kann. Die Erfindung ermöglicht einen weitreichenden Einsatz in Kraftfahrzeugen, da die

Länge der Fackeln in Abhängigkeit von einer Last erfindungsgemäß steuerbar ist. Dies führte dazu, dass erfindungsgemäße Laserzündungen mit Vorkammern in nahezu allen PKW-Anwendungen einsetzbar sind.

Jedoch auch in anderen Anwendungen, zum Beispiel in stationären Gasmotoren oder Großgasmotoren, die insbesondere der Erzeugung von elektrischem Strom dienen, oder in derartigen Motoren, die dem Antrieb einer beliebigen Maschine oder eines beliebigen Fahrzeugs, insbesondere eines Schiffes dienen, ist der Einsatz der Erfindung möglich.

Insbesondere in Beschleunigungsphasen oder in Phasen, in denen ein Übergang zwischen verschiedenen Lastpunkten erfolgt, und/oder beim Starten eines Motors, insbesondere einer Stationärmaschine oder eines Schiffes, ist vorgesehen, eine Einblasung vorzusehen, die sich von einer Einblasung, die in einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen vorgesehen ist, zumindest hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und/oder ihrer

Einblasungsmenge unterscheidet.

Zusätzlich zur Anpassung der Einblasung oder alternativ zu dieser ist es auch möglich, in den genannten Phasen die Anzahl der Laserimpulse pro Motorzyklus abweichend von einer Anzahl der Laserimpulse pro Motorzyklus, die einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen vorgesehen ist, vorzusehen.

Insbesondere können in den genannten Phasen mehr Laserimpulse pro

Motorzyklus als in einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen vorgesehen sein. Auch möglich ist die Vorsehung mehrerer Laserimpulse pro

Motorzyklus pro Brennraum in den genannten Phasen, wobei in einem oder allen stationären Lastzustand/ Lastzuständen nur ein Laserimpulse pro Motorzyklus pro Brennraum vorgesehen ist. Die spezifischen Anpassungen der Einblasungen und der Laserimpulse erfolgen derart, dass eine aus der Vorkammer austretende Fackellänge an die Länge des Brennraums angepasst, insbesondere angeglichen wird. Zusätzlich oder alternativ ist die Optimierung einer Emission, insbesondere NOx-Emission und/oder Partikelemission, möglich. Auch die Optimierung der Zündsicherheit, insbesondere bei Verbrennung eines fetten oder im Vergleich zu einem oder allen stationären Lastzustand/Lastzuständen angefetteten Kraftstoff-Luftgemisch, ist in den genannten Phasen erfindungsgemäß möglich. Andererseits ist, insbesondere bei Stationärmotoren, eine Anfettung des Kraftstoff-Luftgemischs auch durch eine entsprechende Einblasung, insbesondere in den genannten

Phasen, erreichbar.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in

schematischer Form: Figur 1 a eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung;

Figur 1 b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 a;

Figur 2 eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung in einem Vertikalschnitt; und

Figur 3 ein Flussdiagramm des Verfahrens. Die Figuren 1 a und 1 b zeigen das bekannte Umfeld der Erfindung. Eine

Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 a nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem

Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20

angeschlossen ist. Alternativ kann ein Luft-Kraftstoff-Gemisch auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel in einem Saugrohr (nicht dargestellt), gebildet werden.

Das im Brennraum 14 vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Laserzündkerze 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Die Zündung im Brennraum 14 kann auch in einer dem Brennraum vorgelagerten Vorkammer (in Figur 1 nicht dargestellt) vorbereitet werden. Die Laserzündkerze 26 wird über eine

Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer

Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem

Steuergerät 32, das als Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgebildet ist, gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuern kann.

Wie aus Figur 1 b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere

Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Laserzündkerzen 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die

Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Pumplaserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein mehrerer einzelner Pumplaserlichtquellen 34 wird das Pumplicht gleichsam„ruhend" an die verschiedenen Laserzündkerzen 26 verteilt, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Laserzündkerzen 26 erforderlich sind.

Die Laserzündkerze 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter

Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (oder in einer nicht

dargestellten Vorkammer) befindlichen Zündort ZP fokussiert ist. Die in einem

Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein

Austrittsfenster 58 für die Laserimpulse 24 von dem Brennraum 14 (bzw.,

Vorkammer) getrennt.

Figur 2 zeigt eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen

Laserzündeinrichtung 27 in einem Vertikalschnitt. Die dargestellte

Laserzündeinrichtung 27 umfasst die Laserzündkerze 26 mit dem Austrittsfenster 58 für die Laserimpulse 24. Außerdem umfasst die Laserzündeinrichtung 27 eine separat angeordnete Einblasvorrichtung 60 für Abgas, die als ein vom Steuergerät 32 steuerbares Wegeventil ausgebildet ist. Eine Austrittsöffnung 62 ist in Längsrichtung an einem freien Ende der Einblasvorrichtung 60 angeordnet. Die Einblasvorrichtung 60 weist ein separates Gehäuse 64 auf.

Die Laserzündkerze 26 sowie die Einblasvorrichtung 60 sind in einem spitzen Winkel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse 66 integriert, das mit einem Gewinde 68 in eine dafür vorgesehene Öffnung eines Zylinderkopfs 70 der Brennkraftmaschine 10 eingedreht ist. Alternative Befestigungsmöglichkeiten, wie bspw. durch einen

Bajonettverschluss oder eine Spannpratze, sind auch möglich.

Der Zündort ZP der Laserzündkerze 26 liegt in einem zylindrischen Einsatz, der als Vorkammer 72 für die Laserzündeinrichtung 27 dient. Die Vorkammer 72 ist in das Gehäuse 68 eingebaut bzw. in dem Gehäuse 68 integriert. Die Austrittsöffnung 62 der

Einblasvorrichtung 60 mündet ebenfalls in der Vorkammer 72. Damit ist die Vorkammer 72 neben der Laserzündkerze 26 und der Einblasvorrichtung 60 integraler Bestandteil der Laserzündeinrichtung 27. Die Vorkammer 72 umfasst dabei einen zylindrischen Seitenbereich 74, der in

Figur 2 nach unten von einer Bodenplatte 76 abgeschlossen ist, wobei die

Bodenplatte 76 in einem Randbereich schräg nach unten verlaufende Öffnungen 78 zum Brennraum 14 hin aufweist. Die Öffnungen 78 können radial und/oder tangential an Wandungen 74 und 76 der Vorkammer 72 und/oder mittig in der Bodenplatte 76 angeordnet sein. Die Öffnungen 78 können dabei schräg oder senkrecht zum Seitenbereich 74 bzw. zur Bodenplatte 76 ausgerichtet sein.

Figur 3 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf des Verfahrens, wobei das prinzipielle Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem

Brennraum über eine Laserzündeinrichtung mit Vorkammer als bekannt vorausgesetzt wird.

In der Abfrage 100 wird eine Abgasrückführrate im Brennraum 14 ermittelt und mit einem im Steuergerät 32 abgelegten Schwellwert verglichen.

Liegt die Abgasrückführrate unter dem Schwellwert, wird in Schritt 1 10 die Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer 72 je nach einem aktuellen

Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 durch ein im Steuergerät 32

abgelegtes Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld stellt im Wesentlichen den

Zusammenhang zwischen der Abgasrückführrate im Brennraum 14 zur

Einblasmenge an Abgas in die Vorkammer 72 her. Als Einblaszeitpunkt wird bevorzugt der Beginn einer Kompressionsphase der Brennkraftmaschine 10 gewählt. Dadurch wird die Vorkammer 72 über die Einblasvorrichtung 60 definiert gespült, so dass nach der Zündung der Druckanstieg in der Vorkammer 72 infolge des dann dort langsameren Energieumsatzes reduziert und somit die Fackelreichweite dem Brennraum 14 angepasst wird.

Liegt die Abgasrückführrate über dem Schwellwert, wird in Schritt 120 die Austrittsöffnung 62 der Einblasvorrichtung 60 geschlossen, so dass kein Abgas in die Vorkammer 70 einströmen kann. In diesem Fall kann ohne Abgasspülung die optimale Fackelreichweite erzielt werden.

Parallel zu Schritt 1 10 oder 120 wird auch Kraftstoff in die Vorkammer 72 gespritzt. Außerdem wird nach bekannten Verfahren ein vom Steuergerät 32 ermitteltes Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum 14 gefördert, das in Schritt 130 durch Zünden der Vorkammerladung durch aus den Öffnungen 78 austretende entflammte Fackeln 80 im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 10 gezündet wird.