DE102011100991A1

DE102011100991A1 - Laserzündsystem und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102011100991A1
Application number: DE201110100991
Authority: DE
Inventors: Martin Buschbeck; Stefan Arndt; Roman Grzeszik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserzündsystem (27) für eine Brennkraftmaschine (10), wobei das Laserzündsystem (27) dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (24) auf mindestens zwei in einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) angeordnete Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen.
Das erfindungsgemäße Laserzündsystem (27) ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zündpunkte (ZP1, ZP2) so in dem Brennraum (14) angeordnet sind, dass
a. mindestens zwei benachbarte Zündpunkte (ZP1, ZP2) untereinander einen jeweils im wesentlichen etwa gleichen Abstand (d12, d13, d23) voneinander aufweisen, wodurch ein erstes Kriterium definiert wird, und/oder dass
b. ein Wandabstand (dw1, dw2) zwischen einem Zündpunkt (ZP1, ZP2) und einer Brennraumwand (14a) bei mindestens zwei Zündpunkten (ZP1, ZP2) im wesentlichen etwa gleich groß ist, wodurch ein zweites Kriterium definiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Laserzündsystem für eine Brennkraftmaschine, wobei das Laserzündsystem dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung auf mindestens zwei in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnete Zündpunkte einzustrahlen.
Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Betriebsverfahren für ein Laserzündsystem.
Ein Laserzündsystem der eingangs genannten Art ist bereits aus der DE 10 2004 039 466 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Laserzündsystem der eingangs genannten Art und ein entsprechendes Betriebsverfahren dahingehend zu verbessern, dass auch die Laserzündung von besonders mageren Luft-/Kraftstoff- bzw. Gasgemischen zuverlässig erfolgt.
Diese Aufgabe wird bei dem Laserzündsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens zwei Zündpunkte so in dem Brennraum angeordnet sind, dass a) mindestens zwei benachbarte Zündpunkte untereinander einen jeweils im wesentlichen etwa gleichen Abstand voneinander aufweisen, wodurch ein erstes Kriterium definiert wird, und/oder dass b) ein Wandabstand zwischen einem Zündpunkt und einer Brennraumwand bei mindestens zwei Zündpunkten im wesentlichen etwa gleich groß ist, wodurch ein zweites Kriterium definiert wird.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass dann, wenn die Beaufschlagung des Brennraums mit Laserstrahlung gemäß mindestens einem der vorstehend genannten Kriterien (a, b) erfolgt, eine besonders gleichmäßige und damit auch zuverlässige Zündung erfolgt. Die durch die erfindungsgemäßen Kriterien ermöglichte gleichmäßige Verteilung der mehreren Zündpunkte in dem Brennraum der Brennkraftmaschine bedingt vorteilhaft, dass Flammenfronten, welche jeweils von in den einzelnen Zündpunkten infolge der Laserzündung auftretenden Laserplasmen ausgehen, geringere Flammenwege zurücklegen müssen, was zu einer Verkürzung der Brenndauer führt.
Die erfindungsgemäßen Vorteile können bereits dann zumindest teilweise erhalten werden, wenn der Abstand zwischen benachbarten Zündpunkten bzw. der Wandabstand näherungsweise den Kriterien a und oder b entspricht. Beispielsweise kann eine Abweichung der Abstände um etwa +– 20% zugelassen werden.
Aufgrund der erfindungsgemäß erreichten kurzen Brenndauer wird vorteilhaft die Auswirkung der zyklischen Schwankungen reduziert, d. h. z. B. die Standardabweichung der Verbrennungsschwerpunktlage nimmt ab. Zudem können sich Schwankungen der Luftzahl lambda und Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit zwischen den einzelnen Zündpunkten ausgleichen.
Weiterhin wird aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten Verkürzung der Brenndauer eine Abmagerbarkeit des Gemischs erheblich erweitert. Ein Grund für die bisherige Magergrenze bei konventionellen Zündsystemen ist, dass sich mit einer Abmagerung des Gemisches die Brenngeschwindigkeit deutlich reduziert, sodass in diesem Fall die Verbrennung keinen motorischen Nutzen mehr generiert Aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten Verkürzung der Flammenwege bei den mehreren Zündpunkten wird diesem Effekt entgegengewirkt, sodass auch Verbrennungen mit geringerer Flammengeschwindigkeit motorisch effizient genutzt werden können. Durch diese erweiterte Abmagerbarkeit kann ein Verbrauchsvorteil von einigen Prozent im Vergleich zu einer mit bisherigen Zündsystemen erreichbaren Magergrenze realisiert werden. Ferner können auch Stickoxid (NOx)-Emissionen auf deutlich unter 50 ppm reduziert werden.
Vergleichbar zur Abmagerung des Gemischs wird auch durch die Abgasrückführung (AGR) die Brenngeschwindigkeit reduziert. Dementsprechend kann unter Anwendung der Erfindung vorteilhaft auch die AGR-Verträglichkeit erhöht werden, so dass die NOx-Emissionen weiter abgesenkt werden können.
Durch die mittels des erfindungsgemäßen Laserzündsystems ermöglichte kürzere Brenndauer kann der Zündzeitpunkt nach spät verschoben werden. Somit steht mehr Zeit für die Gemischaufbereitung zur Verfügung. Das zusätzliche Zeitfenster liegt insbesondere auf einem vergleichsweise hohen Druck- und Temperaturniveau in dem Brennraum und ist somit für die Kraftstoffverdampfung im Brennraum besonders hilfreich. Dies ermöglicht eine noch bessere Homogenisierung des Luft/Kraftstoffgemischs und verschafft weitere Vorteile, u. a. für die Reduzierung von Rußpartikeln und die Absenkung von Kohlenwasserstoff(HC)-Emissionen.
Bei Schichtbrennverfahren, wie sie speziell bei der Benzindirekteinspritzung verwendet werden, muss eine zeitliche und räumliche Zuordnung zwischen Zündpunkt und zündfähigem Kraftstoff/Luftgemisch übereinstimmen (Toleranzzuordnungsproblematik). Dies ist bei konventionellen Zündsystemen nur eingeschränkt möglich. Der hier vorgeschlagene Ansatz überwindet diese Einschränkung und stellt eine zuverlässige Zündung in allen Betriebspunkten des Schichtbrennverfahrens sicher. Durch die Verwendung von mehreren Zündpunkten gemäß einem oder beider der vorstehend genannten Kriterien a, b ist nämlich über einen gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine sicher gestellt, dass an mindestens einem der mehreren Zündpunkte zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Gemisch vorliegt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehr als die Hälfte der Zündpunkte, vorzugsweise mehr als etwa 80 Prozent der Zündpunkte, so angeordnet sind, dass sie das erste und/oder zweite Kriterium erfüllen. Weitere bzw. die restlichen Zündpunkte können so angeordnet sein, dass sie mindestens eines der Kriterien zumindest näherungsweise erfüllen. Abweichungen einzelner Zündpunkte von den erfindungsgemäßen Kriterien sind auch möglich, beispielsweise um einer besonderen Brennraumform oder besonderen Strömungsverhältnissen des zündfähigen Gemischs Rechnung zu tragen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe von mindestens zwei Zündpunkten in einer ersten virtuellen Ebene angeordnet ist, welche bevorzugt etwa parallel zu einem Kolbenboden eines Kolbens der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist, und/oder wobei eine zweite Gruppe von mindestens zwei Zündpunkten in einer zweiten virtuellen Ebene angeordnet ist, welche bevorzugt etwa parallel zu dem Kolbenboden ausgerichtet ist. Mehr als zwei Ebenen sind ebenfalls denkbar. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehr als zwei, Zündpunkte derselben Gruppe, d. h. Ebene, untereinander das erste Kriterium (a) erfüllen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Zündpunkte so angeordnet sind, dass sie die Eckpunkte eines virtuellen Vielecks, insbesondere Dreiecks oder Vierecks, bilden, wodurch sich eine besonders gleichmäßige räumliche Laserzündung und damit kurze Flammenwege ergeben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehr als zwei, weiter vorzugsweise alle, Zündpunkte jeweils einen Abstand zu der Brennraumwand aufweisen, der größer oder gleich etwa ein Zehntel, vorzugsweise größer oder gleich etwa ein Sechstel, der maximalen Innenabmessung des Brennraums ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Laserzündsystem dazu ausgebildet ist, die Anordnung mindestens eines Zündpunkts dynamisch, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine, zu beeinflussen.
Das erfindungsgemäße Laserzündsystem bietet zudem die Möglichkeit, die Brenndauer und somit die Abgastemperatur über die Anzahl der Zündpunkte bzw. Zündorte betriebspunktangepasst zu steuern: Eine große Anzahl von Zündpunkten führt zu einer kurzen Brenndauer, eine geringere Anzahl zu einer Verlängerung der Brenndauer. D. h., es kann erfindungsgemäß sowohl die Lage bzw. Anordnung der Zündpunkte als auch deren Anzahl verändert werden, insbesondere dynamisch, also während des Betriebs des Laserzündsystems. Das erfindungsgemäße Laserzündsystem bietet im Unterschied zu konventionellen Zündsystemen ferner eine hohe Variabilität hinsichtlich der „Tiefe” des Zündpunkts im Brennraum: Für Betriebspunkte mit hohem Vorzündbedarf können die Zündpunkte bzw. Zündorte z. B. in optimaler Tiefe im Brennraum positioniert werden, besonders auch in Bereichen, die vom Kolben überstrichen werden. Dabei können die Zündorte wie bereits beschrieben in zwei oder mehreren unterschiedlichen Tiefenlagen verteilt vorliegen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Laserzündsystem dazu ausgebildet ist, in dem Brennraum auftretende Strahlung zu untersuchen und hieraus auf eine Luftzahl im Bereich eines Zündpunkts zu schließen. Aufgrund der hohen Temperaturen im Laserplasma (ca. 10000 K) kann mit Hilfe z. B. der laserinduzierten Durchbruchspektroskopie (LIBS) eine lokale Luftzahl lambda in einem Zündpunkt bestimmt werden. Die so erhaltene Lambdainformation kann einer weiteren Ausführungsform zufolge vorteilhaft als Regelgröße z. B. für die Wahl des Zündzeitpunkts und die Einstellung der Zündpunkte sowie der Einspritzstrategie für den Kraftstoff und den Typ der Ladungsbewegung verwendet werden. Weitere mit dem erfindungsgemäßen Prinzip kombinierbare Regelgrößen bzw. Verfahrensabläufe sind eine Energieregelung des Zündsystems, ein Absetzen von zeitlich nach dem Hauptzündzeitpunkt auftretenden Folgepulsen, z. B. bei nicht erfolgtem Plasmadurchbruch in einem oder mehreren Zündpunkten, oder einer Lambdadetektion außerhalb der Zündgrenzen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand benachbarter Zündpunkte untereinander etwa 120% oder mehr, vorzugsweise 180% oder mehr, von dem Wandabstand mindestens eines der beiden Zündpunkte beträgt, wodurch eine besonders gleichmäßige Laserzündung ermöglicht ist.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in den nachfolgenden Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung;
2a, 2b schematisch jeweils eine Anordnung von Zündpunkten in einem Brennraum gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung,
3a, 3b, 4a, 4b schematisch jeweils eine Seitenansicht weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, und
5 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserzündimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine optische Verbindung 28 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die optische Verbindung 28 weist z. B. eine Lichtleitereinrichtung auf. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Laser-Steuergerät 32 gesteuert. Die Pumplichtquelle 30 kann beispielsweise Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung des Pumplichts aufweisen. Das Laser-Steuergerät 32 steht über eine in 1 als gestrichelte Linie angedeutete und nicht näher bezeichnete Kommunikationsleitung mit einem Motor-Steuergerät 33 in Verbindung. Das Motor-Steuergerät 33 steuert vorliegend auch den Injektor 18 an. Optional können das Laser-Steuergerät 32 und das Motor-Steuergerät 33 in eine Steuereinheit integriert sein.
Die Lasereinrichtung 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper (nicht gezeigt) mit einer passiven Güteschaltung auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel und einem Auskoppelspiegel einen optischen Resonator bilden. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht, welches insbesondere longitudinal in den optischen Resonator eingestrahlt wird, erzeugt die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise einen Laserzündimpuls 24, der durch eine Optik 26a auf in dem Brennraum 14 befindliche Zündpunkte ZP, von denen in 1 der Übersichtlichkeit halber nur einer abgebildet ist, verteilt bzw. fokussiert ist. Die in einem Gehäuse der Lasereinrichtung 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster (nicht gezeigt) von dem Brennraum 14 getrennt. Als laseraktiver Festkörper wird bevorzugt ein Neodym- oder Ytterbium-dotiertes Material verwendet.
Alternativ zur lokalen Erzeugung der Laserzündimpulse 24 in der Lasereinrichtung 26 können diese auch zentral z. B. in der Einheit 30 erzeugt und in an sich bekannter Weise an eine oder mehrere Lasereinrichtungen 26 verteilt werden.
Erfindungsgemäß ist das Laserzündsystem 27 dazu ausgebildet, Laserstrahlung in Form der Laserzündimpulse 24 auf mindestens zwei in dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 angeordnete Zündpunkte einzustrahlen. 2a zeigt hierzu schematisch eine Anordnung von insgesamt drei Zündpunkten ZP1, ZP2, ZP3 in dem Brennraum 14 des Zylinders 12.
Weiter erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3 so in dem Brennraum 14 angeordnet sind, dass mindestens zwei benachbarte Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3 untereinander einen jeweils im wesentlichen etwa gleichen Abstand d12, d13, d23 voneinander aufweisen, wodurch ein erstes erfindungsgemäßes Kriterium für die Anordnung der Zündpunkte in dem Brennraum 14 definiert wird.
Alternativ oder ergänzend kann ein zweites erfindungsgemäßes Kriterium zur Anordnung der Zündpunkte in dem Brennraum 14 angewandt werden, wonach ein Wandabstand dw1, dw2, dw3 zwischen einem entsprechenden Zündpunkt ZP1, ZP2, ZP3 und einer Brennraumwand 14a bei mindestens zwei Zündpunkten ZP1, ZP2 im wesentlichen etwa gleich groß ist.
Die Zündpunkt-Konfiguration gemäß 2a erfüllt vorliegend vorteilhaft beide Kriterien, weil die Abstände d12, d13, d23 benachbarter Zündpunkte zueinander im wesentlich gleich sind und zusätzlich die Wandabstände dw1, dw2, dw3 der drei Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3 im wesentlich gleich sind zueinander. Wie aus 2a ersichtlich, kann eine derartige Anordnung von Zündpunkten im Brennraum 14 beispielsweise vorteilhaft dadurch erhalten werden, dass mehrere, bevorzugt alle, Zündpunkte so angeordnet sind, dass sie die Eckpunkte eines virtuellen Vielecks, vorliegend eines Dreiecks V3 bilden.
2b zeigt eine weitere erfindungsgemäße Konfiguration, bei der insgesamt vier Zündpunkte ZP1, .., ZP4 so angeordnet sind, dass sie die Eckpunkte eines virtuellen Vierecks V4 bilden.
Der in 2a mit dem Bezugszeichen FF1 bezeichnete Kreis deutet eine Form einer Flammenfront an, wie sie sich bei der Laserzündung in dem ersten Zündpunkt ZP1 nach einer gewissen Ausbreitungszeit ergibt. Aufgrund der Anordnung der Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3 gemäß der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Kriterien ergibt sich eine besonders gleichmäßige Verteilung der Zündpunkte über den Brennraum 14, sodass sich die einzelnen Flammenfronten, vgl. die weiteren nicht näher bezeichneten Kreise um die jeweiligen Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3, möglichst lange im wesentlichen ungestört, d. h. ohne aufeinander oder auf die Brennraumwand 14a zu treffen, ausbreiten können. Ferner ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Verteilung der Zündpunkte besonders kurze maximale Flammenwege für die betreffenden Flammenfronten, was zu einem aus thermodynamischer Sicht sehr günstigen schnellen Durchbrand in dem Brennraum 14 führt.
Die erfindungsgemäßen Vorteile können bereits dann zumindest teilweise erhalten werden, wenn der Abstand d12, d13, d23 (2a) zwischen benachbarten Zündpunkten bzw. der Wandabstand dw1, dw2, dw3 nur näherungsweise den erfindungsgemäßen Kriterien hierfür entspricht. Beispielsweise kann eine Abweichung der Abstände um etwa +– 20% oder mehr zugelassen werden, und es wird immer noch eine gegenüber herkömmlichen Systemen verkürzte Brenndauer erzielt.
Aufgrund der erfindungsgemäß erreichten kurzen Brenndauer wird vorteilhaft die Auswirkung der zyklischen Schwankungen reduziert, d. h. z. B. die Standardabweichung der Verbrennungsschwerpunktlage nimmt ab. Zudem können sich Schwankungen der Luftzahl lambda und Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit zwischen den einzelnen Zündpunkten ZP1, ZP2, ZP3 ausgleichen.
Weiterhin wird aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten Verkürzung der Brenndauer eine Abmagerbarkeit des Gemischs erheblich erweitert, so dass die Brennkraftmaschine 10 (1) einen geringeren Kraftstoffverbrauch und verminderte NOx-Emissionen aufweist.
Durch die mittels des erfindungsgemäßen Laserzündsystems 27 ermöglichte kürzere Brenndauer kann auch der Zündzeitpunkt nach spät verschoben werden. Somit steht mehr Zeit für die Gemischaufbereitung zur Verfügung. Da das zusätzliche Zeitfenster insbesondere auf einem vergleichsweise hohen Druck- und Temperaturniveau in dem Brennraum 14 liegt ist es somit für die Kraftstoffverdampfung im Brennraum 14 besonders hilfreich. Dies ermöglicht eine noch bessere Homogenisierung des Luft/Kraftstoffgemischs und verschafft weitere Vorteile, u. a. für die Reduzierung von Rußpartikeln und die Absenkung von Kohlenwasserstoff(HC)-Emissionen.
Bei Schichtbrennverfahren, wie sie speziell bei der Benzindirekteinspritzung verwendet werden, muss eine zeitliche und räumliche Zuordnung zwischen Zündpunkt und zündfähigem Kraftstoff/Luftgemisch übereinstimmen (Toleranzzuordnungsproblematik). Dies ist bei konventionellen Zündsystemen nur eingeschränkt möglich. Der hier vorgeschlagene Ansatz überwindet diese Einschränkung und stellt eine zuverlässige Zündung in allen Betriebspunkten des Schichtbrennverfahrens sicher. Durch die Verwendung von mehreren Zündpunkten gemäß einem oder beider der erfindungsgemäßen Kriterien ist nämlich über einen gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10 sichergestellt, dass an mindestens einem der mehreren Zündpunkte ZP1, ZP2, .. zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Gemisch vorliegt.
Generell ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der Zündpunkte ZP1, ZP2, .. in dem Brennraum 14 eine Minimierung des Flammenwegs, den jede einzelne Flammenfront FF1 (2a) zurücklegen muss. Die Konfigurationen gemäß 2a, 2b beispielsweise ermöglichen sehr kurze Flammenwege (Radius der die Flammenfronten symbolisieren Kreise), die insbesondere deutlich kleiner sind als der Radius des Brennraums 14.
3a zeigt schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserzündsystems 27, wobei insbesondere eine räumliche Anordnung der Lasereinrichtung 26, bei der es sich beispielsweise um eine Laserzündkerze handeln kann, relativ zu den Gaswechselventilen EV (Einlassventil), AV (Auslassventil) ersichtlich ist. Alternativ zu der mittigen Anordnung der Lasereinrichtung 26 gemäß 3a ist auch eine seitliche Anordnung der Lasereinrichtung 26 an dem Zylinder 12 bzw. im Bereich des Zylinderkopfs möglich, vgl. 3b.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mehr als die Hälfte der Zündpunkte ZP1, ZP2, .., vorzugsweise mehr als etwa 80 Prozent der Zündpunkte, so angeordnet sind, dass sie das erste Kriterium (Abstände d12, d13, d23 zueinander, vgl. 2a) und/oder das zweite Kriterium (Wandabstand dw1, dw2, dw3, 2a) erfüllen. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Laserzündung und eine effiziente Verkürzung der maximalen Flammenwege der einzelnen Flammenfronten.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe von mindestens zwei Zündpunkten, vorliegend den drei Zündpunkten ZP1, ZP2, ZP3, vgl. 4a, in einer ersten virtuellen Ebene VE1 angeordnet ist, welche bevorzugt etwa parallel zu einem Kolbenboden 16a des Kolbens 16 der Brennkraftmaschine 10 ausgerichtet ist. Die genaue Anordnung der Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3 in der Ebene VE1 kann beispielsweise gemäß der Draufsicht aus 2a oder abweichend hiervon realisiert sein.
Alternativ oder ergänzend kann auch mindestens eine zweite Gruppe von mindestens zwei Zündpunkten ZP4, ZP5, ZP6, ZP7 in einer zweiten virtuellen Ebene VE2 angeordnet sein, vgl. die Konfiguration gemäß 4b.
Neben zu dem Kolbenboden 16a im wesentlichen parallelen Ebenen VE1, VE2 sind auch anders orientierte Ebenen verwendbar, um die Anordnung von mehreren Zündpunkten entsprechend den erfindungsgemäßen Kriterien (Abstand d12, .. zueinander und/oder Wandabstand dw1, ..) zu beschreiben.
Generell kann das erfindungsgemäße Kriterium des Abstands benachbarter Zündpunkte zueinander auch zwischen Zündpunkten ZP1, ZP4 unterschiedlicher Tiefenebenen in dem Brennraum 14 angewandt werden. Dasselbe gilt für das zweite, den Wandabstand betreffende Kriterium. Beispielsweise kann somit vorgesehen sein, dass zwischen der überwiegenden Zahl von Zündpunkten der Konfiguration nach 2b ein Nachbarabstand von Zündpunkten im wesentlichen gleich ist und/oder dass ein Wandabstand einer überwiegenden Zahl von Zündpunkten im wesentlichen gleich ist.
Es ist offensichtlich, dass die erfindungsgemäßen Kriterien nicht starr stets auf alle durch das Laserzündsystem 27 (1) realisierte Zündpunkte anzuwenden ist, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Vielmehr reicht es aus, wenn einige oder bevorzugt eine überwiegende Zahl von Zündpunkten mindestens einem der beiden Abstandskriterien genügt. Weitere, nicht oder nicht vollständig mindestens einem der beiden Abstandskriterien genügende Zündpunkte können beispielsweise dann vorgesehen werden, wenn die Brennraumgeometrie besondere Einschränkungen für die Anordnung der Zündpunkte bedingt, die eine „vollständige” Implementierung der erfindungsgemäßen Kriterien erschwert oder unmöglich macht.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehr als zwei, Zündpunkte derselben Gruppe untereinander das erste Kriterium (Abstand zueinander im wesentlichen gleich) erfüllen, beispielsweise alle Zündpunkte ZP4, ZP7 (4b) einer der zweiten Ebene VE2 entsprechenden Gruppe.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehr als zwei, weiter vorzugsweise alle, Zündpunkte ZP1, ZP2, ZP3 jeweils einen Abstand dw1, dw2, dw3 zu der Brennraumwand 14a (2a) aufweisen, der größer oder gleich etwa ein Zehntel, vorzugsweise größer oder gleich etwa ein Sechstel, der maximalen Innenabmessung des Brennraums 14, vorliegend also seines Durchmessers, ist.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Laserzündsystem 27 dazu ausgebildet ist, die Anordnung mindestens eines Zündpunkts ZP1, ZP2 dynamisch, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10, zu beeinflussen.
Generell eignen sich zur Realisierung mehrerer Zündpunkte folgende optische Anordnungen und Systeme, die beispielsweise in die Lasereinrichtung 26 (1) integriert sein können:

– Diffraktives optisches Element oder Fresnelsche Zonenplatte zur Aufteilung eines Laserstahls in mehrere Teilstrahlen 24 und zur Fokussierung der mehreren Teilstrahlen auf die jeweiligen Zündpunkte. Vorteil dieses Ansatzes ist, dass lediglich ein optischer Zugang zum Brennraum 14 benötigt wird.
– Kombination aus Mikrolinsenarray zur Aufteilung und Fokussierung eines Laserstahls in mehrere Teilstrahlen und aus verstellbaren Spiegeln zur Ablenkung der mehreren Teilstrahlen auf die jeweiligen Zündpunkte. Auch hier wird nur ein optischer Zugang benötigt.
– Zeitlich versetztes Absetzen der Zündpulse in sehr kurzer Folge, also quasigleichzeitige Erzeugung von mehreren Laserzündimpulsen 24. Hierzu kann ein Laser mit hoher Repetitionsrate in Kombination mit schnell verstellbaren optischen Elementen (z. B. Spiegel, verstellbare Linsen) verwendet werden. Die Repetitionsrate verfügbarer Lasersysteme ist im Vergleich zu innermotorischen Prozessen der Brennkraftmaschine 10 sehr hoch, sodass die Beaufschlagung der unterschiedlichen Zündpunkte ZP1, ZP2, .. nahezu gleichzeitig erfolgt.

Die vorstehend genannten Realisierungen können auch erweitert werden, sodass die Zündpunkte beispielsweise betriebspunktabhängig verschoben werden können. Dies kann z. B. durch elektrooptische Linsen mit variablem Brennpunkt, piezoverstellbare Spiegel (bewegbare Spiegel mit einem piezoelektrischen Aktor zum Antrieb) oder variable diffraktive Elemente (z. B. liquid crystal display, LCD, Gitter) erfolgen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Laserzündsystem 27 dazu ausgebildet ist, in dem Brennraum 14 (1) auftretende Strahlung zu untersuchen und hieraus auf eine Luftzahl im Bereich eines Zündpunkts ZP1, ZP2, .. (2a) zu schließen. Hierfür kann beispielsweise ein entsprechender optischer Sensor zur Spektralanalyse der Brennraumstrahlung verwendet werden. Aufgrund der hohen Temperaturen im Laserplasma (ca. 10000 K) kann mit Hilfe z. B. der laserinduzierten Durchbruchspektroskopie (LIBS) eine lokale Luftzahl lambda in einem Zündpunkt ZP1 (2a) bestimmt werden. Die so erhaltene Lambdainformation kann einer weiteren Ausführungsform zufolge vorteilhaft als Regelgröße z. B. für die Wahl eines zukünftigen Zündzeitpunkts und die Einstellung der Anordnung der Zündpunkte ZP1, ZP2, .. sowie der Einspritzstrategie für den Kraftstoff und den Typ der Ladungsbewegung verwendet werden. Weitere mit dem erfindungsgemäßen Prinzip kombinierbare Regelgrößen bzw. Verfahrensabläufe sind eine Energieregelung des Laserzündsystems 27 (z. B. Variation der Energie einzelner Laserzündimpulse 24), ein Absetzen von zeitlich nach dem Hauptzündzeitpunkt auftretenden Folgepulsen, z. B. bei nicht erfolgtem Plasmadurchbruch in einem oder mehreren Zündpunkten, oder einer Lambdadetektion außerhalb der Zündgrenzen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand d12 (2a) benachbarter Zündpunkte ZP1, ZP2 untereinander etwa 120% oder mehr, vorzugsweise 180% oder mehr, von dem Wandabstand dw1, dw2 mindestens eines der beiden Zündpunkte ZP1, ZP2 beträgt.
5 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für ein Laserzündsystem 27. In einem ersten Schritt 100 werden mehrere Zündpunkte ZP1, ZP2, .. gemäß mindestens einem der erfindungsgemäßen Abstandskriterien in dem Brennraum 14 durch entsprechende Einstrahlung mittels der Laserzündkerze 26 definiert.
Optional kann in einem nachfolgenden Schritt 110 in dem Brennraum 14 infolge der Laserzündung aus Schritt 100 auftretende Strahlung untersucht und hieraus z. B. auf eine Luftzahl im Bereich eines Zündpunkts ZP1, ZP2 geschlossen werden.
Bei einer weiteren Verfahrensvariante können verschiedene Zündpunkte ZP1, ZP2 gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig mit Laserstrahlung 24 beaufschlagt werden. Bei einer quasi-gleichzeitigen Laserbeaufschlagung werden die mehreren Zündpunkte also im Zeitmultiplex, jedoch mit sehr kurzem zeitlichem Abstand zueinander, mit Laserstrahlung 24 beaufschlagt.
Bei einer weiteren Verfahrensvariante kann das Laserzündsystem 27 die Anordnung mindestens eines Zündpunkts ZP1, ZP2 dynamisch, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10, beeinflussen. Beispielsweise ist somit ein betriebspunktabhängiger Wechsel von einem ersten Laserzündmuster gemäß 2a zu einem zweiten Laserzündmuster gemäß 2b oder auch zwischen den Laserzündmustern der 4a, 4b möglich.
Bei konventionellen Zündsystemen ist ein hoher Applikationsaufwand für die Optimierung der Kerzengeometrie an das jeweilige Brennverfahren und an den jeweiligen Brennraumströmungstyp (Drall, Tumble) erforderlich. Demgegenüber besteht ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Prinzips darin, dass es Schwankungen zwischen den mehreren Zündpunkten ausgleicht und somit diesbezüglich wesentlich robuster ist.
Das Laserzündsystem 27 bzw. seine Komponenten 26 ragen außerdem mit keinem Bauteil in den Brennraum 14 hinein, so dass im Gegensatz zu einer konventionellen Hochspannungszündkerze eine Vorentflammung bei hohen Lasten/Drehzahlen nicht auftritt. Ein weiterer Vorteil Erfindung ist die Vermeidung der klopfenden Verbrennung. Klopferscheinungen treten im Brennraum 14 bevorzugt an den Orten auf, die von der Flamme erst sehr spät erreicht werden. Durch die reduzierte Brenndauer bei Mehrfachzündpunkten ZP1, ZP2, .. gemäß der Erfindung wird das Zeitfenster, in denen es zur spontanen Entflammung kommen kann, reduziert und somit die Klopfproblematik entschärft. Als Konsequenz lässt sich die Brennkraftmaschine 10 thermodynamisch nahezu optimal betreiben.
Aufgrund der Schwerflüchtigkeit von Schlechtkraftstoffen liegt im Kaltstart ein zu mageres Gemisch vor, das mit konventionellen Zündsystemen nicht zuverlässig entflammbar ist. Aufgrund der verkürzten Flammenwege gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem analog zu den Magerbrennverfahren gelöst.
Die Erfindung ermöglicht ferner, magere Benzin/Gasgemische stabil und reproduzierbar in Verbrennungsmotoren zu entflammen, um Magerkonzepte bis zu einer Stöchiometrie (Luftzahl lambda) von etwa größer gleich 2,0 zu realisieren. Hierdurch können NOx-Emissionen und Verbrauch im Vergleich zu derzeitigen Magerkonzepten (lambda = 1,5) signifikant reduziert werden. Die Laufgrenze bei Abgasrückführung kann durch die Erfindung wesentlich erweitert werden, was ebenfalls zur Reduzierung der NOx Emission beiträgt. Mit beiden Aspekten kann der Aufwand für die Abgasnachbehandlung deutlich reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004039466 A1 [0003]

Claims

Laserzündsystem (27) für eine Brennkraftmaschine (10), wobei das Laserzündsystem (27) dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (24) auf mindestens zwei in einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) angeordnete Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zündpunkte (ZP1, ZP2) so in dem Brennraum (14) angeordnet sind, dass a. mindestens zwei benachbarte Zündpunkte (ZP1, ZP2) untereinander einen jeweils im wesentlichen etwa gleichen Abstand (d12, d13, d23) voneinander aufweisen, wodurch ein erstes Kriterium definiert wird, und/oder dass b. ein Wandabstand (dw1, dw2) zwischen einem Zündpunkt (ZP1, ZP2) und einer Brennraumwand (14a) bei mindestens zwei Zündpunkten (ZP1, ZP2) im wesentlichen etwa gleich groß ist, wodurch ein zweites Kriterium definiert wird.
Laserzündsystem (27) nach Anspruch 1, wobei mehr als die Hälfte der Zündpunkte (ZP1, ZP2), vorzugsweise mehr als etwa 80 Prozent der Zündpunkte (ZP1, ZP2), so angeordnet sind, dass sie das erste und/oder zweite Kriterium erfüllen.
Laserzündsystem (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine erste Gruppe von mindestens zwei Zündpunkten (ZP1, ZP2, ZP3) in einer ersten virtuellen Ebene (VE1) angeordnet ist, welche bevorzugt etwa parallel zu einem Kolbenboden (16a) eines Kolbens (16) der Brennkraftmaschine (10) ausgerichtet ist, und/oder wobei eine zweite Gruppe von mindestens zwei Zündpunkten (ZP4, ZP5, ZP6, ZP7) in einer zweiten virtuellen Ebene (VE2) angeordnet ist, welche bevorzugt etwa parallel zu dem Kolbenboden (16a) ausgerichtet ist.
Laserzündsystem (27) nach Anspruch 3, wobei mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehr als zwei, Zündpunkte (ZP1, ZP2, ZP3) derselben Gruppe untereinander das erste Kriterium erfüllen.
Laserzündsystem (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2, ZP3, ZP4) so angeordnet sind, dass sie die Eckpunkte eines virtuellen Vielecks, insbesondere Dreiecks (V3) oder Vierecks (V4), bilden.
Laserzündsystem (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehr als zwei, weiter vorzugsweise alle, Zündpunkte jeweils einen Abstand zu der Brennraumwand (14a) aufweisen, der größer oder gleich etwa ein Zehntel, vorzugsweise größer oder gleich etwa ein Sechstel, der maximalen Innenabmessung (D) des Brennraums (14) ist.
Laserzündsystem (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Laserzündsystem (27) dazu ausgebildet ist, die Anordnung mindestens eines Zündpunkts (ZP1, ZP2) dynamisch, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine (10), zu beeinflussen.
Laserzündsystem (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Laserzündsystem (27) dazu ausgebildet ist, in dem Brennraum (14) auftretende Strahlung zu untersuchen und hieraus auf eine Luftzahl im Bereich eines Zündpunkts (ZP1, ZP2) zu schließen.
Laserzündsystem (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d12) benachbarter Zündpunkte (ZP1, ZP2) untereinander etwa 120% oder mehr, vorzugsweise 180% oder mehr, von dem Wandabstand (dw1, dw2) mindestens eines der beiden Zündpunkte (ZP1, ZP2) beträgt.
Verfahren zum Betreiben eines Laserzündsystems (27) für eine Brennkraftmaschine (10), wobei das Laserzündsystem (27) dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (24) auf mindestens zwei in einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) angeordnete Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zündpunkte (ZP1, ZP2) so in dem Brennraum (14) angeordnet sind, dass a. mindestens zwei benachbarte Zündpunkte (ZP1, ZP2) untereinander einen jeweils im wesentlichen etwa gleichen Abstand (d12, d13, d23) voneinander aufweisen, wodurch ein erstes Kriterium definiert wird, und/oder dass b. ein Wandabstand (dw1, dw2) zwischen einem Zündpunkt (ZP1, ZP2) und einer Brennraumwand (14a) bei mindestens zwei Zündpunkten (ZP1, ZP2) im wesentlichen etwa gleich groß ist, wodurch ein zweites Kriterium definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei verschiedene Zündpunkte (ZP1, ZP2) gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig mit Laserstrahlung (24) beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei das Laserzündsystem (27) die Anordnung mindestens eines Zündpunkts (ZP1, ZP2) dynamisch, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine (10), beeinflusst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Laserzündsystem (27) in dem Brennraum (14) auftretende Strahlung untersucht und hieraus auf eine Luftzahl im Bereich eines Zündpunkts (ZP1, ZP2) schließt.