CN101184917A - 用于内燃机的点火装置 - Google Patents

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Abstract

用于内燃机的点火装置包括至少一个提供抽运光的抽运光源。此外设有激光装置(26)，其产生用于向燃烧室中发射的激光脉冲(24)。光导装置(28)将抽运光(60)从抽运光源传递到激光装置(26)。建议将激光活性固体(44)、被动Q－开关(46)、激光装置(26)的输入耦合镜(42)和输出耦合镜(48)在总体上构造成整体式部件(50)。

Description

用于内燃机的点火装置
背景技术
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于内燃机的点火装置。
已经由WO02/081904公开一种此类型的点火装置，其中在内燃机的气缸上布置激光点火装置。实际的激光装置通过由玻璃纤维构成的光导装置与抽运光源连接，其以光学方式抽运激光装置。
本发明的任务是改进开头所述类型的点火装置，使得它能够尽可能地低成本地大量应用。
该任务通过具有权利要求1的特征的点火装置解决。有利的扩展方案在从属权利要求中给出。
本发明的优点
按照本发明设置的整体式部件能够很好地经受住在汽车中在内燃机内出现的外部条件例如加速度，低温和高温以及高温梯度，而不需要采取复杂的和昂贵的例如用于固定输入耦合镜和输出耦合镜的结构措施。由此就已经大大地降低了制造成本。
此外提高了这种点火装置的运行可靠性，因为各个元件尽管承受外部负载也可以不改变它们对于点火装置的运行而言重要的相互位置。此外减少了安装费用和安装时间，因为只需要操作较少的单独部件。
此外，这种整体式部件可以自动化地制造，这同样降低了制造成本。尤其是当简单地通过相应地涂覆激光活性固体的端面制造各种反射镜时和当整体式部件由晶片制造时使制造成本得到降低。
当激光装置的谐振器不仅通过激光活性固体，而且还附加地通过玻璃体形成时可以实现附加的成本节约。在这种情况下，可以使得相对昂贵的激光活性固体明显变小。此时玻璃体相对于激光装置的激光活性固体和相对于Q-开关(Q-Switch)可以具有非常不同的布置，其取决于各个单独的安装要求。在围绕激光活性固体的径向上可以布置一个例如为玻璃体形式的反射装置，以便以这种方式将从光导装置射出的从输入耦合镜旁通过的抽运光横向地输入耦合到激光活性固体中。由此可以实现结构非常短的、没有特别的输入耦合光学装置也能实施的并且以高的效率工作的点火装置。
还可以通过使用光学放大器提高效率，该放大器可以有自身的抽运光源或由激光装置的抽运光源供给(speisen)。第一变型可以实现较高的功率，而后述的变型的结构特别简单。当光学放大器和激光装置是整体式的时候尤其是这样。此时整体式单元也可以由激光装置，玻璃体，反射装置和光学放大器形成，其中反射装置可以提供至少一个反射面，通过该反射面抽运光不仅被反射到激光装置的激光活性固体，而且反射到放大器。以这种方式可以实现非常紧凑、稳定和能够大规模机械制造的单元。但是还可以将由单个抽运光源提供的抽运光通过双焦透镜一方面分配到激光装置上和另一方面分配到光学放大器上。
此外还可以通过整体式地设计将激光束输入耦合到燃烧室中并且在那里聚焦到一定的部位上的那个光学装置实现成本降低。
附图
以下参照附图详细解释本发明的特别优选的实施例。在附图中所示：
图1是具有点火装置的内燃机的一个示意图；
图2是图1的点火装置的一个示意图；
图3是图2的一个部位的放大视图；
图4至21是图2的点火装置的各种不同的实施例；和
图22是图21的实施例的一个聚光透镜的前视图。
实施例的描述
内燃机在图1中在整体上采用附图标记10。它用于驱动没有示出的汽车。内燃机10包括数个气缸，其中在图1中只示出了具有附图标记12的一个气缸。气缸12的燃烧室14由活塞16限定。燃料直接通过连接在燃料蓄压器(“轨”)20上的喷射器18到达燃烧室14中。
喷入燃烧室14中的燃料22借助于激光脉冲24点燃，该激光脉冲由包括激光装置26的点火装置27发射到燃烧室14中。为此激光装置26通过光导装置28供给抽运光，该抽运光由抽运光源30提供。抽运光源30由控制和调节装置32控制，它同时也控制喷射器18。
如从图2中可以看到的，抽运光源30对用于不同的激光装置26的数个光导装置28进行供给。为此它具有数个与脉冲电流源36连接的单独的光源34。
激光装置26包括外壳38，在该外壳中，沿着抽运光的方向看，布置的首先是透镜40，然后是输入耦合镜42，之后是激光活性固体44，被动Q-开关46和输出耦合镜48(也参见图4-7)。元件42-48总体上构造成整体式部件50。在图2中的输出耦合镜48的左边有一个聚焦光学装置52，其如图3中所示构造成整体式部件，其具有用于射线扩展(散射透镜)的内凹的入射面54以及用于聚焦(聚光透镜)的外凸的出射面56。聚焦光学装置52优选是非球面的。此外设有燃烧室窗58，但是其有利地与聚焦光学装置52一体地构成。
现在对照图4-7说明激光装置26的各种基本的构造。为了简单起见，对具有与前面描述的实施形式的元件和部位相当的功能的那些元件和部位采用相同的附图标记。此时在图4中示出的实施例对应于大约在图2中以缩小的比例示出的布置。在图5中示出的布置是完全类似的，但是抽运光60是从光导装置28稍微扩散地射出和由此射到输入耦合镜42上。在图6所示的布置中抽运光通过聚光透镜60，在图7所示的实施形式中通过梯度指标透镜40(Gradientenindexlinse)集中到激光活性固体44上的输入耦合镜42上。由此可以调节出抽运光60的最佳射束密度并且抽运光60损失较少。此外可以留出激光活性固体44的在光学上关键的边缘部位。
激光装置26的基本的作用方式如下：抽运光60离开光导装置28和通过对于抽运光60的波长是透明的输入耦合镜42渗入到棒形的激光活性固体44中。抽运光60在那里被吸收，其导致布居数反转(Besetzungsinversion)。通过被动Q-开关46的大的损失避免了激光器振荡。随着抽运持续时间的增加，谐振器62内部的射束密度上升。自一定的射束密度起被动Q-开关46衰减，增益超过了谐振器62中的总损失，激光器开始振荡。
以这种方式形成一种“巨大脉冲”24，即具有非常高的峰值功率的脉冲。它通常在几个纳秒的时间期间具有几个兆瓦。其前提条件是，输入耦合镜42对于激光24的波长是高反射的，但是输出耦合镜48对于激光24的波长是部分反射的，以及被动的Q开关46具有一定的原始透射性(Anfangstransmission)。在图4-7中示出的激光装置26构造非常简单，因此成本特别低。激光活性固体44和Q开关46之间的连接优选通过粘接或热粘结实现。而输入耦合镜42和输出耦合镜48通过涂覆激光活性固体44或Q-开关46的轴向端面进行制造。
在图8和9上示出了另一个基本原理：其中激光装置26的谐振器62通过激光活性固体44和玻璃体64的组合形成。这可以使得激光活性固体44保持较小的长度，其减小了制造成本。另一个主要的优点在于，通过较长的谐振器可以提高激光装置的射线质量。此外可以通过特种玻璃的折射率和玻璃体的长度控制巨大脉冲的脉冲宽度。但是前提是，尽管激光活性固体44的较小的长度抽运光仍然在该固体中被完全吸收。在图8所示的激光装置26中，Q-开关46布置在激光活性固体44和玻璃体64之间，和输出耦合镜48安装在玻璃体64的自由的轴向端面上。相反，在图9所示的激光装置26中，玻璃体64布置在Q-开关和激光活性固体44之间，和输出耦合镜48，如在图4-7中的实施例那样，安装在Q-开关46的轴向端面上。此时附加地在激光活性固体44和玻璃体64之间设有对抽运光60高反射的，但是对激光24透明的层66，从而在激光活性固体44的轴向长度还没有被吸收的抽运光60被反射返回到该固体中。在图10所示的实施例中取消了一个透镜。取而代之的是，从激光活性固体44旁射过的抽运光被射到反射装置上，其构造成将固体以套管的形式包围的玻璃体69。在其沿径向位于外部的反射面67上，该反射面必要时设有反射层，抽运光60，如例如通过射线60a表示的那样，通过反射又朝着激光活性固体44方向被反射和横向地输入耦合在该固体中。首先当玻璃体69沿径向向外与其它介质没有光学接触时可以取消反射层。在其它情况下，反射层67也可以简单地通过粘接材料实现，通过该粘接材料将玻璃体69粘接到另一个固体中。此时应该理解，玻璃体69或反射面67不仅可以具有柱形的外轮廓，也可以具有锥形变化的或者弯曲的外轮廓。
在图11所示的实施形式中也在沿径向在激光活性固体44外部布置有玻璃体69形式的反射装置。但是它的径向内边界面只贴靠在Q-开关46的一个部位上，相反它沿径向在激光活性固体44外部的部位中构造成锥形的反射面67和配有反射层。同样抽运光60(例如射线60a和60b)，其不能够通过输入耦合镜42被纵向地输入耦合到激光活性固体44中，在该反射层上被反射和横向地输入耦合到激光活性固体44中，这种装置的可提取的能量特别高，因为可以抽运激光活性固体44的大的体积。备选地，除了玻璃体69外还可以使用金属体，它配置有镜面的例如抛光的反射面。还可以想到的是，在光导装置28和激光装置26之间的间隙填充透明的填料。
在图8-11所示的装置中，玻璃体64或69与激光装置26固定连接并且由此程度地成为整体式部件50的组成部分。
在图12-21中又示出了激光装置26的其它变型：其中在光学上与激光装置28串联地设有光学放大器70。
在图12中，基本上通过激光活性固体形成的光学放大器70与激光装置26的激光活性固体44同轴地布置。光学放大器70此时具有一个自己的抽运光源(没有示出)，其通过自己的光导装置72向光学放大器70输送抽运光74。此时抽运光74沿纵向输入耦合到光学放大器70中，其中该抽运光通过透镜76和两个转向镜78a和78b射到与Q-开关46相对的面对着的光学放大器70的端面79上。在激光装置26的激光活性固体44和光学放大器70之间布置的镜子78b对于放大器70的抽运光74的波长是高反射的，但是对于从激光装置26射到放大器70的激光80是透明的。
在图13示出的实施形式以类型的方式工作，其中激光装置26和光学放大器70在这种情况下是整体式的。为了实现这一点，抽运光74从“背面”，亦即从放大的激光束24出射的那个端面，从光导装置72被抽运到光学放大器70中。这意味着，镜子78b对于抽运光74是高反射的，但是对于激光脉冲24是透明的。
图14示出了另一种实施形式：其中实现了激光80多次通过光学放大器70。有利地，这样选择光学放大器70的掺杂，使得抽运光74的能量只有在光学放大器70的端部上才完全被吸收。这样地在光学放大器70中实现激光80的多次通过，即激光束80不是垂直地而是倾斜地射到光学放大器70的轴向端面79上。为此光学放大器70的纵轴线相对于激光活性固体44的纵轴线倾斜。这种布置的另一个优点在于，为了将抽运光74输入耦合光学放大器70到中只需要一个惟一的转向镜78，在一定情况下则不需要任何转向镜。
在图15-21中示出了一些实施形式，其中设有光学放大器70，但是可以放弃附加的光导装置。在图15中所示的布置与图10中的是类似的。但是在光轴的方向上看直接地在Q-开关46之后布置光学放大器70的输出耦合镜48。一个形式为玻璃体69的套管式反射装置也沿径向在激光活性固体44、Q-开关46以及光学放大器70的外部延伸。
套管式玻璃体69的直径这样选择，使得从光导装置28出射并且从激光装置26的激光活性固体44的输入耦合镜42旁射过的抽运光74a，74b和74c在套管式玻璃体69的沿径向位于外部的反射面67上，其必要时设有反射层，被反射并且横向地输入耦合到光学放大器70中。
此时激光装置26，光学放大器70和玻璃体69可以总体上构造成整体式部件。在图16中所示的装置是类似地构造的，但是总体上构造得较短，因为沿径向位于外部的玻璃体69的周面，沿着射线方向看，是锥形地变化。
在图17中所示的装置也与图14中的装置类似地构造。但是激光装置26相对于光导装置28轴线稍微错开地布置。此外镜子78构造成聚光镜，其将从光导装置28扩散地出射的抽运光束74集中到光学放大器70的轴向入射面79上。
图18示出了一种非常简单的布置：其中光学放大器70直接地连接到Q开关46上或连接到该Q开关上的输出耦合镜48上，并且它被供给从光导装置28穿过激光活性固体44的抽运光(没有附图标记)，亦即该抽运光没有被该固体完全吸收。这意味着，Q-开关46对于光学放大器70的抽运光的波长是透明的，并且输出耦合镜48必须对于光学放大器70的抽运光的波长也是透明的。此外用于光学放大器70的抽运光束具有很小的发散度。此时放大器70也是整体式部件50的一部分。
在图19所示的装置中，用于放大器70的抽运光74也从光导装置28直接地到达光学放大器70。用于激光装置26的激光活性固体44的抽运光60穿过光学放大器70并然后才到达激光活性固体44。镜子42′和48′被相应地构造。与光导装置28面对着的光学放大器70的轴向端面79倾斜地设置并且配置对于抽运光60，74是透明的、但是对于激光束24的波长是反射的反射层84。以这种方式，从激光活性固体44射入到光学放大器70的激光束80被倾斜地反射并且作为激光束24倾斜地从光学放大器70中射出。
按照图20所示的布置更高的效率。其中从光导装置28射出的抽运光60被双焦菲涅耳透镜40聚光和以两个离散的射线形式穿过镜装置84射到激光活性固体44和在空间上布置在该固体旁边的光学放大器70上。此时激光装置26的激光活性固体44和光学放大器70的激光活性固体一体地构成整体式部件50。镜装置84包括两个相互成直角的镜面84a和84b，其对于从光导装置28射出的抽运光60是可以透过的，但是对于从激光装置26的激光活性固体44中射出的激光80是反射的。以这种方式，向后从激光装置26中射出的激光束80被转向侧面和返回到光学放大器70。在图21中示出的布置以类似的方式工作，其中此处激光装置26的激光活性固体44和光学放大器70构造成分开的部件，并且其中抽运光60，74通过对应于图22的具有两个透镜中心40a和40b的非旋转对称的双焦聚光透镜40产生。与图20的装置一样，在图21中示出的装置也具有优点，即只需要一个光导装置28，激光装置26和光学放大器70沿纵向以相应的高效率被抽运，激光束24沿轴向射出，以及整体尺寸相对较小。
应该理解，在图12-21中所示的装置，其中激光装置26与光学放大器70耦合，可以与在图8-11中所示的实施形式，其中附加地设有一个玻璃体64，组合起来。此外，虽然没有示出，也可以使光学放大器70的输出耦合面(例如图20中的面86)配置部分反射面，由此形成“耦合的谐振器”。以这种方式实现分部分的多次通过光学放大器70。

Claims (24)

1.用于尤其是汽车的内燃机的点火装置(10)，包括至少一个提供抽运光(60)的抽运光源(30)，包括产生用于向燃烧室(14)中发射的激光脉冲(24)的激光装置(26)，和包括将抽运光(60)从抽运光源(30)传递到激光装置(26)的光导装置(28)，其特征在于，激光活性固体(44)和被动Q-开关(46)，优选还有激光装置(26)的输入耦合镜(42)和输出耦合镜(48)在总体上构造成整体式部件(50)。
2.按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，激光活性固体(44)和被动Q-开关(46)通过研合、通过热粘结或通过烧结工艺相互连接起来。
3.按照权利要求1或2中之一所述的点火装置，其特征在于，输入耦合镜(42)和/或输出耦合镜(48)通过电介质涂覆层制造。
4.按照前述权利要求中之一所述的点火装置，其特征在于，整体式部件(50)由晶片制造。
5.按照前述权利要求中之一所述的点火装置，其特征在于，激光装置(26)的谐振器(62)由激光活性固体(44)和至少一个玻璃体(64)形成。
6.按照权利要求5所述的点火装置，其特征在于，玻璃体(64)与激光活性固体(44)串联地布置并且比该固体长。
7.按照权利要求5或6中之一所述的点火装置，其特征在于，玻璃体(64)和激光活性固体(44)是整体式的。
8.按照权利要求5至7中之一所述的点火装置，其特征在于，玻璃体(64)布置在被动Q-开关(46)和激光活性固体(44)之间，和在激光活性固体(44)和玻璃体(64)之间布置对于抽运光(60)是高反射的和对于激光(24)是透明的层(66)。
9.按照前述权利要求中之一所述的点火装置，其特征在于，与激光活性固体(44)平行地布置有反射装置(69)，尤其是玻璃体，其尤其是沿径向外部包围该固体，并且该反射装置(69)具有反射面(67)，该反射面将抽运光(60)横向地反射到激光活性固体(44)中。
10.按照权利要求9所述的点火装置，其特征在于，反射面(67)是倾斜的或锥形的。
11.按照前述权利要求中之一所述的点火装置，其特征在于，该装置包括光学放大器(70)，抽运光(74)被输入耦合到该光学放大器中并且该光学放大器与激光装置(26)光学上串联地布置。
12.按照权利要求11所述的点火装置，其特征在于，激光装置(26)由一个第一光导装置(28)供给和放大器(70)由一个第二光导装置(72)供给。
13.按照权利要求11或12中之一所述的点火装置，其特征在于，激光装置(26)和放大器(70)由相同的光导装置(28)供给。
14.按照权利要求13所述的点火装置，其特征在于，抽运光(74)通过双焦聚光透镜装置(40)分配到激光装置(26)和放大器(70)上。
15.按照权利要求11至14中之一所述的点火装置，其特征在于，在横向上通过在将放大器包围的反射装置上，尤其是一个玻璃体(69)的反射面(67)上的反射对放大器(70)供给。
16.按照权利要求15所述的点火装置，其特征在于，反射装置(69)在光束方向上看是锥形变化的。
17.按照权利要求11至16中之一所述的点火装置，其特征在于，沿纵向通过在反射装置(78)上的反射对放大器(70)供给。
18.按照权利要求11至17中之一所述的点火装置，其特征在于，被动Q-开关(46)和激光装置(26)的输出耦合镜(48)放大器-抽运光(74)的波长是可以通过的，抽运光(60)没有被激光装置(26)的对激光起作用的物体(44)完全吸收，和放大器(70)布置在激光装置(26)的与光导装置(28)背离的一侧上。
19.按照权利要求11至18中之一所述的点火装置，其特征在于，放大器(70)在光学上布置在光导装置(28)和激光装置(26)之间，反射器(42′)在光学上布置被动Q-开关(46)后面，和输出耦合镜(48′)布置在放大器(70)和激光装置(26)的激光活性固体(44)之间，其中，放大器(70)的其中输入耦合抽运光(60，74)的部位(82)是倾斜地构造的，并且放大器(70)包括一个侧面的输出耦合面(86)。
20.按照权利要求11至18中之一所述的点火装置，其特征在于，在光学上位于Q-开关(46)后面布置一个反射器(42′)和在激光装置(26)的激光活性固体(44)的与Q-开关(46)背离的一侧上布置输出耦合镜(48′)，并且它包括一个转向装置(84)，该转向装置将激光束(80)转向放大器(70)。
21.按照权利要求20所述的点火装置，其特征在于，放大器(70)和激光装置(46)的激光活性固体(44)在空间上相互并排地布置并且优选是整体式的。
22.按照权利要求11至21中之一所述的点火装置，其特征在于，放大器(70)的输出耦合面(86)具有一个部分反射面。
23.按照前述权利要求中之一所述的点火装置，其特征在于，该装置包括一个用于激光束(24)的聚焦光学装置(52)，其包括散射透镜(54)和聚光透镜(56)，它们在一个整体式部件上构成。
24.按照权利要求23所述的点火装置，其特征在于，整体式部件(52)包括燃烧室窗(58)或形成该燃烧室窗。
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