CN102224337A - 用于内燃机的激光诱导的火花点火装置 - Google Patents
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Abstract
建议了一种用于内燃机的具有点火激光器(26)的激光点火装置,其中在一个燃烧室窗口(58)之前设置一个孔板(74)。
Description
现有技术
本发明涉及一种用于内燃机的点火装置,其中通过点火激光器触发点火。这种点火装置,以下称为激光器点火装置,例如由WO2005/066488A1已知。
点火激光器具有燃烧室窗口,它对于由点火激光器发射的激光脉冲是能够透射的。同时燃烧室窗口必须在内燃机的整个寿命期间受得住在燃烧室中存在的高压和高温,而不会不利地影响燃烧室窗口的光学特性。
在此情况下,在内燃机的做功冲程期间,在燃烧室窗口的面对燃烧室的表面上可能出现高于600℃的表面温度和高于250 bar的压力。此外,废气的化学腐蚀性成分损坏该燃烧室窗口而在燃烧室窗口上的积炭降低其透射性。
发明的公开
本发明的任务是更加可靠地、无干扰地和更少维护地构造激光点火装置。
按照本发明,在一种用于内燃机的激光点火装置中,其包括具有激光激活的固体的点火激光器,燃烧室窗口和外壳,所述任务是这样解决的,即在外壳的其上布置燃烧室窗口的端部上设置一个孔板。
该孔板负责燃烧室窗口的表面不会被废气和位于其中的气流影响。由此极大地减少了在燃烧室窗口上沉积物的形成。这种沉积物来自于内燃机燃烧室中的废气。
通过按照本发明的孔板,第一,极大地减少了沉积在燃烧室窗口上的残留物的数量。第二,明显减低了残留物冲击到燃烧室窗口表面上所具有的脉冲。两个效果分别负责显著减少燃烧室窗口上的沉积物和少量的沉积物不牢固地粘附在燃烧室窗口上。因此按照本发明的激光点火装置更可靠、更无干扰并且维护更少。
在本发明的另一个有利的设计方案中规定,如此设计孔板的直径使得点火激光器的激光脉冲能够无阻碍地通过孔板。但是孔板的直径也不应该比为了尽可能最佳地保护燃烧室窗口而绝对需要的直径大。此时激光脉冲的直径,其也可以称为辐射直径,可以按照标准DIN EN ISO11145确定。这个标准属于激光技术领域中的专业人员的专业知识,因此通过引用该标准可以省去对确定辐射直径的详细说明。
由于激光点火装置的激光脉冲被聚焦到点火点ZP上并且聚焦透镜系统的光学精确度非常高,因此可以如此设计孔板的尺寸,使得在激光脉冲的外轮廓和孔板之间具有一个小于1mm,优选小于0.5mm,和特别优选小于0.25mm的间隙。
孔板的直径越小,流入孔板的气体就越少并且由此能够达到燃烧室窗口的气体就越少。
本发明的另一个有利的设计方案规定,孔板设计成锥形,其中孔板的直径在燃烧室窗口的方向上增大并且孔板的锥角基本上对应于激光脉冲的射出角。而且在此处也可以将孔板在整个长度上以小于1mm,优选小于0.5mm的间距和特别优选以小于0.25mm的间距,围绕激光脉冲布置。通过孔板的长度在点火激光器的光轴的方向上进一步减少废气的渗入和脏物在燃烧室窗口上的沉积。同时减小了孔板的死点容积,这对内燃机的运行特性产生有利的影响。
按照本发明的激光点火装置的一个有利的设计方案规定,孔板设计成分开的(单独的)部件并且被固定在点火激光器的外壳上,尤其是固定在外壳的凸肩上。
因此对已经在制造中的激光点火装置也可以补装本发明的孔板。此外可以通过更换该分开的部件使孔板直径和孔板锥角与点火激光器的光学性能相匹配。例如可以要求,在具有不同的燃烧室几何结构的燃烧室中使用点火激光器情况下,将点火激光器的点火点ZP以离开燃烧室窗口的更大或更小的距离布置。点火点的这种改变一般要求调整孔板的直径和锥角。这可以直接地通过实施成单独的部件的孔板进行。
但是在本发明的另一个有利的设计方案中同样可以直接地将孔板与点火激光器的外壳一体地设计。
如果点火激光器具有一个燃烧室窗口,那么由于使用按照本发明的孔板,只有较小的温度和明显更少的废气量被加载到其上。由此在内燃机的整个寿命期间燃烧室窗口的透射性保持足够高,以保证内燃机无干扰地运行。
在按照本发明的激光点火装置的一个有利的设计方案中,孔板只是分区域地,即在小于360°的圆周角上遮隔点火激光器。此时应该注意孔板在点火激光器的安装状态下相对于燃烧室中的废气的主流动方向被布置在点火激光器的上游。如果孔板以这种方式相对于点火激光器定位,那么达到希望的遮蔽。
对于每种发动机类型要专门地确定燃烧室中的废气的主流动方向。为了孔板正确地相对于点火激光器定位,建议将点火激光器形状配合地并且防转动地固定在内燃机的气缸头中。通过安置在点火激光器上的凸起,该凸起与气缸头中的应该相应地成形的凹部配合作用,可以保证孔板以上述方式相对于点火激光器定位。
已经证明特别合适的是孔板在小于200°,优选160°至180°的圆周角上遮蔽点火激光器。由此保证一种在最小的成本和对燃烧室中的气体流动的最小的影响情况下对于许多应用都足够的遮蔽。
本发明的其它的优点和有利的设计方案可以在以下的附图中、对其的说明中和权利要求书中获得。在附图中、对其的说明中和权利要求书中公开的全部特征不仅单独地而且在相互的任意组合中都可以对本发明是重要的。
附图简述
附图中所示:
图1a是具有基于激光的点火装置的内燃机的示意图;
图1b是图1中的点火装置的示意图,和
图2和3是按照本发明的点火激光器的实施形式。
发明的实施形式
内燃机在图1a中总体上具有标记10。它可以用于驱动一个没有示出的汽车。内燃机10包括多个气缸,其中在图1中只用标记12表示了一个气缸。气缸12的燃烧室14由活塞16限界。燃料直接通过喷射器18进入到燃烧室14中,喷射器连接到一个也称为燃料蓄压器20的轨上。
被喷射到燃烧室14中的燃料22借助于激光脉冲24被点燃,该激光脉冲由一个包括点火激光器26的点火装置27发射到燃烧室14中。为此点火激光器26经光导装置28被供给抽运光,该抽运光由抽运光源30提供。抽运光源30由控制装置32控制,该控制装置也控制喷射器18。
如从图1b中看见,抽运光源30对用于与内燃机10的各一个气缸12相配置的不同点火激光器26的多个光导装置28进行供给。抽运光源30为此具有多个单独的激光光源340,它们与脉冲电流供给装置36连接。通过设置多个单独的激光光源340,仿佛实现了抽运光在不同的点火激光器26上的一种“静态的”分配,从而不需要在抽运光源30和点火激光器26之间的光学分配器。
点火激光器26例如具有一个激光激活的固体44,其带有无源的Q开关46,后者与输入反射镜42和输出反射镜48一起形成一个光学谐振器。在施加由抽运光源30产生的抽运光情况下,点火激光器26以本身已知的方式产生激光脉冲24,其通过聚焦光学系统52被聚焦到位于燃烧室14(图1a)中的点火点ZP上。在点火激光器26的外壳38中存在的部件通过燃烧室窗口58与燃烧室14分开。
在图2中非常放大地以部分纵剖视图示出了图1b的细节X。由这个非常放大的视图中可以看见燃烧室窗口58与外壳38紧密地连接。在外壳38和燃烧室窗口之间的密封可以在部件60的区域中以材料配合连接或传力连接的形式进行构造。
由于高的热负荷,应该注意,外壳38由耐热材料制成并且由此也具有在燃烧室中存在的工作温度下的足够的疲劳强度。
在图2和3中所示的实施例中,外壳38由两部分构造成。它包括内套筒62和外套筒64。外套筒64在面对燃烧室14(参见图1a)的末端上具有凸肩66。凸肩66用于将燃烧室窗口58压向内套筒62并且由此提高在标记60区域中的密封性。为此目的,在外套筒64上设置内螺纹,它与相应的内套筒62的外螺纹配合作用。由内螺纹和外螺纹组成的该螺纹在其总体上用标记68表示。通过拉紧外套筒64和内套筒62,在凸肩66和燃烧室窗口之间形成另一个密封面72。在图2中,点火激光器26的面对燃烧室14的末端被明显放大地示出。在外壳38内部设有一个没有示出的聚焦光学系统,它将激光脉冲24聚焦到点火点ZP上,该点火点对应于点火激光器26的透镜系统的焦点。被聚焦的激光脉冲24的外轮廓通过锥形包络线(没有标记)表示。这些包络线在点火点ZP相交并且以直径DA从燃烧室窗口58出去。
为了使燃烧室窗口58的与燃烧室面对的侧面承受就可能少的废气,按照本发明规定在燃烧室窗口58和点火点ZP之间设置孔板(隔板)74。孔板的直径用标记DB表示。
此时孔板74的直径DB选择得就可能小。如果孔板74与激光脉冲24或其外轮廓之间具有小于1mm,优选小于0.5mm和特别优选小于0.25mm的径向间距,结果就足够了。孔板74直径DB的这种尺寸导致激光脉冲24的点火功率没有减小并且另一方面在燃烧室和存在于孔板74和燃烧室窗口58之间的"死区"70之间的气体交换被减低至最小。孔板74例如可以以金属片的形式钎焊、焊接或用其它的方式固定在外套筒64上。
从燃烧室进入死区(死腔)70中的废气越少,在燃烧室窗口58上沉积的积炭就越少。将孔板74尽可能靠近地移向点火点ZP的方向,常常是有利的。但是这也有极限,因为点火点ZP应该尽可能布置在燃烧室14的中心并且孔板74应该就可能小地影响燃烧室14(参见图1a)中的流动情况。图3中示出了按照本发明的孔板74的另一个实施例。主要不同之处在于,孔板74外套筒64的一部分并且孔板74是锥形构造的。孔板74的锥角?此时对应于激光脉冲24的角度α。在此处也要注意,在孔板74和点火脉冲24之间的径向间距就可能小。用于在该实施例中的死区70相对于图2所示的实施例进一步缩小,因此沉积在燃烧室窗口58上的沉积物更少。
Claims (9)
1.用于内燃机(10)的激光点火装置,包括带有激光激活的固体(44)的点火激光器(26),燃烧室窗口(58)和外壳(38),其特征在于,在外壳(38)的其上布置所述燃烧室窗口(58)的端部上设置一个孔板(74)。
2.按照权利要求1所述的激光点火装置,其特征在于,孔板(74)的直径(DB)被如此设计,点火激光器(26)的激光脉冲(24)可以无阻碍地通过孔板(74)。
3.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,孔板(74)是锥形构造的,其中孔板(74)的直径(DB)在燃烧室窗口(58)的方向上增大,并且孔板(74)的锥角(?)基本上对应于激光脉冲(24)的射出角(α)。
4.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,孔板(74)设计成分开的部件,并且孔板(74)被固定在点火激光器(26)的外壳(38)上,尤其是固定在外壳(38)的凸肩(66)上。
5.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,孔板(74)与点火激光器(26)的外壳(38),尤其是与外壳(38)的凸肩(66),一体地构造。
6.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,外壳(38)包括内套筒(62)和外套筒(64)。
7.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,在点火激光器(26)的安装状态下,孔板(74)基本上与内燃机的燃烧室壁齐平。
8.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,孔板(74)只是部分地遮隔点火激光器(76)并且孔板(74)在点火激光器(76)的安装状态下相对于在燃烧室(14)中的废气的主流动方向被布置在点火激光器(76)的上游。
9.按照前述权利要求之一所述的激光点火装置,其特征在于,孔板(74)在最大200°,优选160°至180°的圆周角上遮隔点火激光器(76)。
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