Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht (4) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster (3) und ein Strukturelement (1), wobei das Brennraumfenster (3) am Strukturelement (1) lösbar befestigbar ist, wobei ein optisches Fenster (5) vorgesehen ist, welches am Strukturelement (1) angeordnet ist und vom Brennraumfenster (3) zumindest bereichsweise abgedeckt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster und ein Strukturelement, wobei das Brennraumfenster am Strukturelement lösbar befestigbar ist. Weiters betrifft die Erfindung eine Laserzündkerze, einen Zylinder einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung der vorgenannten Art.

[0002] Die Laserzündung befindet sich derzeit in einer intensiven Entwicklungsphase, wobei neben der eigentlichen Lasertechnologie derzeit ein großes Augenmerk auf die motorischen Aspekte, insbesondere auf die Umsetzbarkeit in die Serie gelegt wird. Das Prinzip der Laserzündung beruht darauf, dass ein intensiver Laserimpuls in den Brennraum des Motors eingeleitet und dort auf einen Brennpunkt fokussiert wird. In diesem Brennpunkt überschreitet die Intensität einen Schwellwert, der zur Zündung eines Plasmafunkens ausreicht. Dieser Plasmafunke ist in ähnlicher Weise wie der Funke einer konventionellen Funkenzündung in der Lage, ein Treibstoff-Luftgemisch im Brennraum eines Motors zu entflammen.

[0003] Für die Anwendung bei Brennkraftmaschinen sind die derzeit am intensivsten verfolgten Laserzündungskonzepte in der Weise ausgeführt, dass der Laserimpuls von einem Festkörperlaser erzeugt wird, der zusammen mit der Ein- und Auskoppeloptik in einem am Zylinderkopf befestigten Gehäuse integriert ist. Diese Einheit wird in Analogie mit der konventionellen Funkenzündung als Laserzündkerze bezeichnet. Der Zündlaser wird in der Regel optisch von einem Halbleiterlaser gepumpt, der mit der Laserzündkerze über eine optische Faser verbunden ist. Der Pumpvorgang, während dem die Anregung der laseraktiven Atome im Festkörperkristall bis zum Anschwingen und Durchbruch des Laserimpulses erfolgt, dauert etwa 200 µs - 400 µs. Der Zündimpuls selbst hat die Dauer von wenigen Nanosekunden.

[0004] Die Einkoppeloptik des Laserpulses in den Brennraum der Brennkraftmaschine besteht aus einem geeigneten Linsensystem sowie dem sogenannten Brennraumfenster, das das letzte optische Element vor dem Strahleintritt in den Brennraum darstellt.

[0005] Der Vorteil der Laserzündung gegenüber der herkömmlichen Funkenzündung besteht unter anderem darin, dass der Zündfunke frei in die Tiefe des Brennraumes gelegt werden kann, wo optimale Entflammungsbedingungen bestehen. Im Gegensatz dazu erfolgt die Verbrennungseinleitung bei der konventionellen Funkenzündung in unmittelbarer Brennraumwandnähe, wobei die flächigen, den Zündfunken begrenzenden Elektroden die Flammkembildung behindern. Die Energie des Laserfunkens kann durch Anhebung der Leistung der Lasersystems stark gesteigert werden, ohne dass sich dadurch ein erhöhter Verschleiß ergibt, wie es beispielsweise bei der Funkenzündung durch den Elektrodenverschleiß gegeben ist.

[0006] Ein weiterer Vorteil der Laserzündung besteht darin, dass mit zunehmender Motorleistung die erforderliche Mindestpulsenergie (das ist jene Energie es Plasmafunkens, die zur Entflammung des Brennstoff- Luftgemisches minimal erforderlich ist) abnimmt. Demgegenüber erreichen die konventionellen Funkenzündsystem bei den in Zukunft geplanten Motorleistungen zusehends die Systemgrenzen.

[0007] Zu den Hauptproblemen bei der Realisierung und serienmäßigen Umsetzung der Laserzündung zählt unter anderem die Gewährleistung bzw. Beibehaltung der optischen Eigenschaften des Brennraumfensters über die Laufzeit des Motors. Speziell bei der brennraumseitigen Grenzfläche des Brennraumfensters können hohe thermochemischen Belastungen und die Ablagerung fester Rückstände aus dem Verbrennungsprozess zur Trübung der Oberfläche führen, wodurch sowohl der Strahl geschwächt (d.h. teilw. absorbiert) als auch gestreut wird, was entweder zu einer erheblichen Reduktion der Energie des Plasmafunkens oder aber auch zum Ausbleiben des Plasmafunkens führt.

[0008] Diesem Problem begegnet man üblicherweise damit, dass durch hohe Pulsenergien zum einen Reserven für laufzeitbedingte Abschwächungen und Verluste geschaffen werden, und zum anderen durch die hohen Pulsleistungen ein Freibrenneffekt der Fensteroberfläche angestrebt wird. Der Nachteil dieser Vorgangsweise besteht in erheblichen Mehrkosten für die dafür erforderliche hohe Laserleistung und in der hohen spezifischen Belastung der optischen Grenzflächen insbesondere des Brennraumfensters. Die DE 10 2005 043 963 A1 und die US 4,422,323 beschreiben Vorrichtungen der eingangs genannten Gattung. Bei diesen kann das Brennraumfenster ausgetauscht werden.

[0009] Ausgehend vom Stand der Technik stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, bei der die genannten Nachteile verringert sind. Insbesondere soll gewährleistet werden, dass die Laufzeit der Laserlichterzeugungsvorrichtung erhöht wird und die Kosten niedrig gehalten werden.

[0010] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorgesehen ist also eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster und ein Strukturelement, wobei das Brennraumfenster am Strukturelement lösbar befestigbar ist, welches gekennzeichnet ist, dass ein optisches Fenster vorgesehen ist, welches am Strukturelement angeordnet ist und vom Brennraumfenster zumindest bereichsweise abgedeckt wird.

[0011] Durch ein am Strukturelement lösbar befestigbares Brennraumfenster kann bei entsprechender Verschmutzung oder Beschädigung des Brennraumfensters einfach ausgetauscht werden, ohne dass wie bisher die gesamte Laserzündkerze ausgetauscht werden muss. Andere Vorrichtungen nach Stand der Technik sehen vor, das Brennraumfenster fest in den Zylinder eines Brennraumes zu integrieren. Bei solchen Brennraumfenstern kann ein Austausch entweder gar nicht erfolgen. Bei der Verwendung von Laserzündeinrichtungen, wie Laserzündkerzen, muss die ganze Einrichtung ausgetauscht werden, wenn das Brennraumfenster beschädigt oder verschmutzt ist. Das Strukturelement kann beispielsweise als eine Art Grundkörper verstanden werden.

[0012] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Brennraumfenster ein optisches Fenster vorgelagert ist. Dabei ist ein optisches Fenster vorgesehen, welches am Strukturelement angeordnet ist und vom Brennraumfenster zumindest bereichsweise abgedeckt wird. Dieses optische Fenster kann besonders robust wie ein herkömmliches Brennraumfenster ausgebildet sein, sodass das lösbar befestigbare Brennraumfenster dünner gestaltet werden kann, da die Vorrichtung bzw. die Laserlichterzeugungsvorrichtung durch dieses optische Fenster von den hohen Temperaturen, reaktiven Bedingungen und Drücken im Brennraum primär abgeschirmt ist, während das eigentliche Brennraumfenster nur mehr dem Schutz des optischen Fensters dient. Das optische Fenster stellt den Bereich dar, an dem das Laserlicht aus der Laserlichterzeugungsvorrichtung ausgekoppelt wird.

[0013] Da ein leicht austauschbares Brennraumfenster alleine naturgemäß kostengünstiger ist als die gesamte Laserzündkerze bzw. Laserzündeinrichtung, kann das Brennraumfenster durch Lösen der Befestigung in einfacher Weise ausgetauscht und ersetzt werden und die Laserzündeinrichtung erneut in den Motorblock eingesetzt werden.

[0014] Günstigerweise ist vorgesehen, dass das Brennraumfenster mittels einer Haltevorrichtung am Strukturelement befestigbar ist. Dabei kann günstigerweise vorgesehen sein, dass die Abdeckung mittels der Haltevorrichtung kraftschlüssig und/oder formschlüssig am Strukturelement befestigbar ist. Eine besonders einfache Art der Fixierung kann realisiert werden, indem die Brennraumfenster mittels der Haltevorrichtung am Strukturelement aufschraubbar ist. Hierfür kann ein Gewinde am Strukturelement sowie ein entsprechendes Gegengewinde an der Haltevorrichtung vorgesehen sein. Die Schraubverbindung stellt nicht nur eine der einfachsten Befestigungsmechanismen dar, sondern auch die bevorzugte, da eine Schraubverbindung sowohl eine stabile als auch leicht wieder lösbare Verbindung darstellt. Daneben wären aber auch andere Befestigungsmechanismen möglich, wie beispielsweise ein Bajonettverschluss oder Rastverbindungen, bei denen an einem Teil (Strukturelement oder Haltevorrichtung) ein Rastvorsprung und am anderen Teil (Haltevorrichtung oder Strukturelement) eine Aufnahme für den Rastvorsprung vorgesehen ist.

[0015] Günstigerweise ist weiters vorgesehen, dass die Befestigungsvorrichtung zumindest bereichsweise aus Metall ausgebildet ist oder im Wesentlichen aus Metall besteht. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Brennraumfenster mit der Haltevorrichtung lösbar befestigbar ist, da so das Brennraumfenster das einzige Austauschteil darstellt, während der übrige Teil der Haltevorrichtung wieder verwendet werden kann. Somit reduziert sich das eigentliche Verschleißteil auf ein im Idealfall kostengünstiges Element aus für das verwendete Laserlicht transparente bzw. durchlässige Material.

[0016] Dabei kann vorgesehen sein, dass das Brennraumfenster in der Abdeckung formschlüssig und/oder reibschlüssig eingebracht ist.

[0017] Um die Kosten für die Fertigung des Brennraumfensters gering zu halten, kann vorgesehen sein, dass das Brennraumfenster zumindest in dem Bereich, in dem Laserlicht durchgeleitet wird aus der Gruppe Glas, Saphir, Quarz, Borosilikatglas, AION bzw. Mischungen daraus gefertigt ist.

[0018] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Laserlichterzeugungseinrichtung zur Abgabe von Laserlicht aufweist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung und die Laserlichterzeugungsvorrichtung und gegebenenfalls das optische Fenster als - vorzugsweise einstückige - Laserzündkerze ausgebildet sind.

[0019] Die Erfindung betrifft weiters eine Laserzündkerze umfassend eine Vorrichtung der vorgenannten Art, sowie einen Zylinder einer Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung der vorgenannten Art wobei ein Teil des Zylinders durch das Strukturelement gebildet wird. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das Brennraumfenster am Zylinder bzw. Zylinderkopf des Zylinders lösbar mittels eines Halteelementes befestigbar ist. Die Erfindung betrifft schließlich eine Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung und / oder einen Zylinder der vorgenannten Art.

[0020] Weitere Vorteile und Details ergeben sich aus der Figur und der dazu gehörigen Figurenbeschreibung.

[0021] Es zeigen

Fig. 1

einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Querschnitt und

Fig. 2

einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels in Querschnitt.

[0022] Die Vorrichtung in der Fig. 1 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Das eigentliche Brennraumfenster 3, welche das letzte optische Element vor dem Strahleintritt 4 in den Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine darstellt, ist dabei mittels einer Haltevorrichtung 2 an eine Strukturelement 1 lösbar befestigt. Die Vorrichtung umfasst weiters eine Laserlichterzeugungsvorrichtung in Form einer Laserzündkerze zur Abgabe von Laserlicht, angedeutet durch Begrenzungsstrahlen 4. Die Haltevorrichtung 2 ist mittels eines Schraubverschlusses über ein entsprechendes Gewinde 11 an der Haltevorrichtung 2 und Gegengewinde 12 am Strukturelement 1 bzw. der Vorrichtung, die insgesamt als Laserzündkerze ausgebildet ist, lösbar befestigt. Die Laserlichterzeugungsvorrichtung ist nur ausschnittsweise gezeigt, da sie nach an sich bekanntem Stand der Technik gefertigt sein kann. Aus einem Resonator 9 und dem Auskoppelspiegel 8 wird Laserlicht (angedeutet durch die seitlichen Begrenzungsstrahlen 4) in Richtung der Einkoppeloptik 6, die durch eine Linse dargestellt ist, zum optischen Fenster 5 hingeleitet. Die Abstände 13 zwischen Auskoppelspiegel 8 und Einkoppeloptik 6 sind in der Praxis im Idealfall größer gewählt als in der Fig. 1 (und auch in der Fig. 2) angedeutet, um eine bessere Wärmeverteilung in der Vorrichtung zu ermöglichen, bzw. um ein Überhitzen in der Vorrichtung zu vermeiden. Das optische Fenster 5 begrenzt dabei die eigentliche Laserlichterzeugungsvorrichtung bzw. Laserzündkerze. In der Praxis bedeutet dies, dass z.B. eine an sich bekannte Laserzündkerze, die an der Laserlichtaustrittsfläche von einem optischen Fenster 5, welches normalerweise die Aufgabe eines Brennraumfensters übernimmt, begrenzt ist, verwendet werden kann. An dieser Laserzündkerze kann dann z.B. über die Haltevorrichtung 2 am Strukturelement 1 ein austauschbares Brennraumfenster 3 aus vorzugsweise günstigerem Material befestigt werden. Im einfachsten Fall - wie auch in der Fig. gezeigt - liegt das Brennraumfenster 3 am optischen Fenster 5 bzw. an der Laserlichtaustrittsfläche 5a der Laserzündkerze 1 an, da so der Druck aus dem Brennraum 10 auf das optische Fenster 5 übertragen wird (welches an sich ohnehin auf solche Druckbelastungen ausgelegt ist). Gleichzeitig deckt das Brennraumfenster 3 das optische Fenster 5 ab und verhindert so, dass sich Ablagerungen aus dem Brennraum 10 am optischen Fenster 3 ablagern.

[0023] Die Haltevorrichtung 2 ist dabei in der Art einer Überwurfmutter ausgestaltet. Zwischen optischen Fenster 5 der Haltevorrichtung 2 ist das Brennraumfenster 3 angeordnet, das von der Überwurfmutter an die Laserlichterzeugungsvorrichtung bzw. die Laserlichtaustrittsfläche 5a des optischen Fensters 5 gedrückt wird. Der Laserlichtstrahlengang 4 wird von der Einkoppeloptik 6 auf den Brennpunkt 7 fokussiert, welcher die Plasmazündung eines Treibstoff-Luftgemisches im Brennraum 10 einleitet. Durch die Verbrennung des Treibstoff-Luftgemisches bilden sich die typischen Verbrennungsprodukte in denen z.B. unverbrannte Rückstände enthalten sind, die sich beim Stand der Technik direkt auf der Laserlichtaustrittsfläche 5a des optischen Fensters 5 niederschlagen. Durch Dazwischenschalten des gesonderten Elementes 3 im Bereich des optischen Fensters 5 bildet sich nun dieser Niederschlag nicht mehr direkt am optischen Fenster 5, welches beim Stand der Technik als Brennraumfenster dient sondern am vorgelagerten Brennraumfenster 3, das im einfachsten Fall aus Glas gefertigt ist. Bei einem gewissen Verschmutzungsgrad kann nun die Laserlichterzeugungsvorrichtung 1, aus dem Motorblock herausgenommen werden. Sodann wird die Haltevorrichtung 2 von der Laserzündkerze 1 abgenommen und das gesonderte Element 3 ausgetauscht. Anschließend kann die so "regenerierte" Laserzündkerze wieder in den Motorblock eingesetzt werden. Die Haltevorrichtung 2 kann dabei z.B. aus einem zylindermantelförmigen Grundkörper bestehen mit Halteelementen zur kraftschlüssigen oder formschlüssigen Befestigung am Strukturelement 1 gefertigt sein. Der zylindermantelförmige Grundkörper 2a kann dabei einen Auflagesteg 2b aufweisen, der im vorliegenden Fall kreisringförmig ausgebildet ist. Dieser kann aber genauso gut andere Formen aufweisen. Er sollte nur dazu geeignet sein, ein Element 3 für die Laserlichtaustrittsfläche zu fixieren. Entscheidend für das optimale Funktionieren der Vorrichtung ist, dass die das optische Fenster 5 im Verlaufsbereich des Laserlichtes 4 und das Brennraumfenster 3 im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche d im Wesentlichen durchlässig ist für das Laserlicht 4 der Laserlichterzeugungsvorrichtung 1 ist.

[0024] Durch die in der Praxis als sehr nützlich empfundene Gestaltung der Laserzündkerze als baulich integrale Einheit von der Einkopplung des Pumplichtes bis zur Einkopplung des Laserpulses in den Brennraum lässt sich durch die Erfindung das Problem beseitigen, dass bei Beschädigung oder Beeinträchtigung der Oberfläche des Brennraumfensters, die komplette Laserzündkerze ersetzt werden muss.

[0025] Im gezeigten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) wird am brennraumseitigen Ende des Brennraumfensters, das gleichzeitig die Austrittsfläche d des Zündimpulses aus der Laserzündkerze 1 darstellt, also ein für das Laserlicht transparentes "Schutzplättchen" (=eigentliches Brennraumfenster) angeordnet ist. Dieses Plättchen ist nicht fix mit der Laserzündkerze verbunden, sondern wird hier mit einer Überwurfmutter an das optische Fenster 5 der Laserzündkerze 1 angedrückt,

[0026] Der Vorteil dieses Vorschlages liegt darin, dass das Schutzplättchen 3 einfach und kostengünstig in der Herstellung ist, sowie einfach und rasch gereinigt bzw. ersetzt werden kann. Darüber hinaus kann bei der Materialauswahl für dieses Plättchen 3 ausschließlich auf die thermo-chemische Resistenz beschränken, was ein höheres Optimierungspotenzial erschließt, als wenn zusätzlich Aspekte wie Wärmeleitung und mechanische Belastbarkeit mit in Betracht gezogen werden müssen. Ebenso kann die Dicke und die Oberfläche des Schutzplättchens bzw. Schutzbrennraumfensters 3 so gewählt werden, dass Strahlungsreflexion möglichst vermieden wird.

[0027] Angemerkt sei an dieser Stelle, dass der anspruchsgemäße Begriff "im Wesentlichen durchlässig für das Laserlicht" meint, dass geringe Absorption im entsprechenden Wellenlängenbereich Transmissionsverluste von <25%, vorzugsweise <10%, besonders bevorzugt <5% bedeutet.

[0028] Neben der in der Fig. 1 gezeigten Variante ist aber ebenso eine Variante wie in Fig. 2 vorgesehen, bei der das optische Fenster 5 fehlt und die Haltevorrichtung 2 mit dem Brennraumfenster 3 an der Vorrichtung 1 direkt befestigt wird. In diesem Fall ist das Brennraumfenster 3 natürlich entsprechend zu dimensionieren, sodass es den Bedingungen im Brennraum 10 stand hält. Ansonsten ist gegenüber der Variante der Fig. 1 kein nennenswerter Unterschied vorhanden, sodass auf die Figurenbeschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht (4) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster (3) und ein Strukturelement (1), wobei das Brennraumfenster (3) am Strukturelement (1) lösbar befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Fenster (5) vorgesehen ist, welches am Strukturelement (1) angeordnet ist und vom Brennraumfenster (3) zumindest bereichsweise abgedeckt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (3) mittels einer Haltevorrichtung (2) am Strukturelement (1) befestigbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) kraftschlüssig und/oder formschlüssig am Strukturelement (1) befestigbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) auf das Strukturelement (1) aufschraubbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) im Wesentlichen aus Metall ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (3) aus der Gruppe Glas, Saphir, Quarz, Borosilicatglas, AION gefertigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (3) an der Haltevorrichtung (2) formschlüssig und/oder reibschlüssig befestigbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Laserlichterzeugungseinrichtung (1) zur Abgabe von Laserlicht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster an das optische Fenster (5) mittels der Haltevorrichtung (2) anpressbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als - vorzugsweise einstückige - Laserzündkerze ausgebildet ist.

11. Laserzündkerze umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

12. Zylinder einer Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Teil des Zylinders durch das Strukturelement (1) gebildet wird.

13. Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

14. Brennkraftmaschine umfassend einen Zylinder nach Anspruch 12.

Zeichnung