Titel

Laserzündkerze und Vorkammermodul hierfür

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Vorkammer und einer Lasereinrichtung zur Einstrahlung von Laserimpulsen in die Vorkammer.

Eine derartige Laserzündkerze ist bereits aus der DE 10 2006 018 973 A1 bekannt.

Nachteilig an der bekannten Laserzündkerze ist das Erfordernis, Laserimpulse mit sehr hoher Impulsenergie erzeugen zu müssen, um eine zuverlässige Generierung eines

Zündplasmas in der Vorkammer zu gewährleisten.

Offenbarung der Erfindung

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Zündung auch unter Verwendung von Laserimpulsen mit geringerer Impulsenergie zuverlässig möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung und/oder die Vorkammer dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse auf einen Fokuspunkt zu bündeln, der im Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammer liegt. Die erfindungsgemäße

Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine zuverlässige Zündung durch Laserimpulse mit im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verhältnismäßig geringer Impulsenergie, weil besonders günstige Strömungsverhältnisse mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Innenoberfläche vorherrschen. Darüber hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung des Fokuspunkts eine besonders effiziente Verbrennung des in der Vorkammer enthaltenen zündfähigen Gemischs, ohne dass eine wesentliche Menge noch unverbrannten Gases aus der Vorkammer in den Brennraum ausgetrieben wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Fokuspunkt im Bereich der Innenoberfläche eines brennraumzugewandten Bereichs der Vorkammer liegt oder im Bereich der Überströmbohrungen.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, bei der eine weitere Verringerung der für eine zuverlässige Zündung minimal erforderlichen Impulsenergie der Laserimpulse möglich ist, ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse direkt auf die

Innenoberfläche der Vorkammer zu bündeln. Hierzu kann die Lasereinrichtung über eine Fokussieroptik verfügen, deren Brennweite auf die Geometrie der Vorkammer abgestimmt ist. Untersuchungen der Anmelderin zufolge kann durch die bei dieser Konfiguration erfolgende Plasmagenerierung direkt auf der Oberfläche des Vorkammermaterials - im Gegensatz zur seitherigen Plasmagenerierung in dem

Vorkammergas - die für die Zündung benötigte Laserenergie besonders gering gewählt werden.

Besonders hohe Standzeiten der erfindungsgemäßen Laserzündkerze können einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge dadurch erzielt werden, dass die

Vorkammer im Bereich des Fokuspunkts eine Materialanhäufung aufweist. Dadurch wird dem durch die erfindungsgemäße Auswahl des Fokuspunkts bedingten Materialverschleiß im Bereich des Fokuspunkts vorgebeugt.

Eine in ihrer Effizienz noch weiter gesteigerte Laserzündung ist erfindungsgemäß dann möglich, wenn die Vorkammer im Bereich des Fokuspunkts ein Opfermaterial aufweist, das sich insbesondere hinsichtlich des Absorptionsvermögens für die Laserimpulse und/oder einer Schmelztemperatur und/oder weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der restlichen Vorkammer verwendeten Material unterscheidet. Das i.d.R. metallische Opfermaterial wird bevorzugt so ausgewählt, dass bereits mit besonders geringen Impulsenergien der Laserimpulse die Generierung eines Metallplasmas für die Zündung des Vorkammergases möglich ist. Die Form und Menge des Opfermaterials ist so zu wählen, dass auch unter der fortwährenden laserinduzierten Erosion möglichst gleichbleibende günstige Zündverhältnisse gewährleistet sind. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass die Vorkammer selbst Fokussiermittel zur Fokussierung der Laserimpulse aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft darauf verzichtet werden, die Lasereinrichtung mit einer entsprechenden Fokussieroptik zu versehen.

Vielmehr kann die Lasereinrichtung vorteilhaft dazu ausgebildet sein, die Laserimpulse im wesentlichen unfokussiert, insbesondere als Parallelstrahl, auf die Fokussiermittel der Vorkammer einzustrahlen. Auch ein leicht divergierender Strahl ist gut möglich.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Laserimpulse mittels der Lasereinrichtung auf einen Punkt zu fokussieren, der außerhalb der Vorkammer liegt. In diesem Fall trift ein Laserimpuls mit einem nichtverschwindenden Strahlquerschnitt auf die Fokussiermittel der Vorkammer, die eine weitere Fokussierung - beispielsweise kombiniert mit einer Reflexion des Laserimpulses - bewirken. Eine hierfür in der Lasereinrichtung erforderliche Fokussieroptik mit verhältnismäßig großer Brennweite kann wesentlich einfacher mit derselben optischen Güte gefertigt werden, als die bei herkömmlichen Laserzündkerzen verwendeten Fokussieroptiken mit sehr viel kleinerer Brennweite. Dadurch kann beispielsweise auf den Einsatz asphärischer Fokussierlinsen in der Lasereinrichtung verzichtet werden, was die Fertigungskosten deutlich senkt.

Eine besonders effiziente Fokussierung durch die Fokussiermittel der Vorkammer ist erfindungsgemäß dann gegeben, wenn die in der Vorkammer angeordneten Fokussiermittel als Hohlspiegel ausgebildet sind, beispielsweise als Parabolspiegel oder auch als Kegelspalt.

Die erfindungsgemäße Vorsehung der in die Vorkammer integrierten Fokussiermittel erlaubt vorteilhaft die Auswahl eines direkt im Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammer angeordneten Fokuspunkts, was zu einer besonders günstigen Verbrennung innerhalb der Vorkammer führt. Speziell mit Hohlspiegelkonfigurationen lassen sich extrem kurzbrennweitige Fokussiermittel in der Vorkammer realisieren.

Zur Vermeidung von unerwünschten Glühzündungen kann die Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze thermisch sehr gut an den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angebunden werden. Beispielsweise ist es hierzu vorteilhaft, die Laserzündkerze zusammen mit der Vorkammer einstückig auszubilden. Eine weiter gesteigerte Wärmeableitung aus dem Bereich der Vorkammer ist dadurch gegeben, dass die Vorkammer ein hochwärmeleitfähiges Material aufweist, insbesondere Kupfer und/oder Messing.

Um eine Verschmutzung eines Brennraumfensters oder sonstiger optischer

Komponenten der Laserzündkerze zu verhindern, die an die Vorkammer grenzen, können im Bereich der Vorkammer vorteilhaft Magnetmittel vorgesehen werden, welche während der Laserzündung entstehende magnetische Partikel binden. Bei dieser Konfiguration der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist auf eine effiziente Kühlung zu achten, um den die Magnetmittel aufweisenden Bereich der Vorkammer unterhalb der Curietemperatur der Magnetmittel zu halten. Die Magnetmittel können insbesondere Ringmagnete und/oder mehrere umlaufend um eine Längsachse der Laserzündkerze angeordnete Einzelmagnete aufweisen, die insbesondere als Seltenerdmagnete (z.B. Neodym, Samarium-Cobalt) ausgebildet sind, welche Curietemperaturen > 400 ⁰ C besitzen können. Der Einsatz von Elektromagneten ist ebenfalls denkbar. Neben der Bindung von magnetischen Partikeln dienen die erfindungsgemäßen Magnetmittel auch dazu, elektrisch geladene Partikel, z.B. Ionen aus der Verbrennung, von dem Brennraumfenster weg abuzulenken.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein

Vorkammermodul für eine Laserzündkerze gemäß den Patentansprüchen 1 1 und 12 angegeben.

Das erfindungsgemäße Vorkammermodul kann als separates Bauteil vorgesehen sein und beispielsweise während eines Fertigungsprozesses unlösbar mit der restlichen

Laserzündkerze verbunden werden. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße Vorkammermodul auch lösbar mit der Laserzündkerze verbindbar ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Schraubverbindung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der

Unteransprüche.

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 und 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 bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines

Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,

Figur 2a eine vergrößerte Ansicht eines brennraumzugewandten Endbereichs der erfindungsgemäßen Laserzündkerze aus Figur 1 ,

Figur 2b eine teilweise Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,

Figur 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze,

Figur 4 noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, bei der die Vorkammer über Fokussiermittel zur Fokussierung der

Laserimpulse verfügt, und

Figur 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze.

Figur 1 zeigt ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines

Kraftfahrzeugs. Das Zündsystem verfügt über eine Pumplichtquelle 10, die beispielsweise einen Halbleiter-Diodenlaser aufweist, um Laserstrahlung zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung zu erzeugen. Die von der Pumplichtquelle 10 erzeugte Laserstrahlung wird über eine Lichtleitereinrichtung 11 an eine in der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 integrierte Lasereinrichtung 120 weitergeleitet. Bei der Lasereinrichtung 120 kann es sich beispielsweise um einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung (nicht gezeigt) handeln, mit dem in an sich bekannter Weise Laserimpulse 20 hoher Leistung erzeugt werden können. Die Lasereinrichtung 120 verfügt über eine Fokussieroptik 121 zur Fokussierung der Laserimpulse 20 auf einen in der Vorkammer 1 10 der Laserzündkerze 100 angeordneten Fokuspunkt FP.

Ein Brennraumfenster 122 ist zwischen der Fokussieroptik 121 und der Vorkammer

1 10 angeordnet.

Figur 2a zeigt einen brennraumzugewandten Endbereich der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 in vergrößerter Darstellung. Wie aus Figur 2a ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 120,121 (Figur 1 ) so ausgebildet, dass sie die

Laserimpulse 20 auf einen Fokuspunkt FP bündelt, der im Bereich der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10, vorliegend direkt auf der Innenoberfläche 1 10a, liegt. Durch die direkte Beaufschlagung der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 110 mit Laserimpulsen 20 wird erfindungsgemäß vorteilhaft ein Metallplasma 20a erzeugt, das zur Zündung eines in der Vorkammer 110 vorhandenen Luft-/Kraftstoffgemischs dient.

Hierfür sind im Gegensatz zu der (Gas-)Plasmaerzeugung bei den herkömmlichen Systemen, bei denen der Fokuspunkt nicht auf einer metallischen Oberfläche liegt, weitaus geringere Laserleistungsdichten erforderlich.

Dadurch können einerseits die Kosten für die Lasereinrichtung 120 reduziert werden, und andererseits wird die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 gesteigert.

Die Vorkammer 1 10 der Laserzündkerze 100 verfügt über Überströmkanäle 125, die in an sich bekannter Weise eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 1 10 und dem

Brennraum 200 (Figur 1 ) herstellen. Die Anordnung, Geometrie und Anzahl der Überströmkanäle 125 ist variabel und kann durch Strömungssimulationen an den Bedarf der jeweiligen Brennkraftmaschine angepasst werden.

Für manche Brennverfahren beziehungsweise Brennraumgeometrien kann es vorteilhaft sein, dass die Vorkammer 1 10 einen zentralen Überströmkanal 125' aufweist, vergleiche Figur 2b. Um dennoch eine zuverlässige Laserzündung zu ermöglichen, kann die Lasereinrichtung 120 (Figur 1 ) der Laserzündkerze 100 vorteilhaft so ausgebildet sein, dass der Fokuspunkt FP wie in Figur 2b gezeigt bezüglich der optischen Achse A der Laserzündkerze 10 desachsiert ist, damit die Entflammlung in einem Strömungsbereich mit verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeiten starten kann.

Durch eine tangentiale Anordnung der Überströmkanäle 125 kann ferner vorteilhaft in der Vorkammer 110 ein Drall erzeugt werden, der eine verbesserte Vermischung von

Frischgas mit dem in der Vorkammer 110 befindlichen Restgas gewährleistet.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der im Bereich des Fokuspunkts FP ein Opfermaterial 1 11 vorgesehen ist, das sich insbesondere hinsichtlich seines Absorptionsvermögens für die Laserimpulse 20 und/oder einer Schmelztemperatur und/oder weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der restlichen Vorkammer 1 10 verwendeten Material unterscheidet.

Auf diese Weise kann neben der reinen Materialvorhaltung, die dem gesteigerten

Verschleiß durch die erfindungsgemäße Auswahl des Fokuspunkts FP Rechnung trägt, gleichzeitig eine verbesserte Plasmaerzeugung durch geeignete Materialauswahl realisiert werden.

Alternativ oder ergänzend zu einem separaten Opfermaterial kann im Bereich des

Fokuspunkts FP auch eine Materialanhäufung 1 11 des die Vorkammer 110 bildenden Materials vorgesehen werden, beispielsweise durch eine lokale Vergrößerung der Wanddicke. Dadurch wird dem durch die laserinduzierte Erosion bedingten Materialabtrag entgegengewirkt, was sich positiv auf die Standzeit der Vorkammer 110 bzw. der gesamten Laserzündkerze 100 auswirkt.

Figur 4 zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der vorliegend als Hohlspiegel 1 15 ausgebildete Fokussiermittel direkt in der Vorkammer 1 10 angeordnet sind. Bei dieser Erfindungsvariante kann die Lasereinrichtung 120 (Figur 1 ) die Laserimpulse 20 im wesentlichen unfokussiert, insbesondere als Parallelstrahl, auf die Fokussiermittel 1 15 einstrahlen. Durch eine geeignete Auswahl der Geometrie des erfindungsgemäßen Hohlspiegels 1 15 kann vorteilhaft eine sehr geringe Brennweite für den Hohlspiegel 115 erzielt werden, so dass der vorliegend durch die Vorkammer 1 10 festgelegte Fokuspunkt FP vergleichbar zu den vorstehend beschriebenen Erfindungsvarianten - zwar nicht direkt auf der Oberfläche 110a - jedoch im Bereich der Innenoberfläche eines brennraumzugewandten Endbereichs der Vorkammer 110 liegt. Der Hohlspiegel 1 15 kann bevorzugt eine parabolische Querschnittsform aufweisen oder auch als einfacher Kegelspalt ausgebildet sein, wodurch eine Fertigung vereinfacht wird.

Alternativ zu der Einstrahlung eines Parallelstrahls auf den Hohlspiegel 1 15 ist es auch möglich, die Laserimpulse 20 mittels der Lasereinrichtung 120, 121 auf einen virtuellen Fokuspunkt FP' zu fokussieren, der außerhalb der Vorkammer 1 10 liegt. In diesem Fall trift der Laserimpuls 20 mit einem nichtverschwindenden Strahlquerschnitt auf die Fokussiermittel 115 der Vorkammer 110, die eine weitere Fokussierung kombiniert mit einer Reflexion des Laserimpulses 20 auf den „internen" Fokuspunkt FP bewirken. Eine hierfür in der Lasereinrichtung 120 erforderliche Fokussieroptik 121 mit verhältnismäßig großer Brennweite kann wesentlich einfacher mit derselben optischen Güte gefertigt werden, als die bei herkömmlichen Laserzündkerzen verwendeten Fokussieroptiken mit sehr viel kleinerer Brennweite. Dadurch kann beispielsweise auf den Einsatz asphärischer Fokussierlinsen in der Lasereinrichtung 120 verzichtet werden, was die Fertigungskosten deutlich senkt.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 ist in Figur 5 abgebildet. Bei dieser Erfindungsvariante sind im

Bereich der Vorkammer 110 Magnetmittel 130 vorgesehen, die bei der Laserzündung frei werdende magnetische Partikel anziehen und damit gleichsam binden oder, im Falle elektrisch geladener Partikel, die Partikel ablenken, so dass sie nicht auf das Fenster gelangen, wodurch vorteilhaft eine Verschmutzung des Brennraumfensters 122 verringert wird.

Die Magnetmittel 130 können insbesondere Ringmagnete und/oder mehrere umlaufend um eine Längsachse der Laserzündkerze 100 angeordnete Einzelmagnete aufweisen, die insbesondere als Seltenerdmagnete (z.B. Neodym, Samarium-Cobalt) ausgebildet sind, welche Curietemperaturen > 400 ⁰ C besitzen können. Der Einsatz von

Elektromagneten ist ebenfalls denkbar, sofern die Laserzündkerze 100 über entsprechende Ansteuerleitungen verfügt. Es ist ferner vorstellbar, die Magnetmittel 130 so auszubilden und anzuordnen, dass sie neben der Funktion der Partikelbindung - ggf. zusammen mit den strömungsformenden Überströmkanälen 125 - die Formung und Bewegung des Zündplasmas 20a beeinflussen können. Eine besonders effiziente Wärmeableitung aus der Vorkammer 1 10 ergibt sich einerseits durch eine einstückige Ausbildung der Vorkammer 110 mit der Laserzündkerze 100.

Es ist alternativ hierzu jedoch auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorkammer 1 10 durch ein als ein separates Bauteil ausgebildetes Vorkammermodul 1 10 zu realisieren. Das separate Vorkammermodul 1 10 kann gleichenfalls über die erfindungsgemäße Materialanhäufung 1 11 beziehungsweise ein für die Laserzündung geeignetes Opfermaterial verfügen. Es ist ferner ebenfalls möglich, dass ein erfindungsgemäßes Vorkammermodul 110 die vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 4 beschriebenen

Fokussiermittel aufweist.

Das als separates Bauteil ausgeführte Vorkammermodul 1 10 kann beispielsweise während eines Fertigungsprozesses unlösbar mit der restlichen Laserzündkerze 100 verbunden werden. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße Vorkammermodul 110 auch lösbar mit der Laserzündkerze 100 verbindbar ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Schraubverbindung.

Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 bzw. das erfindungsgemäße

Vorkammermodul 110 kann vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder auch bei stationären Großgasmotoren verwendet werden. Eine zeitliche Mehrpulszündung, bei der innerhalb eines Zündzyklus mehrere Laserimpulse 20 abgegeben werden, ist ebenfalls durch die Erfindung realisierbar.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Fokuspunkts FP im Bereich der Innenoberfläche 110a, insbesondere in einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer 1 10, ermöglicht eine optimale Entflammung des in dem Hauptbrennraum 200 angeordneten Luft-/Kraftstoffgemischs, was insgesamt zu einer besseren Verbrennung und somit einer größeren Leistung der Brennkraftmaschine und/oder geringeren Emissionen führt.