Laserzündkerze und Betriebsverfahren hierfür Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine

Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit Mitteln zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer angeordneten Zündpunkts mit Laserstrahlung.

Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Laserzündkerzen der eingangs genannten Art werden beispielsweise in

Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder insbesondere auch in stationären Gasmotoren zur Zündung eines in einem Brennraum befindlichen zündfähigen Luft-/Kraftstoffgemischs verwendet.

Aus der US 7,770,552 B2 ist bereits eine Laserzündkerze mit einer Vorkammer bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein optimaler Durchbrand des in der Vorkammer vorhandenen zündfähigen Gemischs und damit die Erzeugung von möglichst energiereichen Zündfackeln, welche aus der Vorkammer in einen Hauptbrennraum austreten, möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Mittel zur Beaufschlagung des Zündpunkts mit Laserstrahlung so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlung auf mindestens einen Zündpunkt fokussiert wird, der bei einer Einteilung der

Vorkammer in drei etwa volumengleiche Teilbereiche, die sich von einer an die Vorkammer angrenzenden Stirnfläche der Laserzündkerze axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im Wesentlichen zu der Stirnfläche parallele

Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche angrenzenden Teilbereich oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche angrenzenden Teilbereich.

Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergibt sich bei einer derartigen

Positionierung des Zündpunkts in der Vorkammer ein besonders guter und schneller Durchbrand des in der Vorkammer befindlichen zündfähigen Gemischs, wodurch besonders energiereiche Zündfackeln zur Entzündung eines in einem Hauptbrennraum vorhandenen Gemischs erhalten werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Abstand des Zündpunkts von der Stirnfläche der Laserzündkerze zwischen etwa 0 mm und etwa 15 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 0 mm und etwa 10 mm. Beispielsweise können die Mittel zur Beaufschlagung des Zündpunkts mit Laserstrahlung eine Fokussieroptik enthalten, die durch eine geeignete Auslegung zum Beispiel hinsichtlich ihrer Brennweite so konfiguriert werden kann, dass der erfindungsgemäße Abstand für den Zündpunkt von der Stirnfläche der Laserzündkerze erhalten wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der

Abstand zwischen etwa 0 mm und etwa 5 mm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 1 mm und etwa 3 mm.

Die erfindungsgemäße Dimensionierung für den Abstand des Zündpunkts von der Stirnfläche der Laserzündkerze hat Versuchen der Anmelderin zufolge bei gespülten Vorkammern wie auch bei ungespülten Vorkammern mit jeweils unterschiedlichen Geometrien einen besonders effizienten Durchbrand des in der Vorkammer enthaltenen zündfähigen Gemischs ergeben. Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge beträgt ein Volumen der Vorkammer etwa 50 mm ³ bis etwa 100 cm ³ , vorzugsweise etwa 500 mm ³ bis etwa 10 cm ³ . Noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge weist ein die

Vorkammer begrenzender Wandabschnitt mindestens einen eine

Fluidverbindung zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überstromkanal auf. Dadurch kann die Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze vorteilhaft mit einem zündfähigen Gemisch beschickt werden, das beispielsweise während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine durch die Überströmkanäle aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer hineinströmt.

Besonders vorteilhaft kann einer weiteren Ausführungsform zufolge mindestens ein Überströmkanal als Drallkanal ausgebildet sein, um einem durchströmenden Fluid eine tangentiale Bewegungskomponente bezogen auf eine Längsachse des Überströmkanals aufzuprägen, wodurch die Strömungseigenschaften in der Vorkammer insbesondere im Hinblick auf einen optimalen Durchbrand noch besser steuerbar sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Überströmkanal als tangentiale Bohrung ausgebildet ist, und dass mindestens ein weiterer Überström kanal als Mittelloch ausgebildet ist, das etwa im Bereich einer Längsachse der Vorkammer angeordnet ist, wodurch sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge eine besonders günstige Vermischung von in der Vorkammer enthaltenem Restgas mit aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer einströmendem Frischgas, insbesondere im Bereich der Längsachse der Laserzündkerze, ergibt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein zündfähiges Gemisch insbesondere auch in dem Ort des erfindungsgemäß definierten Zündpunkts vorliegt und dass das Gemisch dort eine für eine sichere

Laserzündung maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit nicht überschreitet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittel zur Beaufschlagung des in der Vorkammer angeordneten Zündpunkts mit Laserstrahlung und die Überströmkanäle so aufeinander abgestimmt sind, dass der Zündpunkt in einem Betriebszustand der Laserzündkerze, in dem Fluid über den mindestens einen Überström kanal in die Vorkammer einströmt, in einem

Bereich liegt, in dem eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids um

mindestens etwa 30%, vorzugsweise etwa 50% niedriger ist als in einem

Bereich, in dem die Überströmkanäle angeordnet sind, wodurch vorteilhaft

sichergestellt wird, dass eine Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts nicht so groß wird, dass sie eine wirksame Entzündung des in der Vorkammer

befindlichen Gemischs mittels der Laserstrahlung beeinträchtigt.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein

Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 9 angegeben. Weitere vorteilhafte

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Obwohl die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze insbesondere bei einer Anwendung im Bereich von Stationärmotoren bzw. Großgasmotoren usw. bevorzugt integraler Bestandteil der Zündkerze bzw. durch die Zündkerze selbst gebildet ist, kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen sein, dass ein die

Vorkammer, insbesondere brennraumseitig, begrenzender Wandabschnitt zumindest teilweise durch den Zylinderkopf gebildet und/oder integraler Bestandteil des

Zylinderkopfes ist. D.h., in diesem Falle wirken Teilbereiche des Zylinderkopfes und der Zündkerze in geeigneter Weise zusammen, um die Vorkammer der

erfindungsgemäßen Zündkerze auszubilden.

Die Vorkammer kann auch als separates Bauteil ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Vorkammer z.B. über eine Schraubverbindung oder auch unlösbar mit der Zündkerze verbindbar. Ebenso kann die Vorkammer eine Schraubverbindung zur Verbindung mit einem Zylinderkopf aufweisen.

Es ist ferner denkbar, die Vorkammer einstückig auszuführen mit der Zündkerze bzw. einem Gehäuse der Zündkerze.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze in einem teilweisen Querschnitt,

Figur 2a eine vergrößerte Darstellung eines eine Vorkammer aufweisenden

Endbereichs einer Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform,

Figur 2b die Laserzündkerze gemäß Figur 2a mit einer durch Blockpfeile angedeuten Fluidströmung während eines Betriebszustands der Laserzündkerze, und

Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer Laserzündkerze.

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 in Einbaulage in einem Zündkerzenschacht eines Zylinderkopfes 200 einer

Brennkraftmaschine, bei der es sich beispielsweise um einen stationären

Großgasmotor handelt.

Die Laserzündkerze 100 weist eine Vorkammer 110 auf, die über ein Einlassventil 140 mit einem zündfähigen Gemisch beschickt werden kann. Vorliegend ist die

Laserzündkerze 100 demnach mit einer sog.„gespülten Vorkammer" 110 ausgestattet. Die Erfindung kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit jedoch auch auf

Laserzündkerzen mit ungespülten Vorkammern angewendet werden. Zur Entzündung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer 110 weist die Laserzündkerze 100 Mittel 120 zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer 110 angeordneten Zündpunkts ZP mit Laserstrahlung 130 auf. Bevorzugt können die Mittel 120 z.B. eine Lasereinrichtung aufweisen, die vorliegend monolithisch ausgebildet ist und einen laseraktiven

Festkörper 124 mit einer passiven Güteschaltung 126 aufweist.

Über einen Anschluss 128' ist die Zündkerze 100 mit einer Lichtleitereinrichtung 128 verbunden, die der in die Zündkerze 100 integrierten Lasereinrichtung

Pumplicht von einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle 129 zuführt. Unter Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 124 beziehungsweise der passiven Güteschaltung 126 mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle 129 wird in an sich bekannter Weise ein Laserimpuls 130 erzeugt, der von der

Lasereinrichtung 120 über eine Einkoppeloptik 128a, 128b in die Vorkammer 110 eingekoppelt wird. Die Einkoppeloptik umfasst vorzugsweise eine Fokussieroptik 128a zur Fokussierung der Laserstrahlung 130 auf den Zündpunkt ZP. Ferner weist die Einkoppeloptik ein Brennraumfenster 128b auf, das die

Lasereinrichtung 120 der Zündkerze 100 stirnseitig zu der Vorkammer 110 hin abdichtet.

Alternativ zu der lokalen Erzeugung der Laserzündimpulse 130 in der

Laserzündkerze 100 könnte der Laserzündkerze 100 auch über eine

Lichtleitereinrichtung 128 ein Laserzündimpuls zugeführt werden. In diesem Fall dient die Laserzündkerze 100 i.w. zur Einstrahlung des Laserzündimpulses 130 auf den Zündpunkt ZP und ggf. zur Strahlformung, ohne dass jedoch lokal Laserstrahlung zu erzeugen ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mittel 120, vorliegend insbesondere die Komponenten 128a, 128b der Einkoppeloptik, so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlung 130 auf mindestens einen Zündpunkt ZP fokussiert wird, der bei einer Einteilung der Vorkammer 1 10 in drei etwa volumengleiche Teilbereiche 1 10_1 , 1 10_2, 110_3, die sich von einer an die Vorkammer 110 angrenzenden Stirnfläche 110a der Laserzündkerze 100 axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im Wesentlichen zu der Stirnfläche 110a parallele Ebenen voneinander getrennt sind, in dem an die Stirnfläche 110a angrenzenden Teilbereich 1 10_1 oder einem daran angrenzenden mittleren Teilbereich 1 10_2 liegt, vorzugsweise in dem an die Stirnfläche 110a angrenzenden Teilbereich 1 10_1.

Dadurch ergibt sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge ein besonders effizienter Durchbrand des in der Vorkammer 110 befindlichen zündfähigen Gemischs.

Besonders bevorzugt sind die Mittel 120 zur Beaufschlagung des Zündpunkts ZP mit Laserstrahlung 130 so ausgelegt, dass der Zündpunkt ZP in dem ersten Volumenbereich 1 10_1 liegt, der direkt an das stirnseitige Ende 110a der Laserzündkerze 100 angrenzt.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, bildet der stirnseitige Endbereich 0a der

Laserzündkerze 100 gleichzeitig eine in Figur 1 in axialer Richtung nach oben wirkende räumliche Begrenzung der Vorkammer 1 10.

Besonders bevorzugt beträgt der Abstand X des Zündpunkts ZP von der Stirnfläche 110a der Laserzündkerze 100 zwischen etwa 0 mm und etwa 15 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0 mm und etwa 10 mm.

Weiter bevorzugt kann der Abstand X auch zwischen etwa 0 mm und etwa 5 mm betragen, insbesondere auch zwischen etwa 1 mm und etwa 3 mm. In Figur 1 ist zur Veranschaulichung des Abstands X eine Längenkoordinate I eingetragen, welche sich in Figur 1 in vertikaler Richtung von oben nach unten erstreckt. Ein brennraumabgewandter Endbereich der Laserzündkerze 100 entspricht der Längenkoordinate I0. Der brennraumzugewandte, das heißt vorliegend auch der Vorkammer 110 zugewandte, Endbereich der

Laserzündkerze 100 korrespondiert mit einer Längenkoordinate 11 , die gleichzeitig als Referenz für die Definition des erfindungsgemäßen Abstands X verwendet wird. Die Längenkoordinate 11 stimmt mit dem stirnseitigen Ende 110a der Laserzündkerze 100 überein. Das Volumen der Vorkammer 110 erstreckt sich in Figur 1 somit von der

Längenkoordinate 11 bis hin zu der Längenkoordinate 12.

Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Mittel 120 zur Erzeugung beziehungsweise Einstrahlung der Laserstrahlung 130 in die Vorkammer 1 10 ist sichergestellt, dass der Zündpunkt ZP innerhalb des ersten Volumenbereichs

1 10_1 beziehungsweise maximal des zweiten Volumenbereichs 1 10_2 angeordnet ist. Vorliegend ergibt sich die Lage des Zündpunkts ZP bei einer Längenkoordinate 11' für die gilt: IT - 11 = X.

Der erfindungsgemäße Abstand X wird vorteilhaft von einem dem Brennraum beziehungsweise der Vorkammer zugewandten Endbereich beziehungsweise der entsprechenden Stirnfläche 1 10a der Laserzündkerze 100 aus gemessen. Vorliegend wird der Stirnbereich 110a durch eine Stirnfläche eines Gehäuses der Laserzündkerze 100 gebildet, und nicht etwa durch das den Innenraum der Laserzündkerze 100 zu der Vorkammer 0 hin abschließende

Brennraumfenster 128b, weil das Brennraumfenster 128b wie aus Figur 1 ersichtlich in axialer Richtung geringfügig gegenüber dem stirnseitigen

Endbereich 110a der Laserzündkerze 100 axial nach innen, das heißt in Figur 1 nach oben, versetzt ist.

Vorliegend weist die Vorkammer 1 10 mehrere Überströmkanäle 112 in der Vorkammerwand 1 11 auf, die einem Fluidaustausch mit einem außenseitig der Vorkammer 110 angeordneten Hauptbrennraum 300 der die Laserzündkerze 100 enthaltenden Brennkraftmaschine dienen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Volumen der Vorkammer 1 10 etwa 50 mm ³ bis etwa 100 cm ³ beträgt, vorzugsweise etwa 500 mm ³ bis etwa 10 cm ³ .

Figur 2a zeigt eine vergrößerte Darstellung eines eine Vorkammer aufweisenden Endbereichs einer Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Die Vorkammer 1 10 erstreckt sich in Figur 2a in vertikaler Richtung wiederum von der Längenkoordinate 11 bis zu der Längenkoordinate 12. Für

Längenkoordinaten I < 11 ist vorliegend zwar ebenfalls eine sich an die

Vorkammer 110 direkt anschließende Öffnung vorgesehen, die jedoch zur Aufnahme eines Restgaspolsters oder Abschirmung des Brennraumfensters dient und daher nicht zum Vorkammervolumen gezählt und zur Definition des erfindungsgemäßen Abstands X herangezogen wird. Das bedeutet, der erfindungsgemäße Abstand X wird vorliegend ausgehend von der

Längenkoordinate 11 in Figur 2a vertikal nach unten gemessen.

Die Vorkammer 1 10 gemäß Figur 2a weist in ihrem brennraumzugewandten Endbereich mehrere Überströmkanäle 1 12 auf, die das Hindurchtreten von Fluid aus dem Hauptbrennraum 300 (Figur 1) in die Vorkammer 110 und umgekehrt ermöglichen. Vorliegend sind die Überström kanäle 112 bezüglich ihrer

Längsachse so ausgerichtet, dass sich bei einem Hereinströmen von Fluid aus dem Hauptbrennraum 300 in die Vorkammer 110 eine zumindest teilweise tangentiale Fluidströmung in der Vorkammer 1 10 ergibt, so dass sich ein stabiler Fluidwirbel um die Längsachse der Vorkammer 110 bzw. der Laserzündkerze 100 bilden kann.

Zusätzlich kann auch eine weitere Überströmöffnung 112' vorgesehen sein, die im Wesentlichen im Bereich der Längsachse der Laserzündkerze 100

angeordnet ist. Durch die in Figur 2a abgebildete Konfiguration von

Überströmkanälen 1 12, 1 12' ergibt sich eine optimierte Vermischung von in der Vorkammer 110 vorliegendem Restgas mit frischem zündfähigen Gemisch, so dass optimale Zündbedingungen in dem Zündpunkt ZP in der Vorkammer 1 10 vorliegen.

Figur 2b zeigt die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 2a zusammen mit durch Blockpfeile angedeuteten Fluidströmungen, wie sie sich während eines

Betriebszustands der Laserzündkerze 100 einstellen.

Eine erste, mindestens eine tangentiale Komponente aufweisende Fluidströmung S1 von aus dem Hauptbrennraum 300 (Fig. 1) in die Vorkammer 1 10

einströmendem zündfähigen Gemisch stellt sich wie durch den entsprechenden Blockpfeil S1 in Figur 2b abgebildet ein. Zusätzlich ergibt sich eine weitere Strömung S2 in in Figur 2b im Wesentlichen vertikaler Richtung nach oben.

In einem ersten Bereich B1 , der der erfindungsgemäßen Definition des Abstands X zufolge nicht bereits zur Geometrie der Vorkammer 0 gehört, sondern vielmehr noch zu dem stirnseitigen Endbereich der Laserzündkerze 100, befindet sich ein Restgaspolster, das in an sich bekannter Weise zum Schutz des

Brennraumfensters 128b vor Verbrennungsrückständen beziehungsweise Schmutzpartikeln dienen kann.

Ein zweiter Bereich B2 mit verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit stellt sich insbesondere im Bereich der Fluidströmung S1 , S2 ein.

Ein zwischen dem ersten Bereich B1 und dem zweiten Bereich B2 liegender dritter Volumenbereich B3 der Vorkammer 110 weist Untersuchungen der Anmelderin zufolge optimale Bedingungen für eine Laserzündung mittels der Laserzündimpulse 130 auf. Bei den meisten Zündkerzen- und Vorkammergeometrien liegt der für die Laserzündung besonders günstige Bereich B3 in dem in Fig. 2b oberen oder mittleren Volumenanteil des

Vorkammervolumens, vgl. Bezugszeichen 110_1 , 110_2 aus Fig. 1. Daher können bei geeigneter Auslegung der Überströmkanäle 112, 1 12' und

Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Definition für den Abstand X optimale Bedingungen für die Laserzündung in dem Zündpunkt ZP sichergestellt werden.

Figur 3 zeigt schematisch und in teilweisem Querschnitt eine weitere

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einer

Vorkammer 110. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Figur 2a weist die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 3 zwischen dem Brennraumfenster 128b und der Vorkammer 1 10 ein sogenanntes "Light Path"-Modul 128c auf, welches eine im Wesentlichen kegelförmige Öffnung 128c' aufweist, die ein Hindurchtreten der Laserstrahlung 130 aus der Laserzündkerze 100 in die Vorkammer 1 10 ermöglicht. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Geometrie des Light Path-Moduls 128c reduziert, dass Schmutzpartikel von Verbrennungsprozessen aus der Vorkammer 1 10 in den Bereich einer optisch wirksamen Oberfläche des Brennraumfensters 128b gelangen.

Auch bei dieser Erfindungsvariante wird die Laserstrahlung 130 bevorzugt gemäß der Dimensionierungsvorschrift für den Abstand X in die Vorkammer 110 eingestrahlt. Hierbei ist wiederum zu beachten, dass der erfindungsgemäß gewählte Abstand X von dem stirnseitigen Endbereich 128c" des Light Path- Moduls 128c aus gemessen wird, weil die konische Lichtführungsöffnung 128c' des Light Path-Moduls 128c nicht bereits zum Vorkammervolumen der

Vorkammer 1 10 zählt.

Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge sind die Mittel 120 zur Beaufschlagung des in der Vorkammer 1 10 angeordneten Zündpunkts ZP mit

Laserstrahlung 130 und die Überström kanäle 112, 112' so aufeinander abgestimmt, dass der Zündpunkt ZP in einem Betriebszustand der

Laserzündkerze 100, in dem Fluid über den mindestens einen Überströmkanal 1 12, 1 12' in die Vorkammer 110 einströmt, in einem Bereich B3 (Figur 2b) liegt, in dem eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids beziehungsweise zündfähigen Gemischs um mindestens etwa 30%, vorzugsweise etwa 50% niedriger ist als in einem Bereich B2, in dem die Überströmkanäle 1 12, 112' angeordnet sind.