-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
-
Es
ist bekannt, dass Laserzündkerzen
im Gegensatz zu herkömmlichen
Zündkerzen
für Hochspannungszündsysteme
prinzipiell eine freie Wahl des Zündorts in einem Brennraum einer
Brennkraftmaschine ermöglichen.
Die Festlegung des gewünschten
Zündorts
kann beispielsweise durch eine entsprechende Einstellung der Brennweite
einer Fokussieroptik erfolgen, die dazu verwendet wird, die in der
Laserzündkerze
erzeugte oder verstärkte
Laserstrahlung auf den Zündpunkt
im Brennraum zu bündeln.
-
Da
ein optimaler Zündort
jedoch von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine wie beispielsweise
Drehzahl, Last, Luftzahl Lambda, Grad der Aufladung und dergleichen
abhängt,
ist es wünschenswert,
den Zündort
dynamisch, das heißt
während
des Betriebs der Laserzündkerze
bzw. einer die Laserzündkerze
enthaltenden Brennkraftmaschine zu ändern. Hierzu sind bereits
mechanische Stellsysteme bekannt, bei denen beispielsweise eine
Linse einer in die Laserzündkerze
integrierten Optik entlang einer vorgebbaren Achse verschoben wird,
um die Brennweite des optischen Gesamtsystems und damit auch den
Zündort
zu verändern.
Ein Nachteil der bekannten mechanischen Stellsysteme besteht in
der großen
Störanfälligkeit
aufgrund der hohen mechanischen und thermischen Beanspruchung insbesondere
der mechanischen Komponenten, wie sie bei einer Anordnung in der
Brennkraftmaschine gegeben ist. Andererseits weisen die bekannten
Stellsysteme nur eine verhältnismäßig geringe
Stellgeschwindigkeit auf, da relativ große Massen mit großer Präzision bewegt
werden müssen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass sie eine dynamische Veränderung
des Zündorts
bei gleichzeitig geringer Störanfälligkeit
ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
in einem Strahlengang von in der Laserzündkerze geführter Laserstrahlung mindestens
ein adaptives optisches Element angeordnet ist, das dazu ausgebildet
ist, den Strahlengang der Laserstrahlung zu beeinflussen.
-
Die
erfindungsgemäße Verwendung
eines adaptiven optischen Elements ermöglicht vorteilhaft eine sehr
viel größere Dynamik
als die herkömmlichen
rein mechanischen Stellsysteme, bei denen ganze Linsen oder sogar
Linsengruppen bewegt werden müssen.
-
Erfindungsgemäß ist es
möglich, Änderungen
des Zündorts
bzw. Zündpunkts
im Millisekundenbereich vorzunehmen, so dass u. U. sogar für einen einzigen
Arbeitszyklus eines Zylinders der Brennkraftmaschine mehrere unterschiedliche
Zündpunkte eingestellt
werden können,
beispielsweise um eine Doppel- bzw. Mehrfachzündung zu realisieren. Die Erfindung
erlaubt ferner ganz allgemein die flexible Einstellung des Zündpunkts
u. a. in Abhängigkeit
eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine und trägt somit
zur Steigerung ihres Wirkungsgrads sowie zur Verminderung von Schadstoffemissionen
bei.
-
Darüberhinaus
weisen die erfindungsgemäß vorgeschlagenen
adaptiven optischen Elemente eine geringere Störanfälligkeit auf als die herkömmlichen mechanischen
Stellsysteme, weil die adaptiven optischen Elemente unter entsprechender
Ansteuerung, die beispielsweise mittels elektrischer oder magnetischer
Felder und/oder Ultraschall und/oder Druck erfolgen kann, in der
Regel allein ihre eigene Geometrie verändern und nicht wie bei den
herkömmlichen Stellsystemen
komplexe Massensysteme angetrieben werden müssen.
-
Eine
besonders hohe Dynamik hinsichtlich der Einstellung eines gewünschten
Zündortes
ergibt sich erfindungsgemäß bei der
Ausbildung des adaptiven optischen Elements als adaptive Linse.
Die adaptive Linse kann unter entsprechender Ansteuerung z. B. ihre
Brennweite ändern
und beeinflusst damit direkt den Strahlengang der für die Laserzündung verwendeten
Laserstrahlung. Besonders bevorzugt ist die adaptive Linse als Flüssigkeitslinse
ausgebildet.
-
Eine
Flüssigkeitslinse
kann beispielsweise unter Ausnutzung des auch als electrowetting
(„Elektrobenetzung”) bekannten
Effekts realisiert werden, bei dem ein aktives flüssiges Medium
unter Einfluss eines elektrischen Feldes seine Anordnung auf einer Kontaktelektrode
und damit auch seine optisch wirksame Geometrie ändert.
-
Weitere
Typen von adaptiven Linsen sind z. B. Flüssigkeitslinsen, die unter
Einwirkung von Druck oder Ultraschall ihre optisch wirksame Geometrie ändern.
-
Um
einen zuverlässigen
Betrieb der Flüssigkeitslinse über den
gesamten Betriebsbereich einer die erfindungsgemäße Laserzündkerze enthaltenden Brennkraftmaschine
hinweg zu gewährleisten,
kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass ein aktives Medium der Flüssigkeitslinse einen Siedepunkt
aufweist, der größer ist
als etwa 100 Grad Celsius, vorzugsweise größer als etwa 200 Grad Celsius.
Bevorzugt wird als aktives Medium daher ein Spezialöl mit hohem
Siedepunkt verwendet.
-
Einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zufolge kann das adaptive optische Element
auch als adaptiver Spiegel ausgebildet sein. Analog zu der adaptiven Linse
kann auch der adaptive Spiegel unter entsprechender Ansteuerung
beispielsweise seine Brennweite verändern. Es ist ferner denkbar,
bei der Vorsehung entsprechender Stellglieder ganz allgemein die Geometrie
einer Oberfläche
des Spiegels zu modifizieren, um den Strahlengang der Laserstrahlung
zu beeinflussen. Im Unterschied zu der adaptiven Linse, die ein
transmittierendes Element ist, ermöglicht der adaptive Spiegel
als reflektierendes Element eine andersartige Gestaltung des Strahlengangs
und stellt somit neben der Möglichkeit
zur hochdynamischen Beeinflussung des Strahlengangs einen weiteren Freiheitsgrad
zur Realisierung des inneren Aufbaus der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
bereit.
-
Eine
besonders effektive Beeinflussung der Laserstrahlung ergibt sich
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zufolge dann, wenn das adaptive optische Element eine
optisch aktive Fläche aufweist,
deren minimale Kantenlänge
beziehungsweise deren minimaler Durchmesser größer oder gleich etwa 3 Millimeter
ist, vorzugsweise größer oder
gleich etwa 5 Millimeter.
-
Eine
besonders betriebssichere Konfiguration ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
dann, wenn das adaptive optische Element in einem brennraumabgewandten
Bereich der Laserzündkerze
angeordnet ist, wo es geringeren Betriebstemperaturen ausgesetzt
ist als in einem dem Brennraum zugewandten Bereich der Laserzündkerze.
-
Eine
Vergrößerung der
Empfindlichkeit des Strahlengangs gegenüber der erfindungsgemäßen Beeinflussung
durch das adaptive optische Element ist einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform der
Erfindung zufolge dadurch gegeben, dass der Strahlengang so ausgebildet
ist, dass die Laserstrahlung mehrfach über das adaptive optische Element geführt wird.
Hierbei ergibt sich eine entsprechende Vervielfachung der Wirkung
des adaptiven optischen Elements auf den Strahlengang. Besonders
vorteilhaft ist der Strahlengang hierzu beispielsweise gefaltet
ausgebildet.
-
Die
erfindungsgemäße Laserzündkerze kann
einer weiteren vorteilhaften Variante zufolge eine integrierte Lasereinrichtung
aufweisen, insbesondere eine Lasereinrichtung mit einer passiven Güteschaltung,
mittels der Laserimpulse erzeugbar sind, die eine besonders hohe
Spitzenleistung aufweisen.
-
Vorteilhaft
kann die erfindungsgemäße Laserzündkerze
auch mehrere adaptive optische Elemente aufweisen.
-
Die
erfindungsgemäße Laserzündkerze kann
aufgrund ihrer Flexibilität
und Betriebssicherheit insbesondere zum Aufbau eines Zündsystems
für eine
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Der Einsatz
bei stationären
Großgasmotoren
oder anderen Zündanwendungen,
die eine dynamische Variation des Zündpunkts erfordern, ist ebenfalls
denkbar.
-
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 beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1a eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
in einer ersten Betriebsart,
-
1b die
Laserzündkerze
gemäß 1a in
einer zweiten Betriebsart,
-
2 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
und
-
3a, 3b weitere
Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze
mit einem gefalteten Strahlengang.
-
1a zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100,
die vorliegend einen Bestandteil eines nicht näher abgebildeten Zündsystems
bildet, um ein Luft-/Kraftstoffgemisch zu entzünden, das in einem der Laserzündkerze 100 zugeordneten
Brennraum 200 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
vorliegt. Hierzu verfügt
die Laserzündkerze 100 über eine
integrierte Lasereinrichtung 130. Bei der Lasereinrichtung 130 kann
es sich beispielsweise um einen Halbleiterlaser handeln, speziell
auch um eine Lasereinrichtung mit einer passiven Güteschaltung,
die durch eine extern der Laserzündkerze 100 angeordnete
Pumplichtquelle mit Pumpstrahlung zum optischen Pumpen versorgt
wird.
-
Die
Laserzündkerze 100 verfügt über ein Brennraumfenster 101,
durch das in an sich bekannter Weise fokussierte Laserstrahlung
aus der Laserzündkerze 100 in
den Brennraum 200 der Brennkraftmaschine austreten kann.
Die Lage des Zündpunkts ZP in
dem Brennraum 200 hängt
u. a. von einer effektiven Brennweite der zur Fokussierung verwendeten Optik
der Laserzündkerze 100 ab.
-
Erfindungsgemäß weist
die Laserzündkerze 100 ein
adaptives optisches Element auf, das vorliegend als adaptive Linse 120a ausgebildet
ist. Die adaptive Linse 120a ist so in dem Strahlengang 110 der in
der Laserzündkerze 100 geführten Laserstrahlung angeordnet,
dass sie unter entsprechender Ansteuerung den Strahlengang 110 beeinflussen
kann. Dadurch kann beispielsweise die effektive Brennweite der in
der Laserzündkerze 100 enthaltenen
Optik und damit auch die Lage des Zündpunkts ZP in dem Brennraum 200 verändert werden.
-
Bei
der in 1a abgebildeten Erfindungsvariante
wird die adaptive Linse 120a selbst zur Fokussierung der
Laserstrahlung auf den Zündpunkt
ZP eingesetzt. Eine Brennweitenänderung
der adaptiven Linse 120a wirkt sich demnach direkt auf
die Lage des Zündpunkts
ZP aus.
-
Bei
der Ausbildung der adaptiven Linse 120a als Flüssigkeitslinse
kann eine Ansteuerung beispielsweise unter Verwendung einer elektrischen Spannung
erfolgen, wobei die Flüssigkeitslinse 120a insbesondere
nach dem Prinzip des electrowetting arbeiten kann. Durch die Ansteuerung
verändert
die adaptive Linse 120a ihre Brennweite, wodurch sich eine
entsprechende Verschiebung des Zündpunkts ZP
in dem Brennraum 200 ergibt.
-
Alternativ
kann die adaptive Linse 120a auch so ausgebildet sein,
dass sie unter Ansteuerung mittels eines magnetischen Feldes und/oder
Druck und/oder Ultraschall ihre Brennweite ändert.
-
Generell
kann die Ansteuerung der adaptiven Linse 120a durch eine
Steuereinrichtung (nicht gezeigt) erfolgen, die – je nach dem Arbeitsprinzip der
adaptiven Linse 120a – ein
entsprechendes Ansteuersignal, z. B. eine Ansteuerspannung, liefert. Die
Funktionalität
der Steuereinrichtung kann besonders vorteilhaft auch in einem bestehenden
Steuergerät
des Laser-Zündsystems
der Brennkraftmaschine oder einem Motorsteuergerät integriert sein.
-
Im
Falle einer elektrischen Ansteuerung der adaptiven Linse 120a kann
die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 beispielsweise
eine entsprechende elektrische Schnittstelle aufweisen, um der adaptiven
Linse 120a die von dem Steuergerät erzeugte Ansteuerspannung
zuzuführen.
-
Bei
druck- oder ultraschallgesteuerten adaptiven Linsen kann die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 analog
zu der Variante mit elektrischer Ansteuerung eine entsprechende
Schnittstelle zu externen Komponenten aufweisen, die Druck- oder
Ultraschallsignale erzeugen. Alternativ oder ergänzend kann die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 auch
Mittel zur lokalen Erzeugung von Druck oder Ultraschall oder sonstigen
geeigneten Ansteuersignalen für
die adaptive Linse 120a aufweisen, die ihrerseits beispielsweise über eine
elektrische Schnittstelle durch ein externes Steuergerät angesteuert
werden.
-
1a zeigt
die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 in
einem ersten Betriebszustand, bei dem die adaptive Linse 120a so
angesteuert ist, dass sie eine verhältnismäßig große Brennweite aufweist und
der Zündpunkt
ZP sich dementsprechend in einer ersten, verhältnismäßig großen Entfernung d1 von einer
durch das Brennraumfenster 101 gebildeten stirnseitigen
Oberfläche
der Laserzündkerze 100 entfernt
befindet.
-
Bei
der in 1b abgebildeten zweiten Betriebssituation
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 ist
die adaptive Linse 120a so angesteuert, dass sie eine geringere
Brennweite aufweist. Dementsprechend ist der Zündpunkt ZP nur noch um den Abstand
d2 < d1 von der
stirnseitigen Oberfläche
der Laserzündkerze 100 entfernt.
-
2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100,
bei der eine Flüssigkeitslinse 120a zwischen
der Lasereinrichtung 130 und einer eine feste Brennweite
aufweisenden Fokussierungslinse 121 angeordnet ist. Bei dieser
Konfiguration kann durch die Einstellung der Brennweite der Flüssigkeitslinse 120a ein
Durchmesser und die Divergenz der Laserstrahlung an dem Ort der
Fokussierlinse 121 verändert
werden, wodurch sich wiederum eine Änderung der Lage des Zündpunkts
ZP in dem Brennraum 200 ergibt, weil sich die Gesamtbrennweite
des optischen Systems 130, 120a, 121 entsprechend ändert.
-
Diese
Konfiguration weist gegenüber
der unter Bezugnahme auf die 1a, 1b beschriebenen
Variante den Vorteil auf, dass bei der Verwendung einer verhältnismäßig kurzbrennweitigen
asphärischen
Fokussierungslinse 121 der Laserstrahl mit einer sehr guten
optischen Qualität
auf den Zündpunkt
ZP fokussiert werden kann. Dadurch wird der Nachteil vermieden,
dass die üblicherweise
als sphärische
Linse ausgebildete Flüssigkeitslinse 120a selbst
zur Fokussierung eingesetzt werden muss, was zu einer weniger guten
Abbildung des Laserstrahls auf den Zündpunkt ZP führen würde, weil
die Abbildungsqualität
sphärischer
Linsen bei geringen Brennweiten begrenzt ist.
-
Durch
die in 2 abgebildete Konfiguration der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 können daher
typische Abbildungsfehler von sphärischen Linsen vermieden werden,
weil für
die Fokussierung eine besondere, asphärische Fokussierungslinse 121 eingesetzt
wird. Gleichzeitig kann vorteilhaft durch die ebenfalls in dem Strahlengang 110 angeordnete
Flüssigkeitslinse 120a der
Zündpunkt
ZP variiert werden.
-
Die
gesteigerte Abbildungsqualität
auf den Zündpunkt
ZP ermöglicht
eine höhere
Leistungsdichte der Laserstrahlung, wodurch eine zuverlässigere Zündung des
Luft-/Kraftstoffgemischs
auch unter schwierigen Betriebsbedingungen gewährleistet ist.
-
3a zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100,
bei der anstelle einer adaptiven Linse ein adaptiver Spiegel 120b verwendet
wird, um den Strahlengang 110 der in der Laserzündkerze 100 geführten Laserstrahlung zu
beeinflussen.
-
Die
Steuerung des adaptiven Spiegels 120b kann analog zu der
vorstehend beschriebenen Steuerung der adaptiven Linse 120a erfolgen,
also insbesondere über
elektromagnetische Felder, Ultraschall oder Druck. Ferner können Piezoaktoren
vorgesehen sein, um die Geometrie des adaptiven Spiegels 120b zu
verändern.
-
Bei
der Verwendung eines adaptiven Spiegels 120b wird die geometrische
Anordnung der Komponenten 130, 120b, 121 zueinander
bevorzugt so gewählt,
dass ein Reflexionswinkel der Laserstrahlung an dem adaptiven Spiegel 120b kleiner oder
gleich etwa 20° ist,
um optische Fehler bei der Führung
des Strahlengangs 110 zu verringern. Gleichzeitig ergibt
sich hierdurch vorteilhaft auch eine höhere Toleranz gegenüber Verkippungen
der in dem Strahlengang 110 angeordneten Komponenten 130, 120b, 121.
-
Um
den Strahlengang 110 zu verlängern, beispielsweise mit dem
Ziel, eine Empfindlichkeit der Lage des Zündpunkts ZP gegenüber der Änderung der
optischen Eigenschaften des adaptiven Spiegels 120b zu
vergrößern, ist
es denkbar, den Strahlengang 110 auch mehrfach zu falten,
vergleiche die Ausführungsform
gemäß 3b.
Wie aus 3b ersichtlich ist, wird hierzu
neben dem adaptiven Spiegel 120b ein weiterer, nicht adaptiver
Spiegel 122 verwendet.
-
Durch
die in 3b abgebildete Konfiguration
ergibt sich neben der reinen Verlängerung des Strahlengangs 110 vorteilhaft
der Effekt, dass die Laserstrahlung mehrfach über den adaptiven Spiegel 120b geführt wird,
so dass Änderungen
der optischen Eigenschaften des adaptiven Spiegels 120b sich
entsprechend stärker
auf den Strahlengang 110 und damit auch auf die Lage des
Zündpunkts
ZP auswirken als bei Systemen, bei denen der Strahlengang nur einfach über ein
adaptives optisches Element 120a, 120b führt.
-
Eine
besonders effiziente Beeinflussung des Strahlengangs 110 ergibt
sich erfindungsgemäß ferner
dann, wenn das adaptive optische Element 120a, 120b eine
optisch aktive Fläche
aufweist, deren minimale Kantenlänge
beziehungsweise deren minimaler Durchmesser größer oder gleich etwa 3 Millimeter
ist, vorzugsweise größer oder
gleich etwa 5 Millimeter, so dass das gesamte Strahlprofil der Laserstrahlung erfasst
wird.
-
Die
Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 kann vorteilhaft
dadurch gesteigert werden, dass bei einer Ausbildung des adaptiven
optischen Elements als Flüssigkeitslinse 120a für die Flüssigkeitslinse 120a ein
aktives Medium beziehungsweise eine Flüssigkeit gewählt wird, deren
Siedepunkt größer ist
als etwa 100 Grad Celsius, vorzugsweise größer als etwa 200 Grad Celsius. Hierfür kommen insbesondere
Spezialöle
in Betracht, die sowohl den erforderlichen hohen Siedepunkt als
auch hinreichend gute optische Eigenschaften aufweisen.
-
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass das adaptive optische Element 120b in
einem dem Brennraum 200 abgewandten Bereich 100a der
Laserzündkerze 100 angeordnet
ist, vergleiche 3a. Durch die niedrigeren Temperaturen in
dem brennraumabgewandten Bereich 100a der Laserzündkerze 100 – im Vergleich
zu der brennraumnahen Zone im Bereich des Brennraumfensters 101 – ist eine
höhere
Betriebssicherheit und Standzeit der adaptiven Optik 120a, 120b gewährleistet.