EP1519038A1 - Laser-Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1519038A1
EP1519038A1 EP03021446A EP03021446A EP1519038A1 EP 1519038 A1 EP1519038 A1 EP 1519038A1 EP 03021446 A EP03021446 A EP 03021446A EP 03021446 A EP03021446 A EP 03021446A EP 1519038 A1 EP1519038 A1 EP 1519038A1
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EP
European Patent Office
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ignition device
laser
cooling
resonator
laser crystal
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English (en)
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Ernst Dipl.-Ing.Dr. Winklhofer
Georg Dipl.-Ing. Franz
Gerhard Dipl.-Ing. Kroupa
Volker Mannheim
Alfred Dipl.Ing. Binder
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AVL List GmbH
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Priority to DE50304768T priority patent/DE50304768D1/de
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Priority to EP03450285A priority patent/EP1519039A1/de
Priority to JP2006527218A priority patent/JP4477636B2/ja
Priority to US10/573,115 priority patent/US7499477B2/en
Priority to PCT/AT2004/000320 priority patent/WO2005028856A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition

Definitions

  • the invention relates to a laser ignition device for an internal combustion engine, with a Q-switched, pumped solid-state laser with a pulsed Pump light source, a solid laser crystal embedded in a resonator, a Q-switch to increase the power density, at least one Auskoppelapt and a focusing device, over which the laser beam in a Brennraum is focusable.
  • the photo-optical device of the known laser ignition device has three lenses on. Together with the active Q-switch and by a flash lamp formed pump light source results in the most serious disadvantage that the device not entirely in a screwed into a spark plug shaft Component can be accommodated. About the pumped solid state lasers required cooling of the laser crystal and the light source are the document no information to be taken.
  • US Pat. No. 6,413,077 B1 describes a laser ignition device in which a plurality of lasers, namely an excitation laser and an ignition laser are used. through a Q-switch, the pulses of the excitation laser and the ignition laser added up and thus the energy density required for ignition provided.
  • This known ignition device has the disadvantage of a very high constructive effort and requires too much space in order to replace a spark plug to be used in an internal combustion engine.
  • the use of laser ignition instead of spark ignition offers a number of advantages.
  • the relatively freely selectable location of the ignition plasma does not require any material structure which could disturb the combustion process.
  • the choice of the ignition location allows an optimization of the combustion process, possibly also a multiple ignition.
  • the high ignition pressures, such as occur in gas engines, are contrary to the laser ignition, since the required pulse energy decreases at higher pressures.
  • the laser ignition ignites even lean mixtures, resulting in very low NO x emissions.
  • the object of the invention is one for practical use in internal combustion engines to provide suitable laser ignition, which only a small amount of space claimed and which with little design effort in internal combustion engines can be used.
  • this is achieved in that pumping light source, resonator including laser crystal, Q-switch, Auskoppelador, focusing device, and a cooling device for cooling the resonator in a single, in one Spark plug shaft insertable component are integrated.
  • the pumping light source is formed by pump diodes is.
  • Pump diodes have the advantage of a higher compared to flash lamps Efficiency.
  • the laser diodes are doing with a pulse energy of a few mJ and about 100-200 ⁇ s pulsed, reducing the power per diode to a few 10W remains limited.
  • High power laser diodes consist of an array of many single diodes and thereby achieve a very high pulse energy. Due to the large emission area and the non-continuous distribution (low quality), however, the laser beam be focused very badly. Through the long resonator can with a solid-state laser a much higher beam quality and thus lesser Focus diameter can be achieved
  • the pulsed solid-state laser used for the laser ignition device according to the invention is made of the four main components pump diodes, crystal rod, resonator with output mirror, Q-switch and focusing device built up. Via the radiation of the pump diodes become metastable energy levels stimulated in the laser crystal and the energy stored with it. by virtue of a low spontaneous emission, the laser crystal begins light on the laser wavelength (1064nm) to emit.
  • the laser crystal is in an optical Resonator embedded, its goodness with the Q-switch when reaching the desired Power density is increased in a pulse-like manner. This gives you at the Auskoppelapt a short, high laser pulse. It becomes a passive Q-switch used, which on the one hand a high gain, on the other hand short Energy pulses without complex control allows.
  • the geometry of the resonator results from the requirement that the pump diodes must be located at the top of the spark plug shaft. To achieve A high quality is the largest possible distance between the laser crystal and the Auskoppelapt necessary. This results in the elongated design, wherein the head area with laser crystal at one end and the Auskoppelapt located at the other end of a tube.
  • the pump diodes are thermally stabilized.
  • At least two, preferably three different cooling systems for a thermal stabilization of the resonator are beneficial.
  • At least one Cooling system offers the temperature-controlled cooling water of the internal combustion engine at. But since the pump diodes at a much lower temperature level as the cooling water temperature must be operated, is the use of thermoelectric cooling elements (Peltier cooling elements) in this Case required. At least one cooling system therefore has at least one Peltier cooling element on. It is envisaged that for cooling the laser crystal and / or the pump diodes of the resonator, a first inner coolant circuit having.
  • the heat of the inner circuit is applied via a heat spreader derived at least one Peltier cooling element. It is particularly advantageous if for heat dissipation from the Peltier cooling element, the resonator at least one outer having second coolant circuit. At least one of the cooling systems can also be designed to warm the pump diodes. Especially it is advantageous if at cold start the pump diodes through the Peltier cooling element can be heated to the operating temperature.
  • the laser crystal can consist of either ND: YAG (neodymium: YAG) or ND: YVO 4 (neodymium: vanadate).
  • ND: YAG is widely used, inexpensive and mechanically strong, but has a much narrower absorption line than ND: YVO 4 .
  • the use of ND: YAG laser crystals thus requires a particularly good cooling device.
  • a very effective heat removal from the laser crystal is achieved when the Laser crystal of at least one preferably annular first cooling channel is surrounded.
  • a plurality of pump diodes concentrically the laser crystal are arranged, preferably at least three, especially preferably at least six pump diodes evenly around the laser crystal are arranged around.
  • the pump diodes are advantageously in Series are switched.
  • the laser crystal is thus by the pump diodes laterally, that is radial, pumped.
  • To increase the pulse energy can also several Rings of pump diodes concentrically one behind the other around the laser crystal be arranged.
  • the laser ignition device 1 consists of the main components laser crystal 2, Pump light source 30, passive Q-switch 4, tube 5, output mirror 6 and Focusing device 7 with a focus lens 8, and a cooling device 11.
  • a high efficiency can be achieved when the pump light source 30 through Pump diodes 3 is formed.
  • the laser crystal 2 is in an optical Resonator 9 embedded, its quality with the passive Q-switch 4 at Reaching the desired power density is increased in pulses. This preserves one at Auskoppelapt 6 a short, strong laser pulse 26th
  • Individual pump diodes 3 are connected in series and annular laterally around the Laser crystal 2 arranged.
  • the pump diodes 3 must due to greatly reduced lifetime at higher Operating temperature at a relatively low temperature of about 30 ° C operated become. In addition, the wavelength of the pump diodes 3 changes with the temperature. As the neodymium: YAG (ND: YAG) existing rod-shaped laser crystal 2 has a very narrow absorption line, the pump diodes must 3 are thermally stabilized. For this purpose, in the head region 10 of the laser ignition device 1, the cooling device 11 is provided.
  • the cooling device 11 includes three different cooling systems A, B, C.
  • the first cooling system A has ring-shaped around the heat spreader 28 distributed Peltier cooling elements 12 on.
  • the cooling systems B, C with two liquid cooling circuits 13, 14 are provided.
  • the coolant of the Cooling circuit 13 flows through the head part 10 substantially in the direction of Axis 1a of the laser ignition device.
  • the first cooling circuit 13 has the task of thermally stabilizing the laser crystal 2 and transfer its lost heat to the heat spreader 28.
  • the laser crystal 2 is surrounded by at least one first cooling channel 16, which may be formed as an annular channel, as shown in Fig.7. Instead of an annular channel can also have a plurality of first inlet channels 16 around the laser crystal 2 be arranged. About at least one inlet opening 19 a and a Verteilerringraum 19, the coolant to the first cooling channel 16 and on a collecting annulus 20 and outlet openings 20 a discharged again.
  • the Heat loss of the laser crystal 2 is at least partially flowing through the annular spaces 19, 20 are transmitted to the flange plate 17 and the connection plate 23, These in turn transfer the heat by heat conduction to the Heat spreader 28.
  • the heat spreader 28 may also have axial cooling channels 15, as indicated in Fig. 4 and 6 by dashed lines.
  • the cooling medium enters through the access openings 19a in the Verteilerringraum 19, flows through the first cooling channels 15 of the heat spreader 28 and is over the Passage channel 18 passed into the cooling channel 16. Then it flows through the Sammelringraum 20 and outlet openings 20a to an external pump.
  • the second cooling circuit 14 has inlet openings 21 in the outer heat exchanger 29, which second cooling channels 24 and on to outlet openings 22 lead.
  • the coolant formed for example by water passes via the inlet openings 21 in the second cooling channels 24, flows through the outer heat exchanger 29 and leaves the laser ignition device 1 again in Area of the outlet openings 22.
  • About the second cooling channels 24 is thus before all heat from the Peltier cooling elements 12 via the outer heat exchanger 29 dissipated.
  • the three cooling systems A, B, C - namely Peltier cooling elements 12, first cooling circuit 13 and second cooling circuit 14 - existing cooling device 11, it is possible to use as the material for the laser crystal 2 the widespread inexpensive and mechanically strong neodymium: YAG and as a pump light source Pump diodes 3 to use.
  • the cooling device 11 can the pump diodes 3 are thermally stabilized at about 30 ° C, which is advantageous affects their life.
  • the thermal Stabilization can be achieved that the wavelength of the pump diodes 3 always within the narrow absorption line of the laser crystal 2 remains.
  • the laser crystal 2 is in the region of the end-side connection plate 23 for the laser wavelength (1064nm) mirrored and antireflective coated at the other end.
  • the shape of the laser ignition device 1 results from the requirement that these instead of a spark plug in the spark plug well 31 of a cylinder head 32nd should be mountable and from the boundary condition that the pump diodes 3 in Head region 10 of the laser ignition device 1 must be arranged.
  • the Auskoppelspiegel 6 is therefore arranged in the foot region 25 of the laser ignition device 1 near the combustion chamber.
  • the focusing device 7 is with a single focus lens 8, which simultaneously forms the window to the combustion chamber and as Plano-spherical lens is formed.
  • a material for the focusing lens 8 is suitable For example, sapphire.
  • the second cooling circuit 14 can with the existing water cooling of the engine be coupled.
  • For the first cooling circuit are higher optical, qualitative and thermal conditions, so here's a separate coolant is required.
  • the pump diodes 3 must due to greatly reduced lifetime at higher Operating temperature can be operated at about 30 ° C.
  • the heat loss stream is a heat spreader 28, which consists of copper, to the Peltier cooling elements 12 derived, the heat flow to the temperature level of the engine cooling water and over the outer heat exchanger Give 29 to this.
  • the wavelength of the pump diodes 3 shifts with the temperature and The absorption band of the laser crystal 2 is extremely narrow, must be a fast and precise temperature control can be provided.
  • the temperature on the cold Page should deviate by a maximum of +/- 1.5 ° C from the nominal value. To this to reach the Peltier cooling elements 12 with at least one temperature sensor and a power source operated in a closed loop.
  • the laser ignition device 1 can be used entirely in the Spark plug shaft 31 of a cylinder head 32 of an internal combustion engine arranged become.
  • the laser ignition device 1 is thus suitable for use in existing conventional cylinder head concepts for spark-ignition internal combustion engines.
  • To minimize contamination of the focusing device Keep closes the focusing lens 8 to the combustion chamber 33 toward plan to the cylinder head cover surface 34 on.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laser-Zündeinrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem gütegeschalteten, gepumpten Festkörperlaser mit einer gepulsten Pump-Lichtquelle (30), einem in einen Resonator (9) eingebetteten festen Laserkristall (2), einem Güteschalter (4) zur Erhöhung der Leistungsdichte, zumindest einem Auskoppelspiegel (6) und einer Fokussiereinrichtung (7), über welche der Laserstrahl (26) in einem Brennraum fokussierbar ist. Es ist vorgesehen, dass Pump-Lichtquelle (30), Resonator (9) samt Laserkristall (2), Güteschalter (4), Auskoppelspiegel (6), Fokussiereinrichtung (7) sowie eine Kühleinrichtung (11) zur Kühlung des Resonators (9) in einem einzigen, in einen Zündkerzenschacht (31) der Brennkraftmaschine einsetzbaren Bauteil integriert sind. Die Laser-Zündeinrichtung (1) kann sehr kompakt ausgeführt werden und lässt sich in vorhandene Zündkerzenschächte (31) von Zylinderköpfen (32) von Brennkraftmaschinen einbauen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Laser-Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem gütegeschalteten, gepumpten Festkörperlaser mit einer gepulsten Pump-Lichtquelle, einem in einen Resonator eingebetteten festen Laserkristall, einem Güteschalter zur Erhöhung der Leistungsdichte, zumindest einem Auskoppelspiegel und einer Fokussiereinrichtung, über welche der Laserstrahl in einem Brennraum fokussierbar ist.
Aus der US 4,416,226 ist eine Laser-Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Resonator des Lasers samt fotooptischer Fokussiereinrichtung in eine Zylinderkopfbohrung so eingeschraubt ist, dass die Zündeinrichtung direkt in den Brennraum einmündet. Die Laser-Zündeinrichtung wendet dabei das Prinzip eines Festkörperlasers mit einer gepulsten Pump-Lichtquelle an. Dies hat den Vorteil, dass mit relativ geringem Energieaufwand hohe Pulsenergien erreicht werden können. Als Pump-Lichtquelle wird dabei eine Blitzlampe verwendet. Zur Erhöhung der Leistungsdichte wird ein aktiv schaltbarer Güteschalter ("Q-Switch") eingesetzt. Beim sogenannten "Q-switching" wird die Energie während des Pumpvorganges des aktiven Mediums in der Laser-Kavität gespeichert und während einer sehr kurzen Emissionszeit freigesetzt. Hieraus resultiert ein extrem energiereicher Laserpuls. Aktiv schaltbare Güteschalter haben aber den Nachteil, dass für die Steuerung ein erheblicher Schaltungsaufwand erforderlich ist, und dass sie für schnelle Impulsfolgen weniger gut geeignet sind. Die fotooptische Einrichtung der bekannten Laserzündvorrichtung weist drei Linsen auf. Zusammen mit dem aktiven Güteschalter und der durch eine Blitzlampe gebildeten Pump-Lichtquelle ergibt sich der gravierendste Nachteil, dass die Einrichtung nicht zur Gänze in einem in einen Zündkerzenschacht einschraubbaren Bauteil untergebracht werden kann. Über die bei gepumpten Festkörperlasern erforderliche Kühlung des Laserkristalls und der Lichtquelle sind der Druckschrift keine Informationen zu entnehmen.
Die US 6,413,077 B1 beschreibt eine Laserzündeinrichtung, bei der mehrere Laser, und zwar ein Anregungslaser und ein Zündlaser zum Einsatz kommen. Mittels eines Güteschalters werden die Pulse des Anregungslasers und des Zündlasers aufsummiert und somit die für eine Zündung erforderliche Energiedichte bereitgestellt. Diese bekannte Zündeinrichtung hat den Nachteil eines sehr hohen konstruktiven Aufwandes und benötigt zu viel Bauraum, um anstelle einer Zündkerze in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden zu können.
Der Einsatz einer Laserzündung anstelle einer Funkenzündung bietet eine Reihe an Vorteilen. Zum einen benötigt der relativ frei wählbare Ort des Zündplasmas keinerlei materielle Struktur, die den Verbrennungsvorgang stören könnte. Weiters lässt die Wahl des Zündortes eine Optimierung des Verbrennungsvorganges zu, gegebenenfalls auch eine Mehrfachzündung. Die hohen Zünddrücke, wie sie bei Gasmotoren auftreten, kommen der Laserzündung entgegen, da die benötigte Pulsenergie bei höheren Drücken abnimmt. Mit der Laserzündung lassen sich noch magere Gemische zünden, wodurch sich sehr niedrige NOx-Emissionswerte erzielen lassen.
Aus der Literatur ist es bekannt, dass ein fokussierter Laser auf einen hinreichend kleinen Fokusdurchmesser mit genügend Intensität zu einer Plasmabildung und zu einer lokalen Temperaturerhöhung und somit zu einer Zündung eines explosiven Gemisches führt. Für praktische Gasgemische wird vorwiegend der Lawineneffekt freier Elektronen für die Plasmabildung erklärt. Der Effekt ist dann praktisch unabhängig von der verwendeten Wellenlänge.
In der US 5,673,550 A wird die Zündung von Kraftstofftröpfchen unter Plasmabildung innerhalb des Kraftstoff-Luftnebels mittels eines über eine kohärente Lichtquelle gepulsten Lasers beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine für den praktischen Einsatz in Brennkraftmaschinen geeignete Laserzündeinrichtung zu schaffen, welche nur wenig Bauraum beansprucht und welche mit geringem konstruktiven Aufwand in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass Pump-Lichtquelle, Resonator samt Laserkristall, Güteschalter, Auskoppelspiegel, Fokussiereinrichtung, sowie eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Resonators in einem einzigen, in einen Zündkerzenschacht einsetzbaren Bauteil integriert sind.
Durch die Verwendung eines gütegeschalteten, gepumpten Festkörperlasers können hohe Pulsenergien erreicht werden. Die wesentlichsten Elemente sind kompakt in einem einzigen Bauteil zusammengefasst, welcher sich anstelle einer Zündkerze in den Zündkerzenschacht einer Brennkraftmaschine einschrauben lässt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Pump-Lichtquelle durch Pumpdioden gebildet ist. Pumpdioden haben im Vergleich zu Blitzlampen den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades.
Die Laserdioden werden dabei mit einer Pulsenergie von einigen mJ und etwa 100-200µs gepulst betrieben, wodurch die Leistung pro Diode auf einige 10W beschränkt bleibt.
Hochleistungslaserdioden bestehen aus einem Array von vielen Einzeldioden und erreichen dadurch eine sehr hohe Pulsenergie. Durch die große Emissionsfläche und die nicht kontinuierliche Verteilung (geringe Güte) kann der Laserstrahl allerdings nur sehr schlecht fokussiert werden. Durch den langen Resonator kann mit einem Festkörperlaser eine wesentlich höhere Strahlgüte und damit geringerer Fokusdurchmesser erreicht werden
Der für die erfindungsgemäße Laser-Zündeinrichtung verwendete gepulste Festkörperlaser ist aus den vier Hauptkomponenten Pumpdioden, Kristallstab, Resonator mit Auskoppelspiegel, Güteschalter (Q-Switch) und Fokussiereinrichtung aufgebaut. Über die Einstrahlung der Pumpdioden werden metastabile Energieniveaus im Laserkristall angeregt und die Energie damit gespeichert. Aufgrund einer geringen spontanen Emission beginnt der Laserkristall Licht auf der Laserwellenlänge (1064nm) zu emittieren.
Zur Verstärkung und Kohärenz des Lichtes ist der Laserkristall in einen optischen Resonator eingebettet, dessen Güte mit dem Güteschalter bei Erreichen der gewünschten Leistungsdichte pulsartig erhöht wird. Dadurch erhält man am Auskoppelspiegel einen kurzen, hohen Laserpuls. Es wird dabei ein passiver Güteschalter verwendet, welcher einerseits eine hohe Verstärkung, andererseits kurze Energieimpulse ohne aufwändige Steuerung ermöglicht.
Die Geometrie des Resonators ergibt sich aus der Forderung, dass die Pumpdioden am oberen Ende des Zündkerzenschachts angeordnet sein müssen. Zur Erzielung einer hohen Güte ist ein möglichst großer Abstand zwischen dem Laserkristall und dem Auskoppelspiegel nötig. Daraus ergibt sich die längliche Bauform, wobei sich der Kopfbereich mit Laserkristall an einem Ende und der Auskoppelspiegel am anderen Ende eines Tubus befinden.
An den Auskoppelspiegel schließt die aus einer einzigen Fokuslinse bestehende Fokussiereinrichtung an. Dies ermöglicht eine sehr kleine Bauweise.
Da die Wellenlänge der Pumpdioden sich mit der Temperatur des Lasersubstrats ändert und der Laserkristall eine nur sehr schmale Absorptionslinie besitzt, müssen die Pumpdioden thermisch stabilisiert werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass zumindest zwei, vorzugsweise drei verschiedene Kühlsysteme für eine thermische Stabilisierung des Resonators von Vorteil sind. Für zumindest ein Kühlsystem bietet sich das temperaturgeregelte Kühlwasser der Brennkraftmaschine an. Da aber die Pumpdioden auf einem wesentlich niedrigeren Temperaturniveau als die Kühlwassertemperatur betrieben werden müssen, ist der Einsatz von thermoelektrischen Kühlelementen (Peltier-Kühlelementen) in diesem Fall erforderlich. Zumindest ein Kühlsystem weist daher zumindest ein Peltier-Kühlelement auf. Dabei ist vorgesehen, dass zur Kühlung des Laserkristalls und/oder der Pumpdioden der Resonator einen ersten inneren Kühlmittelkreislauf aufweist. Die Wärme des inneren Kreislaufes wird über einen Wärmeverteiler an zumindest ein Peltier-Kühlelement abgeleitet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Wärmeabfuhr vom Peltier-Kühlelement der Resonator zumindest einen äußeren zweiten Kühlmittelkreislauf aufweist. Zumindest eines der Kühlsysteme kann dabei auch zum Aufwärmen der Pumpdioden ausgelegt sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei Kaltstart die Pumpdioden durch das Peltier-Kühlelement auf die Betriebstemperatur erwärmbar sind.
Der Laserkristall kann prinzipiell entweder aus ND:YAG (Neodym:YAG) oder aus ND:YVO4 (Neodym :Vanadat) bestehen. ND:YAG ist weit verbreitet, kostengünstig und mechanisch gut belastbar, hat aber eine weit schmälere Absorptionslinie als ND:YVO4. Der Einsatz von ND:YAG-Laserkristallen bedingt somit eine besonders gute Kühleinrichtung.
Eine sehr effektive Wärmeabfuhr aus dem Laserkristall wird erreicht, wenn der Laserkristall von zumindest einem vorzugsweise ringförmigen ersten Kühlkanal umgeben ist.
Um eine sehr kompakte Bauweise der Zündeinrichtung zu ermöglichen, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass mehrere Pumpdioden konzentrisch um den Laserkristall angeordnet sind, wobei vorzugsweise mindestens drei, besonders vorzugsweise mindestens sechs Pumpdioden gleichmäßig um den Laserkristall herum angeordnet sind. Die Pumpdioden sind dabei vorteilhafter Weise in Serie geschaltet sind. Der Laserkristall wird somit durch die Pumpdioden seitlich, das heißt radial, gepumpt. Zur Erhöhung der Pulsenergie können auch mehrere Ringe von Pumpdioden konzentrisch hintereinander um den Laserkristall herum angeordnet sein.
Als Kühlmedium kann zumindest für den zweiten äußeren Kühlkreislauf Wasser zur Anwendung kommen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
eine erfindungsgemäße Laser-Zündeinrichtung in einer Schrägansicht,
Fig. 2
den Kopfteil der Laser-Zündeinrichtung im Detail in einer Schrägansicht,
Fig. 3
die Laser-Zündeinrichtung in einem Längsschnitt,
Fig. 4
den Kopfteil der Laser-Zündeinrichtung in einer geschnittenen Schrägansicht gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1,
Fig. 5
den Fußteil der Laser-Zündeinrichtung in einer geschnittenen Schrägansicht,
Fig. 6
die Laser-Zündeinrichtung schematisch in einem Längsschnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 7,
Fig. 7
die Laser-Zündeinrichtung in einem Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 6 und
Fig. 8
einen Zylinderkopf mit einer eingebauten Laser-Zündeinrichtung.
Die Laser-Zündeinrichtung 1 besteht aus den Hauptkomponenten Laserkristall 2, Pumplichtquelle 30, passiver Güteschalter 4, Tubus 5, Auskoppelspiegel 6 und Fokussiereinrichtung 7 mit einer Fokuslinse 8, sowie einer Kühleinrichtung 11.
Ein hoher Wirkungsgrad lässt sich erzielen, wenn die Pumplichtquelle 30 durch Pumpdioden 3 gebildet ist.
Über die Einstrahlung der Pumpdioden 3 (808nm) werden metastabile Energieniveaus im Laserkristall 2 angeregt und die Energie damit gespeichert. Aufgrund einer geringen spontanen Emission beginnt der Laserkristall 2 Licht auf der Laserwellenlänge (1064nm) zu emittieren.
Zur Verstärkung und Kohärenz des Lichts ist der Laserkristall 2 in einen optischen Resonator 9 eingebettet, dessen Güte mit dem passiven Güteschalter 4 bei Erreichen der gewünschten Leistungsdichte pulsartig erhöht wird. Dadurch erhält man am Auskoppelspiegel 6 einen kurzen, starken Laserpuls 26.
Einzelne Pumpdioden 3 sind in Serie geschaltet und ringförmig seitlich um den Laserkristall 2 angeordnet.
Die Pumpdioden 3 müssen aufgrund stark eingeschränkter Lebensdauer bei höherer Betriebstemperatur bei relativ niedriger Temperatur von etwa 30°C betrieben werden. Darüber hinaus ändert sich die Wellenlänge der Pumpdioden 3 mit der Temperatur. Da der aus Neodym:YAG (ND:YAG) bestehende stabförmige Laserkristall 2 eine nur sehr schmale Absorptionslinie besitzt, müssen die Pumpdioden 3 thermisch stabilisiert werden. Dazu ist im Kopfbereich 10 der Laser-Zündeinrichtung 1 die Kühleinrichtung 11 vorgesehen.
Die Kühleinrichtung 11 beinhaltet drei verschiedene Kühlsysteme A, B, C. Das erste Kühlsystem A weist ringförmig um den Wärmeverteiler 28 verteilte Peltier-Kühlelemente 12 auf. Zur besseren Wärmeabfuhr sind weiters die Kühlsysteme B, C mit zwei Flüssigkeits-Kühlkreisläufen 13, 14 vorgesehen. Das Kühlmittel des Kühlkreislaufs 13 durchströmt den Kopfteil 10 im Wesentlichen in Richtung der Achse 1a der Laser-Zündeinrichtung 1.
Der erste Kühlkreislauf 13 hat die Aufgabe, den Laserkristall 2 thermisch zu stabilisieren und dessen Verlustwärme an den Wärmeverteiler 28 zu übertragen. Der Laserkristall 2 ist dabei von zumindest einem ersten Kühlkanal 16 umgeben, welcher als Ringkanal ausgebildet sein kann, wie aus Fig.7 hervorgeht. An Stelle eines Ringkanals können auch mehrere erste Einlasskanäle 16 rund um den Laserkristall 2 angeordnet sein. Über zumindest eine Eintrittsöffnung 19a und einen Verteilerringraum 19 wird das Kühlmittel dem ersten Kühlkanal 16 zu-, und über einen Sammelringraum 20 und Austrittsöffnungen 20a wieder abgeführt. Die Verlustwärme des Laserkristalls 2 wird zumindest teilweise beim Durchströmen der Ringräume 19, 20 an die Flanschplatte 17 und die Anschlussplatte 23 übertragen, diese wiederum übertragen die Wärme durch Wärmeleitung an den Wärmeverteiler 28.
Gegebenenfalls kann auch der Wärmeverteiler 28 axiale Kühlkanäle 15 aufweisen, wie in Fig. 4 und 6 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Das Kühlmedium tritt dabei durch Zutrittsöffnungen 19a in den Verteilerringraum 19 ein, durchströmt die ersten Kühlkanäle 15 des Wärmeverteilers 28 und wird über den Übertrittskanal 18 in den Kühlkanal 16 geleitet. Danach strömt es durch den Sammelringraum 20 und Austrittsöffnungen 20a zu einer externen Pumpe.
Der zweite Kühlkreislauf 14 weist Eintrittsöffnungen 21 im äußeren Wärmetauscher 29 auf, welche zu zweiten Kühlkanälen 24 und weiter zu Austrittsöffnungen 22 führen. Das beispielsweise durch Wasser gebildete Kühlmittel gelangt über die Eintrittsöffnungen 21 in die zweiten Kühlkanäle 24, durchströmt den äußeren Wärmetauscher 29 und verlässt die Laser-Zündeinrichtung 1 wieder im Bereich der Austrittsöffnungen 22. Über die zweiten Kühlkanäle 24 wird also vor allem Wärme aus den Peltier-Kühlelementen 12 über den äußeren Wärmetauscher 29 abgeführt.
Durch die aus drei Kühlsystemen A, B, C - nämlich Peltier-Kühlelemente 12, erstem Kühlkreislauf 13 und zweitem Kühlkreislauf 14 - bestehende Kühleinrichtung 11 ist es möglich, als Material für den Laserkristall 2 das weit verbreitete, kostengünstige und mechanisch gut belastbare Neodym :YAG und als Pumplichtquelle Pumpdioden 3 zu verwenden. Durch die Kühleinrichtung 11 können die Pumpdioden 3 thermisch auf etwa 30°C stabilisiert werden, was sich vorteilhaft auf deren Lebensdauer auswirkt. Andererseits kann durch die thermische Stabilisierung erreicht werden, dass die Wellenlänge der Pumpdioden 3 stets innerhalb der schmalen Absorptionslinie des Laserkristalls 2 bleibt.
Der Laserkristall 2 ist im Bereich der stirnseitigen Anschlussplatte 23 für die Laserwellenlänge (1064nm) verspiegelt und am anderen Ende antireflektierend beschichtet.
Die Form der Laser-Zündeinrichtung 1 ergibt sich aus der Forderung, dass diese anstelle einer Zündkerze in den Zündkerzenschacht 31 eines Zylinderkopfes 32 montierbar sein soll und aus der Randbedingung, dass die Pumpdioden 3 im Kopfbereich 10 der Laser-Zündeinrichtung 1 angeordnet sein müssen. Zur Erzielung einer hohen Strahlgüte ist ein möglichst großer Abstand zwischen dem Laserkristall 2 und dem Auskoppelspiegel 6 nötig. Der Auskoppelspiegel 6 ist daher im Fußbereich 25 der Laser-Zündeinrichtung 1 brennraumnahe angeordnet. Kurz nach dem Auskoppelspiegel 6 befindet sich die Fokussiereinrichtung 7 mit einer einzigen Fokuslinse 8, die gleichzeitig das Fenster zum Brennraum bildet und als plano-spherische Linse ausgebildet ist. Als Material für die Fokussierlinse 8 eignet sich beispielsweise Saphir.
Der zweite Kühlkreislauf 14 kann mit der vorhandenen Wasserkühlung des Motors gekoppelt sein. Für den ersten Kühlkreislauf sind höhere optische, qualitative und thermische Bedingungen zu erfüllen, sodass hier ein eigenes Kühlmittel erforderlich ist.
Die Pumpdioden 3 müssen aufgrund stark eingeschränkter Lebensdauer bei höherer Betriebstemperatur bei etwa 30°C betrieben werden. Der Verlustwärmestrom wird über einen Wärmeverteiler 28, welcher aus Kupfer besteht, an die Peltier-Kühlelemente 12 abgeleitet, die den Wärmestrom auf das Temperaturniveau des Motorkühlwassers transformieren und über den äußeren Wärmetauscher 29 an dieses abgeben.
Da sich die Wellenlänge der Pumpdioden 3 mit der Temperatur verschiebt und das Absorptionsband des Laserkristalls 2 extrem schmal ist, muss eine schnelle und genaue Temperaturregelung vorgesehen sein. Die Temperatur auf der kalten Seite sollte dabei maximal um etwa +/- 1,5°C vom Sollwert abweichen. Um dies zu erreichen, werden die Peltier-Kühlelemente 12 mit mindestens einem Temperatursensor und einer Stromquelle in einem geschlossenen Regelkreis betrieben.
Über die vorzugsweise sechs rund um den Laserkristall 2 angeordneten Pumpdioden 3 werden Lichtimpulse dem Laserkristall 2 zugeführt. Über die Einstrahlung der Pumpdioden 3 (808nm) werden metastabile Energieniveaus im Laserkristall 2 angeregt und die Energie damit gespeichert. Aufgrund einer geringen spontanen Emission beginnt der Laserkristall 2 Licht auf der Laserwellenlänge (1064nm) zu emittieren. Zur Verstärkung und Kohärenz des Lichtes ist der Laserkristall 2 in einen optischen Resonator 9 eingebettet, dessen Güte mit dem passiven Güteschalter 4 (Q-Switch) bei Erreichen der gewünschten Leistungsdichte pulsartig erhöht wird. Dadurch erhält man am Auskoppelspiegel 6 einen hohen, kurzen Laserpuls 26, welcher über die Fokussierlinse 8 in einem Brennpunkt 27 fokussiert wird.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, kann die Laser-Zündeinrichtung 1 zur Gänze im Zündkerzenschacht 31 eines Zylinderkopfes 32 einer Brennkraftmaschine angeordnet werden. Die Laser-Zündeinrichtung 1 eignet sich somit für den Einsatz in bestehende konventionelle Zylinderkopfkonzepte für fremdgezündete Brennkraftmaschinen. Um Verunreinigungen der Fokussiereinrichtung möglichst gering zuhalten schließt die Fokussierlinse 8 zum Brennraum 33 hin plan an die Zylinderkopfdeckfläche 34 an.

Claims (13)

  1. Laser-Zündeinrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem gütegeschalteten, gepumpten Festkörperlaser mit einer gepulsten Pump-Lichtquelle (30), einem in einen Resonator (9) eingebetteten festen Laserkristall (2), einem Güteschalter (4) zur Erhöhung der Leistungsdichte, zumindest einem Auskoppelspiegel (6) und einer Fokussiereinrichtung (7), über welche der Laserstrahl (26) in einem Brennraum fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Pump-Lichtquelle (30), Resonator (9) samt Laserkristall (2), Güteschalter (4), Auskoppelspiegel (6), Fokussiereinrichtung (7) sowie eine Kühleinrichtung (11) zur Kühlung des Resonators (9) in einem einzigen, in einen Zündkerzenschacht (31) der Brennkraftmaschine einsetzbaren Bauteil integriert sind.
  2. Zündeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pump-Lichtquelle (30) durch Pumpdioden (3) gebildet ist.
  3. Zündeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Güteschalter (4) passiv ausgebildet ist.
  4. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (7) eine einzige Fokussierlinse (8) aufweist.
  5. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (11) mindestens zwei, vorzugsweise drei verschiedene Kühlsysteme (A, B, C) aufweist.
  6. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Pumpdioden (3) der Resonator (9) zumindest ein Peltier-Kühlelement (12) aufweist.
  7. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Laserkristalls (2) der Resonator (9) einen inneren ersten Kühlmittelkreislauf (13) aufweist.
  8. Zündeinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeabfuhr vom Peltier-Kühlelement (12) der Resonator (9) zumindest einen äußeren zweiten Kühlmittelkreislauf (14) aufweist.
  9. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall (2) von zumindest einem vorzugsweise ringförmigen ersten Kühlkanal (16) umgeben ist.
  10. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpdioden (3) konzentrisch um den Laserkristall (2) angeordnet sind.
  11. Zündeinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei, vorzugsweise zumindest sechs Pumpdioden (3) gleichmäßig um den Laserkristall herum angeordnet sind.
  12. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Kaltstart die Pumpdioden (3) durch das Peltier-Kühlelement (12) auf die Betriebstemperatur erwärmbar sind.
  13. Zündeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpdioden (3) in Serie geschaltet sind.
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