Beschreibung

Lasereinrichtung für die Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

So genannte Laserzündungen sind bereits bekannt. Sie umfassen eine Pumplichtquelle, eine Lichtleitereinrichtung und eine Lasereinrichtung. Die Lasereinrichtung erzeugt einen Laserimpuls, der auf den so genannten Zündpunkt fokussiert ist. Dieser Zündpunkt liegt innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine. Da bei einer für die Zukunft geplanten Serienfertigung von Laserzündeinrichtungen sehr große Stückzahlen produziert werden sollen, ist die kostengünstige Herstellung der Lasereinrichtung, aber auch anderer Komponenten der Laserzündung, von großer wirtschaftlicher Bedeutung.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lasereinrichtung bereitzustellen, die hinsichtlich Bauteilzahl, Herstellungskosten der einzelnen Bauteile, aber auch der Montagekosten eine Verbesserung des Standes der Technik darstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Lasereinrichtung für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine umfassend einen laseraktiven Festkörper, einen Einkoppelspiegel, einen Auskoppelspiegel, eine passive Güteschaltung und ein fokussierendes Brennraumfenster dadurch gelöst, dass das Brennraumfenster aus gepresstem Glas besteht.

Dadurch dass das erfindungsgemäße Brennraumfenster fokussierend ist, kann es zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Fokussierung des Laserimpulses und die Trennung der Lasereinrichtung vom Brennraum und den dort herrschenden Drücken und Temperaturen übernehmen. Dadurch ergibt sich eine Reduktion der Bauteilezahl, was sich naturgemäß nicht nur in den Produktionskosten, sondern auch in den Montagekosten positiv niederschlägt. Außerdem kann dadurch die Lasereinrichtung kompakter gebaut werden, was in den beengten Bauraumverhältnissen im Bereich des Zylinderkopfs moderner Brennkraftmaschinen stets vorteilhaft ist. Allerdings werden an ein fokussierendes Brennraumfenster erhöhte Anforderungen hinsichtlich der optischen Eigenschaften gestellt.

Da das Brennraumfenster sehr großen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, kann

es nur aus sehr wenigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Quarzglas hergestellt werden. Da Quarzglas bislang lediglich durch Schleifen und Polieren bearbeitet werden kann, sind fokussierenden Brennraumfenster aus Quarzglas sehr teuer in der Herstellung und daher für eine Serienfertigung mit großen Stückzahlen nicht geeignet.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das Brennraumfenster aus gepresstem Glas, insbesondere aus gepresstem Quarzglas herzustellen. Dadurch ist es möglich, die Herstellungskosten für das fokussierende Brennraumfenster deutlich zu reduzieren, ohne dass die optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennraumfensters leiden würden.

Die optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennraumfensters aus gepresstem Glas können weiter dadurch verbessert werden, dass das Brennraumfenster als asphärische Linse ausgebildet ist. Hier kommt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß beanspruchten Herstellungsverfahren zum Tragen, da, anders als beim Schleifen und Polieren von Linsen, die Form der Linse beim Pressformen nahezu keinen Einfluss auf die Herstellungskosten hat. Dies liegt darin begründet, dass eventuelle Mehrkosten, die sich durch eine kompliziertere Geometrie der Linse ergeben, lediglich bei der Herstellung der Pressform auswirken und diese Mehrkosten auf eine Vielzahl von Brennraumfenstern, die mit dieser Pressform hergestellt werden, umgelegt werden können. Dadurch ist es einerseits möglich, komplizierte und damit optisch sehr leistungsfähige Linsengeometrien zu realisieren und gleichzeitig die Herstellungskosten auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Brennraumfenster aus Quarzglas hergestellt, da dieses Material für das Hochtemperaturpressen geeignet ist und gleichzeitig auch die an ein Brennraumfenster gestellten Anforderungen hinsichtlich Druck- und Temperaturbeständigkeit erfüllt.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines fokussierenden Brennraumfensters einer Lasereinrichtung für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei der eine ausreichende Menge Glas in eine Pressform eingelegt wird, eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut wird, welche Pressform und Glas umgibt, und in einem weiteren Schritt Glas und Pressform auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Glas formbar ist.

Anschließend wird die Pressform geschlossen und dadurch dem Glas die gewünschte Form gegeben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann, in einer chemisch inerten Schutzgasatmosphäre das Glas, aus dem später ein fokussierendes Brennraumfenster gepresst wird, auf die gewünschte und erforderliche Temperatur gebracht werden und durch Schließen der Pressform können anschließend beide Seiten des Brennraumfensters die nötige und gewünschte Form erhalten. Dieser Pressvorgang ist

deutlich schneller als ein Schleifen und anschließendes Polieren beider Oberflächen des Brennraumfensters. Außerdem ist es möglich, in einer Pressform mehrere, beispielsweise 16, 25, 36 oder 49 Gesenke für erfindungsgemäße Brennraumfenster vorzusehen, so dass in einem Pressvorgang eine Vielzahl erfindungsgemäßer Brennraumfenster gleichzeitig hergestellt werden können. Dadurch ergibt sich nochmals eine erhebliche Kostenreduktion und Erhöhung der Produktionskapazität.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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 und

Figur 2 ein Ablaufdiagramm einer Verfahren zur Herstellung eines fokussierenden Brennraumfensters .

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 einen oder 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. Alternativ kann die Gemischbildung auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel im Saugrohr, erfolgen.

Das in dem Brennraum 14 vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 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 Lasereinrichtungen 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 34 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die verschiedenen Lasereinrichtungen 26 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Lasereinrichtungen 26 erforderlich sind.

Die Lasereinrichtung 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 die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch ein fokussierendes Brennraumfenster 58 auf einen in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 der Lasereinrichtung 26 vorhandenen Komponenten sind durch das Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt. Da das Brennraumfenster 58 während des Betriebs der Brennkraftmaschine hohen Drücken und Temperaturen standhalten und gleichzeitig durchlässig für das Laserlicht sein muss, gibt es nur wenige geeignete Werkstoffe, wie zum Beispiel Quarzglas oder Saphir.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ib übernimmt das Brennraumfenster 58 zwei Aufgaben. Die erste Aufgabe besteht darin, das Innere der Lasereinrichtung 26 von den im Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 herrschenden Drücken, Temperaturen und Rauchgasen zu trennen. Daher muss das Brennraumfenster 58 aus extrem druck- und temperaturbeständigem Material hergestellt werden.

Die zweite Aufgabe des in Figur Ib dargestellten Brennraumfensters 58 besteht darin, von dem laseraktiven Festkörper 44 ausgekoppelten Laserimpuls 24 auf einen Zündpunkt ZP zu fokussieren.

Zu diesem Zweck ist das in Figur Ib dargestellte erfindungsgemäße fokussierende Brennraumfenster 58 auf der dem laseraktiven Festkörper 44 zugewandten Seite als Planfläche ausgebildet. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Planfläche des Brennraumfensters 58 auf der dem

Brennraum 14 zugewandten Seite anzuordnen. Es ist aber genauso möglich, dass beide Seiten des Brennraumfensters 58 gekrümmte Flächen aufweisen.

Durch die Doppelfunktion des Brennraumfensters 58 ergibt sich neben einer erheblichen Kosteneinsparung, durch die Reduktion der Zahl der Bauteile auch eine Einsparung an Bauraumbedarf.

In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen fokussierenden Brennraumfensters 58 dargestellt. In einem ersten Schritt 60 wird eine Pressform geöffnet und eine zur Herstellung eines Brennraumfensters 58 erforderliche Menge Glas in festem Zustand in die Pressform eingelegt.

In einem zweiten Schritt 62 wird eine Schutzgasatmosphäre gebildet, welche Pressform und das in der Pressform befindliche Glas umgibt.

In einem dritten Schritt 64 werden das Glas und die Pressform auf eine geeignete Verarbeitungstemperatur erwärmt. Dies kann bevorzugt durch Infrarotstrahlen erfolgen. Für das Umformen von Quarzglas durch Pressen haben sich Temperaturen von etwa 1.500° Celsius als geeignet erwiesen.

Anschließend wird in einem vierten Schritt 66 die Pressform geöffnet und die gepressten erfindungsgemäßen Brennraumfenster 58 werden durch Schutzgas, insbesondere Stickstoff, so weit abgekühlt, dass sie aus der Pressform entnommen werden können. Danach beginnt das Herstellungsverfahren von neuem. Es ist offensichtlich, dass die Produktivität der Pressform drastisch erhöht werden kann, wenn in der Pressform die Formen für mehrere Brennraumfenster 58 vorgesehen sind. Dann nämlich ist es möglich, mehrere Brennraumfenster gleichzeitig herzustellen.