Title:
Laserzündkerze und Kühler für eine Laserzündkerze
Kind Code:
A1


Abstract:

Vorgestellt wird eine Laserzündkerze (10), die dazu eingerichtet ist, in einen Kerzenschacht (12) einer Brennkraftmaschine eingebaut zu werden und Laserzündenergie über ein Brennraum-seitiges und damit proximales Ende (20) der Laserzündkerze (10) in einen Brennraum (16) der Brennkraftmaschine zu fokussieren. Die Laserzündkerze zeichnet sich dadurch aus, dass sie an einem dem proximalen Ende (20) gegenüberliegenden distalen Ende (22) der Laserzündkerze (10) Kopplungsmittel (24) zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit einem Kühler (34) aufweist, wobei die Kopplungsmittel (24) dazu eingerichtet sind, ein Koppeln und Entkoppeln des Kühlers (34) bei in den Kerzenschacht (12) eingebauter Laserzündkerze (10) zu erlauben. Weitere unabhängige Ansprüche richten sich auf einen Kühler und eine aus einem Kühler und einer Laserzündkerze modular aufgebaute Laserzündeinrichtung.




Inventors:
Nuebel, Karl-Heinz (75397, Simmozheim, DE)
Weinrotter, Martin (70195, Stuttgart, DE)
Woerner, Pascal (70469, Stuttgart, DE)
Raimann, Juergen (71263, Weil der Stadt, DE)
Hartke, Rene (70178, Stuttgart, DE)
Engelhardt, Joerg (71254, Ditzingen, DE)
Application Number:
DE102011079507A
Publication Date:
01/24/2013
Filing Date:
07/20/2011
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102009000487A1N/A2010-08-05
DE3527643A1N/A1986-09-25



Foreign References:
EP15190382005-03-30
WO2011041805A12011-04-14
WO2011041807A22011-04-14
Claims:
1. Laserzündkerze (10), die dazu eingerichtet ist, in einen Kerzenschacht (12) einer Brennkraftmaschine eingebaut zu werden und Laserzündenergie über ein Brennraum-seitiges und damit proximales Ende (20) der Laserzündkerze (10) in einen Brennraum (16) der Brennkraftmaschine zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (10) an einem dem proximalen Ende (20) gegenüberliegenden distalen Ende (22) der Laserzündkerze (10) Kopplungsmittel (24) zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit einem Kühler (34) aufweist, wobei die Kopplungsmittel (24) dazu eingerichtet sind, ein Koppeln und Entkoppeln des Kühlers (34) bei in den Kerzenschacht (12) eingebauter Laserzündkerze (10) zu erlauben.

2. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lasereinrichtung mit einem Zündlaser (96) und einer Pumplichtquelle (92) aufweist und eine Länge aufweist, bei der ihr distales Ende (22) im eingebauten Zustand einen Abstand von einem Dichtsitz (32) im Kerzenschacht (12) aufweist, der kleiner als 230 mm und größer als 80 mm ist.

3. Laserzündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein größter Durchmesser der Laserzündkerze (10) kleiner als 50, vorzugsweise kleiner als 40 mm und insbesondere kleiner als 32 mm ist.

4. Laserzündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie an ihrem distalen Ende (22) ein Kopplungsmittel (30) zum lösbaren elektrischen Anschluss der Laserzündkerze (10) aufweist.

5. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel (30) an zentraler Stelle des distalen Endes (22) angeordnet und als Stecker oder Steckeraufnahme der elektrischen Steckverbindung verwirklicht ist.

6. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel (30) dazu eingerichtet ist, dass die elektrische Steckverbindung durch eine in Richtung einer Längsachse der Laserzündkerze (10) erfolgende Translationsbewegung geschlossen und durch eine entgegengesetzt gerichtete Translationsbewegung geöffnet wird.

7. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel (30) ein Formschlusselement aufweist, das nur ein richtig gepoltes Schließen der Steckverbindung erlaubt.

8. Laserzündkerze (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein fest mit der Laserkerze (10) verbundenes elektrisches Anschlusskabel aufweist.

9. Laserzündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine metallische Wärmekontaktfläche (26, 28) aufweist.

10. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Wärmekontaktfläche (26, 28) am distalen Ende (22) zylindrisch außen und/oder an der distalen Stirnfläche angeordnet ist.

11. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Wärmekontaktfläche am distalen Ende (22) der Laserzündkerze (10) als Oberfläche einer zentral innen liegenden Ausnehmung und/oder als Stirnfläche des distalen Endes verwirklicht ist.

12. Laserzündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung an dem distalen Ende (22) der Laserzündkerze (10) angeordnet ist und dass das proximale Ende (20) und das distale Ende (22) der Laserzündkerze (10) durch ein Zwischenstück (104) miteinander verbunden sind, das schlechter Wärme leitet als das distale Ende (22) der Laserzündkerze (10).

13. Laserzündkerze (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (104) ein Edelstahlrohr ist.

14. Kühler (34) für eine Laserzündkerze (10), die die Merkmale von wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (34) ein zur lösbaren mechanischen und thermischen Koppelung mit der Laserzündkerze (10) eingerichtetes proximales Ende (36) aufweist, das ein innerhalb des Kerzenschachtes (12) erfolgendes Koppeln des Kühlers (34) mit der Laserzündkerze (10) und Entkoppeln des Kühlers (34) von der Laserzündkerze (10) erlaubt.

15. Kühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (34) ein zur Befestigung an einer Öffnung des Kerzenschachtes (12) eingerichtetes distales Ende (38) aufweist, wobei das distale Ende (38) dazu eingerichtet ist, eine in Richtung einer Längsachse (40) des Kerzenschachtes (12) elastische Befestigung des Kühlers (34) an der Brennkraftmaschine zu erlauben.

16. Kühler (34) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das distale Ende (38) des Kühlers (34) einen Flansch (56) aufweist und das proximale Ende (36) des Kühlers (34) Mittel zur Aufnahme von Wärme aus der Laserzündkerze (10) aufweist und dass das distale Ende (38) des Kühlers (34) mit dem proximalen Ende (36) des Kühlers (34) durch ein starres Rohr verbunden ist.

17. Kühler (34) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sein distales Ende (38) einen Flansch (56) aufweist und sein proximales Ende (36) Mittel zur Aufnahme von Wärme aus der Laserzündkerze (10) aufweist und dass das distale Ende (38) des Kühlers (34) mit dem proximalen Ende (36) des Kühlers (34) durch ein duktiles Rohr verbunden ist.

18. Kühler (34) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das proximale Ende (36) des Kühlers (34) dazu eingerichtet ist, mit dem distalen Ende (22) der Laserzündkerze (10) verschraubt zu werden.

19. Kühler (34) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das proximale Ende des Kühlers (34) Kopplungsmittel aufweist, die so ausgestaltet sind, dass die Kopplung durch eine in Richtung einer Längsachse der Laserzündkerze (10) erfolgende Translationsbewegung erfolgt und dass eine Entkopplung durch eine entgegengesetzt gerichtete Translationsbewegung erfolgt.

20. Kühler (34) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (34) als Mittel zur Aufnahme von Wärme aus der Laserzündkerze (10) wenigstens eine Wärmekontaktfläche (42, 46) aufweist, die dazu eingerichtet ist an einer komplementären Wärmekontaktfläche (26, 28) der Laserzündkerze (10) in einem thermischen Kontakt anzuliegen.

21. Kühler (34) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekontaktfläche des Kühlers (34) eine metallische Innenfläche einer Hülse ist, die dazu eingerichtet ist, mit der komplementären Wärmekontaktfläche der Laserzündkerze (10) eine Presspassung zu bilden.

22. Kühler (34) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekontaktfläche des Kühlers (34) einen oder mehrere Schlitze aufweist.

23. Kühler (34) nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekontaktfläche des Kühlers (34) eine Oberfläche eines Zapfens (70) ist, der so dimensioniert ist, dass er mit einer korrespondierenden Ausnehmung (72) im distalen Ende (22) der Laserzündkerze (10) eine Spielpassung bildet, wobei ein thermischer Kontakt zwischen als Wärmekontaktfläche dienenden inneren Oberfläche der Ausnehmung (72) und der Oberfläche des Zapfens (70) durch eine auf wenigstens eine der Oberflächen aufgebrachte Wärmeleitpaste vergrößert wird.

24. Kühler (34) nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (34) einen zur Durchströmung mit einer Kühlflüssigkeit eingerichteten Wärmetauscher (50, 106) sowie eine Zuleitung und eine Rückleitung für die Kühlflüssigkeit aufweist.

25. Kühler (34) nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler einen Wärmeleitstab oder ein Wärmerohr aufweist, der im Kerzenschacht-Bereich oberhalb der Laserzündkerze (10) oder außerhalb des Kerzenschachts von einem mit Kühlflüssigkeit durchströmten Wärmetauscher gekühlt wird.

26. Kühler (34) nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (34) elektrische Anschlüsse zum lösbaren elektrisch leitfähigen Verbinden der Lasereinrichtung der Laserzündkerze (10) mit wenigstens einer elektrischen Anschlussleitung aufweist.

27. Laserzündeinrichtung, mit einer Laserzündkerze (10) und einem Kühler (34), wobei die Laserzündkerze (10) dazu eingerichtet ist, in einen Kerzenschacht einer Brennkraftmaschine eingebaut zu werden und Laserzündenergie über ein Brennraum-seitiges und damit proximales Ende in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (10) an einem dem proximalen Ende gegenüberliegenden distalen Ende Kopplungsmittel zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit dem Kühler (34) aufweist, wobei die Kopplungsmittel dazu eingerichtet sind, ein Koppeln und Entkoppeln des Kühlers (34) bei in den Kerzenschacht eingebauter Laserzündkerze (10) zu erlauben, und dass der Kühler (34) ein zur lösbaren mechanischen und thermischen Koppelung mit der Laserzündkerze (10) eingerichtetes proximales Ende aufweist, das ein innerhalb des Kerzenschachtes erfolgendes Koppeln des Kühlers (34) mit der Laserzündkerze (10) und Entkoppeln des Kühlers (34) von der Laserzündkerze (10) erlaubt.

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserzündkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Laserzündkerze ist dazu eingerichtet, in einen Kerzenschacht einer Brennkraftmaschine eingebaut zu werden und Laserzündenergie über ein brennraum-seitiges und damit proximales Ende der Laserzündkerze in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu fokussieren.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Kühler für eine solche Laserzündkerze, wobei der Kühler die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 14 aufweist. Ein solcher Kühler ist dazu eingerichtet, mit einer Laserzündkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zusammenzuwirken.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Laserzündeinrichtung, wobei die Laserzündeinrichtung die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 27 aufweist.

Eine solche Laserzündkerze, ein solcher Kühler, und eine solche Laserzündeinrichtung ist jeweils aus der EP 1 519 038 A1 bekannt. Beim Gegenstand der EP 1 519 038 A1 ist die eigentliche Laserzündkerze, die unter anderem einen gepumpten Festkörperlaser als Zündlaser, eine gepulste Pump-Lichtquelle, einen Resonator und einen Auskoppelspiegel aufweist, zusammen mit einer Kühleinrichtung in ein einziges, in einen Kerzenschacht der Brennkraftmaschine einsetzbares Bauteil integriert.

Das einzige Bauteil wird in der EP 1 519 038 A1 auch als Laserzündeinrichtung bezeichnet. Diese Laserzündeinrichtung weist ein brennraumnahes Fußteil und ein Kopfteil auf. Der Kopfteil ist an dem Ende der Laserzündeinrichtung angeordnet, das dem Fußteil gegenüberliegt und damit ein brennraumfernes Ende darstellt. Die Richtung, in der der Kopfteil vom Fußteil durch einen Abstand getrennt angeordnet ist, definiert die Richtung einer Längsachse des Bauteils. In dem Kopfteil sind wesentliche Komponenten der Laserzündkerze, wie Pumplichtquelle und Zündlaser, mit dem Kühler, der ein Peltier-Element und Elemente einer Flüssigkeitskühlung aufweist, zusammengefasst. Dabei ist der Zündlaser zentral nahe der Längsachse der Laserzündeinrichtung angeordnet, die Pumplichtquellen sind konzentrisch um den Zündlaser angeordnet. Kühlkanäle der Flüssigkeitskühlung sind radial weiter außen liegend auf gleicher Höhe, das heißt in etwa gleichem Abstand vom Fußteil wie die Pumplichtquelle und der Zündlaser, angeordnet. Der Kopfteil und der Fußteil sind über einen langgestreckten und schlanken Tubus miteinander verbunden. Der Kopfteil ragt in radialer Richtung über den Tubus hinaus. Nach einer Figur der EP 1 519 038 A1 ragt der Kopfteil auch in Richtung der Längsachse aus dem Kerzenschacht heraus und erstreckt sich in radialer Richtung über den Durchmesser des Kerzenschaftes hinaus.

Durch die Anordnung der Laserkomponenten im Kopfteil ergibt sich ein großer, wenn nicht sogar maximal großer Abstand zwischen den Laserkomponenten und dem Auskoppelspiegel. Dies wird in der EP 1 519 038 A1 als für die Erzielung einer hohen Strahlgüte wesentliches Merkmal bezeichnet.

Offenbarung der Erfindung

Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in ihren die Laserzündkerze betreffenden Aspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, in ihren den Kühler betreffenden Aspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 14 und in ihren die Laserzündeinrichtung als Ganzes betreffenden Aspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 27.

Danach zeichnet sich die Laserzündkerze dadurch aus, dass sie an einem dem proximalen Ende gegenüberliegenden distalen Ende Kopplungsmittel zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit einem Kühler aufweist, wobei die Kopplungsmittel dazu eingerichtet sind, ein Koppeln und Entkoppeln des Kühlers bei in den Kerzenschacht eingebauter Laserzündkerze zu erlauben.

Der Kühler zeichnet sich demnach dadurch aus, dass er ein zur lösbaren mechanischen und thermischen Kopplung mit der Laserzündkerze eingerichtetes proximales Ende aufweist, das ein innerhalb des Kerzenschachtes erfolgendes Koppeln des Kühlers mit der Laserzündkerze und Entkoppeln des Kühlers von der Laserzündkerze erlaubt.

Die Laserzündeinrichtung zeichnet sich demnach dadurch aus, dass die Laserzündkerze an einem dem proximalen Ende gegenüberliegenden distalen Ende Kopplungsmittel zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit dem Kühler aufweist, wobei die Kopplungsmittel dazu eingerichtet sind, ein Koppeln und Entkoppeln des Kühlers bei in den Kerzenschacht eingebauter Laserzündkerze zu erlauben, und dass der Kühler ein zur lösbaren mechanischen und thermischen Koppelung mit der Laserzündkerze eingerichtetes proximales Ende aufweist, das ein innerhalb des Kerzenschachtes erfolgendes Koppeln des Kühlers mit der Laserzündkerze und Entkoppeln des Kühlers von der Laserzündkerze erlaubt.

Im zusammengekoppelten Zustand bilden die erfindungsgemäße Laserzündkerze und der erfindungsgemäße Kühler eine Laserzündeinrichtung, deren Funktionsweise im eingebauten Zustand mit der Funktionsweise der bekannten Laserzündeinrichtung vergleichbar ist, nämlich Laserzündenergie bereitzustellen und im Betrieb störende Wärme abzuführen.

Im Unterschied zur bekannten Laserzündeinrichtung sind die Laserkomponenten und der Kühler bei der Erfindung nicht in einem einzigen Bauteil zusammengefasst, sondern voneinander getrennt in zwei voneinander trennbaren Bauteilen angeordnet.

Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die als Verschleißteil zu betrachtende Laserzündkerze ausgetauscht werden kann, ohne dass der Kühler getauscht werden muss. Dadurch werden die über längere Zeiträume betrachteten Betriebskosten gesenkt und Ressourcen geschont. Darüber hinaus wird auch der Arbeitsablauf beim Wechseln der Laserzündkerze vereinfacht, da die Laserzündkerze ohne Öffnung eines Flüssigkeitskühlkreislaufs gewechselt werden kann. Die zum Öffnen und Schließen sowie zum Entlüften des Kühlkreislaufs dienenden Schritte können ersatzlos entfallen, was Zeit und damit auch weitere Kosten spart.

Vorteilhaft ist auch, dass durch den Wegfall der Notwendigkeit einer Öffnung des Kühlkreislaufs auch die Gefahr einer Kühlmittel-Leckage verringert wird. Bereits beim Wechseln der Laserzündkerze wird ein Auslaufen von Kühlmittel vermieden. Dadurch wird insbesondere vermieden, dass sich Kühlmittel beim Auftrennen des Kühlkreislaufs im Kerzenschacht sammelt und beim Herausnehmen der Laserzündkerze in den Brennraum läuft und dabei Schmutz mit in den Brennraum spült. Dadurch wird sowohl eine sogenannte Wasserschlaggefahr beim nachfolgenden Betrieb der Brennkraftmaschine als auch ein erhöhter Verschleiß der Brennkraftmaschine durch eine Verunreinigung des Brennraums im Ansatz vermieden.

Dadurch, dass der Kühler ein zur mechanischen thermischen Kopplung mit der Laserzündkerze eingerichtetes proximales Ende aufweist, kann ein erfindungsgemäßer Kühler und eine erfindungsgemäße Laserzündkerze wie eine Stecker-Steckeraufnahmen-Paarung zu einer Laserzündeinrichtung zusammengefügt und auch wieder voneinander getrennt und erneut wieder zusammengefügt werden. Es wird hier also eine modular aus einem Laserzündkerzen-Modul und einem Kühlermodul bestehende Laserzündeinrichtung vorgestellt.

Dadurch, dass das distale Ende des Kühlers dazu eingerichtet ist, eine in Richtung einer Längsachse des Kerzenschachtes elastische Befestigung des Kühlers an der Brennkraftmaschine zu erlauben, können unterschiedliche Wärmedehnungen des Bauteils, in dem sich der Kerzenschacht befindet, und der Anordnung aus Laserzündkerze und Kühler ausgeglichen werden, ohne dass es zu einer Beschädigung durch zu hohe thermomechanische Spannungen kommt.

Durch die Erfindung ergibt sich darüber hinaus eine Trennung der Laserzündkerzen-Komponenten und der Kühler-Komponenten in Längsrichtung einer die Laserzündkerze und den Kühler aufweisenden Laserzündvorrichtung. Dies erlaubt insbesondere eine vergleichsweise kurz bauende Laserzündkerze.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Laserzündkerze eine Lasereinrichtung mit einem Zündlaser und einer Pumplichtquelle auf und besitzt eine Länge, bei der ein distales Ende der Laserzündkerze im eingebauten Zustand einen Abstand von einem Dichtsitz im Kerzenschacht aufweist, der kleiner als 230 mm und größer als 80 mm ist. Übliche Kerzenschächte von Großgasmotoren haben demgegenüber eine Tiefe, die im Extremfall 230 mm–800 mm, in der Regel zwischen 300 mm und 500 mm liegt. Eine kurz bauende Laserzündkerze, wie sie durch die Erfindung ermöglicht wird und die eine Länge aus dem angegebenen Bereich besitzt, kann tief in einem solchen Kerzenschacht angeordnet sein, auch im Extremfall steht sie nicht über den Kerzenschacht hinaus. Bei den angegebenen Werten einer Einbaulänge von 80 mm bis 200 mm und einer Kerzenschachttiefe von 300 mm bis 500 mm befindet sich die eingebaute Laserzündkerze daher in der tieferen Hälfte beziehungsweise zumindest in den tieferen Zweidritteln des Kerzenschachtes.

Die Laserzündkerze wird an ihrem proximalen Ende in dem Kerzenschacht festgehalten, zum Beispiel durch eine geschraubte Verbindung mit dem Bauteil, in dem sich der Kerzenschacht befindet. Bei einem Verbrennungsmotor als Brennkraftmaschine ist dies in der Regel ein Zylinderkopf. Das bedeutet insbesondere, dass die Laserkomponenten und damit verbundene Bauteile der Laserzündkerze einen wesentlich kürzeren Hebel zum proximalen, brennraumnahen Ende der Laserzündkerze haben als dies beim Gegenstand der EP 1 519 038 A1 der Fall ist. Als vorteilhafte Folge treten bei Vibrationen der Brennkraftmaschine entsprechend geringere Momente auf, die durch elastische Gegenkräfte kompensiert werden müssen. Die hier vorgestellte Laserzündkerze zeichnet sich daher durch eine hohe Robustheit und Schüttelfestigkeit aus.

Im Gegensatz dazu befinden sind beim Stand der Technik sowohl Laserkomponenten als auch der Kühler in einem Kopfteil des einzigen Bauteils außerhalb der Kerzenschachtöffnung. Entsprechend lang ist der Hebelarm, mit dem am Kopfteil auftretende Trägheitskräfte angreifen können. Die dadurch verminderte Schüttelfestigkeit wird bei der Erfindung im Ansatz vermieden, da die Erfindung eine Verlegung von Laserkomponenten und Kühlerkomponenten in die Tiefe des Kerzenschachtes erlaubt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 eine Laserzündkerze, die in einen Kerzenschacht einer Brennkraftmaschine eingebaut ist;

2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlers;

3 eine Laserzündkerze und einen Kühler in einem zu einem Ausführungsbeispiel einer Laserzündeinrichtung zusammengefügten Zustand;

4 eine Ausgestaltung des Kühlers;

5 einen entlang ihrer Längsachse geführten Querschnitt einer Laserzündkerze; und

6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laserzündeinrichtung, die aus einer Zusammenkopplung einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze und eines Kühlers besteht.

1 zeigt im Einzelnen eine Laserzündkerze 10, die in einen Kerzenschacht 12 einer Brennkraftmaschine eingebaut ist. Der Kerzenschacht 12 befindet sich zum Beispiel im Zylinderkopf 14 einer Brennkraftmaschine, der einen Brennraum 16 der Brennkraftmaschine begrenzt. In der 1 liegt ein solcher Brennraum 16 vor der linken Öffnung des Kerzenschachtes 12. Weitere Begrenzungen des Brennraums 16 ergeben sich zum Beispiel durch Zylinderwände 18 und einen den Brennraum beweglich abdichtenden Kolben.

Die Laserzündkerze 10 besitzt ein Brennraum-seitiges und damit proximales Ende 20 und ein dem proximalen Ende 20 gegenüberliegendes distales Ende 22. An ihrem proximalen Ende 20 weist die Laserzündkerze 10 bevorzugt ein Gewinde auf, mit dem sie in eine Gewindebohrung am Brennraum-seitigen Ende des Kerzenschachtes 12 eingeschraubt ist. Dabei ist die Laserzündkerze 10 bevorzugt bis zu einem Anschlag eingeschraubt, der in Verbindung mit einer Dichtung einen Dichtsitz für die Laserzündkerze 10 bildet, sodass der Brennraum 16 gegenüber dem Kerzenschacht 12 abgedichtet ist. Die Laserzündkerze 12 ist dazu eingerichtet, Laserzündenergie über ein proximales Ende 20 in den Brennraum 16 zu fokussieren.

An ihrem dem proximalen Ende 20 gegenüberliegenden distalen Ende 22 weist die Laserzündkerze 10 Kopplungsmittel 24 zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit einem Kühler auf. Die Kopplungsmittel 24 ragen am distalen Ende 20 der Laserzündkerze 10 aus der Laserzündkerze 10 heraus und sind zum Beispiel als Stifte, Bolzen, Hülsen oder Zapfen verwirklicht. Die Kopplungsmittel 24 bestehen bevorzugt aus einem Metall, insbesondere einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und weisen zumindest eine metallische Wärmekontaktfläche auf. Eine Wärmekontaktfläche 26 ist bevorzugt radial außen an den Kopplungsmitteln 24 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist eine metallische Wärmekontaktfläche 28 an der Stirnseite der Kopplungselemente 24 angeordnet. Weiter alternativ oder ergänzend kann die Wärmekontaktfläche auch radial innen an den Kopplungsmitteln 24 angeordnet sein.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kopplungsmittel 24 als Mitnahmeprofil ausgestaltet oder weisen zumindest ein Mitnahmeprofil auf. Eine Sechskanthülse ist ein Beispiel einer Ausgestaltung, bei der die Kopplungsmittel 24 als Mitnahmeprofil ausgestaltet sind. Ein anderes Beispiel ist eine Ausgestaltung der Kopplungsmittel 24 oder von Teilen 25 der Kopplungsmittel 24 als Klauenkupplung. Alternativ kann das Mitnahmeprofil als Klauenkupplung am distalen Ende des Bereichs mit dem größten Durchmesser d angeordnet sein Das Mitnahmeprofil erlaubt ein Festziehen einer Verschraubung der Laserzündkerze 10 mit der Gewindebohrung am proximalen Ende des Kerzenschachts 12 mit einem für das jeweilige Mitnahmeprofil passenden Werkzeug.

Zusätzlich zu den Kopplungsmitteln 24, die zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit einem Kühler dienen, weist die Laserzündkerze 10 in der in der 1 dargestellten Ausgestaltung ein Kopplungsmittel 30 zum lösbaren elektrischen Anschluss der Laserzündkerze 10 auf, das an ihrem distalen Ende 22 angeordnet ist. Dieses zum elektrischen Anschluss dienende Kopplungsmittel 30 ist bevorzugt an zentraler Stelle des distalen Endes 22 der Laserzündkerze 10 angeordnet und als Steckelement einer elektrischen Steckverbindung verwirklicht. Das Steckelement kann als Stecker oder als Steckeraufnahme verwirklicht sein.

Durch die zentrale Anordnung ist das zum elektrischen Anschluss dienende Kopplungsmittel 30 optimal gegen eine Beschädigung geschützt, die sonst zum Beispiel bei einer Handhabung des Werkzeugs bei der Montage und/oder Demontage der Laserzündkerze 10 auftreten könnte.

Die Laserzündkerze 10 weist bevorzugt einen größten Durchmesser d auf, der kleiner als 33 mm, insbesondere kleiner als 32 mm ist. Mit einem solchen Durchmesser passt die Laserzündkerze 10 in Kerzenschächte 12 herkömmlicher Großgasmotoren als Brennkraftmaschine (NKW und PKW Motoren haben wesentlich kleinere Kerzenschachtdurchmesser), so dass die Laserzündkerze 10 als Ersatz herkömmlicher Zündkerzen verwendet werden kann, ohne dass dafür konstruktive Änderungen am Zylinderkopf 14 des jeweiligen Verbrennungsmotors erforderlich sind.

Was die Länge der Laserzündkerze 10 betrifft, so zeichnet sich eine bevorzugte Ausgestaltung dadurch aus, dass das distale Ende 22 der Laserzündkerze 10 einen Abstand zu ihrem Dichtsitz 32 im Kerzenschacht 12 aufweist, der zwischen 80 mm und 230 mm liegt. Herkömmliche Kerzenschächte 12 von Großgasmotoren weisen eine Tiefe von in der Regel 300 mm bis 500 mm auf. Dadurch ergibt sich die in der 1 qualitativ dargestellte Situation, dass die eingebaute Laserzündkerze 10 vollständig in der Brennraum-nahen Hälfte oder zumindest vollständig in den Brennraum-näheren zwei Dritteln der Tiefe des Kerzenschachtes 12 angeordnet ist. Dadurch ergibt sich, wie bereits ausgeführt wurde, eine erhöhte Robustheit der Laserzündkerze 10 in Bezug auf Vibrationen.

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlers 34. Der Kühler 34 weist ein zur mechanischen und thermischen Kopplung mit der Laserzündkerze 12 eingerichtetes proximales Ende 36, also ein dem Brennraum 16 zugewandtes Ende, und ein zur Befestigung an einer Öffnung des Kerzenschachts 12 eingerichtetes distales Ende 38 auf. Das distale Ende 38 ist dazu eingerichtet, eine in Richtung einer Längsachse 40 des Kerzenschachtes 12 elastische Befestigung des Kühlers 32 an der Brennkraftmaschine zu erlauben.

Für die mechanische und thermische Kopplung weist der Kühler 34 an seinem proximalen Ende 36 Mittel zur Aufnahme von Wärme aus der Laserzündkerze 10 auf. Diese Mittel zur Aufnahme von Wärme werden bevorzugt parallel zur Nutzung als thermische Kopplungsmittel zur mechanischen Kopplung mit der Laserzündkerze 10 genutzt. Durch diese Mehrfachnutzung wird die Zahl der für die thermische Kopplung und die mechanische Kopplung insgesamt benötigten Strukturen verringert.

Die Mittel zur Aufnahme von Wärme aus der Laserzündkerze 10 weisen wenigstens eine Wärmekontaktfläche 42 auf, die durch ihre Anordnung und Form, also letztlich durch ihre Geometrie, dazu eingerichtet ist, an eine komplementäre Wärmekontaktfläche 26 der Laserzündkerze 10 in einem thermischen Kontakt anzuliegen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Wärmekontaktfläche 42 des Kühlers 34 eine metallische Innenfläche einer Hülse 43, die dazu eingerichtet ist, mit der komplementären Wärmekontaktfläche 26 der Laserzündkerze 10 eine Presspassung zu bilden. Durch eine solche Presspassung wird eine innige Berührung der Wärmekontaktflächen und damit insbesondere ein guter thermischer Kontakt zwischen der Wärmekontaktfläche 26 der Laserzündkerze 10 und der Wärmekontaktfläche 42 des Kühlers 34 erzeugt. In einer Ausgestaltung weist die Wärmekontaktfläche 42 des Kühlers 34 einen oder mehrere Schlitze 44 auf. Die zwischen den Schlitzen 44 liegenden Teile der Hülse 43 werden dadurch zu federnden Zungen, die elastisch auslenkbar sind.

Dadurch wird sowohl eine Kopplung und Entkopplung als auch eine durch elastische Rückstellkräfte erzeugte Flächenpressung im gekoppelten Zustand erzeugt.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der Kühler 34 alternativ oder ergänzend zu einer als metallische Innenfläche einer Hülse 43 verwirklichten Wärmekontaktfläche 42 eine Oberfläche eines Zapfens als Wärmekontaktfläche auf. Dabei ist der Zapfen so dimensioniert, dass er mit einer korrespondierenden Ausnehmung oder Hülse im distalen Ende 22 der Laserzündkerze 10 eine Spielpassung oder eine Presspassung bildet. Insbesondere bei der Spielpassung ist es vorteilhaft, einen thermischen Kontakt zwischen der als Wärmekontaktfläche dienenden inneren Oberfläche der Ausnehmung oder Hülse am distalen Ende 22 der Laserzündkerze 10 und der Oberfläche des Zapfens am proximalen Ende 36 des Kühlers 34 durch auf wenigstens eine der Oberflächen aufgebrachte Wärmeleitpaste zu vergrößern.

Alternativ oder ergänzend zu den bereits genannten Wärmekontaktflächen sieht eine weitere Ausgestaltung stirnseitige Wärmekontaktflächen 46 des Kühlers 34 vor, die beim Koppeln mit der Laserzündkerze 10 mit stirnseitigen Wärmekontaktflächen 28 der Laserzündkerze 10 in einen thermischen Kontakt kommen.

Die in der 2 dargestellte Ausgestaltung eines Kühlers 34 ist insbesondere dazu eingerichtet mit der in der 1 dargestellten Ausgestaltung einer Laserzündkerze 10 gekoppelt zu werden. Zu diesem Zweck weist der Kühler 34 ein zentral angeordnetes Steckelement 48 auf, dass komplementär zu dem Steckelement 30 der Laserzündkerze 10 entweder als Stecker oder als Steckeraufnahme verwirklicht ist, um eine elektrischen Verbindung zu der Laserzündkerze 10 herzustellen. Über diese elektrische Verbindung wird eine in die Laserzündkerze 10 integrierte Pumplichtquelle gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt. Außerdem werden über diese Verbindung Rückmeldesignale zum Betrieb des Lasers, z.B. ein Fotodiodensignal übertragen. Darüber hinaus kann über diese elektrische Verbindung ein gegebenenfalls in der Laserzündkerze 10 zur Kühlung der Pumplichtquelle verwendetes Peltier-Element betrieben werden. Ein Peltierelement ist jedoch bei dieser Ausführung nicht mehr zwingend erforderlich).

Um die im zusammengekoppelten Zustand von der Laserzündkerze 10 auf den Kühler 34 übertragene Wärme abzuführen, weist die in der 2 dargestellte Ausgestaltung eines Kühlers 34 einen flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher 50 auf. Der Wärmetauscher 50 befindet sich in einem thermischen Kontakt mit den Wärmekontaktflächen 42, 46 des Kühlers 34. In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die Wärmekontaktflächen 42, 46 des Wärmetauschers einen Teil seiner Oberfläche, sodass die über die Wärmekontaktflächen 42, 46 aufgenommene Wärme durch eine sehr effektive Festkörperwärmeleitung abtransportiert und im Wärmetauscher 50 an die Kühlflüssigkeit übertragen wird. Die Kühlflüssigkeit, bei der es sich bevorzugt um eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzmittel handelt, strömt durch eine Zuleitung 52 von außen durch den Kerzenschacht zum Wärmetauscher 50 des Kühlers 12 und durch eine Rückleitung 54 wieder aus dem Kühler 34 heraus. Dabei werden die Leitungen 52, 54 durch einen Flansch 56 hindurch geführt, mit dem der Kühler 34 an seinem distalen Ende 38 an der Brennkraftmaschine, insbesondere an dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, befestigt ist. Die Zuleitung 52 und die Rückleitung 54 werden zwischen dem Wärmetauscher 50 und der Durchführung durch den Flansch 56 bevorzugt als starre Leitungen ausgeführt.

Außerhalb des Kühlers 34 werden die Zuleitung 52 und die Rückleitung 54 mit flexiblen Leitungen 52a, 54a oder Leitungsabschnitten weitergeführt. Diese Flexibilität ist bevorzugt so ausgeprägt, dass sie ein Einstecken des Kühlers 34 in den Kerzenschacht 12 und ein Herausnehmen des Kühlers 34 aus dem Kerzenschacht 12 erlauben, ohne dass dabei der Kühlkreislauf geöffnet werden muss.

Das proximale Ende 36 des Kühlers 34 ist mit dem an seinem distalen Ende 38 angeordneten Flansch 56 bevorzugt durch ein starres Rohr 58 verbunden. Die Verbindung durch ein starres Rohr 58 hat den Vorteil, dass das Rohr 58 Montage- und Demontage-Kräfte und -Momente übertragen kann. In einer alternativen Ausgestaltung besteht das Rohr aus einem duktilen Material, wie Teflon. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil einer im Vergleich zu einem starren Rohr 58 besseren Schwingungsdämpfung.

Die 3 zeigt die Laserzündkerze 10 und den Kühler 34 in einem zusammengefügten und in einem in den Kerzenschacht 12 eingebauten und befestigten Zustand. Um diesen Zustand zu erreichen, wird zunächst die Laserzündkerze 10 allein, also ohne den Kühler 34, in den Kerzenschacht 12 eingesetzt und festgeschraubt. Die bisher beschriebenen Kopplungsmittel, seien es die Mittel 24, 43 zur thermischen und mechanischen Kopplung oder die Mittel 30, 48 zur elektrischen Kopplung, zeichnen sich sämtlich dadurch aus, dass die Kopplung durch ein in Richtung der Längsachse der Laserzündkerze 10 und damit auch in Richtung der Längsachse 40 des Kerzenschachtes 12 erfolgende Translationsbewegung erfolgt und das eine Entkopplung durch eine entgegengesetzt gerichtete Translationsbewegung erfolgt. Diese Translationsbewegung erlaubt, anders als beispielsweise eine quer zur Längsachse der Laserzündkerze erfolgende Schwenkbewegung, ein Koppeln und Entkoppeln des Kühlers 34 bei einer in den Kerzenschacht 12 eingebauten Laserzündkerze 10.

Um dabei auch eine korrekte Polung sämtlicher elektrischer Anschlüsse der Laserzündkerze 10 zu gewährleisten, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass das Kopplungsmittel 30, 48 der elektrischen Verbindung, also die Stecker-/ Steckdosenkombination, ein Formschlusselement aufweist, dass nur ein richtig gepoltes Schließen der Steckverbindung erlaubt. Ein solches Formschlusselement wird in einer Ausgestaltung durch eine radial nach außen von der Laserzündkerze 10 abstehenden Stift 60 verwirklicht, der in einen bei richtiger Lage des Kühlers 34 relativ zur Laserzündkerze 20 korrespondierenden Schlitz des Kühlers 34 eingreift.

Um die elektrische Steckverbindung gegen Korrosion durch in den Kerzenschacht 12 eindringende korrosive Medien zu schützen, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eine Dichtung 62 vor, die zwischen dem der elektrischen Verbindung dienenden Steckelement 30 der Laserzündkerze 10 und dem der elektrischen Verbindung dienenden Steckelement des Kühlers liegt und das Innere der geschlossenen Steckverbindung gegen äußere Einflüsse abdichtet.

Eines der beiden an der elektrischen Steckverbindung beteiligten Steckelemente 30, 48 ist in Richtung der Längsachse des jeweiligen Bauteils, sei es die Laserzündkerze 10 oder der Kühler 34, starr mit dem jeweiligen Bauteil 10, 34 verbunden und in radialer Richtung flexibel sowie in einem um die Längsachse zentrierten Schwenkkegel elastisch ein wenig schwenkbar, so dass sich seine Lage beim Zusammenkoppeln der Laserzündkerze 10 und des Kühlers 34 an die Lage des jeweils anderen Steckelements 48, 30 anpassen kann. Das andere Steckelement ist bevorzugt starr befestigt.

Der am distalen Ende 38 des Kühlers 34 angeordnete Flansch 56 wird in der hier dargestellten Ausgestaltung von einem weiter außen liegenden Flansch 64 axial und radial gehalten. Dabei übergreift der äußere Flansch 64 den äußeren Rand des inneren Flansches 56 so, dass der innere Flansch 56 gegen den äußeren Flansch 64 verdrehbar ist. Dadurch kann sich die Winkellage des inneren Flansches in Bezug auf eine Drehung um die Längsachse 40 des Kerzenschachtes 12 frei einstellen, während die Winkellage des äußeren Flansches in Bezug auf eine solche Drehung dadurch festgelegt ist, dass er nur in bestimmten Positionen mit der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Diese bestimmten Positionen sind zum Beispiel dadurch festgelegt, dass eine Ausnehmung im äußeren Flansch, durch die eine Befestigungsschraube 66 hindurchführt, über einer zur Aufnahme dieser Befestigungsschraube 66 eingerichteten Gewindebohrung in der Brennkraftmaschine liegen muss.

Um unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Kerzenschachts 12 und der Anordnung aus Laserzündkerze 10 und daran angekoppeltem Kühler 34 auszugleichen, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Befestigung der genannten Anordnung an ihrem distalen Ende in Richtung der Längsachse 40 des Kerzenschachts 12 flexibel ist. Dabei ist jedoch zu beachten, dass eine gewisse Anpresskraft erforderlich ist, mit der der Kühler 34 gegen die Laserzündkerze 10 gepresst wird, um einen ausreichend guten Wärmekontakt zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für einen über die jeweils stirnseitige Wärmekontaktfläche 28 der Laserzündkerze 10 und Wärmekontaktfläche 46 vermittelten Wärmekontakt.

In der Ausgestaltung, die in der 3 dargestellt ist, wird eine solche Anpresskraft durch elastische Elemente 68 wie Federn erzeugt, die zwischen Köpfen von Befestigungsschrauben 66 und dem äußeren Flansch 64 liegen.

Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass solche elastischen Elemente zwischen dem äußeren Flansch 64 und dem inneren Flansch 56 liegen und so eine elastische Rückstellkräfte hervorrufende Relativbewegung zwischen den beiden genannten Flanschen 56 und 64 in axialer Richtung erlauben.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich durch einen Kühler 34 mit integriertem Stecker und flexiblen Schläuchen für die Kühlmittelzuleitung und Kühlmittelrückleitung aus. Durch die flexiblen Schläuche kann der am distalen Ende 38 des Kühlers 34 angeordnete Flansch 56 in gewissen Grenzen gegenüber dem proximalen Ende 36 des Kühlers 34 verdreht werden. Dadurch kann der Kühler 34 zunächst durch eine Translationsbewegung mit der im Kerzenschacht 12 fest eingebauten Laserzündkerze 10 gekoppelt werden. Anschließend kann die Befestigung des Kühlers 34 an der Brennkraftmaschine durch einen Bajonettverschluss erfolgen, bei dem der dann entsprechend als Bajonettverschlussteil verwirklichte Flansch 56 ein Stück weit gegenüber dem proximalen Ende 38 des Kühlers 34 verdreht wird. Die Montage und Demontage des Kühlers 34 erfolgt in diesem Fall mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs, welches das proximale Ende 36 des steckbaren Kühlers 34 in dem Kerzenschacht 12 mit dem distalen Ende 22 der Laserzündkerze 10 koppelt und die dafür erforderlichen Montage- und Demontagekräfte und -momente überträgt.

Falls wegen zu starker Vibrationen der Brennkraftmaschine die Verwendung eines Stecksystems für die erforderliche elektrische Kontaktierung nicht möglich ist, ist ein Rahmen einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass ein elektrisches Verbindungskabel fest an der Laserzündkerze 10 angebracht ist. In diesem Fall ist es erforderlich, dass der Kühler 34 auf seiner ganzen Länge einen Schlitz aufweist, in den das Kabel der Laserzündkerze 10 nach dem Einschrauben der Laserzündkerze 10 in die Brennkraftmaschine und vor beziehungsweise beim Einstecken des Kühlers 34 in den Kerzenschacht 12 eingelegt wird. Auch der Kerzenschlüssel zum Einschrauben der Laserzündkerze 10 in den Kerzenschacht 12 braucht bei dieser Ausführung einen Schlitz.

Die 3 zeigt damit insbesondere eine Laserzündeinrichtung, die aus einer Zusammenkopplung einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze und eines Kühlers besteht und deren Funktionsweise im zusammengekoppelten und eingebauten Zustand mit der Funktionsweise der bekannten Laserzündeinrichtung vergleichbar ist, nämlich Laserzündenergie bereitzustellen und im Betrieb störende Wärme abzuführen.

4 zeigt eine Ausgestaltung bei der der Kühler 34 einen von einer Flüssigkeit durchströmten Zapfen 70 als Mittel zur Aufnahme von Wärme aus der Laserzündkerze 10 aufweist. 4 zeigt insbesondere das distale Ende 22 der Laserzündkerze 10 und das proximale Ende 36 des Kühlers 34 in einem thermisch und elektrisch gekoppelten Zustand.

Der Zapfen 70 am proximalen Ende 36 des Kühlers 34 greift in eine Ausnehmung 72 im distalen Ende der Laserzündkerze 10 ein. In dieser Ausgestaltung bilden Innenflächen der Ausnehmung 72, also die Seitenflächen und/oder die Bodenfläche der Ausnehmung 72, Wärmekontaktflächen der Laserzündkerze 10. Die dazu komplementären Außenflächen des Zapfens, also dessen Seitenflächen und/oder dessen Stirnfläche, bilden, soweit sie in die Ausnehmung 72 hineinragen, Wärmekontaktflächen des Kühlers 34.

Die Ausnehmung 72 befindet sich bevorzugt in einer Komponente der Laserzündkerze 10, die als Wärmespeicher und Wärmeübertrager dient. Als Material für diese Komponente kommt insbesondere ein Metall, bevorzugt ein gut wärmeleitendes Metall wie Aluminium in Frage. Der Zapfen 70 ist in der dargestellten Ausgestaltung hohl und weist eine Zuleitung 74 und eine Rückleitung 76 für Kühlflüssigkeit auf.

Falls wegen zu starker Vibrationen des Motors die Verwendung eines Stecksystems für die elektrische Kontaktierung nicht möglich ist, kann das elektrische Verbindungskabel, abweichend von der in der 4 dargestellten Ausgestaltung, auch hier fest an der Laserzündkerze 10 angebracht sein. In diesem Fall braucht der zum Einschrauben der Laserzündkerze 10 in den Kerzenschacht 12 dienende Kerzenschlüssel auch bei dieser Ausführung einen Schlitz.

Der Zapfen 70 bildet mit der Ausnehmung 72 bevorzugt eine Spielpassung. In einer anderen Ausgestaltung ist die Paarung aus Ausnehmung 72 und Zapfen 70 so konstruiert, dass sich im zusammengekoppelten Zustand eine Presspassung ergibt. Insbesondere im Fall der Spielpassung wird bevorzugt eine Wärmeleitpaste im Kontaktbereich der Außenfläche des Zapfens 70 und/oder der Innenfläche der Ausnehmung 72 zur Verbesserung der Wärmeübertragung von der Laserzündkerze 10 auf den Kühler 34 verwendet.

Das distale Ende 22 der Laserzündkerze 10 weist ein Mitnahmeprofil 80 auf, das zum Beispiel als Klauenkupplung realisiert ist und zur Kopplung mit einem Werkzeug, insbesondere einem Kerzenschlüssel, eingerichtet ist. Ein mit der Laserzündkerze 10 fest verbundenes Steckelement 82 in Form eines Steckers bildet mit einem als Gegenstecker oder Steckeraufnahme verwirklichten Steckelement 84 des Kühlers 34 eine elektrische Steckverbindung, über die eine Lasereinrichtung der Laserzündkerze 10 mit elektrischer Energie versorgt und gesteuert wird. Außerdem werden über diese Verbindung Rückmeldesignale zum Betrieb des Lasers, z.B. ein Fotodiodensignal übertragen. Für den Fall, dass die Lasereinrichtung ein Peltier-Element zur Kühlung der Punktlichtquelle aufweist, können die zum Betrieb des Peltier-Elements erforderlichen elektrischen Verbindungen ebenfalls durch die Steckverbindung geschlossen werden. Die elektrische Steckverbindung ist in dieser Ausgestaltung dezentral, also außerhalb der Längsachse 40 des Kerzenschachtes 12, angeordnet. Das Kühler-seitige Steckelement 84 ist am Kühler 34 befestigt, so dass die Steckkräfte durch den Kühler 34 übertragen werden.

In einer zur Realisierung des Zapfens 70 als flüssigkeitsgekühlter Hohlzapfen alternativen Ausgestaltung kann der Zapfen 70 auch als massiver Wärmeleitstab aus Vollmaterial, insbesondere aus einem gut Wärme leitenden Metall verwirklicht sein. Bei einer solchen Ausgestaltung wird das andere Ende des Wärmeleitstabes bevorzugt durch einen nahe an der Kerzenschachtöffnung oder durch einen außerhalb des Kerzenschachtes liegenden Wärmetauscher gekühlt, der bevorzugt von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine große Wärmeübergangsfläche realisiert werden kann, da außerhalb des engen Kerzenschachtes mehr Bauraumvolumen zur Verfügung steht.

Im Rahmen einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist der Zapfen 70 als Ende eines Wärmerohrs verwirklicht. Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von unter Wärmeaufnahme und -abgabe verlaufenden Phasenübergängen eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Dadurch wird eine höhere Kühlleistung erreicht, als dies bei einem Einsatz massiver Wärmeleitstäbe möglich wäre. Auch diese Ausgestaltung lässt sich so an der Brennkraftmaschine befestigen, wie im Zusammenhang mit der 3 beschrieben worden ist.

5 zeigt einen entlang ihrer Längsachse geführten Querschnitt einer Laserzündkerze 10. Die Laserzündkerze weist ein proximales Ende 20 und ein distales Ende 22 auf. Am proximalen Ende 20 befindet sich ein Außengewinde, mit dem die Laserzündkerze 10 in ein Kerzengewinde des Kerzenschachts 12 eingeschraubt wird. Eine Dichtung 86 dient zur Abdichtung des Brennraums gegen den Kerzenschacht. Ein für Laserlicht transparentes Brennraumfenster 88 ist am proximalen Ende 20 in einem Fußteil 90 der Laserzündkerze 10 angeordnet und erlaubt eine Auskopplung von Laserenergie, insbesondere in Form von Laserzündimpulsen, aus der Laserzündkerze 10. Zur Erzeugung der Laserenergie weist die Laserzündkerze 10 eine Lasereinrichtung mit einer Pumplichtquelle 92, einer Fokussieroptik 94, einem Zündlaser 96 und einer passiven Güteschaltung 98 auf.

Bei der Pumplichtquelle 92 handelt es sich bevorzugt um eine Vielzahl von Halbleiterdiodenlasern. Besonders bevorzugt sind die Pumplaser als oberflächenemittierende Halbleiterlaser (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser) ausgebildet. Alternativ oder ergänzend können auch kantenemittierende Halbleiterlaser oder eine Kombination aus Oberflächenemittern und Kantenemittern eingesetzt werden. Oberflächenemittierende Halbleiterlaser haben gegenüber anderen Pumplasern den Vorteil einer geringeren Temperaturempfindlichkeit. Sie sind daher besonders gut in Verbindung mit der Erfindung nutzbar, weil die Erfindung einer Anordnung der Laserzündkerze 10 in der Tiefe des Kerzenschachts 12 impliziert, wo wenig Raum für eine effektive Kühlung zur Verfügung steht.

Die beim Betrieb der Pumplichtquelle 92 frei werdende Wärme wird in eine als Wärmespeicher und/oder Wärmeübertrager dienende Endplatte 100 übertragen. Die Endplatte 100 befindet sich dazu in einem thermischen Kontakt mit der Pumplichtquelle 92. In einer Ausgestaltung ist zusätzlich ein Peltier-Element zur aktiven Kühlung der Pumplichtquelle 92 vorgesehen. Ein solches Peltier-Element kann zwischen der Pumplichtquelle 92 und der Endplatte 100 angeordnet sein, so dass es mit beiden Elementen 92, 100 thermisch gekoppelt ist. Es kann aber auch nur mit der Endplatte 100 thermisch gekoppelt sein. Die von der Pumplichtquelle 92 erzeugte Pumpstrahlung wird von der Fokussieroptik 94 auf den Zündlaser 96 gebündelt, bei dem es sich bevorzugt um einen laseraktiven Festkörper handelt. Dem laseraktiven Festkörper ist eine Güteschaltung 98 zugeordnet, insbesondere eine passive Güteschaltung 98, so dass der Zündlaser 96 unter Einwirkung der Pumpstrahlung in an sich bekannter Weise hoch energetische Laserzündimpulse erzeugt. Zur Ausbildung eines Laserresonators erforderliche Spiegel an den außenseitigen Stirnflächen der Anordnung aus dem laseraktiven Festkörper 96 und der Güteschaltung 98 erforderliche Spiegel sowie die Optik zur Fokussierung des Laserstrahls aus dem Zündlaser im Brennraum sind in der 5 nicht abgebildet.

Die am distalen Ende der Laserzündkerze 22 angeordnete Endplatte 100 weist auf ihrer der Pumplichtquelle 92 abgewandten Seite Kopplungsmittel 24 zur lösbaren mechanischen und thermischen Verbindung mit dem Kühler auf. Die Lasereinrichtung ist bevorzugt in einem Kopfteil 102 der Laserzündkerze 10 angeordnet, während das Brennraumfenster 88 in ein separates Fußteil 90 integriert ist. Kopfteil 102 und Fußteil 90 sind in der dargestellten Ausgestaltung durch ein rohrförmiges Zwischenstück 104 miteinander verbunden. Die Verbindung des rohrförmigen Zwischenstücks 104 mit dem Kopfteil 102 und mit dem Fußteil 90 erfolgt bevorzugt durch stoffschlüssige Verbindungen wie Schweißnähte, es sind aber auch andere Verbindungsarten denkbar, z.B. eine Verschraubung und /oder eine Verstemmung, kombiniert mir elastomeren Dichtelementen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung zeichnet sich das Zwischenstück 102 dadurch aus, dass es das Fußteil 90 thermisch möglichst weitgehend von dem Kopfteil 102 entkoppelt. Dadurch wird ein unerwünschter Wärmefluss vom proximalen heißen Ende 20 zu der temperaturempfindlichen Pumplichtquelle 92 verringert beziehungsweise auf einem geringen Niveau gehalten. Es ist daher bevorzugt, dass das Zwischenstück 104 als schlechter Wärmeleiter realisiert ist. Dies kann zum Beispiel dadurch verwirklicht werden, dass das Zwischenstück 104 ein Edelstahlrohr ist, insbesondere eine Edelstahlrohr mit einer geringen Wandstärke, oder dass es aus einer schlecht wärmeleitenden Keramik besteht.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einer Laserkerze 10 und einem Kühler 34, der von der Laserzündkerze 10 trennbar ist. Dabei verläuft die Trennlinie zwischen der Laserzündkerze und dem Kühler 34 entlang der gestrichelten Linie 106. Bei einer Montage der Anordnung wird zunächst die Laserkerze 10 in die Öffnung des Brennraums zum Kerzenschacht eingeschraubt. Danach wird der Kühler 34 aufgesteckt. Der Kühler 34 weist insbesondere einen Wärmetauscher 108 auf, der ggf. aus mehreren Teilen gefertigt ist. Kühlmittel strömt durch einen flexiblen Schlauch 110 über einen Anschluss 112 in den Wärmetauscher 108. Dort nimmt das Kühlmittel Wärme auf, die per Festkörperwärmeleitung aus der Laserkerze 10 im Kontaktbereich 116, der durch eine Paarung von Wärmekontaktflächen der Laserzündkerze 10 und des Wärmetauschers 108 an den Wärmetauscher 108 abgegeben wird. Der Kontaktbereich 116 kann zylindrisch oder konisch sein. Besonders vorteilhaft ist die konische Form, da hier ein besonders guter Kontakt erreicht wird. Der Wärmetauscher 108 wird mit einer Überwurfmutter 118 mit einem Gewinde 120 axial an das hier konische Mittel 24 der Laserzündkerze 10 zur thermischen Kopplung angepresst und auf der Laserkerze 10 gehalten. Als Antrieb dienen Aussparungen 118a, in die ein Klauenschlüssel eingesteckt werden kann, um die Überwurfmutter 118 anzuziehen. Bevorzugt haben die Aussparungen 118a die gleichen Abmessungen wie zum Antrieb der Laserzündkerze 10 dienende Aussparungen 122 an der Laserzündkerze 10, so dass der gleiche Schlüssel verwendet werden kann.

Alternativ zur Verschraubung kann der Kühler durch einen Bajonettverschluß an der Laserkerze gehalten werden. Hier dient der Kerzenschlüssel zur Drehung des Bajonettverschlusses um den zur Verriegelung erforderlichen Winkel. Eine weitere Alternative zur Halterung ist eine Verrastung durch gefederte Rastnasen, die in einen Hinterschnitt greifen. In diesem Fall kann ein Spezialwerkzeug, das vorteilhaft z.B. in den Kerzenschlüssel integriert ist, zur Entriegelung der Rastung dienen.

Im Zentrum des Wärmetauschers 108 befindet sich ein elektrisches Steckelement 124, das auf ein Steckelement 126 der Laserkerze 10 passt. Die Steckelemente 124, 126 besitzen Kodierungen, damit sie nicht verpolt gesteckt werden können. Alternativ kann die Kodierung auch zwischen den robusteren metallischen Elementen 24 und 108, z.B. durch Stift und Schlitz erfolgen. Die elektrischen Leitungen 11 und die Kühlmittelschläuche 110 werden in einem Kabelbündel aus dem Kerzenschacht herausgeführt. Dieses ist am Übergang zum Wärmetauscher durch eine Zugentlastung 130 geschützt.

Die 6 zeigt damit, ähnlich wie die 3, insbesondere eine Laserzündeinrichtung, die aus einer Zusammenkopplung einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 10 und eines Kühlers 34 besteht und deren Funktionsweise im zusammengekoppelten und eingebauten Zustand mit der Funktionsweise der bekannten Laserzündeinrichtung vergleichbar ist, nämlich Laserzündenergie bereitzustellen und im Betrieb störende Wärme abzuführen.

6 zeigt damit ferner einen Kühler für eine Laserzündkerze, der ein zur lösbaren mechanischen und thermischen Koppelung mit der Laserzündkerze eingerichtetes proximales Ende aufweist, das ein innerhalb des Kerzenschachtes erfolgendes Koppeln des Kühlers mit der Laserzündkerze und Entkoppeln des Kühlers von der Laserzündkerze erlaubt. Dabei ist das proximale Ende des Kühlers dazu eingerichtet ist, mit dem distalen Ende der Laserzündkerze verschraubt zu werden.

Ein großer Vorteil der in der 6 dargestellten Ausgestaltung gegenüber den in den übrigen Figuren dargestellten Ausgestaltungen von Kühlern 34 besteht darin, dass die Länge des Kühlers nicht auf die Kerzenschachttiefe abgestimmt werden muss. Diese Ausgestaltung ist daher universell verwendbar.

Sämtliche Ausgestaltungen, also sowohl die Ausgestaltung nach 6 als auch die Ausgestaltungen mit Kühlern, die nicht oder nicht nur an der Laserzündkerze, sondern auch an oder nur an der Öffnung des Kerzenschachtes befestigt werden, haben darüber hinaus den Vorteil einer universellen Verwendbarkeit der Laserzündkerze 10 für Brennkraftmaschinen mit unterschiedlichen Kerzenschachttiefen. Unterschiedliche Kerzenschachttiefen unterschiedlicher Brennkraftmaschinen können dabei durch unterschiedliche Längen von Kühlern 34 kompensiert werden, wobei als Folge des modularen Aufbaus einer Laserzündeinrichtung aus einem Laserzündkerzenmodul und einem Kühlermodul jeweils gleiche Laserzündkerzenmodule verwendbar sind. Damit wird der Gleichteileanteil erhöht und die Fertigung und Ersatzteilhaltung vereinfacht.

Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, bilden die erfindungsgemäße Laserzündkerze und der erfindungsgemäße Kühler im zusammengekoppelten Zustand eine Laserzündeinrichtung, deren Funktionsweise im eingebauten Zustand mit der Funktionsweise der bekannten Laserzündeinrichtung vergleichbar ist, nämlich Laserzündenergie bereitzustellen und im Betrieb störende Wärme abzuführen. Vorteile gegenüber der bekannten als ein Bauteil verwirklichten Laserzündeinrichtung ergeben sich aus dem modularen Aufbau der in dieser Anmeldung vorgestellten Laserzündeinrichtung. Eine aus einer in dieser Anmeldung vorgestellten Laserzündkerze und einem in dieser Anmeldung vorgestellten Kühler als voneinander trennbaren Modulen zusammengefügte Laserzündeinrichtung wird ebenfalls als neu und erfinderisch betrachtet. Dies gilt auch für jede Kombination von in dieser Anmeldung vorgestellten Ausgestaltungen von Laserzündkerzen und Kühlern.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 1519038 A1 [0004, 0005, 0006, 0019]