Beschreibung

Titel

Zündkerze für eine Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren hierfür

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit einer Lichtleitereinrichtung zur Versorgung der Zündkerze mit optischer Strahlungsleistung. Eine Zündeinrichtung mit einem Laser ist aus der DE 199 11 737 oder der DE 101 45 944 bekannt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Zündkerzen und Betriebsverfahren der eingangs genannten Art sind bekannt und werden insbesondere bei laserbasierten Zündsystemen von Brennkraftmaschinen verwendet. Zur Erfassung von optischen Betriebsinformationen eines der Zündkerze zugeordneten Brennraums bzw. der Zündkerze selbst ist es bekannt, die zur Versorgung der Zündkerze mit optischer Strahlungsleistung wie z.B. Pumplicht vorgesehene Lichtleitereinrichtung zu verwenden. Hierbei werden dementsprechend optische Betriebsinformationen aus dem Brennraum über die Lichtleitereinrichtung an eine Auswertvorrichtung übertragen, was üblicherweise eine Trennung dieser optischen Informationen von dem Pumplicht erforderlich macht.

Ferner ist die vorstehend beschriebene, bekannte Art der Ermittlung optischer Betriebsinformationen aus der Zündkerze bzw. einem ihr zugeordneten Brennraum nicht bei herkömmlichen Zündkerzen anwendbar, die einen integrierten Zündlaser aufweisen.

Offenbarung der Erfindung

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze und ein

Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine einfachere und flexiblere Auswertung von Betriebsinformationen der Zündkerze möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Zündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest teilweise in die Zündkerze integrierte, jedoch außerhalb der Lichtleitereinrichtung angeordnete Sensormittel, die zur Erfassung von Betriebsinformationen der Zündkerze und/oder eines der Zündkerze zugeordneten Brennraums ausgebildet sind, vorgesehen sind.

Durch die erfindungsgemäß außerhalb der Lichtleitereinrichtung angeordneten Sensormittel ergibt sich nicht das von dem Stand der Technik bekannte Problem der Separierung der unterschiedlichen optischen Signale.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Zündkerze gemäß Patentanspruch 7 angegeben. Die einen integrierten Zündlaser aufweisende Zündkerze ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zündlaser zumindest teilweise transparent ist für Licht eines ersten Wellenlängenbereichs, das von einem Brennraum in die Zündkerze eingestrahlt wird, wobei der erste Wellenlängenbereich vorzugsweise von etwa 200 nm bis etwa 800 nm reicht, und dass der Lichtleitereinrichtung ein optischer Strahlteiler zugeordnet ist zur Separierung von Licht des ersten Wellenlängenbereichs von dem Pumplicht. Durch die erfindungsgemäße transparente Ausbildung des Zündlasers bzw. dessen Komponenten für einen interessierenden Wellenlängenbereich optischer Betriebsinformationen kann auch bei derartigen Zündkerzentypen eine kleinbauende Konfiguration erzielt werden, die gleichzeitig eine optische überwachung eines Betriebs der Zündkerze bzw. von Vorgängen in dem Brennraum ermöglicht.

Eine Kombination des erfindungsgemäßen transparenten Zündlasers mit weiteren, außerhalb der Lichtleitereinrichtung angeordneten Sensormitteln ist ebenfalls denkbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden 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 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Figur 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze, und

Figur 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine. Die Zündkerze 100 weist eine vorliegend als lichtleitende Faser ausgebildete Lichtleitereinrichtung 110 auf, die die Zündkerze 100 mit Licht versorgt, das von einer Lichtquelle 150 bereitgestellt wird.

Bei der Lichtquelle 150 kann es sich beispielsweise um eine Pumplichtquelle handeln, die einen in der Zündkerze 100 vorgesehenen laseraktiven Festkörper 105 eines integrierten Zündlasers mit Pumplicht versorgt. Der Zündlaser erzeugt daraufhin in bekannter Weise Laserimpulse, vgl. den Pfeil 20, die durch das in Figur 1 an einem linken Ende der Zündkerze 100 angeordnete Brennraumfenster 130 in einen benachbarten Brennraum der Brennkraftmaschine abgestrahlt werden. Zur Fokussierung der Laserimpulse 20 auf einen in dem Brennraum befindlichen Zündpunkt ZP bzw. auf in diesem Bereich befindlichen Kraftstoff kann eine vorliegend durch die Linse 30 symbolisierte Optik vorgesehen sein.

Zur überwachung eines ordnungsgemäßen Betriebs der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 sind Sensormittel vorgesehen, die bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 eine separate Lichtleitereinrichtung 120 sowie einen optoelektrischen Wandler 115' aufweisen. Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist ein erstes Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 direkt in der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 angeordnet, so dass Betriebsinformationen

repräsentierende optische Signale aus dem Inneren der Zündkerze 100 in die separate Lichtleitereinrichtung 120 eingekoppelt werden können. Solche optischen Signale können beispielsweise bei einer Zündung bzw. Verbrennung von in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff entstehen, wobei insbesondere ein Wellenlängenbereich von etwa 200 nm bis etwa 900 nm interessierende Informationen enthalten kann. Diese optischen Signale dringen durch das Brennraumfenster 130 in den Innenraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 und können somit direkt in die separate Lichtleitereinrichtung 120 einkoppeln.

Ein zweites Ende 120b der separaten Lichtleitereinrichtung 120 ist vorzugsweise außerhalb der Zündkerze 100 angeordnet und optisch verbunden mit dem optoelektrischen Wandler 115', bei dem es sich beispielsweise um eine Fotodiode handeln kann. Der optoelektrische Wandler 115' wandelt die über die separate Lichtleitereinrichtung 120 aus der Zündkerze 100 erhaltenen optischen Signale in entsprechende elektrische Signale um, die gegebenenfalls durch eine nicht in Figur 1 abgebildete, nachgeschaltete Auswerteeinheit ausgewertet werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 gemäß Figur 1 ergibt sich vorteilhaft nicht das Problem der Separierung des Pumplichts der Lichtquelle 150 von den optischen

Betriebsinformationen, die beispielsweise von in dem Brennraum verbrennendem Kraftstoff stammen.

Das erste Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 kann beispielsweise auch so innerhalb der Zündkerze 100 angeordnet sein, dass von dem integrierten Zündlaser erzeugte Laserimpulse zumindest teilweise direkt in die separate Lichtleitereinrichtung 120 einkoppeln. Dadurch ist eine unmittelbare überwachung des Betriebs des integrierten Zündlasers der Zündkerze 100 gewährleistet.

Alternativ oder ergänzend kann das erste Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 auch so in der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 angeordnet sein, dass durch das Brennraumfenster 130 in das Innere der Zündkerze 100 eintretende Strahlung - wie bereits beschrieben - zumindest teilweise in die separate Lichtleitereinrichtung 120 einkoppelt.

Die Verwendung mehrerer separater Lichtleiter 120 ist ebenso denkbar.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 ist in Figur 2 abgebildet. Im Unterschied zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 aus Figur 2 einen optoelektrischen Wandler 115 auf, der direkt innerhalb der Zündkerze 100 angeordnet ist. Der optoelektrische Wandler 115 wandelt aus dem Innenraum der Zündkerze 100 aufgenommene optische Signale direkt in entsprechende elektrische Signale um, die über ein in Figur 2 nicht näher bezeichnetes Signalkabel an eine nachgeschaltete Auswerteelektronik 140 weitergeleitet werden. Wie aus Figur 2 ersichtlich, kann die Auswerteeinheit 140 auch zusammen mit einer die Zündkerze 100 versorgenden Lichtquelle 150 in einer gemeinsamen Steuereinheit 200 angeordnet sein. Bei der Steuereinheit 200 kann es sich beispielsweise auch um ein Steuergerät handeln, das den Betrieb einer die erfindungsgemäße Zündkerze 100 aufweisenden Brennkraftmaschine koordiniert und dementsprechend auch weitere, anderen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeordnete Zündkerzen 100, steuert. Ein ggf. erforderlicher optischer Verteiler zur Verteilung von Pumplicht oder dergleichen von der Lichtquelle 150 auf die mehreren Zündkerzen 100 ist in Figur 2 nicht abgebildet.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 nach Figur 2 besteht darin, dass direkt an dem Ort der optischen Erfassung von Betriebsinformationen der Zündkerze 100 eine Signalumwandlung zu elektrischen Signalen erfolgt, so dass keine Dämpfungsverluste durch eine optische Weiterleitung der Betriebsinformationen auftreten. Es ist darüber hinaus auch eine zumindest teilweise Vorverarbeitung der elektrischen Signale, insbesondere eine Vorverstärkung, lokal in der Zündkerze 100 vorstellbar. Eine hierzu erforderliche Elektronik ist vorteilhaft zusammen mit dem optoelektrischen Wandler 115 in einem einzigen Modul integriert.

Ebenso wie das erste Ende 120a der in Figur 1 abgebildeten separaten Lichtleitereinrichtung 120 kann der optoelektrische Wandler 115 aus Figur 2 so angeordnet sein, dass er direkt von dem Zündlaser abgestrahlte Laserimpulse beziehungsweise durch das Brennraumfenster 130 in den Innenraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 eingekoppeltes Licht aufnimmt.

Darüber hinaus ist es ferner möglich, mehrere optoelektrische Wandler 115 innerhalb der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 vorzusehen oder auch eine dem Wandler 115 vorgeschaltete Optik (nicht gezeigt), welche sowohl durch das Brennraumfenster 130

eingekoppeltes Licht als auch von dem Zündlaser herrührendes Laserlicht auf den optoelektrischen Wandler 115 abbildet.

Analog hierzu kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 mehr als eine separate Lichtleitereinrichtung 120 vorgesehen sein beziehungsweise eine besondere Optik, die dem ersten Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 zugeordnet ist und eine Abbildung von Licht aus dem Brennraum und/oder dem Zündlaser der Zündkerze 100 durchführt.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben.

Die in Figur 3 abgebildete erfindungsgemäße Zündkerze 100 weist einen integrierten Zündlaser auf, der u. a. einen Einkoppelspiegel 106, einen Auskoppelspiegel 107 und den dazwischen angeordneten und bereits beschriebenen laseraktiven Festkörper 105 aufweist und somit einen Oszillator bildet, der nach hinreichender Beaufschlagung mit von der Lichtquelle 150 über die Lichtleitereinrichtung 110 eingekoppeltem Pumplicht Laserimpulse 20 abgibt.

Die den Oszillator begrenzenden Spiegel 106, 107 sind - wie bei herkömmlichen Zündlasern - transparent für das Pumplicht, das beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 790 nm bis etwa 990 nm aufweisen kann, und weitestgehend reflektierend für die Wellenlänge(n) der erzeugten Laserimpulse 20, die beispielsweise in einem Bereich von etwa 1000 nm bis etwa 1550 nm liegen. Allein der Auskoppelspiegel 107 weist für die Laserimpulse 20 einen hinreichend großen Transmissionskoeffizienten auf, um überhaupt Laserimpulse 20 in den Brennraum abstrahlen zu können.

Erfindungsgemäß ist der gesamte Zündlaser, insbesondere also die Komponenten 105, 106, 107, zumindest teilweise transparent für Licht eines interessierenden Wellenlängenbereichs, das von dem Brennraum in das Innere der Zündkerze 100 eingestrahlt wird. Der interessierende Wellenlängenbereich reicht vorzugsweise von etwa 200 nm bis etwa 900 nm, und die erfindungsgemäße Transparenz in diesem Wellenlängenbereich ermöglicht die

Weiterleitung von aus dem Brennraum stammenden Licht 25 durch die Lichtleitereinrichtung 110 an einen optoelektrischen Wandler 115.

Die in Figur 3 abgebildete Zündkerze 100 weist ferner einen der Lichtleitereinrichtung 110 zugeordneten optischen Strahlteiler 111 auf zur Separierung von Licht 25, 25a aus dem Brennraum und dem Pumplicht der Lichtquelle 150.

Bis auf einen ersten Abschnitt 110a der Lichtleitereinrichtung 110 erfolgt dementsprechend eine Doppelnutzung der Lichtleitereinrichtung 110 durch das zum Betrieb des Zündlasers erforderliche Pumplicht und durch Licht, das z.B. von in dem Brennraum verbrennendem

Kraftstoff abgestrahlt wird und durch das Brennraumfenster 130 und den hierfür transparenten Zündlaser in die Lichtleitereinrichtung 110 einkoppelt und interessierende Betriebsinformationen in optischer Form liefert.

Durch die transparente Auslegung des Zündlasers bei der Zündkerze nach Figur 3 ist eine besonders kleinbauende Konfiguration der Zündkerze 100 möglich.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein von dem optoelektrischen Wandler 115, 115' geliefertes elektrisches Signal im Wege einer Filterung ausgewertet. Die Filterung kann insbesondere mittels geeigneter Bandpassfilter oder einer entsprechenden Signalverarbeitung oder dergleichen erfolgen und berücksichtigt vorteilhaft die unterschiedlichen Phasen bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Zündkerze 100, wie beispielsweise die Erzeugung und Abstrahlung eines Laserimpulses 20 von der Zündkerze 100 durch das Brennraumfenster 130 auf einen außerhalb der Zündkerze 100 liegenden Zündpunkt ZP einerseits und einen nachfolgenden Verbrennungsvorgang in dem Brennraum der Brennkraftmaschine andererseits, bei dem insbesondere ultraviolettes Licht 25 von dem verbrennenden Luft- Kraftstoff- Gemisch abgestrahlt wird und zumindest teilweise durch das Brennraumfenster 130 in das Innere der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 einkoppelt.

Zur überprüfung der Lichtquelle 150 beziehungsweise des Zündlasers oder generell der ordnungsgemäßen Erzeugung eines Laserimpulses 20 kann das von dem optoelektrischen Wandler 115, 115' gelieferte Signal beispielsweise in einem ersten überwachungszeitfenster ausgewertet werden, das um einen vermuteten Zündzeitpunkt herum liegt. Falls in diesem überwachungszeitfenster kein optisches Signal detektiert wird, das auf das Auftreten eines Laserimpulses 20 schließen lässt, kann in der Auswerteelektronik 140 beispielsweise ein entsprechender Fehler eingetragen werden. Ferner ist es möglich, durch die erfindungsgemäßen Sensormittel einen tatsächlichen Zeitpunkt des Auftretens des

Laserimpulses 20 genau festzustellen und beispielsweise der Steuereinheit 200 zu Diagnosezwecken zuzuleiten.

Neben der überprüfung der Lichtquelle 150 beziehungsweise des Zündlasers kann auch aufgrund einer ggf. nachfolgenden Verbrennung des Luft- Kraftstoff- Gemisches in dem Brennraum entstehendes Licht 25, 25a durch den optoelektrischen Wandler 115, 115' ausgewertet werden.

Zur Trennung der verhältnismäßig hochfrequenten Laserimpulse 20 von dem infolge der Verbrennung in dem Brennraum entstehenden Licht 25, 25a bzw. zur Trennung der entsprechenden elektrischen Signale kann ein Bandpassfilter vorgesehen sein, das eine entsprechend hohe Mittenfrequenz aufweist und neben den Signalen, die dem Brennraumlicht 25, 25a entsprechen, auch niederfrequente Störsignale filtert.

Ein weiteres Bandpassfilter entsprechender Mittenfrequenz kann ebenso zur Selektion des Brennraumlichts 25, 25a bzw. der entsprechenden elektrischen Signale eingesetzt werden.

Aufgrund der zeitlichen Trennung zwischen dem Auftreten des Laserimpulses 20 und einer erst danach einsetzenden Verbrennung kann auch allein durch eine entsprechende zeitliche Fensterung das jeweilig interessierende Signal ausgewählt werden. Eine Kombination der beschriebenen Filterung mit der Auswahl eines interessierenden Zeitfensters bzw. ein zeitliches Umschalten zwischen Band passfiltern verschiedener Mittenfrequenzen ist ebenfalls möglich.

Durch die erfindungsgemäße Zündkerze 100 und die darin angeordneten Sensormittel 115, 115', 120 ist vorteilhaft einerseits die überwachung der Erzeugung eines Laserimpulses 20 möglich und andererseits kann auch eine in dem Brennraum der Brennkraftmaschine stattfindende Verbrennung überwacht werden.

Eine ggf. vorhandene Optik 30 (Figur 1) zur Fokussierung der Laserimpulse 20 sowie das Brennraumfenster 130 sind - ebenso wie der Zündlaser bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Figur 3 - transparent zu gestalten für interessierende Wellenlängen des aus dem Brennraum stammenden Lichts 25, 25a.