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Stand der Technik
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Aus
der
WO 2005/066488
A1 ist ein Laserzündsystem bekannt. Dieses Laserzündsystem
umfasst mehrere Baugruppen, nämlich einen Zündlaser, einen
Lichtleiter und eine Pumplichtquelle, die lösbar miteinander
verbunden sind. Das Laserzündsystem kann aber auch aus
Gründen der Funktionssicherheit und zur Kostenersparnis
als nicht trennbare Einheit hergestellt werden. Dies bedeutet vor
allem bei den nicht demontierbaren Laserzündsystemen, dass
der Zündlaser in einer dafür vorgesehenen Öffnung (Zündlaserschacht)
in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingesetzt werden muss,
ohne dass der Lichtleiter vorher entfernt werden kann.
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Damit
der Zündpunkt des Zündlasers an der richtigen
Stelle im Brennraum der Brennkraftmaschine positioniert werden kann,
ist es oftmals erforderlich, den Zündpunkt nicht in der
Längsachse des Zündlasers, sondern versetzt dazu
anzuordnen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Ablenkung des
Strahlengangs im Zündlaser beziehungsweise zwischen Zündlaser
und Zündpunkt erreicht werden. Auch kann zum Beispiel ein
nichtrotationssymmetrischer Strömungsschutz eine genaue
Winkelzuordnung des Zündlasers notwendig machen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserzündsystem
bereitzustellen, das es erlaubt, einen Zündpunkt präzise
in einem Bereich des Brennraums zu positionieren, der nicht auf
der Längsachse des Zündlasers liegt. Des weiteren
soll es auch möglich sein, Laserzündsysteme, die
eine Pumplichtquelle und mehrere Zündlaser aufweisen, die
jeweils mit einem Lichtleiter miteinander gekoppelt sind und bei
denen die einzelnen Baugruppen untrennbar miteinander verbunden
sind, einfach und sicher in der Brennkraftmaschine montieren zu
können.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruch 1 gelöst, insbesondere durch eine Laserzündeinrichtung
umfassend einen Zündlaser, eine Pumplichtquelle und einen
die Pumplichtquelle und den Zündlaser verbindenden Lichtleiter,
wobei der Zündlaser an einem dem Brennraum zugewandten
ersten Ende eine Dichtfläche aufweist, dadurch gelöst,
dass der Zündlaser eine Auflagefläche, zum Beispiel
als Teil eines beabstandet zu dem ersten Ende angeordneten Bunds,
aufweist.
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Diese
Auflagefläche beziehungsweise diese Auflagefläche
des Bunds liegt der Dichtfläche bevorzugt gegenüber,
sodass sie es ermöglicht, eine Anpresskraft in den Zündlaser
einzuleiten, um die erforderliche Dichtheit zwischen der Dichtfläche
des Zündlasers und einem Dichtsitz im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
zu erreichen.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen Zündlaser die
Anpresskraft nicht, wie zum Beispiel bei einer Zündkerze,
durch Einschrauben des Zündlasers in ein entsprechendes
Innengewinde im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufgebracht
wird, ist es auch möglich, den erfindungsgemäßen
Zündlaser verdrehsicher, weil ohne relativ zu der Brennkraftmaschine
rotiert zu werden, in einer bestimmten Winkelposition in dem Zylinderkopf
der Brennkraftmaschine zu positionieren. Dadurch ist es weiter möglich,
den Zündpunkt außerhalb der Längsachse
des Zündlasers zu legen, so dass der Zündpunkt
an den aus thermodynamischer Sicht besten Punkt gelegt werden kann,
wo sich optimale Verbrennungsbedingungen im Brennraum einstellen.
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Die
Dichtfläche des Zündlasers kann als Kegelstumpf
oder als Kreisringfläche ausgebildet sein. Des weiteren
ist vorgesehen, dass der Zündlaser ein Element zur Ausbildung
eines Formschlusses, wie beispielsweise eine Nase, einen Zweiflach
oder eine Nut, aufweist, das mit einem entsprechenden Gegenstück
in dem Schacht, der zur Aufnahme des Zündlasers im Zylinderkopf
der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, zusammenwirkt, so dass der
Zündlaser nicht relativ zu dem Schacht verdreht werden
kann. Dadurch wird es möglich, den Zündlaser in
einer eindeutigen relativen Lage zum Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
zu positionieren und somit bei Zündlasern, deren Zündpunkt
nicht koaxial zu der Längsachse des Zündlasers
liegt, den Zündpunkt mit der erforderlichen Genauigkeit
im Brennraum zu positionieren.
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Die
Auflagefläche ist bevorzugt eben, da sie in diesem Fall
aus einer dem ersten Ende abgewandten Richtung, beispielsweise für
geeignete Spannmittel, besonders gut zugänglich ist.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls bei einer Brennkraftmaschine
umfassend einen Zylinderkopf und eine Laserzündeinrichtung,
wobei ein Zündlaser der Laserzündeinrichtung dichtend
gegen einen Dichtsitz im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gepresst
wird, dadurch gelöst, dass die Anpresskraft von Spannmitteln
bereitgestellt und über die Auflagefläche, zum
Beispiel über die Auflagefläche des Bunds, in
den Zündlaser eingeleitet wird. Dadurch, dass die Spannmittel
gesonderte Bauteile sind, die Anpresskraft über die Auflagefläche,
zum Beispiel über die Auflagefläche des Bunds,
in den Zündlaser einleiten, bestehen bezüglich
der Aufbringung der Anpresskraft, aber auch der Montage der Spannmittel
und auch des Zündlasers, weitgehende Freiheiten, so dass
Laserzündsysteme mit einem Pumplichtmodul und einem oder
aber auch mehreren über Lichtleiter mit dem Pumplichtmodul
verbundenen Zündlasern einfach und auch unter den rauen Werkstattbedingungen
zuverlässig und mit geringem Zeitaufwand in einer Brennkraftmaschine
montiert, insbesondere ohne Rotation zwischen Zündlaser
und Brennkraftmaschine gesteckt, beziehungsweise ebenso demontiert
werden können.
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Erfindungsgemäß sind
verschiedene Spannmittel vorgesehen. Dabei können die Spannmittel
einen Flansch und mindestens eine Spannschraube umfassen, wobei
im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ein mit der mindestens einen
Spannschraube zusammenwirkendes Innengewinde vorgesehen ist. Indem
die Spannschraube durch den Flansch gesteckt und in das Innengewinde
des Zylinderkopfs eingedreht wird, bewegt sich der Flansch in Richtung des
Dichtsitzes der Brennkraftmaschine und kann so, beispielsweise mittelbar
durch eine zwischen Zündlaser und Flansch angeordnete geschlitzte
Spannhülse die erforderliche Anpresskraft auf den Zündlaser
ausüben.
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Alternativ
ist es auch möglich, anstelle des Flansches als Spannmittel
eine Spannpratze, insbesondere eine geschlitzte Spannpratze, vorzusehen, die über
eine Spannschraube in ähnlicher Weise wie Injektoren den
Zündlaser in den Dichtsitz der Brennkraftmaschine pressen.
Damit der Lichtleiter, welcher Zündlaser und Pumplichtmodul
miteinander verbindet, aus den Spannmitteln herausgeführt
werden kann, ist sowohl im Flansch als auch in der Spannpratze bevorzugt
ein Schlitz vorhanden.
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Um
die Montage zu vereinfachen und die Zahl der Bauteile zu reduzieren,
können auch bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern
die Spannpratzen so ausgebildet werden, dass eine Spannpratze mehrere
Zündlaser im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine befestigt.
Damit jeder Zündlaser eine ausreichende und vor allem kontrollierbare
Anpresskraft erhält, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
vorgesehen, für jeden Zündlaser eine Spannschraube
in der Spannpratze vorzusehen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht als Spannmittel
eine Spannmutter mit Außengewinde vor, die mit einem entsprechenden Innengewinde
im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zusammenwirkt.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zwischen den Spannmitteln und dem Bund des Zündlasers
eine Hülse, insbesondere eine geschlitzte rohrförmige
Hülse angeordnet ist, so dass die Spannmittel nicht im Schacht
des Zylinderkopfs, dort wo der Zündlaser montiert ist,
angeordnet sein müssen. Des weiteren führt die
Elastizität der Hülse auch zu einer Vergleichmäßigung
der Anpresskraft und einer ”weicheren” Einspannung
des Zündlasers. Dadurch wird die Streuung der Anpresskräfte
bei einer Serienfertigung reduziert und auch unter extremen Betriebsbedingungen
eine ausreichende Anpresskraft gewährleistet.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Allen in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
offenbarten Merkmalen können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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Es
zeigen
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1 ein
erfindungsgemäßes Laserzündsystem für
eine Brennkraftmaschine;
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2 einen
Schnitt durch den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit eingesetztem
Zündlaser,
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3 einen
Flansch mit Spannhülse,
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4 eine
Spannmutter und
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5 bis 7 Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäß montierter Zündlaser.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Laserzündsystem 10 umfassend einen Zündlaser 12,
einen Lichtleiter 14 und eine Pumplichtquelle 16 stark
vereinfacht und schematisiert dargestellt.
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Die
Komponenten Zündlaser 12, Lichtleiter 14 und
Pumplichtquelle 16 sind aus Gründen der Zuverlässigkeit
und aus Kostengründen nach Möglichkeit untrennbar
miteinander verbunden, so dass der Zündlaser 12 relativ
zur Pumplichtquelle 16 nur in sehr geringem Umfang verdreht
werden kann. Infolgedessen ist es verhältnismäßig
aufwändig, am Zündlaser 12 ein Gewinde
vorzusehen und den Zündlaser 12 in ein entsprechendes
Innengewinde im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine einzudrehen,
weil die Pumplichtquelle mitgedreht werden muss.
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Der
Zündlaser 12 weist eine an seinem ersten Ende,
welches entgegengesetzt zur Pumplichtquelle 16 angeordnet
ist, eine kreisringförmige Dichtfläche 18 auf.
Des weiteren ist an dem Zündlaser 12 ein Bund 20 ausgebildet,
dessen der Dichtfläche 18 entgegengesetzte Seite
als Auflagefläche zur Einleitung einer Anpresskraft dient.
Mit Hilfe dieser Anpresskraft wird die Dichtfläche 18 gegen
einen nicht dargestellten Dichtsitz im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
gepresst und so eine dichtende Verbindung zwischen Zündlaser 12 und
Brennkraftmaschine hergestellt.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
ein Zündpunkt ZP nicht auf der Längsachse des
Zündlasers 12 angeordnet. Dies bedeutet, dass
der Zündpunkt eine kreisförmige Bewegung ausführt,
wenn der Zündlaser 12 um seine Längsachse
gedreht wird. Da jedoch bei modernen Brennkraftmaschinen der Zündpunkt
ZP an einem genau vorgegebenen Ort im Brennraum angeordnet sein
muss, ist es nicht zulässig, den Zündlaser 12 in undefinierter
Drehposition in dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine anzuordnen.
Es ist vielmehr erforderlich, dass der Zündlaser 12 drehfest
und eindeutig positioniert relativ zum Zylinderkopf an diesem befestigt.
Um dies zu gewährleisten kann an dem Bund 20 eine
Abflachung ausgebildet sein, die mit einem entsprechenden Vorsprung
im nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eine
in Drehrichtung formschlüssige Verbindung zwischen Zündlaser 12 und
Brennkraftmaschine herstellt. Selbstverständlich sind auch
andere Formen der Drehsicherung und Positionierung zwischen Zylinderkopf
und Zündlaser 12 möglich, um den Zündpunkt
ZP an den gewünschten Ort im Brennraum der Brennkraftmaschine
zu positionieren.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch einen Zylinderkopf 22 der Brennkraftmaschine
stark vereinfacht dargestellt. In dem Zylinderkopf 22 ist
ein Brennraum 24 ausgebildet. Gaswechselventile, Abgaskanäle
und vieles mehr sind in der Darstellung gemäß 2 nicht
sichtbar. In dem Zylinderkopf 22 ist ein Schacht 26 ausgebildet,
der zur Aufnahme eine Zündlasers 12 (siehe 1)
dient.
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An
dem in 2 unteren Ende des Schachts 26 sind zwei
alternative Ausführungsformen eines Dichtsitzes dargestellt.
Links der strichpunktiert dargestellten Längsachse des
Schachts 26 ist ein kreisringförmiger Dichtsitz 28.1 dargestellt,
während auf der rechten Seite ein kegelstumpfförmiger
Dichtsitz 28.2 dargestellt ist. Es versteht sich von selbst,
dass in einem Zylinderkopf 22 entweder ein kreisringförmiger
Flachdichtsitz oder ein kegelstumpfförmiger Dichtsitz 28.2 angeordnet
ist. Grundsätzlich sind jedoch beide Formen möglich.
Zusätzlich ist die Verwendung eines Dichtrings denkbar,
wie er heute bei der Zündkerze verwendet wird, besonders
bei der kreisringförmigen Dichtfläche.
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In
den Schacht 26 wird nun, ähnlich wie bei einer
Zündkerze, der Zündlaser von oben eingesetzt. In 2 ist
gut zu erkennen, dass auf dem Bund 20 eine kreisringförmige
Auflagefläche 30 ausgebildet ist, über
die eine Anpresskraft in axialer Richtung (in 2 von
oben nach unten) in den Zündlaser 12 eingeleitet
werden kann.
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Wichtig
ist im Zusammenhang der Erfindung zu beachten, dass der Lichtleiter 14 untrennbar
mit dem Zündlaser 12 und der nicht dargestellten Pumplichtquelle 16verbunden
ist. Infolgedessen muss die Anpresskraft mit Hilfe von Spannmitteln aufgebracht
werden, die diesem Umstand Rechnung tragen.
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In 3 sind
erste erfindungsgemäße Spannmittel in Form eines
Flansches 32 und einer Hülse 34 geschnitten
in zwei verschiedenen Ansichten dargestellt. Wie sich aus der Ansicht
von oben gemäß 3 ergibt,
weist auch der Flansch 32 einen Schlitz 36 auf,
durch den der Lichtleiter 14 (nicht dargestellt in 3)
nach oben aus dem Flansch 32 herausgeführt werden
kann. Die Hülse 34 ist über ihre gesamte
Länge mit einem Schlitz 38 versehen. In dem Flansch 32 sind
zwei Durchgangsbohrungen 40 vorgesehen, durch die nicht
dargestellte Spannschrauben gesteckt und in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
eingeschraubt werden können. Durch entsprechendes Anziehen
dieser Spannschrauben kann über den Flansch 32 und
die Hülse 34 eine gewünschte Anpresskraft
in den Bund 20 des Zündlasers 12 eingeleitet
werden und auf diese Weise der Zündlaser 12 gegen
den Dichtsitz 28 im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
gepresst werden (siehe 2).
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In 4 ist
ein alternatives Spannmittel, nämlich eine Spannmutter 42 in
einer Seitenansicht dargestellt. Die Spannmutter 42 weist
einen Sechskantkopf 44 und ein Außengewinde 46 auf.
Des weiteren ist ein Längsschlitz 38 auch in der
Spannmutter 42 ausgebildet, um den Lichtleiter 14 (siehe 1) aus
der Spannmutter 42 herausführen zu können.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Spannmutter 42 und die Hülse 34 als separate
Bauteile ausgebildet, während bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 der Flansch 32 und
die Spannhülse 34 miteinander verbunden sein können.
Damit die Spannhülse 34 in der Spannmutter 42 zentriert
wird, kann in der Spannmutter 42 ein Absatz 48 an
der der Hülse zugewandten Stirnfläche derselben
ausgebildet sein. Wenn man nun also die Spannmutter 42 in
ein entsprechendes Innengewinde im Zylinderkopf 22 der
Brennkraftmaschine eindreht, kann über die Hülse 34 die
erforderliche Anpresskraft in den Bund 20 des Zündlasers
(siehe 2) eingeleitet werden. Das dazu erforderliche
Innengewinde im Zylinderkopf 22 ist in 2 mit
dem Bezugszeichen 50 versehen.
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5 stellt
gewissermaßen eine Zusammenschau der 2 und 3 dar.
Aus der 5 ist ersichtlich, wie mit Hilfe
von zwei Spannschrauben 52 der Flansch 32 und
mit ihm die Hülse 34 nach unten in Richtung des
Zündlasers 12 gepresst wird. Da die Hülse 34 auf
der Auflagefläche 30 am Bund 20 des Zündlasers 12 aufsteht,
wird die von den Spannschrauben 52 erzeugte Anpresskraft
direkt in den Zündlaser 12 übertragen.
Dadurch wird der Zündlaser 12 dichtend in den
Dichtsitz 28, der hier exemplarisch als Kegeldichtsitz
ausgebildet ist, des Zylinderkopfs 24 gepresst wird. Es
versteht sich von selbst, dass durch das Anzugsdrehmoment der Spannschrauben 52 die
gewünschte Anpresskraft eingestellt werden kann.
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Des
weiteren ist es auch möglich, durch die Gestaltung des
Dichtsitzes 28 die erforderliche und gewünschte
Wärmeübertragung zwischen Zündlaser 12 und
Zylinderkopf herzustellen, so dass der Zündlaser 12 während
des Betriebs nicht überhitzt.
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In 6 ist
eine alternative Ausbildung dargestellt, bei der die Spannmutter 42 in
ein Innengewinde 50 im Schacht 26 des Zylinderkopfs
eingeschraubt wird und direkt auf der Auflagefläche 30 des Zündlasers 12 aufliegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Hülse 34 entfallen.
Auch ist die Spannmutter 42 nicht geschlitzt; sie wird
vor Montage des Lichtleiters auf den Zündlaser montiert.
Allerdings muss zum Anziehen der Spannmutter 42 ein entsprechend
geschlitzter Rohrschlüssel oder ein anderes in Längsrichtung
geschlitztes Werkzeug eingesetzt werden.
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Selbstverständlich
ist es auch möglich, das Innengewinde 50 am oberen
Ende des Schachts 26 anzuordnen und dann zwischen der Spannmutter 42 und
dem Zündlaser 12 eine geschlitzte Hülse 34 (siehe
auch 4) vorzusehen. Der Unterschied zwischen den Varianten
ist, dass im einen Fall ein Bauteil entfallen kann. Allerdings muss
das entsprechende Montagewerkzeug in Form eines geschlitzten Rohrschlüssels
etwas aufwändiger gebaut sein, als wenn ein Drehmomentschlüssel
an eine am oberen Rand des Schachts 26 angeordnete Spannmutter 42 angesetzt
werden kann.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Laserzündsystems beziehungsweise einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Hülse 34 mittels einer Spannpratze 54 auf
den Bund 20 des Zündlasers gepresst.
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Selbstverständlich
muss auch hier die Pratze 54 geschlitzt sein, damit der
Lichtleiter 14 aus dem Schacht 26 und durch die
Spannpratze 54 hindurch aus dem Zylinderkopf 22 der
Brennkraftmaschine herausgeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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