Titel

Laserzündkerze und Vorkammermodul hierfür

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.

Eine derartige Laserzündkerze ist beispielsweise aus der DE 10 2006 018 973

A1 bekannt. Die bekannte Laserzündkerze weist eine integrierte Vorkammeranordnung auf, bei der die Vorkammer einstückig mit dem Gehäuse der Laserzündkerze ausgebildet ist. Nachteilig muss hierbei stets die gesamte Laserzündkerze zusammen mit der integrierten Vorkammer ausgewechselt werden, wenn nur eine Komponente der bekannten Anordnung nicht mehr funktioniert. Insbesondere bei dem Einsatz in stationären Großgasmotoren können die Standzeiten der Vorkammer infolge von Ablagerungen und sonstigem Verschleiß niedriger sein als die Standzeiten der ebenfalls in die Laserzündkerze integrierten Laserkomponenten. In solchen Fällen muss bei dem bekannten System eine an sich noch funktionstüchtige Laseranordnung zusammen mit der bereits abgenutzten integrierten Vorkammeranordnung ausgetauscht und entsorgt werden, was insbesondere aufgrund der - bezogen auf die Vorkammerkomponenten - weitaus höheren Fertigungskosten der Laseranordnung unwirtschaftlich ist.

Offenbarung der Erfindung

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein flexiblerer Einsatz möglich ist und gleichzeitig die Nachteile der herkömmlichen Systeme vermieden werden. Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze Verbindungsmittel vorgesehen sind, die eine Verbindung der Laserzündkerze mit einem Vorkammermodul ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Laserzündkerze erlaubt eine Vorsehung eines separaten Vorkammermoduls, das vermöge der erfindungsgemäßen Verbindungsmittel vorteilhaft auch erst in einem verhältnismäßig späten Fertigungsstadium mit der Laserzündkerze verbunden werden kann.

Dadurch ist einerseits vorteilhaft ein weiterer Freiheitsgrad bei der Fertigung von Zündkerzen mit Vorkammern gegeben, weil beispielsweise unterschiedliche Typen von Vorkammermodulen mit der erfindungsgemäßen Laserzündkerze verbunden werden können. Solche Verbindungen können lösbar oder unlösbar ausgebildet sein.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze sind die Verbindungsmittel jedoch so ausgebildet, dass sie eine lösbare Verbindung der Laserzündkerze mit dem Vorkammermodul ermöglichen.

In diesem Fall kann vorteilhaft auch nach Abschluss eines Fertigungsprozesses der Laserzündkerze das Vorkammermodul mit der Laserzündkerze verbunden und bei Bedarf auch wieder von der Laserzündkerze getrennt werden. Insbesondere ist es hierdurch möglich, bei dem Erreichen einer Verschleißgrenze des Vorkammermoduls dieses zerstörungsfrei von der

Laserzündkerze zu trennen und lediglich das Vorkammermodul zu entsorgen. Die nach wie vor funktionsfähige Laserzündkerze mit ihrer Laseranordnung kann vorteilhaft weiterverwendet werden und hierfür beispielsweise über die erfindungsgemäßen Verbindungsmittel mit einem neuen Vorkammermodul verbunden werden.

Ein derartiger Austausch des Vorkammermoduls ist aufgrund der erfindungsgemäßen Verbindungsmittel im Rahmen eines herkömmlichen Wartungsvorgangs der Laserzündkerze bzw. einer die Laserzündkerze enthaltenden Brennkraftmaschine einfach möglich. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze sind die Verbindungsmittel so ausgebildet, dass sie eine Schraubverbindung und/oder einen Presssitz und/oder eine Rastverbindung der Laserzündkerze mit dem Vorkammermodul ermöglichen, was eine besonders einfache Austauschbarkeit des Vorkammermoduls gewährleistet.

Eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen der Laserzündkerze und dem austauschbaren Vorkammermodul ist einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge dadurch gegeben, dass die Verbindungsmittel einen sich im wesentlichen koaxial zu einer Längsachse der

Laserzündkerze erstreckenden, vorzugsweise rohrförmigen, Befestigungsabschnitt aufweisen, der bevorzugt einstückig mit einem Gehäuse der Laserzündkerze ausgebildet ist.

Der Befestigungsabschnitt kann beispielsweise ein Innengewinde und/oder ein

Außengewinde aufweisen, so dass das Vorkammermodul entweder innerhalb des Befestigungsabschnitts angeordnet werden kann oder aber nach Art eines Überwurfs über den Befestigungsabschnitt der Laserzündkerze geschraubt werden kann.

Es ist ferner denkbar, gleichzeitig mehrere Vorkammermodule vorzusehen, von denen ein erstes Vorkammermodul z.B. mittels des Innengewindes des Befestigungsabschnitts in dem rohrförmigen Befestigungsabschnitt angeordnet wird, und von denen ein zweites Vorkammermodul als Überwurf auf das Außengewinde des Befestigungsabschnitts geschraubt wird. Auf diese Weise kann eine mehrstufige Vorkammeranordnung erreicht werden.

Alternativ oder ergänzend zur Befestigung eines Vorkammermoduls kann z.B. auch eine optische Komponente wie z.B. ein Brennraumfenster oder eine Fokussieroptik in den rohrförmigen Befestigungsabschnitt eingeschraubt werden, sofern sie über entsprechende, mit den Verbindungsmitteln der Laserzündkerze zusammenwirkende Verbindungsmittel verfügt.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Vorkammermodul nach Anspruch 6 angegeben. Das erfindungsgemäße

Vorkammermodul für eine Laserzündkerze weist Verbindungsmittel auf, die dazu ausgebildet sind, mit den Verbindungsmitteln der Laserzündkerze zusammenzuwirken. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Innen- bzw. Außengewinde und/oder um Mittel zur Herstellung eines Presssitzes und/oder einer Rastverbindung handeln.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls weist das Vorkammermodul ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Messing, auf. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Verbundwerkstoff vorgesehen sein, der beispielsweise Kupfer und Stahl enthält. Eine homogene Ausbildung des Vorkammermoduls aus einem der vorstehend genannten Werkstoffe ist ebenfalls möglich. Die erfindungsgemäße Materialauswahl für das Vorkammermodul bewirkt vorteilhaft eine verbesserte Wärmeableitung bzw. -Verteilung, so dass insbesondere die brennraumseitige Oberflächentemperatur des Vorkammermoduls reduziert wird, wodurch die Gefahr von unkontrollierten Glühzündungen verringert wird.

Eine besonders einfache Montage bzw. ein Wechsel des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge dadurch möglich, dass das Vorkammermodul ein, vorzugsweise außenseitig angeordnetes, Mitnahmeprofil aufweist, insbesondere ein Sechskantprofil.

Das Mitnahmeprofil kann bevorzugt in einem brennraumzugewandten Endbereich des Vorkammermoduls angeordnet sein.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Vorkammermoduls ist mindestens ein Überströmkanal vorgesehen, der eine Fluidverbindung zwischen einem Innenbereich und einem Außenbereich des Vorkammermoduls ermöglicht.

Alternativ oder ergänzend zu den üblicherweise durch Bohrungen realisierten

Überströmkanälen kann das erfindungsgemäße Vorkammermodul auch weitere Öffnungen aufweisen, die einen Fluidaustausch zwischen dem Inneren des Vorkammermoduls und einem das Vorkammermodul umgebenden Brennraum einer Brennkraftmaschine ermöglichen. Das erfindungsgemäße Vorkammermodul kann vorteilhaft auch über eine integrierte optische Komponente wie beispielsweise ein als Opferfenster ausgebildetes Brennraumfenster verfügen. Aufgrund der einfachen Austauschbarkeit des Vorkammermoduls kann somit auch ein „verbrauchtes" Opferfenster für die Laserzündkerze leicht gewechselt werden, insbesondere ohne dass die fest in der Laserzündkerze integrierten Komponenten gewechselt werden müssen. Darüberhinaus bietet das austauschbare Opferfenster einen erhöhten Schutz des fest in die Laserzündkerze integrierten primären Brennraumfensters.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine optische Komponente, insbesondere ein Brennraumfenster, im Bereich der Verbindungsmittel zwischen dem Vorkammermodul und dem brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze anordenbar und mittels des Vorkammermoduls gegenüber der Laserzündkerze fixierbar ist. In diesem

Fall dient das erfindungsgemäß austauschbare Vorkammermodul gleichzeitig als Montagemittel für die Halterung der optischen Komponente. Zur sicheren Lagerung der optischen Komponente können bei dieser Erfindungsvariante Dichtmittel und geeignete Einfassungen zur Aufnahme der optischen Komponente im Bereich der Verbindungsmittel vorgesehen sein, beispielsweise

Dichtringe.

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 einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einem erfindungsgemäßen

Vorkammermodul,

Figur 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Vorkammermoduls, das mit einer Laserzündkerze verbunden ist, Figur 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Figur 4a einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls,

Figur 4b eine Draufsicht auf das Vorkammermodul gemäß Figur 4a,

Figur 5 einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit Vorkammermodul, und

Figur 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das

Vorkammermodul gleichzeitig zur Fixierung einer optischen Komponente im Strahlengang der Laserzündkerze dient.

Figur 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, von der im wesentlichen nur ihr brennraumzugewandter Endbereich 100a abgebildet ist. Die Laserzündkerze 100 wird in an sich bekannter Weise in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt.

Die Laserzündkerze 100 verfügt über eine nicht abgebildete Lasereinrichtung, welche hochenergetische Laserimpulse 20 bereitstellt, die durch eine Fokussieroptik 105a auf einen Zündort ZO fokussiert und durch ein der Fokussieroptik 105a optisch nachgeordnetes Brennraumfenster 105b aus der Laserzündkerze 100 ausgekoppelt werden.

Zur Realisierung einer Vorkammeranordnung verfügt die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 über ein in Figur 1 abgebildetes Vorkammermodul 200. Das Vorkammermodul 200 ist im Gegensatz zu herkömmlichen Laserzündkerzen mit Vorkammeranordnung als separates Bauteil ausgebildet und kann auf diese

Weise beispielsweise erst nach der Fertigung der Laserzündkerze 100 mit dieser verbunden werden.

Dadurch ist es vorteilhaft möglich, wahlweise unterschiedliche Typen von Vorkammermodulen 200 mit einer bestimmten Laserzündkerze 100 zu verbinden. Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen der Laserzündkerze 100 und dem Vorkammermodul 200 lösbar ausgebildet, was erfindungsgemäß durch entsprechende Verbindungsmittel 1 10 erreicht wird.

Vorliegend sind die Verbindungsmittel 110 der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 so ausgebildet, dass sie eine Schraubverbindung realisieren. Hierzu weisen die Verbindungsmittel 1 10 einen sich im wesentlichen koaxial zu der Längsachse L der Laserzündkerze 100 erstreckenden, vorzugsweise rohrförmigen, Befestigungsabschnitt 11 1 auf, der bevorzugt einstückig mit dem restlichen Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 ausgebildet ist.

Das Vorkammermodul 200 weist ein zu den Verbindungsmitteln 1 10 der Laserzündkerze 100 komplementäres Verbindungsmittel, vorliegend ein

Außengewinde, auf, so dass das Vorkammermodul 200 auf einfache Weise in die Laserzündkerze 100 hinein- und wieder aus der Laserzündkerze 100 herausgeschraubt werden kann.

Dadurch kann das Vorkammermodul 200 beispielsweise im Rahmen eines

Wartungsvorgangs der Laserzündkerze 100 einzeln ausgetauscht werden, ohne dass gleichzeitig die gesamte Laserzündkerze 100 einschließlich der verhältnismäßig teuren Laseranordnung mit ausgetauscht werden muss. Aufgrund dieser leichten Austauschbarkeit des Vorkammermoduls 200 eignet sich die Erfindung insbesondere zur Anwendung bei stationären

Großgasmotoren, weil die Vorkammern in diesem Anwendungsfeld regelmäßig eine geringere Standzeit aufweisen als die restlichen Komponenten der Laserzündkerze.

Ferner kann durch die erfindungsgemäß ermöglichte einfache Austauschbarkeit des Vorkammermoduls 200 die Laserzündkerze 100 flexibel an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden. Beispielsweise kann je nach Brennwert eines zu zündenden Gases usw. jeweils ein hierfür optimiertes Vorkammermodul 200 ausgewählt und mit der Laserzündkerze 100 verbunden werden. Die Vorkammermodule 200 können sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Geometrie und/oder der Geometrie und Anzahl ihrer Überströmkanäle 230 unterscheiden, wodurch die Ausbreitung von Zündfackeln aus der Vorkammer 201 a in den Brennraum 201 b eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist auch eine optimale Anpassung der Laserzündkerze 100 bzw. des Vorkammermoduls 200 an die verwendete Kraftstoff- bzw. Gasart gegeben.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist das Vorkammermodul 200 mit seinem Außengewinde in das Innengewinde des Befestigungsbereichs 1 11 eingeschraubt, so dass sich eine lösbare formschlüssige Verbindung ergibt. Zusätzlich sind Dichtmittel 1 12 zur Abdichtung der resultierenden Vorkammer 201 a vorgesehen.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das erfindungsgemäße Vorkammermodul 200 einen Verbundwerkstoff aus Stahl und Kupfer aufweist. Wie aus Figur 2 ersichtlich sind wesentliche Teile 202 des Vorkammermoduls 200 aus einem

Kupferverbundwerkstoff gefertigt, so dass sich eine optimierte Wärmeleitung in dem Vorkammermodul 200 ergibt. Dadurch wird insbesondere das Problem vermieden, dass sich die brennraumseitige Oberfläche des Vorkammermoduls 200 zu stark aufheizt und hierdurch Glühzündungen auftreten können.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Vorkammermodul 200 über einen lösbaren Presssitz 113 mit der Laserzündkerze 100 verbunden ist. Der lösbare Presssitz 1 13 kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für das Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 und für das Vorkammermodul 200 unterschiedliche

Werkstoffe verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Vorkammermodul 200 kann vorteilhaft auch über eine integrierte optische Komponente 240 verfügen, die vorliegend in Figur 3 durch das gestrichelte Rechteck angedeutet und beispielsweise als zusätzliches

Brennraumfenster ausgebildet ist.

Generell ist bei der Konfiguration des Vorkammermoduls 200 und dessen Montage an der Laserzündkerze 100 anzustreben, dass der Zündort ZO (Figur 1 ) in einem Bereich liegt, in dem nur geringe Strömungen vorherrschen, um eine sichere Laserzündung auch bei mageren Gemischen zu ermöglichen. Darüberhinaus kann bei einer derartigen Konfiguration mit verhältnismäßig geringer Laserenergie erfolgreich gezündet werden, so dass Aufwand und Kosten im Bereich der Lasereinrichtung reduziert werden.

Figur 4a zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls 200, das über ein Außengewinde 210 zum Einschrauben in die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 verfügt. Durch ein in seinem brennraumzugewandten Endbereich 200a angeordnetes und vorliegend als Sechskantprofil 220 ausgebildetes Mitnahmeprofil ergibt sich eine einfache Handhabung und Montage. Das Sechskantprofil 220 ist besonders gut aus der Draufsicht gemäß Figur 4b ersichtlich.

Figur 5 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Vorkammermodul 200 als Überwurf ausgebildet ist und dementsprechend auf ein an der Laserzündkerze 100 vorgesehenes

Außengewinde geschraubt wird. Die Laserzündkerze 100 selbst ist wie ebenfalls aus Figur 5 ersichtlich so in den Zylinderkopf 300 eingeschraubt, dass nur ein geringer Volumenanteil des Vorkammermoduls 200 in den Brennraum 201 b hereinragt.

Mit der in Figur 5 abgebildeten Konfiguration lassen sich speziell Vorkammeranordnungen realisieren, die ein verhältnismäßig geringes Vorkammervolumen bieten.

Figur 6 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der zwischen dem

Vorkammermodul 200 und der Laserzündkerze 100 eine optische Komponente 240, vorliegend ein Brennraumfenster, angeordnet ist. Das Vorkammermodul 200 dient hierbei neben der Realisierung der Vorkammer zur mechanischen Fixierung des Brennraumfensters 240 in dem Strahlengang der Laserzündkerze 100. Zusätzlich können Dichtmittel 240a, 240b, beispielsweise Dichtringe, zwischen dem Brennraumfenster 240 und den Komponenten 100, 200 vorgesehen sein.

Bei der Ausbildung der erfindungsgemäßen Verbindungsmittel 1 10 als Schraubverbindung kann durch die Einschraubtiefe des Vorkammermoduls 200 in die Laserzündkerze 100 das zur Verfüngung stehende Vorkammervolumen in gewissen Grenzen eingestellt werden, ebenso wie die Lage des Zündorts ZO relativ zu dem Vorkammermodul 200.

Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 ist bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform so konfiguriert, dass sich der Zündort

ZO wie z.B. in Figur 1 abgebildet im Inneren 201 a des brennraumzugewandten Endbereichs 200a des Vorkammermoduls 200 befindet, d.h. direkt im Bereich der Überströmkanäle 230. Hierdurch kann nahezu das gesamte Vorkammervolumen effizient verbrannt werden, ohne dass ein zu großer Anteil von nicht bereits entflammtem Gemisch durch die Überströmkanäle 230 in den

Brennraum 201 b ausgetrieben wird.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Zündort ZO so gewählt ist, dass keine starken Strömungen bzw. Turbulenzen in seinem Bereich auftreten, damit sich ein bei der Zündung bildender Flammkern - idealerweise in Kugelform - ungestört entwickeln kann, wodurch auch sehr magere Gemische, wie sie bei Großgasmotoren verwendet werden, zuverlässig gezündet werden können. Gleichzeitig kann in diesem Fall mit geringeren Laserenergien gezündet werden, so dass Aufwand und Kosten für die Laserzündung weiter reduziert werden. Ein bevorzugter Zündort ZO liegt im Bereich der Längsachse der Laserzündkerze

100. Die Strömungsverhältnisse im Bereich des Zündorts ZO können vorteilhaft durch entsprechende Anordnung und Anzahl von Überströmkanälen 230 beeinflusst werden.