DE102009047021A1

DE102009047021A1 - Laserzündkerze

Info

Publication number: DE102009047021A1
Application number: DE102009047021A
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Martin Weinrotter; Pascal Woerner; Juergen Raimann; Igor Orlandini
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-05-26
Also published as: US20120279469A1; WO2011060987A1; EP2504564A1; JP2013511659A; US8844491B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen Großgasmotor, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und einem Brennraumfenster (140), das die Vorkammer (110) von einem brennraumabgewandten Teil (100a) der Laserzündkerze (100) trennt. Erfindungsgemäß ist in der Vorkammer (110) mindestens ein strömungsführendes Element (130) vorgesehen und so angeordnet, dass es eine in der Vorkammer (110) auftretende Fluidströmung (F), die sich auf das Brennraumfenster (140) zu bewegt, in eine radial innere Richtung umlenkt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen Großgasmotor, mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und einem Brennraumfenster, das die Vorkammer von einem brennraumabgewandten Teil der Laserzündkerze trennt.
Eine derartige Laserzündkerze ist bereits aus der DE 10 2006 018 973 A1 bekannt. Nachteilig an der bekannten Laserzündkerze ist die Tatsache, dass sich in einem der Vorkammer zugewandten Oberflächenbereich des Brennraumfensters kein Restgaspolster aus einem verbrannten Luft-/Kraftstoffgemisch bilden bzw. erhalten kann, das zu dem Schutz des Brennraumfensters vor dem permanenten Eintrag weiterer Verbrennungsprodukte beitragen könnte.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der vorstehend genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Bildung bzw. der Erhalt eines Restgaspolsters im Bereich des Brennraumfensters begünstigt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Vorkammer mindestens ein strömungsführendes Element vorgesehen und so angeordnet ist, dass es eine in der Vorkammer auftretende Fluidströmung, die sich auf das Brennraumfenster zu bewegt, in eine radial innere Richtung umlenkt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Angabe der radial inneren Richtung auf eine Längsachse bzw. optische Achse der Laserzündkerze bzw. der Vorkammer, d. h. die radial innere Richtung steht im wesentlichen senkrecht auf der Längsachse der Laserzündkerze.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergibt sich durch die Vorsehung des erfindungsgemäßen strömungsführenden Elements vorteilhaft eine wirksame Ablenkung von sich bei konventionellen Laserzündkerzen ungehindert auf die der Vorkammer zugewandte Brennraumfensteroberfläche zu bewegenden Fluidströmungen, wie sie beispielsweise während eines Verdichtungstaktes einer die Laserzündkerze enthaltenden Brennkraftmaschine entstehen, bei dem ein zündfähiges Luft-/Kraftstoffgemisch in die Vorkammer einströmt.
Die erfindungsgemäße Ablenkung der Fluidströmung erfolgt dabei vorteilhaft derart, dass sich die Fluidströmung in einen radial inneren Bereich der Vorkammer fortsetzt und nicht einen direkt im Oberflächenbereich des Brennraumfensters liegenden Volumenbereich beaufschlagt. Dadurch kann sich während des Betriebs der Laserzündkerze ein Restgaspolster in diesem Oberflächenbereich ausbilden, das nicht fortwährend durch neue, aus dem Inneren der Vorkammer herrührende Fluidströmungen gestört wird.
Eine besonders effiziente Umlenkung von die Restgaspolsterbildung störenden Fluidströmungen ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass das strömungsführende Element eine im Wesentlichen konkav ausgebildete strömungsführende Oberfläche aufweist. Andere Erfindungsvarianten können auch strömungsführende Oberflächen vorsehen, welche z. B. nur abschnittsweise konkav ausgebildet sind, solange eine direkte Beaufschlagung der Brennraumfensteroberfläche bzw. eines angrenzenden Volumenbereichs durch die Fluidströmung verhindert wird.
Bei einer weiteren Erfindungsvariante wird eine besonders günstige Fluidströmungsumlenkung dadurch erzielt, dass die strömungsführende Oberfläche einem in der Vorkammer angeordneten Zündpunkt zugewandt ist, auf den die Laserzündkerze Laserstrahlung bündelt, und/oder mindestens einem Überströmkanal, der eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer und einem Brennraum ermöglicht. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass sich Fluidströmungen in der Vorkammer üblicherweise ausgehend von dem Zündpunkt ausbreiten oder ausgehend von dem Überströmkanal.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das strömungsführende Element direkt im Bereich des Brennraumfensters angeordnet ist, wodurch sich ein zusätzlicher mechanischer Schutz desjenigen Volumenbereichs im Bereich des Brennraumfensters ergibt, in dem sich das gewünschte Restgaspolster ausbilden soll.
Besonders vorteilhaft ist das strömungsführende Element so ausgebildet, dass es zusammen mit einer der Vorkammer zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Volumenbereich umgibt, dessen Grundfläche im Bereich des Brennraumfensters liegt bzw. durch eine Oberfläche des Brennraumfensters gebildet ist. Eine entsprechende Deckelfläche des kegelstumpfförmigen Volumenbereichs stellt dabei eine Durchtrittsöffnung für die Laserstrahlung zu dem Innenraum der Vorkammer dar.
Eine besonders gleichmäßige erfindungsgemäße Strömungsumlenkung ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass das strömungsführende Element eine optische Achse der Laserzündkerze, insbesondere konzentrisch, umgibt.
Ein besonders stabiler Aufbau ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge gegeben, wenn das strömungsführende Element einstückig ausgebildet ist mit einem Gehäuse der Laserzündkerze.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal vorgesehen ist, der eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer und einem Brennraum ermöglicht, und dass der Überströmkanal gekrümmt ist. Durch die erfindungsgemäße Eigenart der Krümmung des Überströmkanals, im Gegensatz zu herkömmlich als Bohrung ausgeführten Überströmkanälen, ist vorteilhaft ein weiterer Freiheitsgrad bei der Führung einer Fluidströmung im Innenbereich der Vorkammer gegeben, wodurch die erfindungsgemäßen strömungsführenden Elemente hinsichtlich einer gewünschten Fluidumlenkung vorteilhaft unterstützt werden können.
Eine besonders günstige Strömungsführung im Bereich der Überströmkanäle ist dadurch gegeben, dass eine Längsachse eines ersten Abschnitts des Überströmkanals, der in einen Innenbereich der Vorkammer mündet, einen größeren Winkel einschließt mit der optischen Achse der Laserzündkerze als eine Längsachse eines zweiten Abschnitts des Überströmkanals, der in einen die Vorkammer umgebenden Außenbereich mündet. Die erste Längsachse des ersten Abschnitts des Überströmkanals kann dabei durchaus einen rechten Winkel mit der optischen Achse der Laserzündkerze einschließen, während die zweite Längsachse des zweiten Abschnitts des Überströmkanals bevorzugt einen spitzen Winkel, insbesondere einen Winkel < 20°, mit der optischen Achse der Laserzündkerze einschließen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze in einem teilweisen Querschnitt,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze, und
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze.
1 zeigt einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100. Die Laserzündkerze 100 verfügt über eine integrierte Lasereinrichtung 105, die Laserstrahlung 20 erzeugen und auf den in einer Vorkammer 110 der Laserzündkerze 100 liegenden Zündpunkt ZP bündeln kann.
Alternativ kann die Laserzündkerze 100 auch so ausgelegt sein, dass sie von einer entfernt angeordneten Quelle (nicht gezeigt) mit Laserstrahlung versorgt wird, die sie auf den Zündpunkt bündelt. In diesem Fall kann die lokale Lasereinrichtung 105 entfallen.
Der Innenraum der Vorkammer 110 ist von dem brennraumabgewandten Teil 100a der Laserzündkerze 100 durch ein Brennraumfenster 140 getrennt.
Ferner verfügt die Laserzündkerze 100 bzw. ihre Vorkammer 110 über Überströmkanäle 120, die eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 110 und einem Außenbereich 200, bei dem es sich in Einbaulage der Laserzündkerze 100 in einer Brennkraftmaschine beispielsweise um einen Brennraum der Brennkraftmaschine handeln kann, ermöglichen.
Erfindungsgemäß verfugt die Laserzündkerze 100 ferner über mindestens ein strömungsführendes Element 130, welches vorliegend im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und im Bereich einer der Vorkammer 110 zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters 140 angeordnet ist.
Das strömungsführende Element 130 bewirkt vorteilhaft die Umlenkung einer auf das Brennraumfenster 140 gerichteten Fluidströmung F in einen radial inneren Bereich bzw. eine radial innere Richtung bezogen auf die optische Achse OA der Laserzündkerze 100.
Der in 1 gestrichelt gezeichnete Pfeil F' zeigt die erfindungsgemäß umgelenkte Fluidströmung.
Durch die erfindungsgemäße Strömungsumlenkung von F zu F' kann sich vorteilhaft ein Restgaspolster 150 in dem Volumenbereich 111 ausbilden, das vorteilhaft die Oberfläche des Brennraumfensters 140 vor Schmutzpartikeln und weiteren unerwünschten Elementen schützt, wie sie bei der Verbrennung infolge der Laserzündung in der Vorkammer 110 entstehen.
Das strömungsführende Element 130 weist bevorzugt eine im Wesentlich konkav ausgebildete strömungsführende Oberfläche 130a auf, die vorteilhaft dem Zündpunkt ZP bzw. einem Überströmkanal 120 zugewandt ist, so dass eine effiziente Strömungsumlenkung in einen radial inneren Bereich möglich ist.
Obwohl das erfindungsgemäße strömungsführende Element 130 nicht notwendig direkt angrenzend an das Brennraumfenster 140 angeordnet werden muss, ergibt sich hierdurch vorteilhaft die Ausbildung eines besonders gut strömungsgeschützten Volumenbereichs 111, der mit hoher Zuverlässigkeit die Ausbildung und dauerhafte Erhaltung eines Restgaspolsters 150 ermöglicht.
2 zeigt einer weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100.
Im Unterschied zu der Erfindungsvariante gemäß 1 ist das strömungsführende Element 130 vorliegend so ausgebildet, dass es zusammen mit der der Vorkammer 110 zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters 140 einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Volumenbereich 111 umgibt, dessen Grundfläche im Bereich des Brennraumfensters 140 liegt bzw. vorliegend direkt durch die Oberfläche des Brennraumfensters 140 gebildet ist. Eine Deckelfläche des kegelstumpfförmigen Volumenbereichs 111 ermöglicht nach wie vor eine – wenn auch begrenzte – Fluidkommunikation des Volumenbereichs 111 mit dem restlichen Volumen der Vorkammer 110 sowie die Transmission der Laserstrahlung 20 auf den Zündpunkt ZP.
Erfindungsgemäß kann eine besonders gleichmäßige Strömungsführung bzw. Ablenkung der Fluidströmung F (1) von dem Brennraumfenster 140 dadurch erfolgen, dass das strömungsführende Element 130 eine optische Achse OA der Laserzündkerze 100, insbesondere konzentrisch, umgibt.
Das strömungsführende Element 130 kann bevorzugt auch einstückig ausgebildet sein mit dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze, wodurch eine mechanisch besonders stabile Konfiguration erzielt wird.
3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der die lateralen Überströmkanäle 120' gekrümmt sind.
Vorliegend schließt eine Längsachse L1 eines ersten Abschnitts des Überströmkanals 120', der in den Innenbereich der Vorkammer 110 mündet, einen größeren Winkel α1 ein mit der optischen Achse OA der Laserzündkerze 100 als eine zweite Längsachse 12 eines zweiten Abschnitts des Überströmkanals 120', der in einen die Vorkammer 110 umgebenden Außenbereich 200 mündet. Der Winkel α2 zwischen der zweiten Längsachse 12 und der optischen Achse OA beträgt bevorzugt weniger als etwa 50°, besonders bevorzugt weniger als etwa 20°.
Dadurch ist einerseits bei dem Beschicken der Vorkammer 110 mit einem zündfähigen Luft-/Kraftstoffgemisch aus dem Außenbereich 200 bzw. Brennraum gewährleistet, dass das Gemisch direkt auf den Zündpunkt ZP bzw. zumindest nicht direkt auf das Brennraumfenster 140 strömt. Andererseits ist durch die erfindungsgemäße Anordnung der zweiten Längsachse 12 vorteilhaft sichergestellt, dass aus der Vorkammer 110 austretende Zündfackeln, die zur Entzündung des in dem Brennraum 200 vorliegenden Gemischs dienen, sich nicht rein radial von der Vorkammer 110 weg erstrecken, sondern vielmehr auch zumindest zu einem gewissen Anteil sich in axialer Richtung bezüglich der Längsachse bzw. optischen Achse OA der Laserzündkerze 100, d. h. in Figur drei nach rechts, ausbreiten.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Abstimmung der Formgebung der gekrümmten Überströmkanäle 120' und des strömungsführenden Elements 130 derart, dass eine optimierte Strömungsablenkung von dem zu schützenden Volumenbereich 111 (2) gewährleistet ist, während gleichzeitig Zündfackeln (nicht gezeigt) in besonders günstiger Orientierung aus der Vorkammer 110 in den Brennraum 200 austreten können.
Um die Ausbildung des Restgaspolsters 150 (1) nicht durch die Laserzündung selbst zu beeinträchtigen, wird der Zündpunkt ZP bevorzugt so gewählt, dass er außerhalb des zu schützenden Volumenbereichs 111 liegt, insbesondere in einer in 1 rechten Raumhälfte der Vorkammer 110.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006018973 A1 [0002]

Claims

Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen Großgasmotor, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und einem Brennraumfenster (140), das die Vorkammer (110) von einem brennraumabgewandten Teil (100a) der Laserzündkerze (100) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer (110) mindestens ein strömungsführendes Element (130) vorgesehen und so angeordnet ist, dass es eine in der Vorkammer (110) auftretende Fluidströmung (F), die sich auf das Brennraumfenster (140) zu bewegt, in eine radial innere Richtung umlenkt.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungsführende Element (130) eine im wesentlichen konkav ausgebildete strömungsführende Oberfläche (130a) aufweist.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführende Oberfläche (130a) einem in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkt (ZP) zugewandt ist, auf den die Laserzündkerze (100) Laserstrahlung (20) bündelt, und/oder mindestens einem Überströmkanal (120), der eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer (110) und einem Brennraum (200) ermöglicht.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungsführende Element (130) direkt im Bereich des Brennraumfensters (140) angeordnet ist.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungsführende Element (130) so ausgebildet ist, dass es zusammen mit einer der Vorkammer (110) zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters (140) einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen Volumenbereich (111) umgibt, dessen Grundfläche im Bereich des Brennraumfensters (140) liegt bzw. durch eine Oberfläche des Brennraumfensters (140) gebildet ist.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungsführende Element (130) eine optische Achse (OA) der Laserzündkerze (100), insbesondere konzentrisch, umgibt.
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungsführende Element (130) einstückig ausgebildet ist mit einem Gehäuse (101) der Laserzündkerze (100).
Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (120') vorgesehen ist, der eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer (110) und einem Brennraum (200) ermöglicht, und dass der Überströmkanal (120') gekrümmt ist.
Laserzündkerze (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse (L1) eines ersten Abschnitts des Überströmkanals (120'), der in einen Innenbereich der Vorkammer (110) mündet, einen größeren Winkel (α1) einschließt mit der optischen Achse (OA) der Laserzündkerze (100) als eine Längsachse (L2) eines zweiten Abschnitts des Überströmkanals (120'), der in einen die Vorkammer (110) umgebenden Außenbereich (200) mündet.