Brennkraftmaschine mit laserinduzierter Fremdzündung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, wobei die Zündung durch einen Zündlaser ausgelöst wird. Bei diesen sogenannten Laserzündungen wird die seit Jahrzehnten bekannte und bewährte Zündkerze durch einen Zündlaser ersetzt. Der Zündlaser weist ein Brennraumfenster auf, welches transmissiv für die von dem Zündlaser emittierten Laserimpulse ist. Gleichzeitig muss das Brennraumfenster den im Brennraum herrschenden hohen Drücke und Temperaturen über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine widerstehen, ohne dass die optischen Eigenschaften des Brennraumfensters nachteilig beeinflusst werden. Dabei können an der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters Oberflächentemperaturen von über 600° C und Drücke von über 250 bar während des Arbeitstakts der Brennkraftmaschine auftreten. Außerdem können aggressive Bestandteile der Brenngase das Brennraumfernster schädigen und Ablagerungen auf dem Brennraumfenster dessen Transmissivität reduzieren.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die für den Einsatz einer laserinduzierten Fremdzündung besonders geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkraftmaschine mit laserinduzierter Fremdzündung umfassend eine Zylinderwand, einen Zylinderkopf und einen Zündlaser, wobei die Zylinderwand und der Zylinderkopf einen Brennraum begrenzen und wobei ein Zündpunkt des Zündlasers innerhalb des Brennraums liegt, dadurch gelöst dass in der Zylinderwand oder dem Zylinderkopf eine Nebenkammer ausgebildet ist und dass die Nebenkammer mindestens zeitweise mit dem Brennraum verbunden ist, und dass der Zündlaser die Nebenkammer begrenzt.

Dadurch dass bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Nebenkammer vorgesehen ist, wobei zwischen dem Brennraum und der Nebenkammer eine öffnung vorhanden ist, und wobei der

Zündlaser in die Nebenkammer hineinragt beziehungsweise die Nebenkammer begrenzt, wird der Zündlaser nicht unmittelbar mit den im Brennraum herrschenden Drücken und Temperaturen beaufschlagt. Dadurch kann das Brennraumfenster des Zündlasers vollständig entfallen. Wenn der Zündlaser ein Brennraumfensters aufweist, wird dies bei der erfindungsgemäßem Brennkraftmaschine nur mit vergleichsweise geringen Temperaturen und nicht mir aggressiven Gasen und Ablagerungen beaufschlagt. Somit wird bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Abdichtung des Zündlasers gegenüber den im Brennraum herrschenden Bedingungen wesentlich vereinfacht, bzw. erst ermöglicht. Außerdem muss - wegen des vergrößerten Abstandes zwischen Brennraumfenster und Zündpunkt - der Laserimpuls innerhalb des Zündlasers weniger stark abgelenkt werden.

Um das Eindringen von Brenngasen aus dem Brennraum zu unterbinden und - falls der Zündlaser ein Brennraumfenster aufweist - auch die Ablagerung von festen Partikeln aus dem Brenngas an dem Brennraumfenster zu unterbinden, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mindestens eine Einblasleitung in die Nebenkammer mündet. Durch diese Einblasleitung kann Luft in die Nebenkammer eingeblasen werden, so dass sich vor dem Zündlaser ein "Luftpolster" ohne Kraftstoff ausbildet, so dass keine Brenngase in den Zündlaser eindringen können und festen Partikel des Abgases an dem Brennraumfenster niederschlagen können. Hierdurch wird eine Schädigung des Zündlasers und ein Zusetzen des Brennraumfensters vermieden.

Alternativ ist es möglich, auch mehrere Einblasleitungen vorzusehen. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Menge der eingeblasenen Luft möglichst gering ist, da sonst die Steuerungsmöglichkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eingeschränkt wird. Aus diesem Grund ist die öffnung zwischen Brennraum und Nebenkammer so klein wie möglich zu wählen.

Um die Menge der eingeblasenen Luft betmöglich steuern zu können, kann in der Einblasleitung ein erstes Steuerventil vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass Luft nur dann eingeblasen wird, wenn die Gefahr von Ablagerungen aus dem im Brennraum befindlichen Abgasen besteht. So ist es beispielsweise denkbar, während des Kompressionstakts und/oder der Verbrennung Luft in die Nebenkammer einzublasen, so dass sich ein Luftpolster ausbildet und anschließend die Zufuhr von Einblasluft zu unterbrechen.

Zusätzlich ist es auch möglich, zwischen Nebenkammer und Brennraum ein zweites Steuerventil vorzusehen. Dadurch ist es möglich, die öffnung zwischen Brennraum und Nebenkammer zeitweise zu verschließen, so dass insbesondere während des Arbeitstaktes und/oder während des Ausschubtaktes die Gefahr, dass sich Partikel aus dem Abgas auf dem Brennraumfenster niederschlagen, weiter reduziert wird. Außerdem wird ein unnötiges Einströmen von Luft aus der Nebenkammer in den Brennraum vermieden.

Erstes und/oder zweites Steuerventil können als Schieberventil oder als Kolbenventil ausgebildet werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 a eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten

Zündeinrichtung;

Figur Ib eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1;

Figuren 2 bis 5 Ausführungsformen erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen

Ausführungsformen der Erfindung

Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur Ia insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.

In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird der Zündlaser 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.

Wie aus Figur Ib hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 340 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 340 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die verschiedenen Zündlaser 26 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Zündlasern 26 erforderlich sind.

Der Zündlaser 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 (Figur Ia) befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt.

In Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine etwas vereinfacht im Schnitt dargestellt. Ein Zylinderkopf 60 der Brennkraftmaschine 10 begrenzt, wie hinlänglich bekannt, den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine. In dem Zylinderkopf 16 ist eine Nebenkammer 62 ausgebildet. Diese Nebenkammer 62 ist durch eine öffnung 64 mit dem Brennraum 14 verbunden. In dem Zylinderkopf 60 ist der Zündlaser 26 so eingesetzt, dass ein Brennraumfenster 58 des Zündlasers 26 etwa bündig mit der Wand der Nebenkammer 62 abschließt. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist der Zündlaser 26 so angeordnet und ausgerichtet, dass ein der von dem Zündlaser 26 emittierte Laserimpuls 24 durch die öffnung 64 hindurch in den Brennraum 14 gelangen kann. Der Zündpunkt ZP des Zündlasers 26 liegt somit im Brennraum 14.

Alternativ kann die Nebenkammer 62 in dem Zylinder 12 oder dem Zylinderkopf 60 ausgebildet sein. Diese Alternativen sind in den Figuren durch die Verwendung der Bezugszeichen 12 und 60 veranschaulicht.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Zündlasers 26 in einer Nebenkammer wird unter anderem erreicht, dass das Brennraumfenster 58 einen größeren räumlichen Abstand vom Brennraum 14 hat, so dass die Fokussierung des Laserstrahls 24 nicht so stark sein muss. Durch diesen größeren Abstand des Brennraumfensters 58 vom Brennraum 14 werden außerdem die Temperaturbelastung und die Druckspitzen etwas reduziert, was sich positiv auf die Belastung des Brennraumfensters 58 auswirkt.

Eine weitere erhebliche Reduktion der mechanischen und thermischen Belastung des Brennraumfensters 58 ergibt sich durch das Einb lasen von Luft in die Nebenkammer 62. Diese Luft wird durch eine Einblasleitung 66 in die Nebenkammer 62 eingeblasen. Es ist nicht erforderlich, während der gesamten Betriebsdauer Einblasluft in die Nebenkammer 62 einzublasen. Es genügt vielmehr häufig, nur zeitweise Einblasluft in die Nebenkammer 62 einzublasen. Dadurch wird ein

Luftpolster vor dem Brennraumfenster nur zu den Zeiten in denen Abgase im Brennraum 14 vorhanden sind gebildet.

Um das Einblasen vom Luft durch die Einblasleitung 66 steuern zu können, ist in der Einblasleitung 66 ein erstes Steuerventil 70 vorgesehen sein.

In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Nebenkammer 62 sehr klein gehalten. Eine Einblasleitung 66 ist nicht vorhanden. Hier wird vielmehr das Brennraumfenster 58 vor den im Abgas enthaltenen festen Partikeln durch ein zweites Steuerventil geschützt. Dieses zweite Steuerventil 72 verschließt zeitweise die öffnung 64 und gibt die öffnung 64 nur dann frei, wenn der Zündlaser 26 einen Laserimpuls emittiert und dadurch das im Brennraum 14 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das zweite Steuerventil 72 als Kolbenventil beziehungsweise als Sitzventil ausgebildet.

Alternativ ist es auch möglich, das zweite Steuerventil 72 als Schieberventil auszubilden. Zwei Ausführungsbeispiele von zweiten Steuerventilen 72, die als Schieberventil ausgebildet sind, zeigen die Figuren 4 und 5. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 macht ein Schieber 74 des zweiten Steuerventils 72 eine lineare Bewegung, wie dies durch den Doppelpfeil 76 angedeutet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Einblasleitungen 66 vorgesehen. Aus Gründen der übersichtlichkeit ist das erste Steuerventil 70 in den Einblasleitungen 66 nicht dargestellt.

In Figur 5 ist das zweite Steuerventil als Drehschieberventil ausgebildet. Dabei dreht sich ein Drehschieber 78 um eine Drehachse 80 und gibt die öffnung 64 dann frei, wenn der Zündlaser 26 einen Laserstrahl 24 (nicht dargestellt in Figur 5) emittiert.