AT504012B1 - Laserzundvorrichtung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserzündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Laserlichterzeugungsvorrichtung und einem Brennraumfenster, durch das Laserlicht zur Zündung eines brennbaren Gemisches in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einbringbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer entsprechenden Laserzündvorrichtung.

Ein wesentliches Hindernis für den massentauglichen Einsatz gattungsgemäßer Laserzündvorrichtungen für Verbrennungsmotoren besteht in unerwünschten Wechselwirkungen zwischen dem Laserlicht und dem Brennraumfenster. Diese Verschlechterungen der Lichttransmissivität treten beim Eintritt in das Brennraumfenster, bei der Transmission und beim brennraumseitigen Austritt aus dem Brennraumfenster auf. Der Einfluss von Laserintensitäten auf das Plasmabildungsverhalten wurde im Stand der Technik bereits beschrieben. Zu nennen sind beispielsweise die US 2006/003 2471 A1, sowie die wissenschaftlichen Veröffentlichungen Liedl G; Schu-oecker D et al: Laser-induced ignition of gasoline direct-injection engines; XV International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers; Prag, Tschechien. 30. Aug. 2004; Seiten 955 - 960, Kopecek H; Weinrotter M et al: Laser Ignition of Methane-Air Mixtures at High Pressures and Diagnostics; Journal of Engeneering for Gas Turbines and Power; Vol. 127, Jänner 2005; Seiten 213 - 219, Kopecek H; Weinrotter M et al: Application of Laser Ignition to hydrogenair mixtures at high pressures; Int. Journal of Hydrogen Energy; 31. März 2004 (31.03.2004); Seiten 1-8 und Stakhiv A; Gilber R et al.; Laser ignition of engines via optical fibers?; Laser Physics, Vol. 14, N 5, May 2004; Seiten 738 - 747. Zusammenhänge zwischen Laserintensitäten und Brennverhalten sind aus dem Stand der Technik unbekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen lasergezündeten Verbrennungsmotor derart weiterzuentwickeln, dass unerwünschte laserinduzierte Veränderungen des Brennraumfensters minimiert werden.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die Laserlichterzeugungsvorrichtung dazu geeignet ist, Laserlicht mit einer Intensität von höchstens 0,15 mJ/mm2 (Millijoule pro Quadratmillimeter) in den Brennraum einzubringen, wobei die Intensität auf einer dem Brennraum zugewandten Seite des sauberen Brennraumfensters erzielbar ist.

Es hat sich gezeigt, dass sich laserinduzierte Veränderungen des Brennraumfensters im Wesentlichen in drei Bereiche unterteilen lassen, die sich durch unterschiedliche Strahlungsintensitäten unterscheiden. In einem ersten Bereich mit einer Intensität kleiner oder gleich 0,15 mJ/mm2 tritt kein laserinduzierter Beschichtungseffekt am Brennraumfenster auf. In einem zweiten Bereich mittlerer Intensität, also im Bereich größer 0,15 mJ/mm2 und kleiner 3 mJ/mm2, wirkt das Laserlicht durch photochemische Prozesse beschichtungsfördernd, wodurch sich die Lichttransmissivität verschlechtert. In dem dritten Bereich mit Intensitäten von 3 mJ/mm2 und mehr, wird eine eventuell vorhandene oder durch das Laserlicht geförderte Beschichtung durch das Laserlicht wieder entfernt. Insgesamt ergibt sich damit überraschender Weise, dass es zur Vermeidung von laserinduzierter Beschichtung des Brennraumfensters entweder möglich ist, im oben genannten ersten Bereich zu arbeiten, in dem solche laserinduzierten Ablagerungen und Verschmutzungen erst gar nicht auftreten oder im dritten Bereich zu arbeiten, in dem die gegebenenfalls vorhandenen Verschmutzungen des Brennraumfensters durch die Laserenergie weggebrannt werden. Im zweiten Bereich zwischen 0,15 und 3 mJ/mm2 bilden sich im Bereich des Stahldurchtritts Ablagerungen aus Kohlenstoff, welche die Laserenergie absorbieren und zum Ausfall des Zündsystems führen.

Versuche der Anmelderin haben ergeben, dass auch im ersten Bereich kleiner 0,15 mJ/mm2 die zur Verfügung gestellten Intensitäten dazu ausreichen, ein für die Laserzündung notwendiges laserinduziertes Plasma im Kraftstoffluftgemisch zu erzeugen. Bei Intensitäten größer 3 mJ/mm2 ist die Plasmaerzeugung natürlich auch sichergestellt. 3 AT504 012B1

Von einem sauberen Brennraumfenster im Sinne des Patentanspruchs 1 ist auszugehen, wenn mindestens 70 % der auf die vom Brennraum abgewandte Seite des Brennraumfensters auftreffenden Laserenergie auf der Brennraumseite des Brennraumfensters wieder austreten, also durch das Brennraumfenster und seine Oberflächen hindurch transmittiert werden.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Laserzündvorrichtung,

Fig. 2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Laserzündvorrichtung mit linsenartig ausgeformtem Brennraumfenster,

Fig. 3 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsvariante, bei der die fokussierende

Optik und das Brennraumfenster als getrennte Bauteile ausgeführt sind und Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen zu verschiedenen räumlichen Intensitätsverteilungen des Laserlichtstrahls.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2 einer im allgemeinen mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine 1. In den Brennraum 11 wird mittels der Laserlichterzeugungsvorrichtung 3 Laserlicht 5 eingebracht und auf das Fokusvolumen 6 fokussiert. Die Laserlichterzeugungsvorrichtung 3 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Laserresonator 4, einen Lichtleiter 8 sowie eine durch die Linsen 9 und 10 gebildete Aufweiteoptik. Das Brennraumfenster 7' ist brennraumseitig zur Fokussierung des Laserlichts 5 in Form einer Sammellinse ausgebildet. Bei dieser Variante ist die fokussierende Optik also in das Brennraumfenster 7' integriert.

In diesem Ausführungsbeispiel ist somit vorgesehen, den Laserresonator 4 nicht unmittelbar am Brennraumfenster anzuordnen. Dies hat den Vorteil, dass das Ausmaß der mechanischen und thermischen Belastungen gering gehalten wird. Die Übertragungseinrichtung zur Übertragung des Laserlichts 5 zum Brennraumfenster 7' umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl den Lichtleiter 8 als auch die Linsen 9 und 10. Es können aber auch beliebig andere, beim Stand der Technik bekannte, für Laserlicht geeignete Übertragungsvorrichtungen verwendet werden. Natürlich ist es alternativ auch möglich, die durch den Laserresonator 4 und die genannten optischen Bauteile gebildete Laserlichterzeugungsvorrichtung 3 direkt am Brennraumfenster 7' anzuordnen, woraus sich eine insgesamt hoch integrierte Laserzündvorrichtung ergibt.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Laserlichterzeugungsvorrichtung 3 gepulstes Laserlicht 5 in den Brennraum 11 einbringt. Die Pulsdauern liegen dabei günstigerweise zwischen 0,1 ns und 20 ns, vorzugsweise zwischen 0,5 ns und 10 ns. Bei gepulstem Laserlicht 5 sind die erfindungsgemäß genannten Intensitäten, dann günstiger Weise über die Pulsdauer zeitlich gemittelte Energieintensitäten. Die Pulsdauer kann dabei als die Zeitspanne eines Pulses definiert werden, die zwischen den 50 %-Werten der ansteigenden und fallenden Pulsflanke bezogen auf die Maximalamplitude liegt. Diese Definition wird im Allgemeinen als Full Width At Half Maximum - Definition bezeichnet.

Als Laserlichterzeugungsvorrichtung 3 können zum Beispiel beim Stand der Technik bekannte, mittels Blitzlampen gepumpte und aktiv gütegeschaltete Nd: YAG-Laser mit Pulsdauern zwischen 5 und 10 ns und Laserenergien zwischen 0 und 200 mJ oder diodengepumpte und passiv gütegeschaltete Nd: YAG-Laser mit Pulsdauern zwischen 0,5 und 5 ns und Laserenergien zwischen 0 und 20 mJ eingesetzt werden.

In den Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Laserzündvorrichtungen gemäß den Fig. 2 und 3 ist die Laserlichterzeugungsvorrichtung 3 jeweils stark vereinfacht in Form eines Rechtecks dargestellt. Sie kann zum Beispiel wie in Fig. 1 gezeigt ausgeführt sein. In Fig. 2 ist die fokussierende Optik in das Brennraumfenster 7' wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 AT 504 012 B1

Fig. 1 integriert, jedoch auf der vom Brennraum 11 abgewandten Seite angeordnet. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Brennraumfenster 7 und die fokussierende Linse bzw. Optik 10 als getrennte Bauteile ausgeführt sind. Hier ist die fokussierende Optik 10' dem Brennraumfenster auf seiner vom Brennraum 11 abgewandten Seite vorgeschaltet. F bezeichnet in beiden Ausführungsbeispielen die Brennweite der fokussierenden Optik, also im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die Brennweite des selbst fokussierenden Brennraumfensters 7’ und in Fig. 3 die Brennweite der fokussierenden Linse 10’. X bezeichnet den Abstand der brennraumseitigen Strahlaustrittsfläche 12 vom Brennpunkt bzw. Fokusvolumen 6 in Strahlrichtung. Das Laserlicht 5 tritt auf der vom Brennraum 11 abgewandten Seite mit der Strahleintrittsfläche 13 und einem dieser zuzuordnenden Strahleintrittsdurchmesser D0 und einer Laserenergie E0 in das Brennraumfenster 7 bzw. 7' ein. Es verlässt dieses im Bereich der Strahlaustrittsfläche 12 mit einem Strahlaustrittsdurchmesser Dt und einer Laserenergie E^ Wie eingangs bereits erläutert, ist von einem ausreichend sauberen Brennraumfenster 7 bzw. 7' auszugehen, wenn folgendes gilt: — 0,7 o Für den Strahlaustrittsdurchmesser gilt:

Wie erfindungsgemäß festgestellt, ist eine entscheidende Größe für das Sauberhalten des Brennraumfensters 7 bzw. 7' die Intensität bzw. Energieintensität l. Diese ergibt sich aus dem Quotient von Laserenergie E^ und Strahlaustrittsfläche 12 an der brennraumseitigen Oberfläche des Brennraumfensters 7 bzw. 7': Günstiger Weise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Intensitäten I nicht nur um zeitlich sondern auch räumlich gemittelte Energieintensitäten. Unter räumlich gemittelter Intensität I ist dabei die über die Strahlaustrittsfläche 12 des Laserlichtstrahls 5 gemittelte Intensität gemeint. Die Berechnung der Strahlaustrittsfläche 12 erfolgt über den Strahlaustrittsdurchmesser Di. Der Strahlaustrittsdurchmesser Ü! lässt sich wie jeder Strahldurchmesser aus den optischen Daten und der geometrischen Anordnung berechnen. Alternativ kann mit einem Beamprofiler der Strahldurchmesser bzw. die wirkliche Strahlfläche entlang der Strahlausbreitungsrichtung gemessen werden, um so den Strahlaustrittsdurchmesser Di bzw. die Strahlaustrittsfläche 12 am Brennraumfenster 7 bzw. 7' zu extrapolieren. Für die Definition des Strahldurchmessers - wie im speziellen auch für den Strahlaustrittsdurchmesser Di - ist dabei im Allgemeinen die Definition des gauß' sehen Strahles heranzuziehen. Der Strahldurchmesser ist als derjenige Wert definiert, bei dem die Leistungsdichte [W/m2] auf 1/e2 (- 13,5 %) des Maximalwertes abfällt. Die Bestimmung der Energien E0 bzw. Ei erfolgt über ein handelsübliches Pulsenergiemessgerät, zum Beispiel einen pyroelektrischen Detektor. Alternativ ist es auch möglich, die zeitlich gemittelte Energieintensität I am Brennraumfenster 7 bzw. 7' zu bestimmen. Hierzu kann mittels Beamprofiler ein Strahlprofil bestimmt werden, welches normalisiert mit der Pulsenergie das absolute Energieintensitätsprofil ergibt.

Die erfindungsgemäßen Intensitäten I können mit verschiedenen räumlichen Intensitätsverteilungen erreicht werden. Günstig ist, wenn die Intensitätsverteilung über den Strahldurchmesser Di im Wesentlichen konstant ist. Hiervon ist in der Regel auszugehen, wenn - wie in Fig. 4 anhand eines Beispiels dargestellt - die Intensität I in einem Kernbereich 14 der Strahlaustrittsfläche 12 höchstens um 20 %, vorzugsweise höchstens um 10 %, gegenüber dem in der Strahlaustrittsfläche 12 maximal auftretenden Intensitätswert lmax abfällt, wobei die Fläche des Kernbereichs 14 mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, der Strahlaustrittsfläche 12 beträgt. Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die einen radialen Schnitt durch die Intensitäts-