EP2561214A2 - Verfahren zum betreiben einer laserzündkerze für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer laserzündkerze für eine brennkraftmaschine

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Publication number
EP2561214A2
EP2561214A2 EP11711496A EP11711496A EP2561214A2 EP 2561214 A2 EP2561214 A2 EP 2561214A2 EP 11711496 A EP11711496 A EP 11711496A EP 11711496 A EP11711496 A EP 11711496A EP 2561214 A2 EP2561214 A2 EP 2561214A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
spark plug
laser
ignition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11711496A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2561214A2 publication Critical patent/EP2561214A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, and a computer program and a control and / or regulating device according to the independent claims.
  • ignition systems for internal combustion engines are known in which by means of a
  • Laser spark plug ignited in a combustion chamber existing fuel-air mixture It is important to achieve the fastest possible burn-through of the fuel-air mixture in the combustion chamber in order to achieve low fuel consumption and improved knock characteristics.
  • High-voltage ignition work it is known to additionally provide an antechamber for a faster ignition of the fuel-air mixture.
  • the problem underlying the invention is achieved by a method according to claim 1 and by a laser spark plug, a control and / or
  • the invention is based on the consideration that the use of a
  • Laser spark plug in particular with simultaneous use of an antechamber for the laser spark plug, the ignition of an internal combustion engine can improve. To ensure optimal burnout of the fuel-air mixture in one
  • Overflow holes is pressed into it. If a first ignition by the laser spark plug takes place in this state, then a flame core generated thereby is displaced in the flow direction of the mixture flowing into the pre-chamber. The enlarging flame core or the associated flame core center can therefore be moved away from the ignition location at least temporarily. Depending on the particular
  • flow conditions can again be an ignitable mixture at the ignition location of the laser spark plug.
  • the ignition location of the laser spark plug is the point at which the light energy emitted by the laser spark plug (laser ignition pulse) is bundled with a high energy density.
  • the flow conditions in the prechamber can advantageously be used to ignite more than one flame kernel, thereby igniting the mixture in the prechamber and therefore also in the main combustion chamber in a particularly rapid manner.
  • An advantage of the method according to the invention is that by means of a laser spark plug, a particularly rapid burn-through in the prechamber and in the combustion chamber of the internal combustion engine can be achieved, whereby a fuel consumption and a knock sensitivity of the
  • Internal combustion engine can be improved.
  • the operating method according to the invention with the several Laserzündimpulsen perform only in some modes of the internal combustion engine.
  • the number of laser ignition pulses and / or a time interval between at least two of the laser ignition pulses be changed between different operating cycles of the internal combustion engine. This advantageously creates a possibility of having a considerable influence on the ignition process and thus improving the operation of the laser spark plug and of the internal combustion engine without the need for additional construction work.
  • Laser ignition pulses or the resulting - due to the flow conditions in the antechamber - resulting local distance between the flame cores produced can be selected depending on the size of the prechamber. Basically, it can be beneficial if the generated
  • Flame nuclei contact one wall of the antechamber - or the flame cores each other - as late as possible to keep the burning time in the antechamber and in the main combustion chamber as short as possible. It follows that the distance of the laser ignition pulses and the flame cores thus produced should be chosen to be correspondingly large.
  • Laser ignition pulses can be carried out, for example, by changing a pump current for operating the laser spark plug or a power of a pump pulse. It can be about a Q-switch of a solid state laser of
  • Laser ignition pulses are selected in dependence on at least one of the following variables: a mixture composition of a fuel at the ignition location; a boost pressure at an inlet of a cylinder of the internal combustion engine; a gas pressure in the cylinder of the internal combustion engine; a rotational speed of the internal combustion engine; a load situation of the internal combustion engine; one
  • Internal combustion engine in particular an exhaust gas temperature and / or the air ratio lambda; a temperature of a combustion chamber; a flow rate of the mixture composition in the prechamber; a geometry of
  • a respective ignition energy of a single laser ignition pulse is preferably substantially equal to the others, wherein in each case this ignition energy must be high enough to ignite the mixture located at the ignition location.
  • a mixture composition of the fuel at the ignition location can be determined or calculated by means of a model, and a criterion can thus be obtained in order to determine a time for a subsequent ignition pulse of the laser spark plug at the ignition location.
  • a boost pressure can be determined at an inlet of a cylinder of the internal combustion engine and, depending on the determined charge pressure, a time interval between two ignition pulses can be determined.
  • a gas pressure in the cylinder of the internal combustion engine can be evaluated to determine the time interval between at least two of the ignition pulses.
  • a speed of the internal combustion engine is suitable, the ignition of the invention
  • Torque or a size of an exhaust gas of the internal combustion engine are used as a criterion to determine the time interval between at least two of the firing pulses of the laser spark plug. Likewise, this can take place as a function of a temperature of the combustion chamber.
  • Mixture composition in the prechamber a very suitable criterion to determine the time interval between two ignition pulses.
  • the associated center of the flame core changes its position within the prechamber.
  • Time distance / speed can now be a time difference between two consecutive
  • the "speed" is the speed at which a previously generated flame kernel moves away from the ignition location.
  • This speed is also significantly influenced by a flow rate of the mixture.
  • the flow rate of the mixture may be between 5 m / s and 15 m / s (meters per second).
  • the time interval between 1000 sec 333 ⁇ (microseconds).
  • a flow rate of 5 m / s to 15 m / s is particularly suitable for a safe ignition of the mixture.
  • a meaningful boundary condition may be that a mixture currently present at the ignition location should be flammable at a respective ignition point.
  • time interval between two ignition pulses may be dependent on a geometry of the prechamber or the main combustion chamber. For example, it may be useful to set the time interval between two firing pulses also of a size of the prechamber, e.g. their volume, depending. Furthermore, a location of a flame core center may be added
  • the time intervals between each two consecutive ignition pulses need not necessarily be set equal. For example, it may be useful to choose a time interval between a first and a second ignition pulse greater than a time interval between the second and a third ignition pulse, or vice versa.
  • characteristic curves and / or characteristic diagrams of a control and / or regulating device are used to determine and / or evaluate the variables and to determine the number of ignition pulses and / or their time intervals.
  • the plurality of variables influencing the ignition can advantageously be taken into account by means of maps or tables, and computing power can be saved and costs can be reduced.
  • the invention proposes that in an idle mode and / or a lean set full load operation of the engine about two to about five firing pulses are generated during a work cycle. Likewise, the invention provides that in a full-load operation of the internal combustion engine a maximum of about two ignition pulses are generated during a work cycle
  • the ignition are designed so that three firing pulses are delivered, with a maximum pressure increase can be achieved.
  • a number of three or four ignition pulses may be optimal, while in a full load operation, a single ignition pulse may be sufficient. In the latter case, a range of emerging from the antechamber ignition flares can be reduced.
  • a following second ignition pulse is generated when the flame core center generated by a preceding first ignition pulse has a first distance a in the propagation direction to a wall section of the pre-chamber and has a second distance b to the ignition point (ZP), wherein a Ratio of the first distance a to the second distance b is about 1: 5 to about 5: 1.
  • ZP ignition point
  • a Ratio of the first distance a to the second distance b is about 1: 5 to about 5: 1.
  • the prechamber preferably has a substantially cylindrical shape to a longitudinal axis.
  • a particularly simple form of the pre-chamber is indicated, by means of which the method can be carried out. As a result, manufacturing costs of the laser spark plug or the pre-chamber can be reduced.
  • An embodiment of the laser spark plug according to the invention provides that the prechamber has a substantially rotationally symmetrical shape relative to a longitudinal axis of the laser spark plug, wherein along a first axial path a wall section of the prechamber substantially has a first radius and along a second axial route a wall section of the prechamber in Essentially having a second radius.
  • a particularly suitable embodiment of the antechamber of the laser spark plug according to the invention is described. Accordingly, the prechamber essentially has two different radii, with the prechamber as a whole
  • the portions of the pre-chamber having a first radius and a second radius merge into one another continuously.
  • the first wall section of the prechamber, which faces the combustion chamber has a smaller first radius than a second wall section of the prechamber, which faces away from the combustion chamber and has a radius. It can be facing the combustion chamber
  • the pre-chamber thus has an approximately pear-shaped geometry and is particularly suitable for ignition by a plurality of time-delayed ignition pulses.
  • an embodiment of the laser spark plug according to the invention provides that a ratio of the first axial distance to the second axial distance is about 1: 2 to about 2: 1 and a ratio of the first radius to the second radius about 1: 3 to about 3: 1 is. This will be a special suitable value range for the dimensions of an antechamber of the
  • FIG. 1 shows a first sectional view through an antechamber of a laser spark plug with an ignition location and three flame cores generated with a time offset
  • Figure 2 is a second sectional view of the pre-chamber of Figure 1 with a
  • Figure 3 is a timing diagram with a pump pulse and two firing pulses of the laser spark plug.
  • FIG. 4 shows a third sectional view of the pre-chamber of FIG. 1 with two ignition locations and three flame cores produced in each case.
  • FIG. 1 shows a sectional representation of an antechamber 12 of a laser spark plug 10.
  • the prechamber 12 has a longitudinal axis 13 and is connected in a manner known per se to the laser spark plug 10 in a detachable or non-detachable manner.
  • Laser spark plug 10 is arranged in a manner also known per se at a portion of a cylinder head 14, not further explained, in the upper region of FIG.
  • the laser spark plug 10 has a combustion chamber window 16 through which laser light concentrated in the direction of an arrow 18 is emitted into the pre-chamber 12.
  • the laser light is focused on an ignition ZP.
  • Laser light can, for example, by means of a Q-switched solid-state laser generated directly in the laser spark plug 10 or the laser spark plug 10 are also supplied from a remote laser source.
  • Two lines 26a and 26b circumscribe a cone of light of the incoming laser light.
  • the pre-chamber 12 has three approximately similar overflow holes 20. Further overflow holes of the pre-chamber 12 are present, but are not visible in the present sectional view.
  • Arrows 22 enter a mixture of the combustion chamber in the interior of the prechamber 12.
  • the entering in the arrow direction of the arrow 18 in the antechamber 12 laser light is focused on the ignition ZP and can ignite a part of the mixture located in the pre-chamber 12. In this state usually continues to penetrate a mixture through the overflow holes 20 according to the arrows 22 in the pre-chamber 12 a.
  • a fluid flow is made upwards.
  • a flame kernel generated at the ignition location ZP by a laser ignition pulse 34 moves in accordance with the flow direction of the further inflowing flame
  • the flame kernel has at least initially an approximately spherical shape.
  • three flame cores 24a, 24b and 24c are shown by way of example. In this case, the drawn in the figure 1 describe
  • Flame cores 24a to 24c either a temporal propagation of a single flame kernel generated in the ignition ZP, or just as well a simultaneous arrangement of the invention according to the invention three temporally successively generated
  • FIG. 2 shows an antechamber 12 which is the same as in FIG. 1. Shown and referenced to the longitudinal axis 13 are a radius R 1 for one in the drawing of FIG. 1.
  • FIG. 2 shows a first axial distance 28 of the prechamber 12 and a radius R2 for a second axial distance 30 of the pre-chamber 12 in the drawing.
  • a ratio of the radius R1 to the radius R2 is approximately 1: 3. Shown in FIG. 2 is a moment in which a time previously generated
  • Flame core with its center of flame core 24 has already removed in the drawing up from the ignition ZP by a second distance b.
  • the flame core center 24 at this time has a first distance a from the combustion chamber window 16 of the cylinder head 14.
  • a first distance a from the combustion chamber window 16 of the cylinder head 14. In the present case is one
  • the flame kernel shown in FIG. 2 is the first of a series of two flame kernels or ignition pulses to be produced.
  • a third distance c which describes a smallest distance between the ignition point ZP and a wall 29 of the prechamber 12.
  • the third distance c can be used to obtain a reference value for the dimensioning of the distance a and thus for the time sequence of the laser ignition pulses. It is important that the flame cores reach the wall 29 of the prechamber 12 as simultaneously as possible and as late as possible and thus a faster burnout is achieved.
  • FIG. 2 shows the instant in which a second flame kernel with another (not shown) flame core center 24 can be generated at the ignition location ZP.
  • a suitable point in time can therefore be specified for the second laser ignition pulse.
  • the ratio a to b is advantageously determined taking into account the following parameters of the internal combustion engine:
  • Internal combustion engine to be used to specify a respective optimum number and optimal time intervals between the laser ignition pulses of the laser spark plug 10.
  • FIG. 3 shows a time diagram of a normalized amplitude NA of a laser pump pulse 32 and two ignition pulses 34 and 36 generated therefrom, as they are when a passively Q-switched one known per se is applied
  • a pump pulse 32 is generated, which in FIG. 3 has a time span tp. After a time t1, starting from the time t0, a first laser ignition pulse 34 is generated. After a time t2, a second laser ignition pulse 36 is generated.
  • Laser ignition pulses 34 and 36 thus have a time interval dt in the present case
  • Laser spark plug 10 (Figure 1) is caused to a multiple breakthrough. It is also possible by a dynamic change in the power of the pump pulse 32 during the period tp and the time interval dt the generated Laserzündimpulse 34 and 36 change. However, this is not shown in the drawing of Figure 3.
  • durations of the firing pulses 34 and 36 and / or the duration of the pump pulse 32 to each other may not be shown to scale.
  • the firing pulses 34 and 36 have a duration of 1 ns to 10 ns (nanoseconds)
  • the pump pulse 32 has a duration of 100 s (microseconds) to 1000 s.
  • FIG. 4 shows a mechanical one similar to FIGS. 1 and 2
  • Embodiment of the antechamber 12 the laser light irradiated by the laser spark plug 10 is bundled in such a way that two different ignition locations ZP1 and ZP2 thereof are applied thereto.
  • the timing of the ignition pulses are similar to those of Figures 1 and 2. The generated
  • the formation of two different ignition ZP1 and ZP2 ignition of the mixture located in the pre-chamber 12 can be improved by a double number of flame cores or
  • Flammenkernzentren is generated. Accordingly, a faster
  • Burning of the mixture located in the prechamber 12 advantageously takes place and the fuel consumption of the internal combustion engine and a tendency to knock are further reduced.
  • the at least one flame core is at least initially moved approximately perpendicular to the longitudinal axis 13.
  • the inventive principle of temporal multiple ignition is generally applicable to laser spark plugs without prechamber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze (10) für eine Brennkraftmaschine, wobei die Laserzündkerze (10) eine Vorkammer (12) aufweist. Erfindungsgemäß strahlt die Laserzündkerze (10) innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter Laserzündimpulse (34, 36) auf einen innerhalb der Vorkammer (12) liegenden Zündort (ZP) ein.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen. Es sind Zündsysteme für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen mittels einer
Laserzündkerze ein in einem Brennraum vorhandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Dabei kommt es darauf an, einen möglichst schnellen Durchbrand des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum zu erzielen, um einen geringen Kraftstoffverbrauch und verbesserte Klopfeigenschaften zu erreichen.
Insbesondere bei stationären Gasmotoren, welche mittels einer herkömmlichen
Hochspannungszündung arbeiten, ist es bekannt, zusätzlich eine Vorkammer zu einer schnelleren Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorzusehen.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Laserzündkerze, eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Verwendung einer
Laserzündkerze, insbesondere bei gleichzeitiger Verwendung einer Vorkammer für die Laserzündkerze, die Zündung einer Brennkraftmaschine verbessern kann. Um einen optimalen Durchbrand des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem
Brennraum der Brennkraftmaschine zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Laserzündkerze innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter
Laserzündimpulse auf einen innerhalb der Vorkammer liegenden Zündort einstrahlt.
Dabei wird berücksichtigt, dass eine Zündung häufig bereits dann erfolgt, während sich ein Kolben der Brennkraftmaschine noch in einer
Aufwärts bewegung befindet. In diesem Zustand wird das in dem Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch (Gemisch) zunehmend verdichtet, wobei ein Anteil des Gemisches in die Vorkammer mittels dort vorhandener
Überströmbohrungen hinein gedrückt wird. Wenn in diesem Zustand eine erste Zündung durch die Laserzündkerze erfolgt, so wird ein dadurch erzeugter Flammenkern in der Strömungsrichtung des in die Vorkammer einströmenden Gemisches verschoben. Der sich vergrößernde Flammenkern bzw. das zugehörige Flammenkernzentrum kann dabei also von dem Zündort wenigstens zeitweise wegbewegt werden. Abhängig von den jeweiligen
Strömungsverhältnissen kann dadurch am Zündort der Laserzündkerze erneut ein zündfähiges Gemisch vorliegen. Der Zündort der Laserzündkerze ist dabei jener Punkt, an welchem die von der Laserzündkerze ausgesandte Lichtenergie (Laserzündimpuls) mit einer hohen Energiedichte gebündelt vorliegt. Auf diese
Weise können die Strömungsverhältnisse in der Vorkammer vorteilhaft dazu benutzt werden, mehr als einen Flammenkern zu entzünden, und dadurch das in der Vorkammer und damit auch in dem Hauptbrennraum befindliche Gemisch besonders rasch zu entzünden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also, dass mittels einer Laserzündkerze ein besonders schneller Durchbrand in der Vorkammer und in dem Brennraum der Brennkraftmaschine erzielt werden kann, wobei ein Kraftstoffverbrauch gesenkt und eine Klopfempfindlichkeit der
Brennkraftmaschine verbessert werden kann.
Es versteht sich, dass es - je nach Betriebsart der Brennkraftmaschine - auch ausreichend sein kann, lediglich einen einzelnen Laserzündimpuls der
Laserzündkerze während eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine abzugeben, um das in dem Brennraum befindliche Gemisch zu zünden. D.h., es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren mit den mehreren Laserzündimpulsen nur in manchen Betriebsarten der Brennkraftmaschine auszuführen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder ein zeitlicher Abstand zwischen mindestens zweien der Laserzündimpulse zwischen verschiedenen Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine verändert wird. Damit wird vorteilhaft eine Möglichkeit geschaffen, auf den Zündvorgang einen erheblichen Einfluss zu nehmen und somit den Betrieb der Laserzündkerze und der Brennkraftmaschine zu verbessern, ohne dass ein zusätzlicher baulicher Aufwand erforderlich wäre. Der zeitliche Abstand zwischen zwei
Laserzündimpulsen bzw. der sich - aufgrund der Strömungsverhältnisse in der Vorkammer - daraus ergebende örtliche Abstand zwischen den erzeugten Flammenkernen kann in Abhängigkeit der Größe der Vorkammer gewählt werden. Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, wenn die erzeugten
Flammenkerne eine Wandung der Vorkammer - oder die Flammenkerne sich gegenseitig - so spät wie möglich berühren, um damit die Brenndauer in der Vorkammer und im Hauptbrennraum so kurz wie möglich zu halten. Daraus folgt, dass der Abstand der Laserzündimpulse und der damit erzeugten Flammenkerne entsprechend groß gewählt werden sollte.
Die Einflussnahme auf die Anzahl und den zeitlichen Abstand der
Laserzündimpulse kann beispielsweise erfolgen, indem ein Pumpstrom zum Betrieb der Laserzündkerze bzw. eine Leistung eines Pumpimpulses verändert werden. Dabei kann etwa ein Güteschalter eines Festkörperlasers der
Laserzündkerze zu einem mehrfachen Durchbrechen veranlasst werden.
Ebenfalls lässt sich durch eine dynamische Veränderung der Leistung des Pumpimpulses auch der zeitliche Abstand der erzeugten Laserzündimpulse verändern. Bei Brennkraftmaschinen, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und folglich dynamisch beansprucht werden, kann es vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder der zeitliche Abstand zwischen diesen wie beschrieben verändert wird. Dagegen kann es bei stationär betriebenen Brennkraftmaschinen genügen, die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder den zeitlichen Abstand zwischen diesen einmalig einzustellen und während eines Betriebs nicht zu verändern. Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, dass die Anzahl der
Laserzündimpulse und/oder der zeitliche Abstand zwischen zwei
Laserzündimpulsen in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen gewählt wird: einer Gemischzusammensetzung eines Kraftstoffs am Zündort; einem Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der Brennkraftmaschine; einem Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine; einer Drehzahl der Brennkraftmaschine; einer Lastsituation der Brennkraftmaschine; einem
Drehmoment der Brennkraftmaschine; einer Größe eines Abgases der
Brennkraftmaschine, insbesondere einer Abgastemperatur und/oder der Luftzahl lambda; einer Temperatur eines Brennraums; einer Strömungsgeschwindigkeit der Gemischzusammensetzung in der Vorkammer; einer Geometrie der
Vorkammer; und/oder einem Ort eines Flammenkernzentrums. Dabei handelt es sich bevorzugt um solche Größen, die an der Brennkraftmaschine
vergleichsweise einfach, z.B. messtechnisch, ermittelt oder auch eingestellt werden können, und die auf die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die
Gemischzusammensetzung in der Vorkammer bzw. am Zündort wirken. Dadurch kann ein Bezug zur erforderlichen Anzahl und zu den zeitlichen Abständen zwischen den zu erzeugenden Laserzündimpulsen hergestellt werden, mit dem Ziel, eine in der Vorkammer erforderliche Drucküberhöhung an einen Bedarf der Brennkraftmaschine in einem aktuellen Betriebspunkt anzupassen. Dabei kann es ein Ziel sein, eine möglichst große Drucküberhöhung mit kurzen Brenndauern zu erreichen. Auf diese Weise kann das Verfahren vorteilhaft dynamisch an den Betrieb der
Brennkraftmaschine angepasst werden. Der Abstand zwischen mindestens zweien der zeitlich aufeinander folgenden Laserzündimpulse wird also passend zu aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine verändert. Dabei ist bevorzugt eine jeweilige Zündenergie eines einzelnen Laserzündimpulses im Wesentlichen gleich zu den übrigen, wobei jeweils diese Zündenergie hoch genug sein muss, um das am Zündort befindliche Gemisch zu zünden.
Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, die Laserzündimpulse mit unterschiedlichen Zündenergien zu erzeugen, was gegebenenfalls bei plasmabildenden Vorzündungen von Vorteil sein kann. Beispielsweise kann eine Gemischzusammensetzung des Kraftstoffs am Zündort ermittelt werden oder mithilfe eines Modells berechnet werden, und so ein Kriterium gewonnen werden, um einen Zeitpunkt für einen folgenden Zündimpuls der Laserzündkerze am Zündort zu ermitteln. Weiterhin kann ein Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der Brennkraftmaschine ermittelt werden und abhängig von dem ermittelten Ladedruck eine Zeitspanne zwischen zwei Zündimpulsen bestimmt werden. Ebenfalls kann ein Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine ausgewertet werden, um den zeitlichen Abstand zwischen mindestens zweien der Zündimpulse zu bestimmen. Ergänzend ist eine Drehzahl der Brennkraftmaschine geeignet, die Zündung der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze zu beeinflussen. Weiterhin kann eine Lastsituation, ein
Drehmoment, oder eine Größe eines Abgases der Brennkraftmaschine als Kriterium herangezogen werden, um den zeitlichen Abstand zwischen mindestens zweien der Zündimpulse der Laserzündkerze zu ermitteln. Ebenso kann dies in Abhängigkeit von einer Temperatur des Brennraums erfolgen.
Insbesondere ist auch eine Strömungsgeschwindigkeit der
Gemischzusammensetzung in der Vorkammer ein sehr geeignetes Kriterium, um den zeitlichen Abstand zwischen zwei Zündimpulsen zu bestimmen.
Entsprechend der Strömung des Gemisches während der Aufwärtsbewegung des Kolbens und entsprechend einer Geschwindigkeit einer Ausbreitung des von der Laserzündkerze in der Vorkammer erzeugten Flammenkernes verändert das zugehörige Flammenkernzentrum seine Lage innerhalb der Vorkammer.
Entsprechend einer Formel
Zeit = Abstand / Geschwindigkeit kann nun eine zeitliche Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden
Laserzündimpulsen angegeben werden. Darin ist die "Geschwindigkeit" jene Geschwindigkeit, mit welcher sich ein jeweils vorher erzeugter Flammenkern von dem Zündort entfernt. Diese Geschwindigkeit wird wesentlich auch von einer Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches beeinflusst. Beispielsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches zwischen 5 m/s und 15 m/s (Meter pro Sekunde) betragen. Bei einem gewünschten räumlichen Abstand zwischen zwei zeitlich nacheinander zu erzeugenden Flammenkernen von zum Beispiel 5 mm ergibt sich entsprechend der Formel ein zeitlicher Abstand von 1000 s bis 333 μβ (Mikrosekunden). Allgemein ist eine Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s bis 15 m/s besonders geeignet für eine sichere Entflammung des Gemisches.
Weiterhin kann es ein Anhaltswert sein, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Laserzündimpulsen um so kleiner zu wählen ist, je stärker die Brennkraftmaschine aktuell belastet wird, das heißt auch, je höher die in der Vorkammer anzunehmende Strömungsgeschwindigkeit ist. Weiterhin kann als eine sinnvolle Randbedingung gelten, dass ein am Zündort aktuell vorhandenes Gemisch zu einem jeweiligen Zündzeitpunkt entflammbar sein sollte.
Weiterhin kann der zeitliche Abstand zwischen zwei Zündimpulsen abhängig sein von einer Geometrie der Vorkammer oder des Hauptbrennraums. Beispielsweise ist kann es sinnvoll sein, den zeitlichen Abstand zwischen zwei Zündimpulsen auch von einer Größe der Vorkammer, z.B. deren Volumen, abhängig zu machen. Weiterhin kann ein Ort eines Flammenkernzentrums dazu
herangezogen werden, um den zeitlichen Abstand zu einem jeweils
nachfolgenden Zündimpuls vorzugeben.
Es versteht sich, dass bei mehr als zwei zeitlich versetzten Zündimpulsen die zeitlichen Abstände zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Zündimpulsen nicht unbedingt gleich vorgegeben werden müssen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, einen zeitlichen Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Zündimpuls größer zu wählen, als einen zeitlichen Abstand zwischen dem zweiten und einem dritten Zündimpuls, oder umgekehrt.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung und/oder Bewertung der Größen sowie zur Ermittlung der Anzahl der Zündimpulse und/oder deren zeitlicher Abstände Kennlinien und/oder Kennfelder einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung verwendet werden. Damit kann die Vielzahl der die Zündung beeinflussenden Größen vorteilhaft mittels Kennfeldern oder Tabellen berücksichtigt werden, und es kann Rechenleistung gespart und es können Kosten gesenkt werden.
Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass in einem Leerlaufbetrieb und/oder einem mager eingestellten Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine etwa zwei bis etwa fünf Zündimpulse während eines Arbeitszyklus erzeugt werden. Ebenso sieht die Erfindung vor, dass in einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine maximal etwa zwei Zündimpulse während eines Arbeitszyklus erzeugt werden
Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass es einerseits ein erfindungsgemäßes Ziel sein kann, eine maximale Drucküberhöhung in der Vorkammer im Vergleich zu dem außerhalb der Vorkammer befindlichen Brennraum zu erreichen, andererseits aber auch eine Reduzierung der Drucküberhöhung in bestimmten Betriebszuständen vorteilhaft sein kann. Beispielsweise kann für eine
sogenannte magere Volllast eines stationären Gasmotors die Zündung so ausgelegt werden, dass drei Zündimpulse abgegeben werden, wobei eine maximale Drucküberhöhung erreicht werden kann.
In einem anderen Betriebsfall der Brennkraftmaschine kann es beispielsweise sinnvoll sein, einen verminderten Lambda-Wert des Abgases einzustellen. Dabei kann ein zu schneller Durchbrand des in dem Brennraum befindlichen
Gemisches dazu führen, dass Glühzündungen oder Klopferscheinungen der Brennkraftmaschine auftreten. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die Anzahl der von der Laserzündkerze erzeugten Zündimpulse gegenüber einem
Betriebsfall mit einem Lambda-Wert von in etwa eins zu vermindern. Dies kann beispielsweise aus Kennfeldern abgeleitet werden, welche in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine abgelegt sind.
Weiterhin kann in einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Leerlaufbetrieb eine Anzahl von drei oder vier Zündimpulsen optimal sein, während in einem Volllastbetrieb ein einzelner Zündimpuls ausreichend sein kann. Im zuletzt genannten Fall kann dadurch eine Reichweite von aus der Vorkammer austretenden Zündfackeln reduziert werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein folgender zweiter Zündimpuls dann erzeugt wird, wenn das von einem voran gegangenen ersten Zündimpuls erzeugte Flammenkernzentrum in Ausbreitungsrichtung zu einem Wandabschnitt der Vorkammer einen ersten Abstand a aufweist und zu dem Zündort (ZP) einen zweiten Abstand b aufweist, wobei ein Verhältnis des ersten Abstands a zu dem zweiten Abstand b etwa 1 :5 bis etwa 5:1 beträgt. Damit wird vorteilhaft ein Bereich angegeben, welcher in Bezug auf eine Strömungsgeschwindigkeit des in der Vorkammer befindlichen Gemischs sowie in Bezug auf eine Geometrie bzw. Größe der Vorkammer besonders geeignet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Außerdem wird eine Laserzündkerze vorgeschlagen, die zur Anwendung des
Verfahrens geeignet ist, wobei die Vorkammer bevorzugt zu einer Längsachse eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Damit wird eine besonders einfache Form der Vorkammer angegeben, mittels welcher das Verfahren ausgeführt werden kann. Dadurch können Herstellkosten der Laserzündkerze bzw. der Vorkammer gesenkt werden.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze sieht vor, dass die Vorkammer zu einer Längsachse der Laserzündkerze eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form aufweist, wobei entlang einer ersten axialen Strecke ein Wandabschnitt der Vorkammer im Wesentlichen einen ersten Radius aufweist und entlang einer zweiten axialen Strecke ein Wandabschnitt der Vorkammer im Wesentlichen einen zweiten Radius aufweist. Dadurch wird eine besonders geeignete Ausgestaltung der Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze beschrieben. Die Vorkammer weist demnach im Wesentlichen zwei verschiedene Radien auf, wobei die Vorkammer insgesamt
rotationssymmetrisch ausgeführt ist. Die Abschnitte der Vorkammer mit einem ersten Radius und einem zweiten Radius gehen beispielsweise stetig ineinander über. Beispielsweise weist der erste Wandabschnitt der Vorkammer, welcher dem Brennraum zugewandt ist, einen kleineren ersten Radius auf, als ein zweiter Wandabschnitt der Vorkammer, welcher dem Brennraum abgewandt ist und einen Radius aufweist. Dabei kann der dem Brennraum zugewandte
Wandabschnitt der Vorkammer an seinem Ende eine beispielsweise
halbkugelförmige Rundung umfassen. Insgesamt weist die Vorkammer damit eine in etwa birnenförmige Geometrie auf und ist zu einer Zündung durch mehrere zeitlich versetzte Zündimpulse besonders geeignet.
Ergänzend sieht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze vor, dass ein Verhältnis der ersten axialen Strecke zu der zweiten axialen Strecke etwa 1 :2 bis etwa 2:1 beträgt und ein Verhältnis des ersten Radius zu dem zweiten Radius etwa 1 :3 bis etwa 3:1 beträgt. Damit wird ein besonders geeigneter Wertebereich für die Abmessungen einer Vorkammer der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze beschrieben.
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 zeigen:
Figur 1 eine erste Schnittansicht durch eine Vorkammer einer Laserzündkerze mit einem Zündort und drei zeitlich versetzt erzeugten Flammenkernen; Figur 2 eine zweite Schnittansicht der Vorkammer von Figur 1 mit einem
Zündort und einem ersten erzeugten Flammenkern;
Figur 3 ein Zeitdiagramm mit einem Pumpimpuls und zwei Zündimpulsen der Laserzündkerze; und
Figur 4 eine dritte Schnittansicht der Vorkammer von Figur 1 mit zwei Zündorten und je drei erzeugten Flammenkernen.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorkammer 12 einer Laserzündkerze 10. Die Vorkammer 12 weist eine Längsachse 13 auf und ist in an sich bekannter Weise mit der Laserzündkerze 10 lösbar oder unlösbar verbunden. Die
Laserzündkerze 10 ist in ebenfalls an sich bekannter Weise an einem Abschnitt eines nicht näher erläuterten Zylinderkopfs 14 im oberen Bereich der Figur 1 angeordnet. Die Laserzündkerze 10 weist ein Brennraumfenster 16 auf, durch welches in Richtung eines Pfeils 18 gebündeltes Laserlicht in die Vorkammer 12 abgegeben wird. Das Laserlicht wird dabei auf einen Zündort ZP gebündelt. Das
Laserlicht kann beispielsweise mittels eines gütegeschalteten Festkörperlasers direkt in der Laserzündkerze 10 erzeugt oder der Laserzündkerze 10 auch von einer entfernt angeordneten Laserquelle zugeführt werden. Zwei Linien 26a und 26b umschreiben einen Lichtkegel des ankommenden Laserlichts. Im in der Zeichnung unteren Bereich weist die Vorkammer 12 drei in etwa gleichartige Überströmbohrungen 20 auf. Weitere Überströmbohrungen der Vorkammer 12 sind vorhanden, sind jedoch in der vorliegenden Schnittansicht nicht sichtbar.
Im Betrieb, während ein in einem in der Figur 1 nicht bezeichneten Brennraum befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch (Gemisch) durch einen sich aufwärts bewegenden Kolben (nicht dargestellt) verdichtet wird, kann entsprechend den
Pfeilen 22 ein Gemisch von dem Brennraum in das Innere der Vorkammer 12 eintreten. Das in Pfeilrichtung des Pfeils 18 in die Vorkammer 12 eintretende Laserlicht wird auf den Zündort ZP fokussiert und kann einen Teil des in der Vorkammer 12 befindlichen Gemischs zünden. In diesem Zustand dringt üblicherweise weiterhin ein Gemisch durch die Überströmbohrungen 20 entsprechend den Pfeilen 22 in die Vorkammer 12 ein. Dadurch wird - in der Zeichnung der Figur 1 - eine Fluidströmung nach oben hergestellt.
Ein am Zündort ZP durch einen Laserzündimpuls 34 erzeugter Flammenkern bewegt sich entsprechend der Strömungsrichtung des weiterhin einströmenden
Gemischs in der Zeichnung der Figur 1 nach oben. Zugleich vergrößert er seinen Durchmesser stetig. Näherungsweise besitzt der Flammenkern wenigstens zunächst eine in etwa kugelförmige Gestalt. In der Zeichnung der Figur 1 sind ausgehend von dem Zündort ZP beispielhaft drei Flammenkerne 24a, 24b und 24c eingetragen. Dabei beschreiben die in der Figur 1 gezeichneten
Flammenkerne 24a bis 24c entweder eine zeitliche Ausbreitung eines einzelnen, im Zündort ZP erzeugten Flammenkerns, oder ebenso gut eine gleichzeitige Anordnung von erfindungsgemäß drei zeitlich nacheinander erzeugten
Flammenkernen 24a bis 24c.
Man erkennt, wie durch die Erzeugung von drei Flammkernen sich ein entsprechend größeres Volumen des Gemischs vorteilhaft - also kürzer bzw. schneller - entzünden lässt, so dass sich eine maximierte Drucküberhöhung in der Vorkammer in Bezug auf den Brennraum und ein entsprechend schnellerer Durchbrand des Gemischs ergeben kann und daraus folgend ein Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine sowie eine Klopfneigung gesenkt werden kann.
Die Figur 2 zeigt eine zu der Figur 1 gleiche Vorkammer 12. Dargestellt und auf die Längsachse 13 bezogen sind ein Radius R1 für eine in der Zeichnung der
Figur 2 erste axiale Strecke 28 der Vorkammer 12 und ein Radius R2 für eine in der Zeichnung zweite axiale Strecke 30 der Vorkammer 12. Vorliegend beträgt ein Verhältnis des Radius R1 zum Radius R2 etwa 1 :3. In Figur 2 dargestellt ist ein Augenblick, in welchem ein zeitlich vorher erzeugter
Flammenkern mit seinem Flammenkernzentrum 24 sich bereits in der Zeichnung nach oben von dem Zündort ZP um einen zweiten Abstand b entfernt hat. Das Flammenkernzentrum 24 weist zu diesem Zeitpunkt zum Brennraumfenster 16 des Zylinderkopfs 14 einen ersten Abstand a auf. Vorliegend beträgt ein
Verhältnis des ersten Abstands a zu dem zweiten Abstand b in etwa 1 :2. Dabei ist der in der Figur 2 gezeichnete Flammenkern der erste einer Folge von zwei zu erzeugenden Flammenkernen bzw. Zündimpulsen.
Eingetragen ist in der Figur 2 auch ein dritter Abstand c, der einen kleinsten Abstand zwischen dem Zündort ZP und einer Wandung 29 der Vorkammer 12 beschreibt. Der dritte Abstand c kann mit dazu herangezogen werden, einen Anhaltswert für die Bemessung des Abstands a und damit für die zeitliche Abfolge der Laserzündimpulse zu erhalten. Wichtig ist, dass die Flammkerne die Wandung 29 der Vorkammer 12 möglichst gleichzeitig und so spät wie möglich erreichen und somit ein schneller Durchbrand erzielt wird.
Die Zeichnung der Figur 2 zeigt zugleich jenen Augenblick, in welchem am Zündort ZP ein zweiter Flammenkern mit einem weiteren (nicht dargestellten) Flammenkernzentrum 24 erzeugt werden kann. Mittels des Verhältnisses aus den Abständen a zu b lässt sich also für den zweiten Laserzündimpuls ein geeigneter Zeitpunkt angeben. Dabei wird das Verhältnis a zu b vorteilhaft unter Berücksichtigung folgender Größen der Brennkraftmaschine ermittelt:
- eine Gemischzusammensetzung eines Kraftstoffs am Zündort ZP;
- ein Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der Brennkraftmaschine;
- ein Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine; - eine Drehzahl der Brennkraftmaschine;
- eine Lastsituation der Brennkraftmaschine;
- ein Drehmoment der Brennkraftmaschine;
- eine Größe eines Abgases der Brennkraftmaschine;
- eine Temperatur eines Brennraums;
- eine Strömungsgeschwindigkeit der Gemischzusammensetzung in der
Vorkammer 12;
- eine Geometrie der Vorkammer 12; und/oder
- ein Ort eines Flammenkernzentrums 24.
Auf diese Weise können eine Vielzahl von Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine dazu herangezogen werden, um eine jeweils optimale Anzahl und optimale zeitliche Abstände zwischen den Laserzündimpulsen der Laserzündkerze 10 vorzugeben.
Die Figur 3 zeigt ein Zeitdiagramm einer normierten Amplitude NA eines Laser- Pumpimpulses 32 und zwei daraus erzeugten Zündimpulsen 34 und 36, wie sie bei Beaufschlagung eines an sich bekannten passiv gütegeschalteten
Lasersystems mit dem Pumpimpuls 32 entstehen. Dabei bezeichnet die Abszisse des dargestellten Koordinatensystems die Zeit t und die Ordinate die normierte
Amplitude NA. Zu einem Zeitpunkt tO wird ein Pumpimpuls 32 erzeugt, welcher in der Figur 3 eine Zeitspanne tp aufweist. Nach Ablauf einer Zeit t1 wird, ausgehend von dem Zeitpunkt tO, ein erster Laserzündimpuls 34 erzeugt. Nach Ablauf einer Zeit t2 wird ein zweiter Laserzündimpuls 36 erzeugt. Die
Laserzündimpulse 34 und 36 weisen vorliegend also einen zeitlichen Abstand dt
= t2 - 11 auf. In dem Diagramm der Figur 3 werden insgesamt zwei Zündimpulse während eines Laser-Pumpimpulses 32 erzeugt.
Durch eine Erhöhnung des Pumpstroms bzw. der Leistung des Pumpimpulses 32 und/oder der Pumpdauer durch eine Verlängerung der Zeitspanne tp können bei
Bedarf auch mehr als zwei Zündimpulse 34 und 36 erzeugt und für die Zündung benutzt werden, indem ein Güteschalter eines Festkörperlasers der
Laserzündkerze 10 (Figur 1 ) zu einem mehrfachen Durchbrechen veranlasst wird. Ebenfalls lässt sich durch eine dynamische Veränderung der Leistung des Pumpimpulses 32 während der Zeitspanne tp auch der zeitliche Abstand dt der erzeugten Laserzündimpulse 34 und 36 verändern. Dies ist in der Zeichnung der Figur 3 jedoch nicht mit dargestellt.
Es sei angemerkt, dass die in der Figur 3 gezeichneten Dauern der Zündimpulse 34 und 36 und/oder die Dauer des Pumpimpulses 32 zueinander gegebenenfalls nicht maßstäblich dargestellt sind. Beispielsweise weisen die Zündimpulse 34 und 36 eine Dauer von 1 ns bis 10 ns (Nanosekunden) auf, und der Pumpimpuls 32 weist eine Dauer von 100 s (Mikrosekunden) bis 1000 s auf. Die Figur 4 zeigt eine zu den Figuren 1 und 2 gleichartige mechanische
Ausführung der Vorkammer 12. Vorliegend ist das durch die Laserzündkerze 10 eingestrahlte Laserlicht so gebündelt, dass zwei voneinander verschiedene Zündorte ZP1 und ZP2 davon beaufschlagt werden. Die zeitliche Abfolge der Zündimpulse sind denen zu den Figuren 1 und 2 ähnlich. Die erzeugten
Flammkerne sind in der Figur 4 lediglich angedeutet (ohne Bezugszeichen).
Durch die Ausbildung zweier verschiedener Zündorte ZP1 und ZP2 kann die Zündung des in der Vorkammer 12 befindlichen Gemischs verbessert werden, indem eine doppelte Anzahl von Flammenkernen beziehungsweise
Flammenkernzentren erzeugt wird. Entsprechend kann ein schnellerer
Durchbrand des in der Vorkammer 12 befindlichen Gemischs vorteilhaft zustande kommen und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine sowie eine Klopfneigung weiter gesenkt werden. Eine weitere (nicht dargestellte) Ausführungsform der Laserzündkerze 10 zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine zu der Längsachse 13 nicht rotationssymmetrische Form auf. Bedingt durch eine besondere
Gestaltung eines Innenraums der Vorkammer 12 wird eine tangentiale Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor dem Brennraumfenster 16 erzeugt.
Entsprechend wird der mindestens eine Flammkern wenigstens zu Beginn in etwa senkrecht zu der Längsachse 13 bewegt. Das erfindungsgemäße Prinzip der zeitlichen Mehrfachzündung ist generell auch bei Laserzündkerzen ohne Vorkammer anwendbar.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze (10) für eine
Brennkraftmaschine, wobei die Laserzündkerze (10) eine Vorkammer (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (10) innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter Laserzündimpulse (34, 36) auf einen innerhalb der Vorkammer (12) liegenden Zündort (ZP) einstrahlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Laserzündimpulse (34, 36) und/oder ein zeitlicher Abstand (dt) zwischen mindestens zweien der Laserzündimpulse (34, 36) , vorzugsweise zwischen verschiedenen Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine, verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Laserzündimpulse (34, 36) und/oder der zeitliche Abstand (dt) zwischen zwei Laserzündimpulsen (34, 36) in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen gewählt wird:
(a) eine Gemischzusammensetzung eines Kraftstoffs am Zündort (ZP);
(b) ein Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der
Brennkraftmaschine;
(c) ein Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine;
(d) eine Drehzahl der Brennkraftmaschine;
(e) eine Lastsituation der Brennkraftmaschine;
(f) ein Drehmoment der Brennkraftmaschine;
(g) eine Größe eines Abgases der Brennkraftmaschine,
insbesondere eine Abgastemperatur;
(h) eine Temperatur eines Brennraums;
(i) eine Strömungsgeschwindigkeit der Gemischzusammensetzung in der Vorkammer (12);
(j) eine Geometrie der Vorkammer (12); und/oder (k) ein Ort eines Flammenkernzentrums (24).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung und/oder Bewertung der Größen sowie zur Ermittlung der Anzahl der Laserzündimpulse (34, 36) und/oder deren zeitlicher Abstände (dt)
Kennlinien und/oder Kennfelder einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung und/oder messtechnisch ermittelbare Daten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leerlaufbetrieb und/oder einem mager eingestellten Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine etwa zwei bis etwa fünf Laserzündimpulse (34, 36) während eines Arbeitszyklus eingestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine maximal etwa zwei Zündimpulse (34, 36) während eines Arbeitszyklus eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein folgender zweiter Laserzündimpuls (36) dann eingestrahlt wird, wenn das von einem vorangegangenen ersten Laserzündimpuls (34) erzeugte
Flammenkernzentrum (24) in Ausbreitungsrichtung zu einem Wandabschnitt der Vorkammer (12) einen ersten Abstand a aufweist und zu dem Zündort (ZP) einen zweiten Abstand b aufweist, wobei ein Verhältnis des ersten Abstands a zu dem zweiten Abstand b etwa 1 :5 bis etwa 5:1 beträgt.
Laserzündkerze (10) für eine Brennkraftmaschine, wobei die
Laserzündkerze (10) eine Vorkammer (12) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (10) dazu ausgebildet ist, innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter Laserzündimpulse (34, 36) auf einen innerhalb der Vorkammer (12) liegenden Zündort (ZP) einzustrahlen.
Laserzündkerze (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (12) zu einer Längsachse (13) der Laserzündkerze (10) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form aufweist, wobei entlang einer ersten axialen Strecke (28) ein Wandabschnitt der Vorkammer (12) im Wesentlichen einen ersten Radius (R1 ) aufweist und entlang einer zweiten axialen Strecke (30) ein Wandabschnitt der Vorkammer (12) im
Wesentlichen einen zweiten Radius (R2) aufweist.
10. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der ersten axialen Strecke (28) zu der zweiten axialen Strecke (30) etwa 1 :2 bis etwa 2:1 beträgt und dass ein Verhältnis des ersten Radius (R1 ) zu dem zweiten Radius (R2) etwa 1 :3 bis etwa 3:1 beträgt.
1 1 . Laserzündkerze (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (12) und/oder ein darin angeordneter Überströmkanal (20) so ausgebildet sind, dass eine zumindest teilweise tangentiale Strömung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches vor einem Brennraumfenster (16) auftritt.
12. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
13. Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihr ein Computerprogramm nach Anspruch 12 ablauffähig ist.
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