Verfahren zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches

Abstract

 Verfahren zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum (2) eines Verbrennungsmotors, wobei die Zündung der Verbrennung zeitlich gesteuert unter Einbringung eines Laserlichtpulses in den Brennraum (2) erfolgt, wobei die Pulsdauer des Laserlichtpulses kleiner als 1 Nanosekunde (ns) ist und/oder wobei die Zeit bis zur Erreichung des Intensitätsmaximums wesentlich kleiner als die Gesamtpulsdauer ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eines Verbrennungsmotors, wobei die Zündung der Verbrennung zeitlich gesteuert unter Einbringung eines Laserlichtpulses in den Brennraum erfolgt und wobei der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass er im Kraftstoff-Luft-Gemisch die Bildung eines Plasmas bewirkt.

[0002] Das durch den Laserlichtpuls erzeugte Plasma fungiert als Medium, welches Laserlicht besonders gut absorbiert und so die Energieaufnahme durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch und damit dessen Zündung verbessert.

[0003] Gattungsgemäße Verfahren weisen das Problem auf, dass die Anwendung dieser Verfahren in Verbrennungsmotoren mit unterschiedlichen Nachteilen verbunden ist. Beispielsweise wird das zur Einbringung des Laserlichts in den Brennraum benötigte Brennraumfenster durch die Einwirkung der Laserstrahlung oder durch die chemischen Reaktionen der Verbrennung derart verändert, dass seine Durchlässigkeit für die Laserstrahlung mit der Zeit abnimmt, was die in den Brennraum eingebrachte Energie des Laserlichtes verringert. Weiter kommt es durch die Einwirkung des Laserlichts zu mechanischen Störungen im Brennraumfenster, was im Extremfall sogar zu dessen Zerstörung führen kann.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen, bei dem diese Probleme zumindest in geringerem Ausmaß auftreten.

[0005] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Pulsdauer des Laserlichtpulses kleiner als 1 Nanosekunde (ns) ist.

[0006] Überraschenderweise hat es sich bei Messungen der Anmelderin herausgestellt, dass bei Laserpulsen mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ns, die vom Laserstrahl verursachten Schäden am Brennraumfenster geringer ausfallen, als dies bei längeren Pulsen der Fall ist. Weiters hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine geringere Oberflächenbelagsbildung im Laufe der Zeit beobachtet wird, wodurch das Brennraumfenster auch über längere Zeiträume seine Durchlässigkeit in Bezug auf die Laserstrahlung beibehält. Dadurch ist im Laufe der Zeit auch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in den Brennraum eingebrachte Energie größer als dies bei Verfahren nach dem Stand der Technik der Fall ist.

[0007] Besonders ausgeprägt treten die vorteilhaften Effekte auf, wenn die Pulsdauer des Laserlichtpulses kleiner als 0,6 ns, vorzugsweise kleiner gleich 0,5 ns, ist.

[0008] Überraschenderweise treten bei zu geringen Pulsdauern des Laserlichtpulses negative Effekte auf, sodass vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Pulsdauer des Laserlichtpulses größer gleich 0,1 ns ist.

[0009] Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass Verfahren zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eines Verbrennungsmotors, wobei die Zündung der Verbrennung zeitlich gesteuert unter Einbringung eines Laserlichtpulses in den Brennraum erfolgt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass er im Kraftstoff-Luft-Gemisch die Bildung eines Plasmas bewirkt, wobei der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass er einen zeitlich asymmetrischen Intensitätsverlauf (I(t)) aufweist, wobei die Energiedichte

des Laserlichtpulses von Pulsbeginn (t_Start) bis zum Zeitpunkt (t_max) des Intensitätsmaximums (I_max) kleiner ist, als die Energiedichte

des Laserlichtpulses vom Zeitpunkt (t_max) des Intensitätsmaximums (I_max) bis zum Pulsende (t_End). Als Formel:

[0010] Unter Intensität I wird dabei die Leistung P bezogen auf die Querschnittfläche

des Laserlichtpulses verstanden. Die Leistung P ist dabei selbstverständlich gleich der Energie E pro Zeit

Unter Pulsbeginn t_Start bzw. Pulsende t_Ende wird dabei der Zeitpunkt verstanden, zu dem die Intensität auf 1/e² (e = Eulersche Zahl), also ca. 13 % angestiegen bzw. abgefallen ist.

[0011] Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die bei derartigen Laserlichtpulsen notwendigerweise steile Anstiegsflanke (das Intensitätsmaximum muss so groß sein, dass es zur Plasmabildung kommt) zu einer besonders raschen Plasmabildung führt, wobei rasch in Bezug auf die Gesamtpulsdauer zu verstehen ist. Damit steht das Plasma in Bezug auf die Gesamtpulsdauer früher zur Verfügung und kann so mehr Energie aus dem Laserlichtpuls absorbieren. Mit anderen Worten gesagt, ist der Laserlichtpuls derart ausgebildet, dass die ins Kraftstoff-Luft-Gemisch eingebrachte Energie (pro Fläche) vor Bildung des Plasmas kleiner ist, als die ins Kraftstoff-Luft-Gemisch eingebrachte Energie (pro Fläche) nach Bildung des Plasmas.

[0012] Solange dieses Kriterium erfüllt ist, kann die Pulsdauer bei bis zu 6 bis 8 ns liegen. Besonders vorteilhaft kann aber die Verwendung von Laserlichtpulsen mit der in den Ansprüchen 1 bis 3 angegebenen kurzen Pulsdauern vorgesehen sein.

[0013] Der Vorteil ist umso größer, je früher das Intensitätsmaximum erreicht wird. Besonders bevorzugt ist daher vorgesehen, dass der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass das Intensitätsmaximum (I_max) im ersten Viertel, vorzugsweise im ersten Sechstel der Pulsdauer (t_End - t_Start) des Laserlichtpulses liegt.

[0014] Das Formen des Laserlichtpulses kann durch dem Fachmann geläufige Maßnahmen erfolgen Zum Beispiel durch eine geeignet hohe Verstärkung des aktiven Lasermediums (z.B. durch hohe Dotierung) oder durch geeignete Wahl der relevanten Parameter des passiv-güteschaltenden Mediums, wie Initial- und Sättigungstransmission (T₀ bzw. T_SAT) oder Dicke.

[0015] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in beiden Varianten auch besonders gut bei extrem mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A) größer als 1,5 - vorzugsweise größer als 1,8 - ist.

[0016] Gerade in Bezug auf magere Mischungen sind Laserlichtpulse mit der angegebenen kurzen Pulsdauer aufgrund ihrer steilen Anstiegsflanke besonders gut geeignet. Dadurch wird die Plasmabildungsschwelle rascher erreicht und das Plasma entsteht im Bezug auf die Pulslänge früher, wodurch mehr Pulsenergie des Laserlichtpulses vom Plasma absorbiert werden kann.

[0017] Ganz allgemein kann aber auch vorgesehen sein, nach dem das Plasma erzeugenden Laserlichtpuls einen weiteren, vorzugsweise länger andauernden zweiten Laserlichtpuls, in den Brennraum zu senden, um eine genügend große Energieaufnahme durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch und so die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sicherzustellen.

[0018] Das Verfahren eignet sich insbesondere für mit Gas oder Benzin betriebene Ottomotoren.

[0019] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es besonders gut bei Verbrennungsmotoren einsetzbar ist, bei denen die Gemischbildung im Brennraum erfolgt.

[0020] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gemischbildung durch direkte Einspritzung von flüssigem Kraftstoff, insbesondere Benzin, in den Brennraum erfolgt. Bisher war bei der Direktbenzineinspritzung die vorzunehmende Zündung ein Problem. Das eingespritzte Benzin weist anfänglich in etwa Keulenform auf. Es herrscht ein steiler Gradient von Mischungsverhältnissen vor (im Kern überfett, außen mager) der sowohl last- als auch temperaturabhängig ist. Die beim Stand der Technik häufig eingesetzten Zündkerzen sind schwer am optimalen Zündort zu platzieren, da sich dieser Ort in unvorhersagbarer Weise ständig ändert. Des weiteren stellen Zündkerzen auch mechanische Hindernisse dar. Es kann auch zu Kurzschlüssen durch Benzintröpfchen kommen. All diese Probleme werden beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.

[0021] Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Zündenergie bei allen Varianten und Ausführungsbeispielen auf etwa 0,1 bis 30 mJ begrenzt werden.

[0022] Die Erfindung betrifft weiters einen Verbrennungsmotor, der derart ausgebildet ist, dass er zum Betrieb mit einem Verfahren in einer der vorgenannten Ausführungsformen geeignet ist. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren und der Figurenbeschreibung. Dabei zeigen

Fig. 1

in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor

Fig. 2

in schematischer Darstellung einen Laserlichtpuls, der nach der ersten Variante der Erfindung ausgebildet ist und

Fig. 3

in schematischer Darstellung eines Laserlichtpuls der nach der zweiten Variante der Erfindung ausgebildet ist.

[0023] Fig.1 zeigt einen Zylinder 1 eines (im allgemeinen mehrere Zylinder aufweisenden) nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors. In den Brennraum 2 wird über ein Brennraumfenster 3 Laserlicht 4 eingebracht und auf das Fokusvolumen 5 fokussiert. Das Laserlicht wird dabei in einer Laserlichtquelle 6 (Pumplaser) erzeugt, welche eine Pumplaserdiode 7, einen Peltierkühler 8 und eine Einkoppeloptik zum Einkoppeln des erzeugten Laserlichts in eine Lichtleiterfaser 10 aufweist. Die Lichtleiterfaser 10 leitet das Laserlicht zum eigentlichen Zündlaser 11. Dieser weist eine Einkoppeloptik 12, einen Laserkristall 13 mit dichroitischer Beschichtung, eine (optionale) Teleskoplinse 14 und einen passiven Q-Switch 15 auf. Die dem Zylinder 1 zugewandte Oberfläche des Q-Switch 15 ist in Form einer Auskoppeloberfläche geschliffen und geeignet beschichtet. Zwischen dem Zündlaser 11 und dem Brennraumfenster 3 ist noch eine Aufweiteoptik 16 vorgesehen, um ein möglichst geringes Fokusvolumen 5 zu erzielen.

[0024] In Fig. 2 ist schematisch die Form eines erfindungsgemäßen Laserlichtpulses dargestellt, wobei auf der Ordinate die Intensität I(t) und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen ist. Die Pulsdauer t_End - t_Start des dargestellten Laserpulses beträgt etwa 0,9 ns. Es handelt sich also um einen kurzen Laserpuls im Sinne des Anspruchs 1.

[0025] In Fig. 3 beträgt die Pulsdauer etwa 7 ns. Es handelt sich also um einen langen Laserpuls. Der Laserpuls ist derart ausgebildet, dass sein Intensitätsmaximum l_max im ersten Sechstel der Pulsdauer t_End - tS_tart liegt. Durch den raschen Anstieg der Intensität wird eine frühe Plasmabildung (bezogen auf die Gesamtpulsdauer) gewährleistet.

Ansprüche

1. Verfahren zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eines Verbrennungsmotors, wobei die Zündung der Verbrennung zeitlich gesteuert unter Einbringung eines Laserlichtpulses in den Brennraum erfolgt und wobei der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass er im Kraftstoff-Luft-Gemisch die Bildung eines Plasmas bewirkt., dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des Laserlichtpulses kleiner als 1 Nanosekunde (ns) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des Laserlichtpulses kleiner als 0,6 ns, vorzugsweise kleiner gleich 0,5 ns, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des Laserlichtpulses größer gleich 0,1 ns ist.

4. Verfahren zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eines Verbrennungsmotors, wobei die Zündung der Verbrennung zeitlich gesteuert unter Einbringung eines Laserlichtpulses in den Brennraum erfolgt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass er im Kraftstoff-Luft-Gemisch die Bildung eines Plasmas bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass er einen zeitlich asymmetrischen Intensitätsverlauf (I(t)) aufweist, wobei die Energiedichte

des Laserlichtpulses von Pulsbeginn (t_Start) bis zum Zeitpunkt (t_max) des Intensitätsmaximums (I_max) kleiner ist, als die Energiedichte

des Laserlichtpulses vom Zeitpunkt (t_max) des Intensitätsmaximums (I_max) bis zum Pulsende (t_End).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserlichtpuls derart ausgebildet ist, dass das Intensitätsmaximum (I_max) im ersten Viertel, vorzugsweise im ersten Sechstel der Pulsdauer (t_End - t_Start) des Laserlichtpulses liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) größer als 1,5 - vorzugsweise größer als 1,8 - ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischbildung im Brennraum (2) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff Benzin ist und die Gemischbildung durch direkte Einspritzung von flüssigem Kraftstoff, insbesondere Benzin, in den Brennraum (2) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein mit Gas oder Benzin betriebener Ottomotor ist.

10. Verbrennungsmotor, der derart ausgebildet ist, dass er zum Betrieb mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist.

Zeichnung