CN101463790A - 激光点火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光点火装置(10)，包括至少两个激光产生装置(2′、2″)和一个共同的输入光学件(4)，该输入光学件用于将所述至少两个激光产生装置的激光(3′、3″)输入到内燃机的燃烧室(11)内，其特征在于：所述至少两个激光产生装置这样设置，使得由各激光产生装置在运行状态中发出的激光彼此平行错开地或者彼此成角度地入射到输入光学件(4)上和/或由输入光学件射出。本发明还涉及一种用于给在内燃机的燃烧室内的燃料/空气混合物点火的方法。

Description

激光点火装置
技术领域
本发明涉及一种激光点火装置，包括至少两个激光产生装置和一个共同的输入光学件，该输入光学件用于将所述至少两个激光产生装置的激光输入到内燃机的燃烧室内。另外本发明涉及一种用于给在内燃机的燃烧室内的燃料/空气混合物点火的方法，其中激光通过一个共同的输入光学件送入到燃烧室内。
背景技术
激光点火装置包括至少两个激光产生装置和一个共同的输入光学件，该输入光学件用于将所述至少两个激光产生装置的激光输入到内燃机的燃烧室内，其中输入光学件具有一个用于激光产生装置的激光的入射面以及一个用于激光的射出面。
激光点火是用于汽油机式运行的内燃机的一种点火构思，其原理基于，强烈的激光脉冲输入到内燃机的燃烧室内并且在那里聚焦到焦点上。在该焦点中辐射强度超过域值，该域值对于电离燃料空气混合物并且结果对于等离子火花点火是足够的。等离子火花按与传统的电火花点火类似的方式可以点燃燃料空气混合物。
对于发动机应用，现在最强烈进行的激光点火方案按这样的方式构成，即激光脉冲由一个固体激光器产生，该固体激光器与输入和输出光学件一起集成在一个固定在缸盖上的壳体内。这个单元与传统的电火花点火类似地称为激光火花塞。点火激光通常光学地由一个半导体激光器泵送，该半导体激光器通过光纤与激光火花塞连接。泵送过程持续大约200μs至300μs，在该泵送过程期间实现激励在点火激光器的固体晶体内的激光激活的原子，直至激光脉冲的起振和击穿。点火脉冲本身具有若干纳秒的持续时间。
将激光脉冲送入内燃机的燃烧室内的输入光学件由一个适合的透镜系统以及所谓的燃烧室窗构成，该燃烧室窗构成在进入燃烧室内的射束入口之前的最后一个光学元件。
另外相对于传统的电火花点火，激光点火的优点在于，点火火花可以自由地置于燃烧室的深处，在那里存在优化的点燃条件。与此相反地，燃烧引导在电火花点火的情况中在直接的燃烧室壁附近实现，其中面状的限定点火火花的电极防止火焰核心形成。
激光火花的能量可以通过提高激光系统的功率而明显上升，而不因此产生提高的摩损，该摩损例如在火花点火的情况中在电极摩损时得到。
激光点火的另一优点是于，随着增大的发动机功率而降低对于等离子点火必要的最低脉冲能量(MPE)。与此对应地，传统的电的火花点火构思在现代高功率发动机的要求中今天已经明显地达到其系统边界。
激光点火系统的功率能力关于发动机的采用尤其通过如下方式明显提高，即为了点燃在发动机的燃烧室内的混合物采用多于一个的等离子火花。
另外一些激光构思是已知的，它将激光器的射束通过光学装置分成多个分射束，所述分射束通过共同的聚焦光学件相应得到自己的等离子火花。该构思的缺点是，点火激光器的能量划分成多个等离子火花，并且从而相应的火花明显减弱，但是点火激光器的功率上升多倍是困难的。另一缺点在于，各等离子火花不是彼此独立的，而是同时且关联地产生并且降低发动机的优化参数。
同类的激光点火装置例如由US 5756924已知。在其中显示的激光点火装置中，两个不同的激光产生装置的激光引导到共同的输入光学件上，该输入光学件紧接着将激光聚焦到燃烧室内，以便在那里给燃料空气混合物点火。此外在US 5756924中建议，激光同轴地引导到输入光学件上。共同的输入光学件的优点不仅在于较小的成本，以便仅必须采用唯一的输入光学件，而且也在于，有目的地在确定的位置上可以产生的激光功率比通过一个唯一的激光产生装置的情况多。
最后已知的现有技术的缺点在如下情况证实，即输入光学件在运行时由于高的激光功率而强烈加热。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种按开头所述类型的激光点火装置，其中减少现有技术中的缺点。
该目的通过具有权利要求1的特征的激光点火装置以及按权利要求12的方法解决。
一方面设定一种激光点火装置，其包括至少两个激光产生装置和一个共同的输入光学件，该输入光学件用于将所述至少两个激光产生装置的激光输入到内燃机的燃烧室内，所述至少两个激光产生装置这样设置，使得由各激光产生装置在运行状态中发出的激光彼此平行错开地或者彼此成不等于0°的角度地入射到输入光学件上和/或由输入光学件射出。
另一方面设定一种用于给在内燃机的燃烧室内的燃料/空气混合物点火的方法，其中激光通过一个共同的输入光学件送入到燃烧室内，其中激光彼此平行错开地或者彼此成角度地入射到输入光学件上或者由输入光学件射出。
通过来自各激光产生装置的激光不再如现有技术那样轴线平行地而是彼此平行错开地或者彼此成角度地入射到输入光学件上或者由输入光学件射出或者两种情况共同发生，加热输入光学件，两个激光产生装置的整个激光功率不聚焦到仅一个唯一的表面上(该表面在同轴的激光射束中出现)，而是激光功率分布到输入光学件的较大的区域上。至少部分彼此分开地存在用于激光的在输入光学件上的入射面和/或激光的在输入光学件上的射出面，因此在入射面或射出面上输入光学件通过激光的加载较小。
输入光学件在最简单的情况中是一个聚光透镜或者是多个透镜的系统，它将激光聚集或者聚焦到内燃机的燃烧室内。可以设定，激光产生装置这样设置，使得在用于激光的输入光学件上的入射面彼此分开地位于位于共同的输入光学件上。在最简单的情况中这通过所述至少两个激光产生装置的激光射束的非同轴的布置得到。此外可以设定，激光产生装置这样设置，使得在对于激光的输入光学件上的射出面彼此分开地位于共同的输入光学件上。
在本发明的范围内实施方案的两种构思已经证实为尤其有利的。在第一中构思中按一种实施方案设定，所述至少两个激光产生装置这样设置，使得第一激光产生装置的激光的射出面和第二激光产生装置的激光的射出面基本上平行地设置或者设置在一个平面上。换言之，在这种情况中在运行状态中发出的激光彼此平行错开。在该方案中两个激光射束基本上彼此平行地聚焦到一个共同的输入光学件上，该输入光学件然后可以将激光例如共同聚焦到一个单个的焦点上。这在点火构思中尤其已经有利地证实，在那里或者对于单个点火时间点在焦点上的尤其高的功率是必要的或者在那里在时间上级联的激光脉冲应聚焦到单个焦点上。
如果用于单个的激光产生装置的泵送所必需的时间间隔比内燃机的工作周期持续得更长，使得该激光产生装置可以发出点火脉冲，那么第一种构思例如已经证实为有利的。在这种情况中，第二激光产生装置可以设置用于，与第一激光产生装置交替地产生点火过程。另外的变形方案设定，时间上级联的激光脉冲进入到燃烧室内，以便在较长的时间上给燃料空气混合物点火或者实现一种预点火。脉冲持续时间和脉冲时间间隔取决于选择的燃料空气混合物。
对于第二中构思在第二种实施方案中可以设定，所述至少两个激光产生装置这样设置，使得第一激光产生装置的激光的射出面和第二激光产生装置的激光的射出面以不同于0的角度设置。在这种变形方案中通常在运行状态中发出的激光彼此成角度地入射到输入光学件上或者彼此成角度地由输入光学件射出。
在这种情况中两个激光产生装置以彼此确定的角度设置，该角度优选在175°与100°之间，优选在170°与135°之间。按这样的方式和方法例如在空间上分开的点火火花或者焦点可以用简单的聚光透镜产生，这在一些点火构思中证实为有利的，以便产生燃料空气混合物的较大面积的点火。与如下点火构思相反，其中激光射束分布到两个焦点上，因此在两个焦点上同时实现点火，在本发明的情况中时间上级联的点火次序也是可能的。在此尤其优选地设定，设置至少三个激光产生装置，尤其优选四个激光产生装置，它们这样彼此设置，使得在运行状态中可以产生四个彼此间隔距离地设置的焦点。所述焦点例如可以设置在优选等边三角形或者正方形、矩形、菱形等的角上。
在优选的实施方案(尤其按第二构思)中，另外可以设定，在激光产生装置与输入光学件之间设置至少一个激光转向元件。激光转向元件允许，相应的激光产生装置的激光彼此成不同角度(例如较陡的角度)地设置，以便紧接着通过激光转向元件将激光转相应地转向到输入光学件上。因此可以比仅通过输入光学件的情况更好地影响激光射束引导，并且可以得到多个焦点，这些焦点彼此间隔较小的距离或者较大的距离。
在此可以设定，激光转向元件构成为镜子，使得激光经过反射可以转向到输入光学件上。
为了能够产生时间上级联的激光点火脉冲，可以有利地设定，激光产生装置可彼此分开地进行光学泵送。由于成本原因可以设定，各激光产生装置具有一个共同的抽运光源。
在一种优选的实施方案中可以设定，激光点火装置构成为优选单件式的激光火花塞，因为保证尤其紧凑的结构方式。
所述的装置或者方法的优点除了已经提及原因之外也在于，通过两个激光产生装置产生冗余，该冗余在发动机应用的情况下在一个激光产生装置失灵时保证较高的运行安全性。
附图说明
借助于附图和对附图的说明解释本发明的其他的优点和详情。各图示意地表示。
图1以横截面图的形式显示按现有技术的激光点火装置，
图2显示按本发明的激光点火装置的第一实施方案，
图3显示按本发明的激光点火装置的第二实施方案，
图4显示图3的实施方案的变化形式。
具体实施方式
图1显示按现有技术的激光点火装置10的示意图。激光点火装置10构成为激光火花塞并且包括一个点火激光器单体2，该点火激光器单体具有一个谐振器7和一个输出镜8，使得激光示意地通过激光3的光路引导到输入光学件8上，该输入光学件将激光3聚焦到焦点6上，其中产生等离子火花。激光射出面用F表示并且描述这样的表面，在能点火的激光引导到输入光学件4上之前，激光产生装置2的激光由该表面射出。激光点火装置10通过一个燃烧室窗5限制，通过该燃烧室窗，激光3供给到内燃机11的燃烧室11内。点火激光器单体2由光导体1供给抽运光，该光导体与一个未描述的抽运光源连接。在点火激光器单体2内的抽运光相应地增强之后，发出能点火的激光3。另外按现有技术可以设定，激光3沿着同轴于显示的点火单体2的激光3的、输入镜4的光轴A供给到输出镜8与输入光学件4之间的任何地方并且共同地在输入光学件4的入射面E上入射到该输入光学件上。激光的射出面用G表示。
在图2中现在显示一种实施例，其中两个分开的激光产生装置2′、2″的激光3′、3″彼此平行错开地入射到共同的输入光学件4上。另外该实施例涉及上面的在说明书中描述为“第一构思”的变形方案，其中相应的点火激光器2′或2″的射出面F′和F″设置在一个平面上(平行错开同样是可考虑的，决定性的是，激光3′、3″的光路彼此平行)。因为其余的构件在内容上与图1相同，在图2中以及在图3和4中相同的构件不再详细描述。现在设置两个点火激光器单体2′、2″(对于点火激光器单体也参阅WO 2006/125685)，所述点火激光器单体将能点火的激光3′、3″在激光射出面F′、F″上送出。两个激光点火器单体2′、2″借助于分开的光导体1′、1″通过一个未显示的抽运光源泵送。相应的激光3′和3″的光路引导到输入光学件4上。在输入光学件4上的入射面E′和E″在空间上并排并且从而完全彼此分开。紧接着激光通过输入光学件4聚焦至内燃机的燃烧室11内。激光3′、3″的射出面G′、G″同样在空间上彼此分开。第一激光产生装置2′的激光3′和第二激光产生装置2″的激光3″彼此成角度地由输入光学件4射出。
在图3中显示按上述变形方案2的实施方案。相应的激光产生装置2′、2″的激光3′、3″彼此成角度α(不等于零)地入射到输入光学件4上。角度α在此大约为20°。在此两个激光产生装置2′、2″或者点火激光器单体彼此倾斜，使得相应的激光产生装置的射出面F′和F″同样以不同于0°的角度地设置。在当前的情况中这个角度大约为160°。在用于来自激光产生装置2′、2″的激光3′、3″的输入光学件4上的入射面E′和E″在此在宽的区域内分开，仅在核心区域内有重叠OE。该重叠部分也可以考虑，而在此不发生过热，在此尤其是入射面G′、G″除了小的核心区域OA之外也几乎是无重叠的。激光3′、3″分布到两个焦点6′、6″上。在焦点6′、6″之间的间距用13表示。
在图3a至3c中显示变形方案，包括两个(图3a)、三个(图3b)和四个(图3c)激光产生装置。各视图描述沿着剖面H-H的激光射出面F′、F″、F″′、F″″的视图。激光射出面F′、F″、F″′、F″″在此沿着直线(图3a；相应于按图3的变形方案)设置、设置在等边三角形的角上(图3b)或者设置在正方形的角上(图3c)。
在图4中除了图3的变形方案之外还显示以镜子形式描述的激光转向元件12。在激光射束3′、3″之间的角度α比在图3中更大地选择。在按图3或4的结构中的最大角度α有意义地不大于90°，以便紧凑地保持结构，尽管如此借助于附加的激光转向元件12当然也可以实现其它的角度α。激光射出面F′、F″这样设置，使得在表面之间的角度是较陡的。借助于激光转向元件12可以更大地构成在焦点6′、6″之间的间距13(例如与图3相比)。在输入光学件4上的入射面E′和E″在该变形方案中虽然几乎重合，使得存在相对较大的重叠区域OE。但是射出面G′、G″彼此较远地分开，使得由于激光的扩散，输入光学件4通过一个相应小的重叠表面OA充分卸载。
在图4a至4c中类似图3a至3c地显示激光射出面F′、F″″、F″′、F″″的布置。

Claims (13)

1.激光点火装置(10)，包括至少两个激光产生装置(2′、2″)和一个共同的输入光学件(4)，该输入光学件用于将所述至少两个激光产生装置(2′、2″)的激光(3′、3″)输入到内燃机的燃烧室(11)内，其特征在于：所述至少两个激光产生装置(2′、2″)这样设置，使得由各激光产生装置(2′、2″)在运行状态中发出的激光(3′、3″)彼此平行错开地或者彼此成角度地入射到输入光学件(4)上和/或由输入光学件(4)射出。
2.按权利要求1所述的激光点火装置，其特征在于：各激光点火装置(2′、2″)这样设置，使得在用于激光(3′、3″)的输入光学件上的入射面(E′、E″)彼此分开地位于共同的输入光学件(4)上。
3.按权利要求1或2所述的激光点火装置，其特征在于：各激光产生装置(2′、2″)这样设置，使得在用于激光(3′、3″)的输入光学件上的射出面(G′、G″)彼此分开地位于共同的输入光学件(4)上。
4.按权利要求1至3任一项所述的激光点火装置，其特征在于：所述至少两个激光产生装置(2′、2″)这样设置，使得第一激光产生装置(2′)的激光(3′)的射出面(F′)和第二激光产生装置(2″)的激光(3″)的射出面(F″)基本上平行地设置或者设置在一个平面上。
5.按权利要求1至4任一项所述的激光点火装置，其特征在于：所述至少两个激光产生装置(2′、2″)这样设置，使得第一激光产生装置(2′)的激光(3′)的射出面(F′)和第二激光产生装置(2″)的激光(3″)的射出面(F″)以不同于0的角度设置。
6.按权利要求5所述的激光点火装置，其特征在于：该角度在175°与100°之间，优选在170°与135°之间。
7.按权利要求1至6任一项所述的激光点火装置，其特征在于：在激光产生装置(2′、2″)与输入光学件(4)之间设置激光转向元件(12)。
8.按权利要求7所述的激光点火装置，其特征在于：激光转向元件(12)构成为镜子。
9.按权利要求1至8任一项所述的激光点火装置，其特征在于：激光产生装置(2′、2″)可彼此分开地进行光学泵送。
10.按权利要求9所述的激光点火装置，其特征在于：各激光产生装置(2′、2″)具有一个共同的抽运光源。
11.按权利要求1至10任一项所述的激光点火装置，其特征在于：激光产生装置构成为优选单件式的激光火花塞。
12.用于给在内燃机的燃烧室(11)内的燃料/空气混合物点火的方法，其中激光(3′、3″)通过一个共同的输入光学件(4)送入到燃烧室(11)内，其特征在于：激光(3′、3″)彼此平行错开地或者彼此成角度(α)地入射到输入光学件(4)上和/或由输入光学件(4)射出。
13.按权利要求12所述的方法，采用按权利要求1至11任一项所述的激光点火装置。
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