DE102009055038A1

DE102009055038A1 - Laserzündeinrichtung

Info

Publication number: DE102009055038A1
Application number: DE102009055038A
Authority: DE
Inventors: Werner 70839 Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011085853A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung (100) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Großgasmotor, mit einer eine primäre Vorkammer (120) aufweisenden Laserzündkerze (110), die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (20) in die primäre Vorkammer (120) einzustrahlen. Erfindungsgemäß ist eine sekundäre Vorkammer (130) vorgesehen, die so mit der Laserzündkerze (110) und/oder der primären Vorkammer (120) verbindbar ist, dass mindestens ein Überströmkanal (121a, 121b, 121c) der primären Vorkammer (120) eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum (122) der primären Vorkammer (120) und einem Innenraum (132) der sekundären Vorkammer (130) herstellt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Großgasmotor, mit einer eine primäre Vorkammer aufweisenden Laserzündkerze, die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung in die primäre Vorkammer einzustrahlen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine effizientere Zündung gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine sekundäre Vorkammer vorgesehen ist, die so mit der Laserzündkerze und/oder der primären Vorkammer verbindbar ist, dass mindestens ein Überströmkanal der primären Vorkammer eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum der primären Vorkammer und einem Innenraum der sekundären Vorkammer herstellt.
Die erfindungsgemäße Hintereinanderanordnung der primären Vorkammer und der sekundären Vorkammer ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung von verhältnismäßig energiereichen Zündfackeln, welche aus der sekundären Vorkammer in einen Brennraum der Brennkraftmaschine austreten und das dort vorliegende zündfähige Gemisch effizient entzünden können.
Durch die erfindungsgemäße Fackelzündung in der sekundären Vorkammer, die mittels Zündfackeln bewirkt wird, welche sich aus der lasergezündeten primären Vorkammer in die sekundäre Vorkammer ausbreiten, wird in der sekundären Vorkammer ein großer Druckgradient und somit eine hohe Druckdifferenz zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine erzeugt, wodurch vorteilhaft das schnelle und weitreichende Austreiben von Zündfackeln aus der sekundären Vorkammer in den Brennraum gewährleistet wird.
Dadurch kann die Magergrenze in dem Brennraum der Brennkraftmaschine erweitert werden, es ergibt sich eine Reduzierung der Klopfneigung einer erfindungsgemäß gezündeten Brennkraftmaschine sowie eine Wirkungsgradsteigerung des gesamten Verbrennungsprozesses.
Durch die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung mit ihren kaskadierten primären und sekundären Vorkammern werden besonders energiereiche Zündfackeln für einen Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine erzeugt, die ein sicheres Zünden auch bei mageren Gemischen in dem Hauptbrennraum ermöglichen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass die Laserzündkerze dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung auf einen Zündpunkt einzustrahlen, insbesondere zu bündeln, der in einem der sekundären Vorkammer zugewandten Bereich, beispielsweise Halbraum, der primären Vorkammer liegt. Dieser Bereich ist Untersuchungen der Anmelderin zufolge besonders restgasarm und ermöglicht daher eine sichere Laserzündung in der primären Vorkammer. Besonders bevorzugt ist die Laserzündkerze so ausgebildet, dass der Zündpunkt direkt im Bereich der Überströmkanäle der primären Vorkammer liegt.
Einer weiteren Erfindungsvariante zufolge beträgt das Volumen der primären Vorkammer zwischen etwa 0,5 cm³ und etwa 2 cm³.
Einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung zufolge beträgt das Volumen der sekundären Vorkammer zwischen etwa 4 cm³ und etwa 30 cm³.
Einer weiteren Erfindungsvariante zufolge ist vorgesehen, dass ein Volumenverhältnis zwischen einem Volumen der sekundären Vorkammer und einem Volumen der primären Vorkammer zwischen etwa 2 und etwa 60 beträgt, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 20.
Ein besonders effizienter Betrieb der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass die primäre Vorkammer zwischen etwa 1 bis etwa 5 Überströmkanäle aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der primären Vorkammer und einem die primäre Vorkammer umgebenden Raumbereich, insbesondere dem Innenraum der sekundären Vorkammer, herstellen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die primäre Vorkammer und/oder die sekundäre Vorkammer als ungespülte Vorkammer ausgebildet sind, wodurch vorteilhaft der zusätzliche konstruktive Aufwand für eine Frischgasspülung der Vorkammer entfällt (Einsparung von Druckerzeugung, Gasverteilung und Gasventilen).
Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht vorteilhaft insbesondere auch bei großen Bohrungsdurchmessern von Zylindern der Brennkraftmaschine einen mäßig mageren Betrieb der sekundären Vorkammer, insbesondere mit Lambdawerten zwischen etwa 1 3 und etwa 2,3, wodurch sich vorteilhaft eine Reduzierung von Stickoxiden (NO_x) sowie von Ruß ergibt.
Ferner ergeben sich durch die erfindungsgemäße Kaskadierung der primären Vorkammer und der sekundären Vorkammer vorteilhaft optimal große Fackelreichweiten der aus der sekundären Vorkammer in den Brennraum austretenden Zündfackeln, was zu einer signifikanten Wirkungsgradsteigerung der Verbrennungseinleitung beziehungsweise Verbrennung führt.
Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Prinzip vorteilhaft, auf turbulenzsteigernde, üblicherweise aber wirkungsgradschädliche Maßnahmen in dem Hauptbrennraum, wie beispielsweise die Vorsehung von schroffen Kolbenmulden, enger Quetschspalte oder auch einer sonstigen Erhöhung der Brennraumoberfläche, einer Drall- oder Tumble-Erzeugung, zu reduzieren oder zu verzichten.
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 der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
1 schematisch einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung, und
2 eine Detailansicht eines brennraumzgewandten Endbereichs einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung in einem teilweisen Querschnitt.
1 zeigt schematisch einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100. Die Laserzündeinrichtung 100 verfügt über eine Laserzündkerze 110, die in an sich bekannter Weise Laserstrahlung 20 erzeugt. Beispielsweise kann die Laserzündkerze 110 eine Lasereinrichtung 112 mit einem laseraktiven Festkörper und einer passiven Güteschaltung aufweisen, die mit Pumplicht beaufschlagt werden, um energiereiche Laserzündimpulse zu erzeugen.
Alternativ hierzu kann die Laserzündkerze 110 auch dazu ausgebildet sein, von einer entfernt angeordneten Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahlung zu führen und/oder zu verstärken.
Die Laserzündkerze 110 verfügt über eine Fokussieroptik 114, die das vorliegend von der Lasereinrichtung 112 erzeugte Laserlicht 20 auf einen Zündpunkt ZP bündelt.
Die Laserzündkerze 110 verfügt ferner über ein Brennraumfenster 116, das der Fokussieroptik 114 optisch nachgeordnet ist und einen Innenraum der Laserzündkerze 110 von dem Innenraum 122 einer primären Vorkammer 120 trennt, die der Laserzündkerze 110 zugeordnet ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die primäre Vorkammer 120 vorteilhaft einstückig mit dem restlichen Gehäuse der Laserzündkerze 110 verbunden.
Erfindungsgemäß ist bei der Laserzündeinrichtung 100 eine sekundäre Vorkammer 130 vorgesehen, die so mit der Laserzündkerze 110 beziehungsweise vorliegend mit der primären Vorkammer 120, verbindbar ist, dass mindestens ein Überströmkanal 121a, 121b, 121c der primären Vorkammer 120 eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum 122 der primären Vorkammer 120 und einem Innenraum 132 der sekundären Vorkammer 130 herstellt.
Durch diese erfindungsgemäße Konfiguration ist vorteilhaft eine mehrstufige Vorkammeranordnung realisiert, welche die Erzeugung von besonders energiereichen Zündfackeln ermöglicht, die aus der sekundären Vorkammer 130 in einen sie umgebenden Raum, beispielsweise einen Brennraum einer die Laserzündeinrichtung 100 enthaltenden Brennkraftmaschine, austreten, um ein dort befindliches zündfähiges Gemisch zu entzünden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Laserzündkerze 110 dazu ausgebildet, die Laserstrahlung 20 auf einen Zündpunkt ZP einzustrahlen, der in einem der sekundären Vorkammer 130 zugewandten Bereich 122a der primären Vorkammer 120 liegt, insbesondere im Bereich der Überströmkanäle 121a, 121b, 121c. Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist dieser Bereich 122a während des Betriebs der Laserzündeinrichtung 100 besonders restgasarm, wodurch eine zuverlässige Laserzündung ermöglicht ist. Generell liegt der Zündpunkt ZP bevorzugt in einem der sekundären Vorkammer 130 zugewandten Halbraum der primären Vorkammer 120.
Durch die bei der Laserzündung aus der primären Vorkammer 120 über die Überströmkanäle 121a, 121b, 121c austretenden Zündfackeln ist eine effiziente Entflammung des in der sekundären Vorkammer 130 vorliegenden zündfähigen Gemischs möglich.
Die Beaufschlagung des Innenraums 132 der sekundären Vorkammer 130 mit energiereichen Zündfackeln aus der primären Vorkammer 120 ermöglicht vorteilhaft einen mäßig mageren Betrieb der sekundären Vorkammer 130, das heißt z. B. mit Lambdawerten zwischen etwa 1,3 und etwa 2,3 wodurch Stickoxidemissionen und eine Rußbildung vorteilhaft vermindert werden.
Einer alternativen Ausführungsform zufolge kann die primäre Vorkammer 120 auch lösbar verbindbar mit der Laserzündkerze 110 ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung. Dasselbe gilt für eine Verbindung zwischen der sekundären Vorkammer 130 und der primären Vorkammer 120 beziehungsweise der Laserzündkerze 110.
Dadurch kann beispielsweise die sekundäre Vorkammer 130 vorteilhaft direkt integriert werden in einen Zylinderkopf 300 (2) einer Brennkraftmaschine, während die bauliche Einheit aus Laserzündkerze 110 (1) und primärer Vorkammer 120 in die sekundäre Vorkammer 130 eingeschraubt werden kann.
2 zeigt die sich während der Laserzündung ergebenden und aus der primären Vorkammer 120 beziehungsweise ihrem Innenraum 122 austretenden Zündfackeln 124, die das in dem Innenraum 132 der sekundären Vorkammer 130 vorliegende zündfähige Gemisch entflammen.
Ferner sind aus 2 die Zündfackeln 134 ersichtlich, die sich infolge der Entflammung in der sekundären Vorkammer 130 ergeben und durch die Überströmkanäle 131a, 131b, 131c (1) in den Brennraum 200 der Brennkraftmaschine austreten.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100 beträgt ein Volumen der primären Vorkammer 120 zwischen etwa 0,5 cm³ und etwa 2 cm³.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100 beträgt ein Volumen der sekundären Vorkammer 130 zwischen etwa 4 cm³ und etwa 30 cm³.
Weiterhin kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Volumenverhältnis zwischen einem Volumen der sekundären Vorkammer 130 und einem Volumen der primären Vorkammer 120 zwischen etwa 2 und etwa 60 beträgt, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 20.
Die primäre Vorkammer 120 verfügt vorteilhaft über zwischen etwa 1 bis etwa 5 Überströmkanäle 121a, ..., die die Fluidverbindung zwischen dem Innenraum 122 der primären Vorkammer 120 und dem die primäre Vorkammer 120 umgebenden Raumbereich, insbesondere dem Innenraum 132 der sekundären Vorkammer 130, herstellen.
Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge können die primäre Vorkammer 120 und/oder die sekundäre Vorkammer 130 als ungespülte Vorkammer ausgebildet sein.
Die Reichweite und Richtung der Zündfackeln 124, 134 ist durch die Wahl geeigneter Bohrungsdurchmesser für die Überströmkanäle 121a, ..., 131a, ... sowie durch die Ausrichtung der Überströmkanäle an die Geometrie des zu beaufschlagenden Raums, insbesondere an die Geometrie des Innenraums 132 der sekundären Vorkammer 130 beziehungsweise im Falle der Überströmkanäle der sekundären Vorkammer 130 an die Geometrie des Brennraums 200 anzupassen.
Die Anpassung sollte insbesondere derart erfolgen, dass nach dem Eindringen und Ausbreiten der Zündfackeln 124, 134 in den zu beaufschlagenden Raum 132, 200 möglichst kurze verbleibende Flammwege entstehen, so dass sich eine besonders schnelle und effiziente Verbrennung ergibt.
Die Volumina der Vorkammern 120, 130 können vorteilhaft individuell an den jeweiligen Brennwert des verwendeten zündfähigen Gemischs angepasst werden.
Auch die Anzahl der Überströmkanäle der sekundären Vorkammer 130 sowie deren Ausrichtung ist der Geometrie des Hauptbrennraums 200 anzupassen.
Besonders vorteilhaft wird die sekundäre Vorkammer 130 beziehungsweise ihre Überströmkanäle so ausgelegt, dass eine radiale Fackelreichweite – bezogen auf eine Längsachse der Laserzündkerze 110 – in etwa einem Bohrungsradius des Brennraums 200 beziehungsweise des ihm zugeordneten Zylinders entspricht.

Claims

Laserzündeinrichtung (100) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Großgasmotor, mit einer eine primäre Vorkammer (120) aufweisenden Laserzündkerze (110), die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (20) in die primäre Vorkammer (120) einzustrahlen, gekennzeichnet durch eine sekundäre Vorkammer (130), die so mit der Laserzündkerze (110) und/oder der primären Vorkammer (120) verbindbar ist, dass mindestens ein Überströmkanal (121a, 121b, 121c) der primären Vorkammer (120) eine Fluidverbindung zwischen einem Innenraum (122) der primären Vorkammer (120) und einem Innenraum (132) der sekundären Vorkammer (130) herstellt.
Laserzündeinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (110) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung (20) auf einen Zündpunkt (ZP) einzustrahlen, insbesondere zu bündeln, der in einem der sekundären Vorkammer (130) zugewandten Bereich (122a) der primären Vorkammer (120) liegt.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen der primären Vorkammer (120) zwischen etwa 0,5 cm³ und etwa 2 cm³ beträgt.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen der sekundären Vorkammer (130) zwischen etwa 4 cm³ und etwa 30 cm³ beträgt.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenverhältnis zwischen einem Volumen der sekundären Vorkammer (130) und einem Volumen der primären Vorkammer (120) zwischen etwa 2 und etwa 60 beträgt, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 20.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Vorkammer (120) zwischen etwa 1 bis etwa 5 Überströmkanäle (121a, 121b, 121c) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum (122) der primären Vorkammer (120) und einem die primäre Vorkammer (120) umgebenden Raumbereich, insbesondere dem Innenraum (132) der sekundären Vorkammer (130), herstellen.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Vorkammer (120) und/oder die sekundäre Vorkammer (130) als ungespülte Vorkammer ausgebildet sind.