CN102612595A - 激光火花塞及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其用于机动车的内燃机的激光火花塞（100），具有布置在朝向燃烧室的端部区域（100a）中的燃烧室窗口（120）。按本发明，设置了用于对处于燃烧室窗口（120）的区域中的空间区域（210）和/或处于空间区域（210）中的介质进行冷却的机构（130）。用于进行冷却的机构（130）具有冷却体，它包括具有较大的导热能力尤其具有在常温下每开尔文和米大约90瓦特或更大的导热能力的材料。冷却体（131）基本上构造为圆环形。冷却体（131）的在该冷却体（131）的朝向燃烧室的端面（131a）的区域中的内直径（D1）小于该冷却体（131）的在该冷却体（131）的背向燃烧室的端面的区域中的内直径（D2）。设置了导热机构（140），其能将来自激光火花塞（100）的朝向燃烧室的端部区域（100a）的热量朝背向燃烧室的端部区域（100b）的方向导出。

Description

激光火花塞及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种尤其用于机动车的内燃机的激光火花塞，该激光火花塞具有布置在朝向燃烧室的端部区域中的燃烧室窗口。

此外，本发明涉及一种用于这样的激光火花塞的运行方法。

背景技术

在这样的激光火花塞的运行过程中，在燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面上形成沉积物，在此通过所述燃烧室窗口将激光束辐射到分配给激光火花塞的燃烧室中。由燃烧产物构成的沉积物对激光火花塞的可靠的运行产生不好的影响并且尤其降低其寿命。

发明内容

相应地，本发明的任务是，如此改进开头所提到的类型的一种激光火花塞和一种运行方法，从而实现可靠性和寿命的提高。

该任务按本发明在一种开头所提到的类型的激光火花塞上通过以下方式得到解决，即设置了用于对处于所述燃烧室窗口的区域中的空间区域和/或处于所述空间区域中的介质进行冷却的机构。

按本发明已经发现，一些在激光火花塞的运行过程中产生的燃烧产物尤其碳和碳化合物的在所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面上的沉淀有利于在用具有较高的功率密度或者说能量密度的激光束来加载的情况下成功地-本身已知地-将这种表面清理干净。

此外，按本发明已经发现，对将所述燃烧室窗口的有关的表面包围的空间区域或者说处于其中的介质进行的冷却有利于对消融的清洗来说起促进作用的燃烧产物在燃烧室窗口表面上形成和沉淀。

因此，所述按本发明的冷却机构能够有利地有针对性地在所述燃烧室窗口的表面上产生并且加入这样的燃烧产物，所述燃烧产物有利于通过向所述燃烧室窗口加载具有较高的功率密度或者说能量密度的激光脉冲这种方式来进行有效的清洗。

按照所述按本发明的激光火花塞的一种因为不太复杂所以特别有利的实施方式，所述用于进行冷却的机构具有冷却体，该冷却体包括具有较大的导热能力尤其具有在常温下每开尔文和米大约90瓦特或更大的导热能力的材料。优选所述冷却体可以具有镍或者镍合金。此外可以完全由镍或者镍合金来形成整个冷却体。

所述冷却体优选以不能松开的方式比如借助于焊接与所述激光火花塞的壳体相连接。

如果所述用于进行冷却的机构尤其至少一个冷却体包围着尤其同心地包围着所述激光火花塞的光学的轴线，那么按照本发明就可以特别有效并且均匀地对有关的空间区域进行冷却。

作为按本发明争取达到的冷却作用的补充，在所述按本发明的激光火花塞的另一种十分有利的实施方式中，如果所述冷却体基本上构造为圆环形并且该冷却体的在该冷却体的朝向燃烧室的端面的区域中的内直径最大大约为由所述激光火花塞所辐射的激光束的辐射直径的大约百分之105到大约百分之200，那就有效地对所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面进行蔽护以防止受到有害颗粒的影响。

此外，按照另一种发明变型方案，有利的是，所述冷却体的在该冷却体的朝向燃烧室的端面的区域中的内直径小于该冷却体的在该冷却体的背向燃烧室的端面的区域中的内直径。由此可以有利地获得最大可能的冷却作用，而同时没有对从所述冷却体中穿过的激光束产生不好的影响，因为被所述按本发明的冷却体所包围的空间区域最佳地与由所述激光火花塞发出的聚焦的激光束形状匹配。

在另一种十分有利的发明变型方案中提出，设置了导热机构，所述导热机构能够将来自所述激光火花塞的朝向燃烧室的端部区域的热量朝背向燃烧室的端部区域的方向导出，其中所述导热机构优选布置在所述激光火花塞的内部空间中并且/或者集成到所述激光火花塞的壳体的至少一个壁体区段中。

所述按本发明的用于进行冷却的机构特别有利地与所述导热机构处于良好的热接触之中，从而可以有效地将来自所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面的区域的热量传导到所述激光火花塞的背向燃烧室的区域中。

所述导热机构比如可以在所述激光火花塞的进一步背向燃烧室的区域中具有接触区域，所述接触区域在将所述激光火花塞安装在内燃机比如静止的大型燃气发动机的气缸头中的情况下与所述气缸头之间建立良好的热接触。

所述按本发明的冷却机构除了一个或者多个冷却体之外尤其也可以具有基于流体的冷却系统，对于该基于流体的冷却系统来说在使用流体的情况下将热能从所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面上运走。

作为所述冷却体的替代方案或者补充方案，也可以使用热管（“heatpipes”）或者其它的导热机构，用于对有关的空间区域进行冷却。热管也可以有利地直接集成到所述激光火花塞的壳体中。

作为本发明的任务的另一种解决方案，说明一种按权利要求9所述的方法。所述按本发明的方法规定，对处于所述燃烧室窗口的区域中的空间区域和/或处于所述空间区域中的介质进行冷却，优选将其冷却到大约低于350℃直至大约低于300℃的温度。

根据申请人的研究，在所述按本发明的激光火花塞如此运行时特别有利地形成这样的燃烧产物并且向所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面加载这样的燃烧产物，所述燃烧产物在用具有较高的功率密度或者说能量密度的激光束加载的情况下促进所述燃烧室窗口的清理。

按本发明已经发现，尤其碳沉积物有利于清理过程。所述激光火花塞的朝向燃烧室的端部区域尤其将所述燃烧室窗口包围的空间区域的按本发明的冷却能够有利地将（比如炭烟形式的）半燃烧的及未燃烧的碳氢化合物加入到这个区域中，从而可以最佳地支持借助于激光束对所述燃烧室窗口进行的清理过程。

根据申请人的研究，所述燃烧室窗口的表面上的按本发明受到支持的碳沉积物可以使人更为容易地除去其它的无机的在所述激光火花塞的运行过程中在所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面上沉淀的燃烧残余物。

比如在使用激光束的情况下在对激光火花塞的端部区域进行冷却的过程中通过按本发明加入碳化合物这种方式可以清除硫酸钙（CaSO₄）-沉淀物，其中所述激光束的辐射强度与传统的清除过程相比可以小了一个数量级，对于传统的清除过程来说在所述燃烧室窗口的朝向燃烧室的表面上不存在按本发明加入的碳化合物或者说炭烟。

其它的优点、特征和细节从以下说明中获得，在以下说明中参照附图对本发明的不同的实施例进行描述。在此在权利要求中以及在说明书中提到的特征可以相应单个地本身或者以任意的组合对本发明来说是重要的。

附图说明

附图示出如下：

图1是按本发明的激光火花塞的部分的横截面的示意图；

图2a、2b是用于与按本发明的冷却机构一起作用的冷却体的不同的实施方式；并且

图3是按本发明的方法的一种实施方式的简化的流程图。

具体实施方式

图1以部分的横截面示出了所述按本发明的激光火花塞100的第一种实施方式。该激光火花塞100比如在机动车的内燃机中或者也在静止的大型燃气发动机中用于将激光束20聚束地辐射到布置在内燃机的燃烧室200中的发火点ZP上，用于点燃处于所述燃烧室200中的空气/燃料混合物。

所述激光束20在此可以以本身已知的方式局部地在所述激光火花塞100中比如在使用激光装置110的情况下产生，所述激光装置110尤其具有激光主动的固体（未示出）和被动的质量线路。

作为替代方案，由较远地布置的激光源输送给所述激光火花塞100的激光束可以通过该激光火花塞100来聚束并且辐射给所述发火点ZP。

在所述激光火花塞100的运行过程中，不同的燃烧产物尤其其中来自内燃机的机油的添加剂的无机的成分沉淀在所述激光火花塞100的燃烧室窗口120的朝向燃烧室200的表面120a上。

已经知道，向所述燃烧室窗口120加载具有较高的功率密度或者说能量密度的激光脉冲，用于将这样的无机的沉淀物从所述燃烧室窗口120上清除。

按本发明已经发现，碳或者说碳化合物的在所述燃烧室窗口120的表面120a上的存在有利于清除过程。根据申请人的研究，在此需要激光束20的大致小了一个数量级的辐射强度，用于在存在碳的情况下将前面所描述的沉淀物清除。

相对于此，对于传统的清除方法来说，需要处于所述燃烧室窗口120的材料的破坏阈值的数量级中的辐射强度。

此外，按本发明已经发现，在所述激光火花塞100的运行过程中降低处于所述燃烧室窗口120的区域中的空间区域210或者说处于其中的流体的温度这种做法有利于碳或者说碳化合物在所述燃烧室窗口120的表面120a的区域中沉淀。因此，通过这种方式，尤其可以有利地从在激光点火的过程中产生的燃烧产物中提取对于有效的清除过程来说必要的碳化合物。

因此，所述按本发明的激光火花塞100拥有用于对处于朝向燃烧室的端部区域100a中的空间区域210和/或处于所述空间区域210中的介质比如燃烧废气进行冷却的机构130。

在一种特别优选的实施方式中，所述用于进行冷却的机构130具有至少一个冷却体131，该冷却体131如可以从图1中看出的一样在此大致构造为圆环形并且优选以不能松开的方式与所述激光火花塞100的壳体101在其朝向燃烧室的端部区域100a中相连接。

所述冷却体131优选包括拥有较大的导热能力尤其拥有在常温下每开尔文和米大约90瓦特或更大的导热能力的材料；比如为此可以使用镍或者镍合金。

按本发明，有利地通过以下方式对存在于所述端部区域100a或者说空间区域210中的介质进行特别均匀的冷却，即所述冷却体131包围着尤其同心地包围着所述激光火花塞100的光学的轴线OA。

除了前面所描述的有利的冷却作用之外，所述按本发明的冷却体131根据另一种发明变型方案同时用于对所述燃烧室窗口120的表面120a进行蔽护以防止受到在所述发火点ZP的区域中产生的燃烧颗粒的影响，所述燃烧颗粒在其碰到所述表面120a时可能会损坏所述燃烧室窗口120。为此，所述冷却体131基本上构造为圆环形，所述冷却体131的在其朝向燃烧室的端面131a的区域中的内直径D1最大为借助于所述激光火花塞100来辐射的激光束10的辐射直径DS（图2a）的大约百分之105到大约百分之200。

为了有效地导出输入到所述冷却体131中的热能，可以在所述激光火花塞100的壳体101中设置导热机构140，所述导热机构能够将来自所述激光火花塞100的朝向燃烧室的端部区域100a的热量朝背向燃烧室的端部区域100b的方向导出。优选所述导热机构140具有镍和/或铜和/或银衬层142或者说由相应的合金构成的衬层，所述衬层要么直接布置在所述激光火花塞100的内部空间中要么也可以直接集成到所述激光火花塞100的壳体101的至少一个壁体区段中。

所述导热机构140也可以具有基于流体的系统，尤其也可以具有一根或者多根热管或类似器件。

所述冷却体131优选以不能松开的方式尤其材料连接地如此与所述激光火花塞100的壳体101相连接，使得其与所述导热机构140或者说衬层142处于良好的热接触之中。

所述导热机构140具有接触区域141，该接触区域141在所述激光火花塞100在内燃机的气缸头（未示出）中的安装位置中与所述气缸头之间建立良好的热接触，从而可以有效地将输入到所述激光火花塞100中尤其输入到所述冷却体131中的热量导出。

图2a示出了所述冷却体131的朝向燃烧室的端面131a（图1）的俯视图。从图2a中可以看出，所述冷却体131的在端面131a的区域中（图1）的内直径D1仅仅微不足道地大于所述激光束20的辐射直径DS，从而有效地防止所述燃烧室窗口120的表面120a受到可能来自所述燃烧室200的发火点ZP或者其它区域的颗粒的影响。所述内直径D1根据一种实施方式最大为所述辐射直径DS的大约百分之105到大约百分之200。

特别优选所述冷却体131的在朝向燃烧室的端面131a的区域中（图1）的内直径D1小于所述冷却体131的在该冷却体131的背向燃烧室的端面的区域中的内直径D2，从而可以有效地对空间210进行冷却并且有利地使所述冷却体131的内部区域与由所述激光火花塞100辐射的激光束20形状匹配。

图2b示出了按本发明的冷却体131的另一种变型方案的俯视图，在该冷却体上总共设置了四条径向延伸的缝隙131’，所述缝隙能够改进所述燃烧室200（图1）与被所述冷却体131包围的空间区域210之间的流体连接，从而能够用新鲜气体对所述空间区域210进行有效的扫气。由此可以有利地防止在所述燃烧室窗口120的表面120a的区域中构成剩余气垫，这有助于所述燃烧室窗口120的表面120a不会通过火焰的提早猝熄而被炭烟弄脏。

作为所述缝隙131’的替代方案，也可以在所述冷却体131中设置一个或者多个孔（未示出），用于能够改进所述燃烧室200与所述空间区域210之间的流体交换。

图3示出了所述按本发明的方法的一种实施方式的流程图。

在第一步骤300中，对所述空间区域210或者说处于其中的介质进行冷却，优选将其冷却到大约低于350℃直至大约低于300℃的温度。由此在所述燃烧室窗口120的表面120a的区域中有利地产生碳或者说碳化合物的沉淀物。

这些碳沉淀物能够使人更为容易地将所述燃烧室窗口120清理干净，这在另一个步骤310中通过以下方式来解决，即向所述燃烧室窗口120的表面120a加载具有较高的功率密度或者说能量密度的激光脉冲20。

所需要的用于进行清除过程的激光束密度一般取决于沉淀材料。尤其无机的其中来自机油及类似物质的沉淀物只能用很高的辐射强度来清除，所述辐射强度对于传统的清洗方法来说接近于所述燃烧室窗口120的材料的破坏阈值。按本发明能够将碳加入到所述燃烧室窗口120的寄生的沉淀物中，这能够有利地降低为进行清除所必需的辐射强度。尤其含CaSO₄的沉淀物通过按本发明添加碳化合物这种方式来如此得到预处理，从而有利地还仅仅需要大约小一个数量级的用于清洗用的激光束的辐射强度。

一般在使用本发明构思的情况下，所述激光火花塞100的朝向燃烧室的端部区域100a的设计随后可以得到优化，从而可以对所述空间区域210进行有效的冷却，用于在所述燃烧室窗口120的区域中产生半燃烧及未燃烧的碳氢化合物。无机的燃烧残余物的在所述表面120上形成的沉淀物中的从中产生的碳份额能够有利地借助于激光束20在不同时破坏所述燃烧室窗口120的情况下进行有效的清除。

尤其在大约300℃到大约350℃的温度范围内，碳或者说碳化合物可以特别有效地沉积在所述燃烧室窗口表面120a上。

所述按本发明的用于进行冷却的机构130能够有效地降低所述燃烧室窗口120之前的空间区域210中的温度，从而在激光点火时有控制地熄灭所述燃烧室窗口120前面的火焰。除此以外，重要的是，将足够量的新鲜混合物输送给所述燃烧室窗口120，以便在所述燃烧室窗口120的前面不会出现剩余气垫，这通过火焰的提早猝熄而防止窗口120被炭烟弄脏。

所述剩余气垫的形成可以通过所述冷却体131中的按本发明设置的缝隙131’（图2b）并且/或者通过所述冷却体131中的其它的孔来应对。

但是同时应该注意，避免来自燃烧室200的流体太过强烈地入流到所述燃烧室窗口120上，以便没有来自燃烧过程的颗粒沉积在所述燃烧室窗口120上。这能够通过所述冷却体131的在图1中示范性地绘出的几何形状来实现。

所述燃烧室窗口120的在激光火花塞100中的安装位置关于所述冷却体131的端面131a（图1）后移，这能够以特别简单的方式降低所述燃烧室窗口120的区域中的温度。

所述按本发明的激光火花塞100优选用在机动车的内燃机和静止的（大型）燃气发动机上或者也用在（燃气）涡轮机上。

Claims (10)

1.尤其用于机动车的内燃机的激光火花塞（100），具有布置在朝向燃烧室的端部区域（100a）中的燃烧室窗口（120），其特征在于用于对处于所述燃烧室窗口（120）的区域中的空间区域（210）和/或处于所述空间区域（210）中的介质进行冷却的机构（130）。

2.按权利要求1所述的激光火花塞（100），其特征在于，用于进行冷却的机构（130）具有冷却体（131），该冷却体包括具有较大的导热能力尤其具有在常温下每开尔文和米大约90瓦特或更大的导热能力的材料。

3.按权利要求2所述的激光火花塞（100），其特征在于，所述冷却体（131）具有镍或者镍合金，尤其基本上完全由镍或者镍合金构成。

4.按前述权利要求中任一项所述的激光火花塞（100），其特征在于，用于进行冷却的机构（130）尤其至少一个冷却体（131）包围尤其同心地包围所述激光火花塞（100）的光学的轴线（OA）。

5.按权利要求4所述的激光火花塞（100），其特征在于，所述冷却体（131）基本上构造为圆环形，并且该冷却体（131）的在该冷却体（131）的朝向燃烧室的端面（131a）的区域中的内直径（D1）最大为借助所述激光火花塞（100）所辐射的激光束（20）的辐射直径（DS）的大约百分之105到大约百分之200。

6.按权利要求4到5中任一项所述的激光火花塞（100），其特征在于，所述冷却体（131）的在该冷却体（131）的朝向燃烧室的端面（131a）的区域中的内直径（D1）小于该冷却体（131）的在该冷却体（131）的背向燃烧室的端面的区域中的内直径（D2）。

7.按前述权利要求中任一项所述的激光火花塞（100），其特征在于，设置了导热机构（140），所述导热机构能够将来自所述激光火花塞（100）的朝向燃烧室的端部区域（100a）的热量朝背向燃烧室的端部区域（100b）的方向导出，其中所述导热机构（140）优选布置在所述激光火花塞（100）的内部空间中并且/或者直接集成到所述激光火花塞（100）的壳体（101）的至少一个壁体区段中。

8.按权利要求7所述的激光火花塞（100），其特征在于，用于进行冷却的机构（130）与所述导热机构（140）处于热接触之中。

9.用于运行尤其用于机动车的内燃机的激光火花塞（100）的方法，该激光火花塞具有布置在朝向燃烧室的端部区域（100a）中的燃烧室窗口（120），其特征在于，对处于所述燃烧室窗口（120）的区域中的空间区域（210）和/或处于所述空间区域（210）中的介质进行冷却，优选冷却到大约低于350℃直至大约低于300℃的温度。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，将布置在所述激光火花塞（100）的朝向燃烧室的端部区域（100a）中的机构（130）用于进行冷却。

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