DE102012220143B4

DE102012220143B4 - Laserzündvorrichtung

Info

Publication number: DE102012220143B4
Application number: DE102012220143.2A
Authority: DE
Inventors: Shingo Morishima; Kenji Kanehara; Yuya Abe; Akimitsu Sugiura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: US9027523B2; US20130112164A1; DE102012220143A1; JP5873689B2; JP2013096392A

Abstract

Laserzündvorrichtung (1) mit:einer Erregungslichtquelle (50), die dazu konfiguriert ist, ein Erregungslicht auszugeben;einem einbringenden Optikelement (21), das dazu konfiguriert ist, den Strahldurchmesser des von der Erregungslichtquelle (50) ausgegebenen Erregungslichts auf einen vorbestimmten Wert zu regeln;einem Laserresonator (18), der dazu konfiguriert ist, nach dem Einbringen des im Strahldurchmesser regulierten Erregungslichts dorthin durch das einbringende Optikelement (21) ein gepulstes Laserlicht zu erzeugen und das erzeugte, gepulste Laserlicht auszugeben;einem vergrößernden Optikelement (15), das dazu konfiguriert ist, den Strahldurchmesser des von dem Laserresonator (18) ausgegebenen gepulsten Laserlichts zu vergrößern und das im Strahldurchmesser vergrö-ßerte, gepulste Laserlicht auszugeben;einem fokussierenden Optikelement (11), das dazu konfiguriert ist, das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht, das von dem vergrößernden Optikelement (15) ausgegeben wird, auf einen vorbestimmten Brennpunkt in einer Brennkammer (400) einer Kraftmaschine zu fokussieren, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer (400) gezündet wird;einem Optikfensterbauteil (12), das an einer Brennkammerseite des fokussierenden Optikelements (11) vorgesehen ist, um das fokussierende Optikelement (11) zu schützen; undeinem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse, das in sich das einbringende Optikelement (21), den Laserresonator (18), das vergrößernde Optikelement (15), das fokussierende Optikelement (11) und das Optikfensterbauteil (12) aufnimmt, wobeidas Gehäuse einen Außengewindeabschnitt (104) zum Befestigen des Gehäuses und einen hexagonalen Abschnitt (105) zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts (104) hat,zwischen einem brennkammerseitigen Ende des Außengewindeabschnitts (104) und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts (105) ein Nicht-Optikelementanordnungsbereich (L1) definiert ist, in dem keines von dem einbringenden Optikelement (21), dem vergrößernden Optikelement (15) und dem fokussierenden Optikelement (11) angeordnet ist, undan einem von einem brennkammerseitigen Ende und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs (L1) eine Referenzfläche ausgebildet ist, die sich senkrecht zu einer Achsrichtung des Gehäuses erstreckt, undeines von dem einbringenden Optikelement (21), dem vergrößernden Optikelement (15) und dem fokussierenden Optikelement (11) derart in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass es von außerhalb des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs (L1) elastisch gegen die Referenzfläche gedrückt wird.

Description

QUERBEZUG AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2011-243286 , die am 7. November 2011 eingereicht wurde.
HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserzündvorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine, die in einem begrenzten Installationsraum, bspw. in einem Motorkraftfahrzeug installiert ist.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
In den letzten Jahren wurden verschiedene Laserzündvorrichtungen zum Zünden von Brennkraftmaschinen, die schwierig zu zünden sind, vorgeschlagen; diese Kraftmaschinen beinhalten bspw. stark aufgeladene Kraftmaschinen, stark komprimierte Kraftmaschinen und Naturgaskraftmaschinen mit großen Zylinderinnendurchmessern. Die Laserzündvorrichtungen sind im Allgemeinen dazu konfiguriert, (1) ein durch eine Erregungslichtquelle (bspw. eine Blitzlampe oder einen Halbleiterlaser) erzeugtes Erregungslicht auf einen Laserresonator (oder einen optischen Resonator), der ein Lasermedium und einen Q-Switch aufweist, zu strahlen, wodurch der Resonator dazu gebracht wird, ein gepulstes Laserlicht zu erzeugen, das eine kurze Impulsbreite und eine hohe Energiedichte hat, und (2) das gepulste Laserlicht unter Verwendung eines optischen Elements (bspw. einer fokussierenden Linse) auf einen Brennpunkt (oder einen Zündungspunkt) in einer Brennkammer der Kraftmaschine zu fokussieren, um einen Flammenkern zu erzeugen, der eine hohe Energiedichte hat, um dadurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer zu zünden.
Beispielsweise offenbart die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2006 - 220 091 A (die im Weiteren einfach als Patentdruckschrift 1 bezeichnet ist) eine lasergezündete Kraftmaschine. Die Kraftmaschine hat sowohl ein Festkörperziel, das derart an der oberen Fläche eines Kolbens der Kraftmaschine vorgesehen ist, dass es einer Brennkammer der Kraftmaschine zugewandt ist, als auch ein gasförmiges Ziel, das in der Brennkammer vorgesehen ist. Die Kraftmaschine hat zudem ein Steuergerät, das die Bestrahlungszeitgebung eines Laserstrahls während eines Starts oder eines Niederlastbetriebs der Kraftmaschine auf eine vorbestimmte Zeitgebung festlegt.
Die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2007 - 506 031 A (die im weiteren Verlauf einfach als Patentdruckschrift 2 bezeichnet ist) offenbart eine Brennkraftmaschine, die mit einer Laserzündvorrichtung ausgestattet ist. Die Laserzündvorrichtung hat eine Pumplichtquelle, einen Laserresonator, der einen Festkörperlaserkristall aufweist, um einen Laserstrahl zu erzeugen, einen Q-Switch zum Erhöhen der Energiedichte des Laserstrahls, zumindest einen Ausgabespiegel und eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls in eine Brennkammer der Kraftmaschine. Außerdem gibt es ein englisches Äquivalent zu der Patentdruckschrift 1, dessen Veröffentlichungsnummer US 2007 / 0 064 746 A1 lautet.
Die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2010 - 537 119 A (die im weiteren Verlauf einfach als Patentdruckschrift 3 bezeichnet ist) offenbart eine Laserzündungsvorrichtung, die einen laseraktiven Festkörper, ein Brennkammerfenster und ein rohrförmiges Gehäuse hat. Das Brennkammerfenster ist in einer gasdichten, druckresistenten und temperaturresistenten Art an dem Gehäuse angeschlossen. Außerdem hat ein englisches Äquivalent zu der Patentdruckschrift 3 die Veröffentlichungsnummer US 2010 / 0 263 615 A1 .
Außerdem haben die existierenden Laserzündungsvorrichtungen im Allgemeinen die optischen Elemente (bspw. eine Fokussierungslinse und eine Vergrößerungslinse), die in einem rohrförmigen Gehäuse (oder Einhausung) angeordnet sind, wie dies in 1 von Patendruckschrift 1 und in 6 von Patentdruckschrift 2 gezeigt ist, und das Gehäuse ist an dem Zylinderkopf der Kraftmaschine befestigt, indem ein Außengewindeabschnitt in ein in dem Zylinderkopf ausgebildetes Innengewindeloch eingeschraubt wird.
Daher kann während des Einschraubens des Außengewindeabschnitts des Gehäuses in das Innengewindeloch des Zylinderkopfs durch das Einschraubdrehmoment eine Torsion des Gehäuses verursacht werden, wodurch mechanische Spannungen in die in dem Gehäuse aufgenommenen optischen Elemente eingebracht werden. Folglich können die optischen Achsen der optischen Elemente infolge der mechanischen Spannungen verformt werden, wodurch Probleme hervorgerufen werden, etwa dass es schwierig gemacht wird, den Laserstrahl auf einen gewünschten Zündpunkt zu fokussieren, was zu einer Variation der Reflektion des einfallenden Lichts führt und somit zu einer Variation in der Ausgabeenergie. Als ein Ergebnis kann das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch die Laserzündvorrichtung instabil werden.
Ferner wird in dem Fall der in der Patentdruckschrift 1 offenbarten lasergezündeten Kraftmaschine, das gepulste Laserlicht, das durch den sich außerhalb des Gehäuses befindlichen Laserresonator erzeugt wird, zuerst über eine optische Faser zu der fokussierenden Linse übertragen. Dann fokussiert die in dem Gehäuse angeordnete fokussierende Linse das gepulste Laserlicht in die Brennkammer der Kraftmaschine. Da in diesem Fall nur die fokussierende Linse und ein Optikfensterbauteil zum Schutz der fokussierenden Linse in dem Gehäuse aufgenommen sind, ist es möglich, die Struktur des Gehäuses einfacher zu gestalten, wodurch die Montage des Gehäuses an dem Zylinderkopf erleichtert wird. Jedoch kann andererseits der während der Übertragung des gepulsten Laserlichts über die optische Faser auftretende Energieverlust so groß sein, dass dies das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs instabil werden lässt.
In dem Fall der in der Patentdruckschrift 2 offenbarten Laserzündvorrichtung sind die Pumpdioden, die zusammen die Pumplichtquelle bilden, so angeordnet, dass sie den Außenumfang des säulenförmigen Festkörperlaserkristalls umgeben, der in dem Laserresonator enthalten ist. Die Pumpdioden strahlen das Erregungslicht zu der Seitenfläche des Festkörperlaserkristalls aus, wodurch das gepulste Laserlicht in der Richtung einer Längsachse des Festkörperlaserkristalls ausgelassen wird. Daher kann in diesem Fall die radiale Abmessung des Laserresonators beträchtlich größer als in dem Fall werden, in dem das Erregungslicht zu derjenigen Endfläche des Festkörperlaserkristalls ausgestrahlt wird, die sich in der Richtung der Längsachse des Festkörperlaserkristalls an der proximalen Seite (d.h. an der der Brennkammer entgegengesetzten Seite) befindet.
Außerdem ist ferner zum Kühlen des Festkörperlaserkristalls um die Pumpdioden herum eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die aus Peltierkühlelementen und zwei Flüssigkeitskühlkreislaufsystemen besteht. Wie dies in 1 der Patentdruckschrift 2 gezeigt ist, ist als ein Ergebnis an dem proximalseitigen Ende des länglichen, rohrförmigen Gehäuses eine Festkörperlasereinheit ausgebildet, die eine sehr große radiale Abmessung hat. Wenn lediglich ein begrenzter Installationsraum über dem Zylinderkopf vorhanden ist, kann es dementsprechend schwierig sein, die Laserzündvorrichtung an dem Zylinderkopf zu montieren.
Insbesondere gab es in den letzen Jahren eine Tendenz dazu, die Durchmesser von Kerzenlöchern (d.h., den in Zylinderköpfen von Kraftmaschinen ausgebildeten Durchgangslöchern zum Montieren von Zündkerzen in den Zylinderköpfen) zu minimieren. Somit gibt es ebenso eine Nachfrage zum Minimieren der Abmessungen der Zündkerzen.
Dementsprechend ist es zudem erforderlich, die Abmessungen von Laserzündvorrichtungen zu minimieren. Jedoch ist es mit der Konfiguration der in Patentdruckschrift 2 offenbarten Laserzündvorrichtung schwierig, die vorstehend erwähnten Anforderungen zu erfüllen.
Wenn außerdem bei der großen Festkörperlasereinheit, die an dem proximalen Ende des länglichen, rohrförmigen Gehäuses ausgebildet ist, eine externe Schwingung oder ein Stoß auf die Laserzündvorrichtung übertragen wird, dann wird das an dem Gehäuse aufgebrachte Trägheitsmoment groß. Folglich kann die die Festkörperlasereinheit und die fokussierende Linse verbindende optische Achse verzerrt werden, wodurch es unmöglich wird, das gepulste Laserlicht auf einen geeigneten Zündungspunkt in der Brennkammer zu fokussieren, und somit wird das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs instabil gemacht.
In dem Fall der in Patentdruckschrift 3 offenbarten Laserzündvorrichtung hat das rohrförmige Gehäuse sowohl einen Laserresonator als auch eine darin aufgenommene fokussierende Linse. Der Laserresonator besteht aus einem Eingangsspiegel, dem laseraktiven Festkörper, einem Q-Switch und einem Ausgangsspiegel. Andererseits befindet sich die Pumplichtquelle (oder die Erregungslichtquelle) außerhalb des Gehäuses. Wenn das durch die Pumplichtquelle erzeugte Pumplicht (oder Erregungslicht) von der proximalen Seite auf den Laserresonator ausgestrahlt wird, dann wird die Temperatur des laseraktiven Festkörpers ansteigen, wodurch der Zyklus des durch den Laserresonator erzeugten, gepulsten Laserlichts variiert. Da außerdem infolge der Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Gehäuse und dem laseraktiven Festkörper in dem laseraktiven Festkörper Zugspannungen oder Druckspannungen eingebracht werden, wird dadurch die optische Achse des gepulsten Laserlichts verzerrt. Als ein Ergebnis kann es unmöglich werden, das gepulste Laserlicht auf einen geeigneten Zündungspunkt in der Brennkammer zu fokussieren, was dazu führt, dass das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs instabil wird.
Wie in 2 der Patentdruckschrift 3 gezeigt ist, ist zum Abtrennen aller in dem Gehäuse aufgenommenen Komponenten von der Brennkammer das Brennkammerfenster, das aus einem wärmewiderstandsfähigen Glas gefertigt ist, an eine distalseitige Endfläche (d.h. eine brennkammerseitige Endfläche) des metallenen Gehäuses bspw. durch Löten oder einen Keramikklebstoff gefügt. Jedoch befindet sich die zwischen dem Brennkammerfenster und dem Gehäuse ausgebildete Fügestelle innerhalb der Brennkammer und ist somit direkt dem Luft-Kraftstoff-Gemisch ausgesetzt, dessen Druck und Temperatur sich stark ändern. Selbst wenn die Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Gehäuse, dem Brennkammerfenster und dem Fügestellenmaterial klein gemacht ist und ein flächenaktives Material dazwischen verwendet wird, ist es immer noch möglich, dass sich das Fügestellenmaterial von dem Gehäuse und dem Brennkammerfenster infolge einer altersbezogenen Verschlechterung abschält. Folglich kann sich das Brennkammerfenster von dem Gehäuse lösen, sodass es in die Brennkammer fällt, wodurch die Kraftmaschine beschädigt wird. Das heißt, die Laserzündvorrichtung kann einen Mangel an Zuverlässigkeit haben.
Außerdem hat das Gehäuse in einem anderen Ausführungsbeispiel von Patentdruckschrift 3 einen zweiteiligen Aufbau, der aus einer Innenschale und einer Außenschale besteht. Die Innenschale hat einen Vorsprung, der an ihrem distalseitigen Ende ausgebildet ist. Der Außenumfangsabschnitt des Brennkammerfensters, das im Wesentlichen die Form einer ebenen Platte hat, ist zwischen der Innenschale und dem Vorsprung der Außenschale gehalten (siehe 3 der Patentdruckschrift 3). Folglich kann verhindert werden, dass sich das Brennkammerfenster von dem Gehäuse löst und somit in die Brennkammer fällt. Jedoch ist in diesem Fall das Brennkammerfenster unvermeidbar von dem Vorsprung der Außenschale des Gehäuses in Richtung der proximalen Seite (d.h. in der Axialrichtung von der Brennkammer weg) vertieft, wodurch eine Stufe zwischen dem Brennkammerfenster und dem Vorsprung ausgebildet wird.
Wenn der Strom eines Luft-Kraftstoff-Gemischs oder ein Kraftstoffstrahl in der Brennkammer die äußere Fläche des Brennkammerfensters passiert, dann kann in der Nähe der zwischen dem Brennkammerfenster und dem Vorsprung des Gehäuses ausgebildeten Stufe ein Wirbelstrom erzeugt werden, was dazu führt, dass sich unverbrannter Kraftstoff oder Ruß, der in dem Strom enthalten ist, an der Innenseite der Stufe ablagert. Ferner kann sich die Ablagerung des unverbrannten Kraftstoffs oder des Rußes allmählich von dem Außenumfang zu der Mitte der äußeren Fläche des Brennkammerfensters ausdehnen, was dazu führt, dass die optische Achse des gepulsten Laserlichts verzerrt wird, und es daher ist unmöglich gemacht wird, das normale Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durchzuführen.
Außerdem kann ein Zündfehler infolge der Ablagerung des unverbrannten Kraftstoffs oder des Rußes an der äußeren Fläche des Optikfensterbauteils nicht nur bei der in Patentdruckschrift 3 offenbarten Laserzündvorrichtung hervorgerufen werden, sondern auch in anderen bestehenden Laserzündvorrichtungen.
Die Druckschriften AT 508 983 A1 , AT 508 801 A1 und DE 10 2009 000 958 A1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die oben diskutierten Probleme im Stand der Technik zu lösen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die obige Aufgabe wird durch eine Laserzündvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine Laserzündvorrichtung vorgesehen, die eine Erregungslichtquelle, ein einbringendes Optikelement, einen Laserresonator, ein vergrö-ßerndes Optikelement, ein fokussierendes Optikelement, ein Optikfensterbauteil und ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse aufweist. Die Erregungslichtquelle ist so konfiguriert, dass sie ein Erregungslicht ausgibt. Das einbringende Optikelement ist so konfiguriert, dass es den Strahldurchmesser des von der Erregungslichtquelle ausgegebenen Erregungslichts auf einen vorbestimmten Wert regelt und das im Strahldurchmesser geregelte Erregungslicht in den Laserresonator einbringt. Der Laserresonator ist dazu konfiguriert, nach dem Einbringen des im Stahlmesser regulierten Erregungslichts durch das einbringende Optikelement dorthin ein gepulstes Laserlicht zu erzeugen und das erzeugte, gepulste Laserlicht auszugeben. Das vergrößernde Optikelement ist dazu konfiguriert, den Strahldurchmesser des von dem Laserresonator ausgegebenen gepulsten Laserlichts zu vergrößern und das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht auszugeben. Das fokussierende Optikelement ist dazu konfiguriert, das von dem vergrößernden Optikelement ausgegebene, im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht auf einen vorbestimmten Brennpunkt in einer Brennkammer einer Kraftmaschine zu fokussieren, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer gezündet wird. Das Optikfensterbauteil ist an einer Brennkammerseite des fokussierenden Optikelements vorgesehen, um das fokussierende Optikelement zu schützen. Das Gehäuse nimmt in sich das einbringende Optikelement, den Laserresonator, das vergrößernde Optikelement, das fokussierende Optikelement und das Optikfensterbauteil auf. Das Gehäuse hat einen Außengewindeabschnitt zum Befestigen des Gehäuses und einen hexagonalen Abschnitt zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts. Zwischen einem brennkammerseitigen Ende des Außengewindeabschnitts und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts ist ein Nicht-Optikelementanordnungsbereich definiert, in dem keines von dem einbringenden Optikelement, dem vergrößernden Optikelement und dem fokussierenden Optikelement angeordnet ist. An einem brennkammerseitigen Ende und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs ist eine Referenzfläche ausgebildet, die sich senkrecht zu einer Achsrichtung des Gehäuses erstreckt. Eines von dem einbringenden Optikelement, dem vergrößernden Optikelement und dem fokussierenden Optikelement ist derart in dem Gehäuse aufgenommen, dass es von außerhalb des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs elastisch gegen die Referenzfläche gedrückt wird.
Wenn bei der vorstehenden Konfiguration der hexagonale Abschnitt des Gehäuses zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts gedreht wird, dann wird weder die an dem Außengewindeabschnitt aufgebrachte axiale Festschraublast noch das an dem hexagonalen Abschnitt aufgebrachte Festschraubdrehmoment auf das einbringende Optikelement, das vergrößernde Optikelement und das fokussierende Optikelement übertragen. Folglich kann das Auftreten sowohl der Verzerrung der optischen Achsen der Optikelemente als auch der Fehlausrichtung zwischen den optischen Achsen der Optikelemente während des Befestigens des Gehäuses verhindert werden. Da außerdem eines von dem einbringenden Optikelement, dem vergrößernden Optikelement und dem fokussierenden Optikelement elastisch gegen die Referenzfläche gedrückt wird, kann der Abstand zwischen einem Brennpunkt dieses Optikelements und der Referenzfläche konstant sein.
Bei einer weiteren Implementierung ist der Außengewindeabschnitt ein erster Außengewindeabschnitt, der hexagonale Abschnitt ist ein erster hexagonaler Abschnitt und der Nicht-Optikelementanordnungsbereich ist ein erster Nicht-Optikelementanordnungsbereich und die Referenzfläche ist eine erste Referenzfläche. Das Gehäuse hat einen Doppelaufbau, der aus einem Außengehäuse und einem Innengehäuse besteht, das teilweise in dem Außengehäuse aufgenommen ist. Sowohl das Außen- als auch das Innengehäuse hat eine im Wesentlichen zylindrische Form. Der erste Außengewindeabschnitt ist an einem Außenumfang des Außengehäuses ausgebildet, um das Außengehäuse an einem Zylinderkopf der Kraftmaschine zu befestigen. Der erste hexagonale Abschnitt ist zudem an dem Außenumfang des Außengehäuses ausgebildet, um den ersten Außengewindeabschnitt in einem in dem Zylinderkopf ausgebildeten Innengewindeloch festzuschrauben. Der erste hexagonale Abschnitt ist an der Gegen-Brennkammerseite des ersten Außengewindeabschnitts positioniert. Der erste Nicht-Optikelementanordnungsbereich ist zwischen dem brennkammerseitigen Ende des ersten Außengewindeabschnitts und dem gegen-brennkammerseitigen Ende des ersten hexagonalen Abschnitts definiert. Ein zweiter Außengewindeabschnitt ist an einem Außenumfang des Innengehäuses zum Fixieren des Innengehäuses an dem Außengehäuse ausgebildet. Der zweite Außengewindeabschnitt ist an der Gegen-Brennkammerseite des ersten hexagonalen Abschnitts positioniert. Ein zweiter hexagonaler Abschnitt ist zudem an dem Außenumfang des Innengehäuses ausgebildet, um den zweiten Außengewindeabschnitt in einem in dem Außengehäuse ausgebildeten Innengewindeabschnitt einzuschrauben. Der zweite hexagonale Abschnitt ist an der Gegen-Brennkammerseite des zweiten Außengewindeabschnitts positioniert. Zwischen einem brennkammerseitigen Ende des zweiten Außengewindeabschnitts und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des zweiten hexagonalen Abschnitts ist ein zweiter Nicht-Optikelementanordnungsbereich definiert, in dem keines von dem einbringenden Optikelement, dem vergrößernden Optikelement und dem fokussierenden Optikelement angeordnet ist. An dem brennkammerseitigen Ende des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs ist die erste Referenzfläche vorgesehen. An der Brennkammerseite der ersten Referenzfläche ist in dem Außengehäuse ein erster Optikelementaufnahmeraum ausgebildet, in dem das fokussierende Optikelement aufgenommen ist, sodass es elastisch gegen die erste Referenzfläche gedrückt wird. An dem gegen-brennkammerseitigen Ende des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs ist eine zweite Referenzfläche vorgesehen, die sich senkrecht zu der Achsrichtung des Gehäuses erstreckt. An der Gegen-Brennkammerseite der zweiten Referenzfläche ist in dem Außengehäuse ein zweiter Optikelementaufnahmeraum ausgebildet, in welchem das vergrößernde Optikelement so aufgenommen ist, dass es elastisch gegen die zweite Referenzfläche gedrückt wird. An dem gegen-brennkammerseitigen Ende des zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs ist eine dritte Referenzfläche vorgesehen, die sich senkrecht zu der Achsrichtung des Gehäuses erstreckt. An der Gegen-Brennkammerseite der dritten Referenzfläche ist in dem Innengehäuse ein dritter Optikelementaufnahmeraum ausgebildet, in welchem das einbringende Optikelement so aufgenommen ist, dass es elastisch gegen die dritte Referenzfläche gedrückt wird. In dem zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereich ist in dem Innengehäuse ein Resonatoraufnahmeraum ausgebildet, in welchem der Laserresonator axial verschiebbar aufgenommen ist. Ein elastisches Element ist zwischen dem Laserresonator und dem vergrößernden Optikelement angeordnet, sodass eine gegen-brennkammerseitige Endfläche des Laserresonators elastisch gegen eine brennkammerseitige Endfläche des einbringenden Optikelements gedrückt wird und eine brennkammerseitige Endfläche des vergrößernden Optikelements elastisch gegen die zweite Referenzfläche gedrückt wird.
Mit der obigen Konfiguration ist es während des Befestigens des Außengehäuses an dem Zylinderkopf sowie während des Befestigens des Innengehäuses an dem Außengehäuse möglich, das Auftreten einer Verzerrung aller optischen Achsen des einbringenden Optikelements, des vergrößernden Optikelements und des fokussierenden Optikelements wie der Fehlausrichtung zwischen den optischen Achsen der Optikelemente zu verhindern. Da außerdem das einbringende Optikelement, das vergrößernde Optikelement und das fokussierende Optikelement jeweils gegen die erste, die zweite und die dritte Referenzfläche elastisch gedrückt werden, ist es möglich, die optischen Abstände zwischen den Optikelementen konstant zu halten.
Es ist vorzuziehen, dass das Optikfensterbauteil derart in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass eine brennkammerseitige Endfläche des Optikfensterbauteils bündig mit einer brennkammerseitigen Endfläche des Gehäuses ist. Alternativ ist es auch vorzuziehen, dass das Optikfensterbauteil derart in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass die brennkammerseitige Endfläche des Optikfensterbauteils von der brennkammerseitigen Endfläche des Gehäuses in Richtung der Brennkammer vorragt.
Wenn in den obigen Fällen der Strom des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer die brennkammerseitige Endfläche des Optikfensterbauteils passiert, ist es möglich, dass der Strom unerwünschte Stoffe (bspw. unverbrannten Kraftstoff oder Ruß), die an der brennkammerseitigen Endfläche des Optikfensterbauteils angehaftet sind, wegbläst, wodurch die brennkammerseitige Endfläche gereinigt wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass die optische Achse des gepulsten Laserlichts durch Ablagerungen der unerwünschten Stoffe an der brennkammerseitigen Endfläche des Optikfensterbauteils verzerrt wird, wodurch ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht sichergestellt wird.
In der Laserzündvorrichtung kann die Referenzfläche an dem brennkammerseitigen Ende des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs ausgebildet sein. Das fokussierende Optikelement kann derart in dem Gehäuse aufgenommen sein, dass es an der Brennkammerseite der Referenzfläche positioniert ist. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass die Laserzündvorrichtung ferner Mittel zum elastischen Drücken des fokussierenden Optikelements gegen die Referenzfläche aufweist. Das elastisch drückende Mittel kann eine Seitenfläche des Optikfensterbauteils umwickeln und drücken, wobei das fokussierende Optikelement in Achsrichtung zwischen dem Optikfensterbauteil und der Referenzfläche angeordnet ist, sodass eine Komponente der Drückkraft des Mittels an der Seitenfläche des Optikfensterbauteils in der von der Brennkammer wegzeigenden Achsrichtung wirkt.
Ferner kann das elastisch drückende Mittel aus einem gebördelten Abschnitt gebildet sein, der in dem Gehäuse an dem brennkammerseitigen Ende des Gehäuses ausgebildet ist.
Alternativ kann zwischen dem Optikfensterbauteil und dem fokussierenden Optikelement ein im Wesentlichen zylindrisches, elastisches Element zwischengeordnet sein, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse hat. Das elastisch drückende Mittel kann aus einem gebördelten Abschnitt aufgebaut sein, der in dem elastischen Element an dem brennkammerseitigen Ende des elastischen Elements ausgebildet ist.
Die Seitenfläche des Optikfensterbauteils kann eine kegelstumpfartige Form haben, die in Richtung der Brennkammer konisch verläuft.
Alternativ kann die Seitenfläche des Optikfensterbauteils so gestuft sein, dass sie einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser an der Brennkammerseite und einen Abschnitt mit großem Durchmesser an der Gegen-Brennkammerseite aufweist; der Abschnitt mit großem Durchmesser hat einen größeren Durchmesser als der Abschnitt mit kleinem Durchmesser.
Es ist ferner vorzuziehen, dass das Gehäuse einen durch Wärme verformten Abschnitt hat, der in Achsrichtung zwischen der Referenzfläche und dem elastisch drückenden Mittel positioniert ist. Der durch Wärme verformte Abschnitt kann ausgebildet werden, indem ein dünnwandiger Abschnitt des Gehäuses in Achsrichtung gedrückt wird, während der dünnwandige Abschnitt erwärmt wird, sodass er dauerhaft verformt wird; der dünnwandige Abschnitt ist zwischen der Referenzfläche und dem elastisch drückenden Mittel vorgesehen und hat eine kleinere Wanddicke als andere Abschnitte des Gehäuses.
Mit dem durch Wärme verformten Abschnitt wird in dem Gehäuse eine axiale Druckspannung erzeugt. Wenn das Gehäuse durch die durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer erzeugte Wärme ausgedehnt wird, dann ist es möglich, die Abnahme der Drückkraft (oder der Umwicklungskraft) des elastisch drückenden Mittels infolge der thermischen Ausdehnung des Gehäuses mit der Achskraft des durch Wärme verformten Abschnitts zu kompensieren, wodurch das Optikfensterbauteil und das fokussierende Optikelement zusammen elastisch gegen die Referenzfläche gepresst gehalten werden. Als ein Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass die optische Achse des gepulsten Laserlichts infolge des Lösens des fokussierenden Optikelements verzerrt wird, wodurch noch zuverlässiger ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht sichergestellt wird.
Es ist ferner vorzuziehen, dass ein im Wesentlichen ringförmiges, elastisches Element in Achsrichtung zwischen dem Optikfensterbauteil und dem fokussierenden Optikelement angeordnet ist, sodass eine Außenfläche des elastischen Elements an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt und eine Innenfläche des elastischen Elements an einer Seitenfläche des Optikfensterbauteils anliegt. Das elastische Element ist aus einem Material gefertigt, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse hat. Das anliegende Paar aus der Innenfläche des elastischen Elements und der Seitenfläche des Optikfensterbauteils verlaufen beide in der Achsrichtung von der Brennkammer weg konisch.
Wenn das Gehäuse mit dem zwischen dem Optikfensterbauteil und dem fokussierenden Optikelement angeordneten elastischen Element durch die durch Verbrennen des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer erzeugten Wärme ausgedehnt wird, ist es möglich, die Verringerung der Drückkraft (oder der Umwicklungskraft) des elastisch drückenden Mittels infolge der thermischen Ausdehnung des Gehäuses mit der thermischen Ausdehnungskraft des elastischen Elements zu kompensieren, wodurch das fokussierende Optikelement gegen die Referenzfläche elastisch gedrückt gehalten wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, das Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts infolge des Lockerns bzw. Lösens des fokussierenden Optikelements zu verhindern, wodurch ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht noch zuverlässiger sichergestellt werden kann.
Es ist vorzuziehen, dass die Laserzündvorrichtung ferner eine Kühlvorrichtung aufweist, die aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Wärmefähigkeit als das Gehäuse hat. In der Kühlvorrichtung ist ein Kühlkanal derart ausgebildet, dass er einen Außenumfang des Gehäuses zumindest an der Gegen-Brennkammerseite des Laserresonators umgibt.
Mit der Kühlvorrichtung ist es möglich, den Laserresonator zusammen mit dem Gehäuse zu kühlen, wenn das im Strahldurchmesser geregelte Erregungslicht durch das einbringende Optikelement in den Laserresonator eingebracht wird und dadurch Wärme in dem Laserresonator erzeugt. Als ein Ergebnis ist es möglich, das Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts infolge einer durch die Differenzen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserresonator und dem Gehäuse in den Laserresonator eingebrachten thermischen Spannung zu verhindern. Es ist zudem möglich, eine Zunahme der Temperatur des in dem Laserresonator enthaltenen Lasermediums zu unterdrücken, wodurch eine Variation in dem Zyklus des gepulsten Laserlichts unterdrückt wird, um das stabilere Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht sicherzustellen.
Es ist ferner wünschenswert, dass die Kühlvorrichtung lediglich mittels elastischer Kräfte von ersten und zweiten O-Ringen, die beide aus einem elastischen Material gefertigt sind und jeweils zwischen einer gegen-brennkammerseitigen Innenfläche der Kühlvorrichtung und einer Außenfläche des Gehäuses und zwischen einer brennkammerseitigen Innenfläche der Kühlvorrichtung und der Außenfläche des Gehäuses angeordnet sind, abnehmbar an dem Gehäuse angebracht ist.
Mit den ersten und zweiten O-Ringen wird die Fluiddichtigkeit des in der Kühlvorrichtung ausgebildeten Kühlkanals sichergestellt. Da außerdem die Kühlvorrichtung lediglich mittels der elastischen Kräfte des ersten und zweiten O-Rings abnehmbar an dem Gehäuse angebracht ist, ist es möglich, die Wartung der Kühlvorrichtung zu erleichtern.
Es ist vorzuziehen, dass die Kühlvorrichtung so konfiguriert ist, dass ein durch einen externen Wärmetauscher gekühltes Kühlmittel in den Kühlkanal strömt, erwärmt wird, während es den Kühlkanal passiert und aus dem Kühlkanal zu dem externen Wärmetauscher herausströmt.
Da bei der obigen Konfiguration das durch den Kühlkanal der Kühlvorrichtung zirkulierende Kühlmittel durch den externen Wärmetauscher gekühlt wird, ist es möglich, den Aufbau der Kühlvorrichtung zu vereinfachen und die Gesamtabmessung der Laserzündvorrichtung zu minimieren, wodurch die Montage der Laserzündvorrichtung in dem begrenzten Raum im Inneren eines in dem Zylinderkopf ausgebildeten Kerzenlochs erleichtert wird.
In der Laserzündvorrichtung kann die Erregungsquelle außerhalb des Gehäuses angeordnet sein und das von der Erregungslichtquelle ausgegebene Erregungslicht kann über eine optische Faser zu dem einbringenden Optikelement übertragen werden.
In der Laserzündvorrichtung kann jedes von dem einbringenden Optikelement, dem vergrößernden Optikelement und dem fokussierenden Optikelement mit einer optischen Linse und einer im Wesentlichen zylindrischen Umschließung konfiguriert sein, die die optische Linse darin hält. Die optische Linse ist dazu konfiguriert, ein Licht zu empfangen, das einen vorgegebenen Einfallswinkel hat, und ein Licht auszugeben, das einen vorgegebenen Ausfallswinkel hat. Beide Endflächen der Umschließung verlaufen senkrecht zu ihrer Längsachse, um einen Brennpunkt der optischen Linse mit Bezug auf die Referenzfläche zu positionieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann aus der hier angegebenen ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen von beispielhaften Ausführungsformen vollständiger verstanden werden, die jedoch nicht dazu herangezogen werden sollten, die Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele zu beschränkten, sondern die lediglich dem Zweck der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
In den beiliegenden Zeichnungen sind:

1 eine schematische Schnittansicht, die die Gesamtkonfiguration der Laserzündvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
2 ein schematisches Schaubild, das die ausführlichen Konfigurationen eines Außengehäuses, eines fokussierenden Optikelements und eines Optikfensterbauteils der Laserzündvorrichtung sowie einen Zusammenbauprozess dieser Komponenten der Vorrichtung darstellt, wobei die Unterschaubilder an der linken Seite Schnittansichten sind und die Unterschaubilder an der rechten Seite Draufsichten sind;
3 ein schematisches Schaubild ist, das Prozesse zum Ausbilden eines gebördelten Abschnitts und eines durch Wärme verformten Abschnitts in dem Außengehäuse der Laserzündvorrichtung darstellt;
4 ein schematisches Schaubild ist, das die ausführlichen Konfigurationen eines Innengehäuses, eines vergrößernden Optikelements, eines Laserresonators, eines einbringenden Optikelements und eines Optikfaserverbindungsbauteils der Laserzündvorrichtung sowie einen Zusammenbauprozess dieser Komponenten der Vorrichtung darstellt;
5 ein schematisches Schaubild ist, das die ausführliche Konfiguration sowie einen Zusammenbauprozess einer Kühlvorrichtung der Laserzündvorrichtung darstellt, wobei das Unterschaubild (a) eine perspektivische Ansicht ist und das Unterschaubild (b) eine Schnittansicht entlang der Halbebenen A und B in dem Unterschaubild (a) ist;
6 ein schematisches Schaubild ist, das einen ersten und einen zweiten Vorteil der Laserzündvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verglichen mit einem ersten und einen zweiten Nachteil einer Laserzündvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt, wobei das Unterschaubild (a) eine Schnittansicht ist, die einen Teil der Laserzündvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, und das Unterschaubild (b) eine Schnittansicht ist, die einen Teil der Laserzündvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt;
7 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Laserzündvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, welches einen dritten und einen vierten Vorteil der Vorrichtung darstellt;
8 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Laserzündvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, die einen sechsten Vorteil der Vorrichtung darstellt;
9 ein schematisches Schaubild ist, das die Art der Befestigung eines Optikfensterbauteils in einer Laserzündvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;
10 ein schematisches Schaubild ist, das Optikfensterbauteile und Arten zu deren Befestigung gemäß Modifikationen des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt; und
11 eine schematische Schnittansicht ist, die die Konfiguration einer Kühlvorrichtung gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels darstellt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Beispielhafte Ausführungsformen und deren Modifikationen werden im weiteren Verlauf unter Bezugnahme auf 1 bis 11 beschrieben. Es ist anzumerken, dass zum Zwecke der Klarheit und des Verständnisses gleiche Komponenten mit gleichen Funktionen über die gesamte Beschreibung hinweg wenn möglich mit den gleichen Bezugszeichen in jeder der Figuren gekennzeichnet wurden und dass zum Zwecke der Vermeidung von Redundanzen, die Beschreibungen der identischen Komponenten nicht wiederholt werden.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
1 zeigt die Gesamtkonfiguration einer Laserzündvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Laserzündvorrichtung 1 ist so konfiguriert, dass sie das Luft-Kraftstoff-Gemisch in einer Brennkammer 400 einer Brennkraftmaschine 40 zündet.
Wie dies in 1 gezeigt ist, hat die Laserzündvorrichtung 1 eine Erregungslichtquelle 50, ein einbringendes Optikelement 21, einen Laserresonator (oder Optikresonator) 18, ein vergrößerndes Optikelement 15, ein fokussierendes Optikelement 11, ein Optikfensterbauteil 12 und ein Gehäuse, das ein Doppelaufbau bestehend aus einem Außengehäuse 10 und einem Innengehäuse 20 hat, das teilweise in dem Außengehäuse 10 aufgenommen ist. Sowohl das Außen- als auch das Innengehäuse 10 und 20 sind im Wesentlichen zylinderförmig.
Die Erregungslichtquelle 50 ist außerhalb des Außengehäuses 10 und des Innengehäuses 20 vorgesehen und ist dazu konfiguriert, ein Erregungslicht LSR_PMP auszugeben. Das ausgegebene Erregungslicht LSR_PMP wird dann über eine optische Faser 29 auf das einbringende Optikelement 21 übertragen. Das einbringende Optikelement 21 regelt den Strahldurchmesser des Erregungslichts LSR_PMP auf einen vorbestimmten Wert und bringt das im Strahldurchmesser geregelte Erregungslicht LSR_PMP in den Laserresonator 18 ein. Nach dem Einbringen des im Strahldurchmesser geregelten Erregungslichts LSR_PMP erzeugt der Laserresonator 18 ein gepulstes Laserlicht LSR_PLS, das eine hohe Energiedichte hat. Das vergrö-ßernde Optikelement 15 vergrößert den Strahldurchmesser des gepulsten Laserlichts LSR_PLS, das durch den Laserresonator 18 erzeugt wird, und gibt das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht LSR_PLS zu dem fokussierenden Optikelement 11 aus. Dann fokussiert das fokussierende Optikelement 11 das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht LSR_PLS auf einen vorbestimmten Brennpunkt bzw. Fokuspunkt FP in der Brennkammer 400, wodurch ein Flammenkern einer hohen Energiedichte ausgebildet wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 400 zu zünden. Das Optikfensterbauteil 12 ist vorgesehen, um das fokussierende Optikelement 11 zu schützen. Das Au-ßengehäuse 10 und das Innengehäuse 20 nehmen zusammen die vorstehend beschriebenen Komponenten 11, 12, 15, 18 und 21 der Laserzündvorrichtung 1 darin auf und sind an einem Zylinderkopf 440 der Kraftmaschine 40 befestigt, um diese Komponenten 11, 12, 15, 18 und 21 in einem in dem Zylinderkopf 440 ausgebildeten Kerzenloch 441 zu halten.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedes der Optikelemente 11, 15 und 21 so konfiguriert, dass es eine optische Linse 110, 150 oder 210 und eine im Wesentlichen zylindrische Umschließung (oder Einhausung) 111, 151 oder 213 aufweist. Die optische Linse ist dazu konfiguriert, ein Licht zu empfangen, das einen gegebenen Einfallswinkel hat, und ein Licht auszugeben, das einen gegebenen Ausfallswinkel hat. Die Umschließung ist vorgesehen, um die optische Linse darin zu halten. Beide Endflächen der Umschließung sind senkrecht zu ihrer Längsachse vorgesehen, um den Brennpunkt der optischen Linse mit Bezug auf eine entsprechende von einer ersten bis dritten Referenzfläche S1, S2 und S3 zu positionieren.
Das Außengehäuse 10 hat einen Außengewindeabschnitt 104 zum Befestigen des Außengehäuses 10 an dem Zylinderkopf 440 und einen hexagonalen Abschnitt 105 zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 104. Zwischen einem distalseitigen Ende des Außengewindeabschnitts 104 und einem proximalseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts 105 ist ein erster Nicht-Optikelementanordnungsbereich L1 definiert, in welchem keines der optischen Elemente 11, 15 und 21 angeordnet ist. Im weiteren Verlauf bezeichnet die distale Seite die Seite der Brennkammer 400, während die proximale Seite die Gegen-Brennkammerseite (oder die der Brennkammer 400 entgegengesetzte Seite) bezeichnet.
Das Innengehäuse 20 hat einen Außengewindeabschnitt 204 zum Befestigen des Innengehäuses 20 an dem Außengehäuse 10 und einen hexagonalen Abschnitt 205 zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 204. Zwischen einem distalseitigen Ende des Außengewindeabschnitts 204 und einem proximalseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts 205 ist ein zweiter Nicht-Optikelementanordnungsbereich L4 definiert, in dem keines der Optikelemente 11, 15 und 21 angeordnet ist.
Die erste Referenzfläche S1 ist so vorgesehen, dass sie sich an dem distalseitigen Ende des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereich L1 senkrecht zu einer Achsrichtung des Gehäuses (d.h. der Achsrichtung des Außengehäuses 10 und des Innengehäuses 20) erstreckt. Genauer gesagt ist in dem ersten Ausführungsbeispiel die erste Bezugsfläche S1 in dem Außengehäuse 10 als eine ringförmige Sitzfläche ausgebildet, die der distalen Seite zugewandt ist.
Die zweite Referenzfläche S2 ist so vorgesehen, dass sie sich an dem proximalseitigen Ende des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L1 senkrecht zu der Achsrichtung des Gehäuses erstreckt. Genauer gesagt ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Referenzfläche S2 in dem Außengehäuse 10 als eine ringförmige Sitzfläche ausgebildet, die der proximalen Seite zugewandt ist.
Die dritte Referenzfläche S3 ist an dem proximalseitigen Ende des zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L4 senkrecht zu der Achsrichtung des Gehäuses vorgesehen. Genauer gesagt ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die dritte Referenzfläche S3 in dem Innengehäuse 20 als eine ringförmige Sitzfläche ausgebildet, die der proximalen Seite zugewandt ist.
Außerdem ist an der distalen Seite der ersten Referenzfläche S1 in dem Außengehäuse 10 ein erster Optikelementaufnahmeraum 101 zum Aufnehmen des fokussierenden Optikelements 11 ausgebildet. An der proximalen Seite der zweiten Referenzfläche S2 ist in dem Außengehäuse 10 ein zweiter Optikelementaufnahmeraum 106 (siehe 2) zum Aufnehmen des vergrößernden Optikelements 15 ausgebildet. An der proximalen Seite der dritten Referenzfläche S3 ist in dem Innengehäuse 20 ein dritter Optikelementaufnahmenraum 201 zum Aufnehmen des einbringenden Optikelements 21 ausgebildet.
Ferner ist in dem zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereich L4 in dem Innengehäuse 20 ein Resonatoraufnahmeraum 202 zum verschiebbaren Aufnehmen des Laserresonators 18 ausgebildet. Zwischen dem Laserresonator 18 und dem vergrößernden Optikelement 15 ist ein Federelement (oder ein elastisches Element) 16 zwischengeordnet. Durch die elastische Kraft des Federelements 16 wird eine proximalseitige Endfläche des Laserresonators 18 gegen eine distalseitige Endfläche 214 des einbringenden Optikelements 21, das an der dritten Referenzfläche S3 anliegt, elastisch gedrückt (siehe 1 und 4). Zudem wird durch die elastische Kraft des Federelements 16 eine distalseitige Endfläche 151 des vergrößernden Optikelements 15 elastisch gegen die zweite Referenzfläche S2 gedrückt.
Außerdem hat das Optikfensterbauteil 12 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie dies in 1 und 2 gezeigt ist, eine solche im Wesentlichen kegelstumpfartige Form, dass eine distalseitige Endfläche 121 des Optikfensterbauteils 12 bündig zu einer distalseitigen Endfläche des Außengehäuses 10 ist und der Durchmesser einer distalseitigen Seitenfläche 123 des Optikfensterbauteils 12 in der Achsrichtung in Richtung zu der distalen Seite kontinuierlich kleiner wird.
Ferner ist als ein Mittel zum elastischen Drücken des fokussierenden Optikelements 11, das in dem ersten Optikelementaufnahmeraum 101 aufgenommen ist, gegen die erste Referenzfläche S1 ein gebördelter Abschnitt 102 in dem Außengehäuse 10 ausgebildet. Der gebördelte Abschnitt 102 umwickelt und drückt die distalseitige Seitenfläche 123 des Optikfensterbauteils 12 über eine im Wesentlichen ringförmige Platte (oder elastisches Element) 14, sodass eine Komponente der Drückkraft des gebördelten Abschnitts 102 an der distalseitigen Seitenfläche 123 in der Achsrichtung in Richtung zu der proximalen Seite wirkt. Die Platte 14 hat einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Außengehäuse 10.
Wenn mit der distalseitigen Endfläche 121 des Optikfensterbauteils 12, die bündig mit der distalseitigen Endfläche des Außengehäuses 10 ist, der Strom TMB des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 die distalseitige Endfläche 121 des Optikfensterbauteils 12 passiert, ist es möglich, dass der Strom TMB unerwünschte Stoffe (bspw. unverbrannten Kraftstoff oder Ruß), die an der distalseitigen Endfläche 121 angehaftet sind, wegbläst, wodurch die distalseitige Endfläche 121 gereinigt wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, ein Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS durch die Ablagerung der unerwünschte Stoffe an der distalseitigen Endfläche 121 zu verhindern, wodurch ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PSL sichergestellt wird.
Ferner ist in dem Außengehäuse 10 ein durch Wärme verformter Abschnitt 103 ausgebildet. Der durch Wärme verformte Abschnitt 103 wird erhalten, indem ein dünnwandiger Abschnitt des Außengehäuses 10, der zwischen der ersten Referenzfläche S1 und dem gebördelten Abschnitt 102 vorgesehen ist, in Achsrichtung gedrückt wird, während der dünnwandige Abschnitt erwärmt wird, sodass er dauerhaft verformt wird. Außerdem hat der dünnwandige Abschnitt eine kleinere Wanddicke als andere Abschnitte des Außengehäuses 10.
Mit dem durch Wärme verformten Abschnitt 103 wird in dem Außengehäuse 10 eine axiale Druckspannung erzeugt. Wenn das Außengehäuse 10 durch die durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 erzeugte Wärme ausgedehnt wird, ist es folglich möglich, die Verringerung in der Drückkraft (oder Umwicklungskraft) des gebördelten Abschnitts 102 infolge der thermischen Ausdehnung des Außengehäuses 10 mit der Kraft des durch Wärme verformten Abschnitts 103 zu kompensieren, wodurch das Optikfensterbauteil 12 und das fokussierende Optikelement 11 zusammen elastisch gegen die erste Referenzfläche S1 gedrückt gehalten werden. Als ein Ergebnis ist es möglich, das Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS infolge des Lockerns des fokussierenden optischen Elements 11 zu verhindern, wodurch ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS zuverlässiger sichergestellt wird.
Wie dies in 1 und 5 gezeigt ist, hat die Laserzündvorrichtung 1 ferner eine Kühlvorrichtung 26, die aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material hat, aus dem das Innengehäuse 20 gefertigt ist. In der Kühlvorrichtung 26 ist ein Kühlkanal 265 ausgebildet. Der Kühlkanal 265 hat die Form einer Ringnut und umgibt sowohl den Außenumfang des dritten Optikelementaufnahmeraums 201, der im Inneren des Gehäuses 20 zum Aufnehmen des einbringenden Optikelements 21 ausgebildet ist, sowie auch den Außenumfang des Resonatoraufnahmeraums 202, der in dem Innengehäuse 20 zum Aufnehmen des Laserresonators 18 ausgebildet ist. Die Kühlvorrichtung 26 hat zudem eine proximalseitige Innenfläche 263, die einer proximalseitigen Außenfläche 206 des Innengehäuses 20 zugewandt ist, und eine distalseitige Innenfläche 266, die einer proximalseitigen Außenfläche 109 des Außengehäuses 10 zugewandt ist. O-Ringe 24 und 25, die aus einem elastischen Material gefertigt sind, sind jeweils zwischen der proximalseitigen Innenfläche 263 der Kühlvorrichtung 26 und der proximalseitigen Außenfläche 206 des Innengehäuses 20 und zwischen der distalseitigen Innenfläche 266 und der proximalseitigen Außenfläche 109 des Außengehäuses 10 zwischengeordnet, wodurch die Fluiddichtigkeit des Kühlkanals 265 sichergestellt wird. Ferner ist die Kühlvorrichtung 26 mit den elastischen O-Ringen 24 und 25 abnehmbar an dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 angebracht. Außerdem wird ein durch einen externen Wärmetauscher 60 gekühltes Kühlmittel durch den Kühlkanal 265 zirkulieren gelassen.
Folglich ist es mit der Fluiddichtigkeit des Kühlkanals 265, die durch die O-Ringe 24 und 25 sichergestellt wird, und mit dem um beide Außenumfänge des dritten Optikelementaufnahmeraums 201 und des Resonatoraufnahmeraums 202, die in dem Innengehäuse 20 ausgebildet sind, zirkulierenden Kühlmittel möglich, den Laserresonator 18 zusammen mit dem Gehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 zu kühlen, wenn das im Strahldurchmesser geregelte Erregungslicht LSR_PMP durch das einbringende Optikelement 21 in den Laserresonator 18 eingebracht wird und dadurch Wärme in dem Laserresonator 18 erzeugt.
Als ein Ergebnis ist es möglich, ein Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS in Folge einer thermischen Spannung zu verhindern, die durch die Differenzen in thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserresonator 18 und dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 in den Laserresonator 18 eingebracht wird.
Es ist zudem möglich, die Zunahme der Temperatur eines in dem Laserresonator 18 enthaltenen Lasermediums zu unterdrücken, wodurch eine Variation in dem Zyklus des gepulsten Laserlichts LSR_PLS unterdrückt wird, sodass ein noch stabileres Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sichergestellt wird.
Da außerdem die Kühlvorrichtung 26 abnehmbar an dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 angebracht ist, ist es möglich, die Wartung der Kühlvorrichtung 26 zu erleichtern.
Da außerdem das durch den Kühlmittelkanal 265 der Kühlvorrichtung 26 zirkulierende Kühlmittel durch den externen Wärmetauscher 60 gekühlt wird, ist es möglich, den Aufbau der Kühlvorrichtung 26 zu vereinfachen und die Gesamtabmessung der Laserzündvorrichtung 1 zu minimieren, wodurch das Montieren der Laserzündvorrichtung 1 in dem begrenzten Raum innerhalb des Kerzenlochs 441 erleichtert wird.
Es ist außerdem anzumerken, dass in 1 „W_CLD“ das Kühlmittel bezeichnet, das in die Kühlvorrichtung 26 strömt, nachdem es durch den externen Wärmetauscher 60 gekühlt wurde, während „W_HTD“ das Kühlmittel bezeichnet, das von der Kühlvorrichtung 26 zu dem externen Wärmetauscher 60 ausströmt, nachdem es beim Passieren des Kühlmittelkanals 265 in dem Laserresonator 18 erzeugte Wärme absorbiert hat.
Außerdem ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie dies in 1 und 2 gezeigt ist, ein ringförmiger Sitzring (oder elastisches Element) 13 zwischen dem Optikfensterbauteil 12 und dem fokussierenden Optikelement 11 angeordnet, sodass eine Außenfläche 130 des Sitzrings 13 an der Innenfläche des Au-ßengehäuses 10 anliegt und eine distalseitige Innenfläche 131 des Sitzrings 13 an einer proximalseitigen Seitenfläche 124 des Optikfensterbauteils 12 anliegt. Der Sitzring 13 ist aus einem metallenen Material gefertigt, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Außengehäuse 10 hat. Außerdem verlaufen das anliegende Paar aus der distalseitigen Innenfläche 131 des Sitzrings 13 und der proximalseitigen Seitenfläche 124 des Optikfensterbauteils 12 beide in Richtung zu der Proximalseite konisch.
Mit dem zwischen dem Optikfensterbauteil 12 und dem fokussierenden Optikelement 11 zwischengeordneten Sitzring 13 ist es dann, wenn das Außengehäuse 10 durch die durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 erzeugte Wärme ausgedehnt wird, möglich, die Verringerung der Drückkraft des gebördelten Abschnitts 102 infolge der thermischen Ausdehnung des Außengehäuses 10 mit der thermischen Ausdehnungskraft des Sitzrings 13 zu kompensieren, wodurch das fokussierende Optikelement 11 elastisch gegen die erste Referenzfläche S1 gedrückt gehalten wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, ein Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS infolge des Lockerns des fokussierenden Optikelements 11 zu verhindern, wodurch ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS noch zuverlässiger sichergestellt wird.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Erregungslichtquelle 50 zumindest aus einer Laserdiode, die aus einem wohlbekannten kristallinen Material, etwa aus GaAlAs oder InGaAs gefertigt ist. Die Erregungslichtquelle 50 emittiert das Erregungslicht LSR_PMP, nachdem sie zu einer gegebenen Zündzeitgebung gemäß dem Betriebszustand der Kraftmaschine mit einem Antriebsstrom versorgt wurde.
Außerdem ist anzumerken, dass die Erregungslichtquelle 50 ebenso durch andere Arten von Lichtquellen implementiert sein kann, etwa durch eine Blitzlampe.
Der externe Wärmetauscher 50 kann aus jeder Konfiguration bestehen, vorausgesetzt, er kann das Kühlmittel so kühlen, dass es die Temperatur des Laserresonators 18 nicht höher als einen vorbestimmten Wert (bspw. 40°C) werden lässt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie dies in 1 gezeigt ist, der externe Wärmetauscher 60 durch Kombinieren einer Zirkulationspumpe PMP, zumindest eines Peltierelements PEL, eines Radiators zum Kühlen der Kraftmaschine und eines (nicht gezeigten) kühlenden Ventilators konfiguriert.
Das Peltierelement ist ein im Wesentlichen plattenförmiges, optisches Halbleiterelement, dass den Peltiereffekt verwendet, um einen Wärmestrom zwischen zwei verschiedenen Materialarten mit einer zu dem Verbindungsabschnitt der beiden Materialien zugeführten elektrischen Strom zu erzeugen. In dem externen Wärmetauscher 60 wird das aus der Kühlvorrichtung 26 über ein Auslassrohr 28 ausströmende Kühlmittel W_HTD durch die Zirkulationspumpe PMP zurückgeführt, sodass es eine Kühlfläche des Peltierelements PEL passiert, wodurch es durch das Peltierelement PEL gekühlt wird, sodass es zu dem Kühlmittel W_CLD wird, dessen Temperatur nicht höher als 30°C ist. Das Kühlmittel W_CLD strömt über ein Einlassrohr 27 in die Kühlvorrichtung 26. Die von dem Kühlmittel W_HTD zu dem Peltierelement PEL übertragene Wärme wird des Weiteren von dem Peltierelement PEL über einen Wärmetausch zwischen dem Peltierelement PEL und dem Kühlwasser für die Kraftmaschine sowie über eine Wärmeabstrahlung durch den Kühlventilator beseitigt.
Wenn außerdem das Kühlwasser für die Kraftmaschine einen ausreichenden Kühleffekt hat, um die Temperatur des Laserresonators 18 nicht höher als 40°C werden zu lassen, oder wenn die Menge der in dem Laserresonator 18 erzeugten Wärme durch eine Verbesserung in der Lichttransformationseffizienz des Laserresonators 18 zufriedenstellend unterdrückt wird, ist es möglich, zumindest das eine Peltierelement PEL von dem externen Wärmetauscher 60 auszulassen, wodurch der Aufbau des externen Wärmetauschers 60 vereinfacht wird.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ausführliche Konfigurationen des Außengehäuses 10, des fokussierenden Optikelements 11, des Optikfensterbauteils 12, des Sitzrings 13 und der Platte 14 der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und ein Zusammenbauprozess dieser Komponenten beschrieben.
Es ist anzumerken, dass in 2 die oberen und unteren Seiten jeweils den distalen und proximalen Seiten entsprechen und das fokussierende Optikelement 11, der Sitzring 13, das Optikfensterbauteil 12 und die Platte 14 von der unteren Seite in der Reihenfolge gezeigt sind, in der sie in dem ersten Optikelementaufnahmeraum 101, der in dem Außengehäuse 10 ausgebildet ist, aufgenommen sind.
Die Platte 14 ist aus einem metallenen Material (bspw. aus austenitischem, rostfreiem Stahl SUS304 oder SUS316) gefertigt, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das metallene Material (bspw. Kohlenstoffstahl S10C oder S20C) hat, aus dem das Außengehäuse 10 gefertigt ist. Außerdem hat die Platte 14 eine im Wesentlichen ringartige Form, wie dies in den Unterschaubildern (a-1) und (a-2) von 2 gezeigt ist.
Das Optikfensterbauteil 12 ist aus einem transparenten, wärmebeständigen Glas, etwa Saphir- oder Quarzglas gefertigt. Genauer gesagt hat das Optikfensterbauteil 12, wie dies in den Unterschaubildern (b-1) und (b-2) von 2 gezeigt ist, die der Brennkammer 400 zugewandte distalseitige Endfläche 121, eine dem fokussierenden Optikelement 11 zugewandte proximalseitige Endfläche 122, die in Richtung der distalen Seite konisch verlaufende distalseitige Seitenfläche 123 und die in Richtung der proximalen Seite konisch verlaufende proximalseitige Seitenfläche 124.
Der Sitzring 13 ist aus einem metallenen Material (bspw. einem austenitischen, rostfreien Stahl SUS304 oder SUS316) gefertigt, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das metallene Material (bspw. ein Kohlenstoffstahl S10C oder S20C) hat, aus dem das Außengehäuse 10 gefertigt ist. Wie außerdem in den Unterschaubildern (c-1) und (c-2) von 2 gezeigt ist, hat der Sitzring 13 eine ringartige Form. In dem distalseitigen Innenumfang des Sitzrings 13 ist eine im Wesentlichen trapezförmige Nut ausgebildet, in die ein proximalseitiger Endabschnitt des Optikfensterbauteils 12 einzusetzen ist. Der Durchmesser der distalseitigen Innenfläche 131 des Sitzrings 13 (d.h. der Durchmesser der Nut des Sitzrings 13) nimmt in der Richtung zu der distalen Seite allmählich zu, damit der proximalseitigen Seitenfläche 124 des Optikfensterbauteils 12 ermöglicht wird, mit der distalseitigen Innenfläche 131 des Sitzrings 13 in Kontakt gebracht zu werden. Außerdem ist der Durchmesser der Außenfläche 130 des Sitzrings 13 so festgelegt, dass der Außenfläche 130 ermöglicht wird, mit der Innenfläche des Außengehäuses 10, die den ersten Optikelementaufnahmeraum 101 definiert, in Kontakt gebracht zu werden.
Das fokussierende Optikelement 11 hat die fokussierende Linse 110 und die im Wesentlichen zylindrische Umschließung 111, wie dies in den Unterschaubildern (d-1), (d-2) und (d-3) von 2 gezeigt ist. Die fokussierende Linse 110 hat eine vorbestimmte Brennweite, um das im Strahldurchmesser vergrößerte gepulste Laserlicht LSR_PLS, das von der proximalen Seite einfällt, auf den vorbestimmten Brennpunkt FP in der Brennkammer 400 zu fokussieren. Die Umschließung 111 nimmt die fokussierende Linse 110 in sich auf und ist präzise derart bearbeitet, das sowohl die proximalseitige Endfläche 112 als auch die distalseitige Endfläche 113 der Umschließung 111 senkrecht zu der optischen Achse der fokussierenden Linse 110 verläuft. Die Umschließung 111 hat zudem eine solche positionierende Funktion, dass dann, wenn die proximalseitige Endfläche 112 der Umschließung 111 an der ersten Referenzfläche S1 anliegt, die fokussierende Linse 110 das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht LSR_PLS auf den vorbestimmten Brennpunkt FP fokussieren kann.
Außerdem ist zwischen der Außenseitenfläche der Umschließung 111 des fokussierenden Optikelements 11 und der Innenfläche des Außengehäuses 10, die den ersten Optikelementaufnahmeraum 111 definiert, ein so kleiner Spalt vorgesehen, dass der Außenseitenfläche der Umschließung 111 ermöglicht wird, an der Innenfläche des Außengehäuses 10 zu gleiten. Das fokussierende Optikelement 11 ist in dem Außengehäuse 10 derart aufgenommen, dass die Optikachse der fokussierenden Linse 110 des fokussierenden Optikelements 11 mit der Längsachse des Außengehäuses 10 übereinstimmt.
Die fokussierende Linse 110 ist aus einem wohlbekannten optischen Material, etwa aus Quarzglas gefertigt. Sowohl an der Lichteintrittsfläche als auch an der Lichtaustrittsfläche der fokussierenden Linse 110 ist eine Beschichtung zum Unterdrücken einer Reflektion des gepulsten Laserlichts LSR_PLS ausgebildet.
Es ist anzumerken, dass die Umschließung 111 des fokussierenden Optikelements 11 einen Doppelaufbau bestehend aus einer männlichen Umschließung 111M und einer weiblichen Umschließung 111F haben kann, wie dies in dem Unterschaubild (d-2) von 2 gezeigt ist. Mit dem Doppelaufbau ist es möglich, eine Feineinstellung der Brennpunktposition der fokussierenden Linse 110 durch Einstellen der Endflächen 112 und 113 der Umschließung 111 durchzuführen. Außerdem wird während des Ausbildens des gebördelten Abschnitts 102 des Au-ßengehäuses 10 die Bördelkraft nicht direkt auf die fokussierende Linse 110 aufgebracht. Dadurch ist es möglich, ein Beschädigen der fokussierenden Linse 110 während des Ausbildens des gebördelten Abschnitts 102 zu verhindern.
Es ist zudem anzumerken, dass die Umschließung 151 des vergrößernden Optikelements 15 und die Umschließung 213 des einbringenden Optikelements 21, die beide später ausführlich beschrieben sind, ebenso einen ähnlichen Doppelaufbau wie die Umschließung 111 des fokussierenden Optikelements 11 haben können.
Außerdem kann zwischen der fokussierenden Linse 110 und der Umschließung 111 ein ringförmiger Sitzring zwischengeordnet sein, um die Fluiddichtigkeit dazwischen zu verbessern. Der Sitzring kann aus einem wärmewiderstandsfähigen, elastischen Material, etwa aus Fluorgummi oder Silikongummi gefertigt sein.
Das Außengehäuse 10 ist aus einem äußerst wärmebeständigen Metallmaterial, etwa Kohlenstoffstahl gefertigt. Wie dies in den Unterschaubildern (e-1), (e-2) und (e-3) von 2 gezeigt ist, hat das Außengehäuse 10 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 100. In dem distalseitigen Innenumfang des Basiskörpers 100 ist der erste Optikelementaufnahmeraum 101 ausgebildet. In dem mittleren Innenumfang des Grundkörpers 100 ist der zweite Optikelementaufnahmeraum 106 ausgebildet. In dem proximalseitigen Innenumfang des Basiskörpers 100 sind ein Innengewindeabschnitt 106F und ein Innengehäuseaufnahmeraum 108 ausgebildet.
Der Grundkörper 100 hat einen dünnwandigen Abschnitt, der in der Nähe des distalseitigen, offenen Endes des Grundkörpers 100 vorgesehen ist. Wenn der Grundkörper 100 an der distalen Seite in einer später zu beschreibenden Art gebördelt wird, dann wird der dünnwandige Abschnitt durch die Bördelkraft radial einwärts gebeult, wodurch der gebördelte Abschnitt 102 des Außengehäuses 10 ausgebildet wird.
Der erste Nicht-Optikelementanordnungsbereich L1 ist zwischen der ersten Referenzfläche S1 und der zweiten Referenzfläche S2 vorgesehen. Mit dem ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereich L1 ist es möglich, den Abstand zwischen dem fokussierenden Optikelement 11 und dem vergrößernden Optikelement 15 konstant zu halten.
An dem distalseitigen Außenumfang des Grundkörpers 100 ist der Außengewindeabschnitt 104 zum Befestigen des Außengehäuses 10 an dem Zylinderkopf 440 ausgebildet. An dem mittleren Außenumfang des Grundkörpers 100 ist der hexagonale Abschnitt 105 zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 104 in einem in dem Zylinderkopf 440 ausgebildeten Innengewindeloch 442 ausgebildet. Außerdem wird das Festschrauben des Außengewindeabschnitts 104 in den Innengewindeabschnitt 442 des Zylinderkopfs 440 mit einem zwischen dem hexagonalen Abschnitt 105 und dem Zylinderkopf 440 (siehe 1) zwischengeordneten Dichtungsring 30 durchgeführt.
Wie dies in 2 gezeigt ist, sind das fokussierende Optikelement 11, der Sitzring 13, das Optikfensterbauteil 12 und die Platte 14 der Reihe nach in dem ersten Optikelementaufnahmeraum 101 des Außengehäuses 10 platziert. Dann werden diese Komponenten 11, 13, 12 und 14 durch einen in 3 gezeigten Bördelprozess in dem ersten Optikelementaufnahmeraum 101 befestigt.
In einem ersten Schritt des Bördelprozesses wird das Außengehäuse 10 an einer Fixierform 70 durch Verwendung des Außengewindeabschnitts 104 fixiert, wie dies in den Unterschaubildern (a-1) und (a-2) von 3 gezeigt ist. Dann wird eine Bördelform 710 durch eine Vertikalbewegungsvorrichtung 71 nach unten bewegt, während ein Paar Halteformen 720 durch eine Horizontalbewegungsvorrichtung 72 radial einwärts bewegt wird, sodass sie mit der Außenfläche des Au-ßengehäuses 10 in Kontakt kommt. Die Bördelform 710 hat eine im Wesentlichen becherförmige Vertiefung, die in deren unteren Fläche ausgebildet ist. Die Halteformen 720 werden dazu verwendet, den radial äußeren Umfang des Außengehäuses 10 zu halten, um lediglich dem Teil des Außengehäuses 10, das den gebördelten Abschnitt 102 bildet, zu ermöglichen, durch die Bördelkraft gebeult zu werden.
Außerdem hat die Fixierform 70 einen Doppelaufbau bestehend aus einer inneren Fixierform 700 und einer äußeren Fixierform 701, um dem Außengehäuse 10 zu ermöglichen, leicht von der Fixierform 70 abgenommen und daran angebracht zu werden.
In einem zweiten Schritt des Bördelprozesses wird das Außengehäuse 10 durch die Bördelform 710 in Achsrichtung gedrückt, sodass der Teil des Außengehäuses 10, der den gebördelten Abschnitt 102 bildet, radial einwärts gebeult wird und dadurch mit der Platte 14 in gedrückten Kontakt gebracht wird, wie dies in dem Unterschaubild (b) von 3 gezeigt ist. Als ein Ergebnis wird der gebördelte Abschnitt 102 des Außengehäuses 10 erhalten, der die distalseitige Seitenfläche 123 des Optikfensterbauteils 12 über die Platte 14 drückt und umwickelt.
In einem dritten Schritt des Bördelprozesses wird mit der das Außengehäuse 10 kontinuierlich drückenden Bördelform 710 und mit Halteformen 720 und der inneren Fixierform 700, die als Elektroden dienen, elektrischer Strom zwischen dem gebördelten Abschnitt 102 und dem Außengewindeabschnitt 104 des Au-ßengehäuses 10 zugeführt, wodurch der dünnwandige Abschnitt des Außengehäuses 10 zwischen der ersten Bezugsfläche S1 und dem gebördelten Abschnitt 102 erwärmt wird, wie dies in dem Unterschaubild (c) von 3 gezeigt ist. Als ein Ergebnis wird der dünnwandige Abschnitt dauerhaft verformt, um den durch Wärme verformten Abschnitt 103 des Außengehäuses 10 herzustellen.
Außerdem wird in dem obigen Bördelprozess das Paar Halteformen 720, wie in dem Unterschaubild (a-2) von 2 gezeigt ist, dazu verwendet, die kreisartige Form des dünnwandigen Abschnitts beizubehalten. Anstelle der Halteformen 720 können jedoch sechs Halteformen 720a dazu verwendet werden, den dünnwandigen Abschnitt in eine hexagonale Form zu verformen, wie dies in dem Unterschaubild (a-3) von 2 gezeigt ist.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 1 und 4 die ausführlichen Konfigurationen des Innengehäuses 20, des vergrößernden Optikelements 15, des Federelements 16, eines Kragens (oder eines elastische Kraft übertragenden Elements) 17, des Laserresonators 18, des einbringenden Optikelements 21 und eines Optikfaserverbindungsbauteils 23 der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowie ein Zusammenbauprozess dieser Komponenten beschrieben.
Außerdem werden, wie dies später ausführlich beschrieben ist, das Federelement 16, der Kragen 17, der Laserresonator 18, das einbringende Optikelement 21 und das Optikfaserverbindungsbauteil 23 zuerst in dem Innengehäuse 20 aufgenommen; dann wird das Innengehäuse 20 in das Außengehäuse 10, in welchem das fokussierende Optikelement 11, das Optikfensterbauteil 12 und das vergrö-ßernde Optikelement 15 aufgenommen sind, eingesetzt und damit verbunden.
Das Innengehäuse 20 ist aus einem metallenen Material, etwa einer Aluminiumlegierung gefertigt. Genauer gesagt hat das Innengehäuse 20 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 200, wie dies in dem Unterschaubild (a-1) von 4 gezeigt ist.
In dem Innenumfang des Grundkörpers 200 sind der dritte Optikelementaufnahmeraum 201 zum Aufnehmen des einbringenden Optikelements 21, ein Innengewindeabschnitt 201M zum Befestigen des Optikfaserverbindungsbauteils 23 an dem Innengehäuse 20, der Resonatoraufnahmeraum 202 zum Aufnehmen des Laserresonators 18 und ein Aufnahmeraum 203 zum Aufnehmen des Kragens 17 und des Federelements 16 ausgebildet.
An dem Außenumfang des Basiskörpers 200 sind der Außengewindeabschnitt 204 zum Befestigen des Innengehäuses 20 an dem Außengehäuse 10, der hexagonale Abschnitt 205 zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 204 in den Innengewindeabschnitt 106F des Außengehäuses 10, die proximalseitige Außenfläche 206 zum Zusammenpassen mit der Kühlvorrichtung 26, eine Ringnut 207 zum Aufnehmen des O-Rings 24, der zwischen dem Innengehäuse 20 und der Kühlvorrichtung 26 angeordnet ist, eine distalseitige Außenfläche 208 zum Zusammenpassen mit dem Außengehäuse 10 und eine Ringnut 209 zum Aufnehmen eines O-Rings 19, der zwischen dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 angeordnet ist, ausgebildet.
Das einbringende Optikelement 21 ist aus einem wohlbekannten optischen Material, etwa Quarzglas gefertigt. Das einbringende Optikelement 21 beinhaltet die einbringende Linse 210 und die im Wesentlichen zylindrische Umschließung 213 zum Aufnehmen der einbringenden Linse 210.
Die einbringende Linse 210 hat eine konkave Lichteintrittsfläche 211 und eine konvexe Lichtaustrittsfläche 212. Die Lichteintrittsfläche 211 und die Lichtaustrittsfläche 212 haben verschiedene Krümmungsradii, um das Erregungslicht LSR_PMP in die proximalseitige Endfläche des Laserresonators 18 bei einer vorbestimmten Brennweite und einem vorbestimmten Strahldurchmesser einzubringen. Außerdem wird das Erregungslicht LSR_PMP von der Erregungslichtquelle 50 über die optische Faser 29 auf das einbringende Optikelement 21 übertragen.
Wie in dem Unterschaubild (a-2) von 4 gezeigt ist, hat die Umschließung 213 einen Doppelaufbau bestehend aus einer männlichen Umschließung 213M und einer weiblichen Umschließung 213F. Die Umschließung 213 nimmt die einbringende Linse 210 in sich auf und ist präzise maschinell bearbeitet, sodass sowohl die distalseitige Endfläche 214 als auch die proximalseitige Endfläche 215 der Umschließung 213 senkrecht zu der optischen Achse der einbringenden Linse 210 verlaufen. Die Umschließung 213 hat zudem eine solche Positionierungsfunktion, dass dann, wenn die distalseitige Endfläche 214 der Umschließung 213 an der dritten Referenzfläche S3 anliegt, die einbringende Linse 210 das Erregungslicht LSR_PMP der vorbestimmten Brennweite und dem vorbestimmten Strahldurchmesser in dem Laserresonator 18 einbringen kann.
In dem inneren Gehäuse 20 ist der dritte Optikelementaufnahmeraum 201 an der proximalen Seite der dritten Referenzfläche S3 ausgebildet. Ferner ist in einer proximalseitigen Innenfläche des dritten Optikelementaufnahmeraums 201 der Innengewindeabschnitt 201M zum Befestigen des Optikfaserverbindungsbauteils 23 an dem Innengehäuse 20 ausgebildet.
Das Optikfaserverbindungsbauteil 23 ist vorgesehen, um die Optikfaser 29 mit dem Innengehäuse 20 zu verbinden. Das Optikfaserverbindungsbauteil 23 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und ist für eine vorbestimmte axiale Strecke von einer vierten Referenzfläche S4 in das Innengehäuse 20 geschraubt. Dabei wird die vierte Referenzfläche S4 durch die proximalseitige Endfläche des Innengehäuses 20 repräsentiert.
Der Laserresonator 18 ist von einer wohlbekannten Bauart, der ein aus Nd:YAG (d.h., Neodymium-dotiertes Yttriumaluminiumgranat) gefertigtes Lasermedium und einen passiven Q-Switch aufweist, der aus Cr:YAG (d.h., Cr⁺⁴-dotiertes Yttriumaluminiumgranat) aufweist. Der Laserresonator 18 wird präzise maschinell hergestellt, sodass er eine zylindrische Form hat.
Genauer gesagt hat der Laserresonator 18 einen vollständig reflektierenden Spiegel 181, das Lasermedium 180, einen Sättigungsabsorber 182 und einen teilweise reflektierenden Spiegel 183, die in dieser Reihenfolge von der proximalen Seite angeordnet sind, wie dies in dem Unterschaubild (a-1) von 4 gezeigt ist.
Wenn das Erregungslicht LSR_PMP, das eine Wellenlänge λ_PMP von beispielsweise 808,5 nm hat, in den Laserresonator 18 eingebracht wird, dann wird das Lasermedium 180 durch das Erregungslicht LSR_PMP erregt, um das gepulste Laserlicht LSR_PLS zu erzeugen, das beispielsweise eine Wellenlänge λ_PLS von 1064 nm hat. Das heißt, die Wellenlänge λ_PLS des gepulsten Laserlichts LSR_PLS ist länger als die Wellenlänge λ_PMP des Erregungslichts LSR_PMP.
Der vollständig reflektierende Spiegel 181 ist AR-beschichtet, um das Eintreten des Erregungslichts LSR_PMP von seiner Lichteintrittsfläche (d.h., der proximalseitigen Endfläche in 4) zu ermöglichen, während das durch das Lasermedium 180 erzeugte gepulste Laserlicht LSR_PLS vollständig reflektiert wird.
Das durch das Lasermedium 180 erzeugte gepulste Laserlicht LSR_PLS schnellt zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel 181 und dem teilweise reflektierenden Spiegel 183 zurück und vor, passiert das Lasermedium 180 und wird jedes Mal verstärkt. Wenn das gepulste Laserlicht LSR_PLS so verstärkt wurde, dass seine Intensität einen einmaligen Schwellenwert des Sättigungsabsorbers 182 überschreitet, funktioniert der Sättigungsabsorber 182 als der passive Q-Switch um das gepulste Laserlicht LSR_PLS freizugeben, das eine hohe Energiedichte hat. Folglich wird das gepulste Laserlicht LSR_PLS von dem Laserresonator 18 über die Lichtaustrittsfläche (d.h., die distalseitige Endfläche in 4) des teilweise reflektierenden Spiegels 183 ausgegeben.
Das vergrößernde Optikelement 15 ist aus einem wohlbekannten Optikmaterial, etwa aus Quarzglas gefertigt. Das vergrößernde Optikelement 15 vergrößert den Strahldurchmesser des von dem Laserresonator 18 ausgegebenen gepulsten Laserlichts LSR_PLS, um den Strahldurchmesser einen vorbestimmten Wert an einer vorbestimmten Strecke haben zu lassen. Indem zuerst der Strahldurchmesser des gepulsten Laserlichts LSR_PLS über das vergrößernde Optikelement 15 vergrö-ßert wird und dann das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht LSR_PLS über das fokussierende Optikelement 11 fokussiert wird, ist es außerdem möglich, die Energiedichte des gepulsten Laserlichts LSR_PLS zu erhöhen.
Das vergrößernde Optikelement 15 hat die vergrößernde Linse 150 zum Vergrößern des Strahldurchmessers des gepulsten Laserlichts LSR_PLS und die im Wesentlichen zylindrische Umschließung 151 zum Aufnehmen der vergrößernden Linse 150.
Wie in dem Unterschaubild (a-3) von 4 gezeigt ist, hat die Umschließung 151 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen aus einer männlichen Umschlie-ßung 151M und einer weiblichen Umschließung 151F bestehenden Doppelaufbau. Die Umschließung 151 nimmt die vergrößernde Linse 150 in sich auf und ist präzise maschinell so hergestellt, dass sowohl die proximalseitige Endfläche 151 als auch die distalseitige Endfläche 155 der Umschließung 151 senkrecht zu der optischen Achse der vergrößernden Linse 150 verläuft. Die Umschließung 151 hat zudem eine solche Positionierungsfunktion, dass dann, wenn die distalseitige Endfläche 155 der Umschließung 151 an der zweiten Referenzfläche S2 anliegt, das gepulste Laserlicht LSR_PLS zu dem fokussierenden Optikelement 11 ausgegeben werden kann, wobei der Strahldurchmesser des gepulsten Laserlichts LSR_PLS durch die vergrößernde Linse 150 auf den vorbestimmten Wert vergrößert ist.
Unter Bezugnahme auf das Unterschaubild (a-1) von 4 werden das einbringende Optikelement 21 und ein ringförmiger Abstandshalter (oder elastisches Element) 22 zuerst von der proximalseitigen Öffnung des Innengehäuses 20 in das Innengehäuse 20 eingesetzt. Der Abstandshalter 22 ist aus einem elastischen Metallmaterial, etwa aus Rotguss gefertigt. Dann wird das Optikfaserverbindungsbauteil 23 in den Innengewindeabschnitt 201M des Innengehäuses 20 von der proximalseitigen Öffnung in dem Innengehäuse 20 eingeschraubt. Folglich wird unter Bezugnahme auf das Unterschaubild (b) von 4 in dem Innengehäuse 20 das einbringende Optikelement 21 durch das Optikfaserverbindungsbauteil 23 über den Abstandshalter 22 gegen die dritte Referenzfläche S3 elastisch gedrückt bzw. gepresst.
Ferner werden der Laserresonator 18, der Kragen 17 und das Federelement 16 von der distalseitigen Öffnung des Innengehäuses 20 in das Innengehäuse 20 eingesetzt. Dann wird das vergrößernde Optikelement 15 von der proximalseitigen Öffnung des Außengehäuses 10 in das Außengehäuse 10 eingesetzt. Danach wird das Innengehäuse 20, in dem die Komponenten 16, 17, 18, 21, 22 und 23 aufgenommen sind, durch Festschrauben des Außengewindeabschnitts 204 des Innengehäuses 20 in den Innengewindeabschnitt 106F des Außengehäuses 20 mit dem zwischen dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 zwischengeordneten O-Ring 19 mit dem Außengehäuse 10 verbunden. Wie dies in dem Unterschaubild (b) von 4 gezeigt ist, wird die proximalseitige Endfläche des Laserresonators 18 folglich durch die elastische Kraft des Federelements 16 gegen die distalseitige Endfläche 214 des einbringenden Optikelements 21, das an der dritten Referenzfläche S3 anliegt, elastisch gedrückt, während die distalseitige Endfläche 151 des vergrößernden Optikelements 15 elastisch gegen die zweite Referenzfläche S2 gedrückt wird. Das heißt, die proximalseitige Endfläche des Laserresonators 18 wird mit der distalseitigen Endfläche 214 des einbringenden Optikelements 21 in Kontakt gebracht, während die distalseitige Endfläche 151 des vergrößernden Optikelements 15 mit der zweiten Referenzfläche S2 in Kontakt gebracht wird.
Wie dies in 1 und 4 gezeigt ist, ist als ein Ergebnis in der erhaltenen Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine vorbestimmte Strecke (d.h. eine vorbestimmte Länge des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L1) zwischen dem fokussierenden Optikelement 11 und dem vergrößernden Optikelement 15 sichergestellt. Das fokussierende Optikelement 11 ist in dem in dem Außengehäuse 10 ausgebildeten ersten Optikelementaufnahmeraum 101 aufgenommen, sodass es mit der ersten Referenzfläche S1 in Kontakt ist. Das vergrößernde Optikelement 15 ist in dem in dem Außengehäuse 10 ausgebildeten zweiten Optikelementaufnahmeraum 106 aufgenommen, sodass es mit der zweiten Referenzfläche S2 in Kontakt ist. Ferner ist zwischen der distalseitigen Endfläche 155 des vergrößernden Optikelements 15 und dem einbringenden Optikelement 21 (d.h. zwischen der zweiten Referenzfläche S2 und der dritten Referenzfläche S3) eine vorbestimmte Strecke L2 sichergestellt. Das einbringende Optikelement 21 ist in dem in dem Innengehäuse 20 ausgebildeten dritten Optikelementaufnahmeraum 201 aufgenommen, sodass es mit der dritten Referenzfläche S3 in Kontakt ist.
Ferner sind für die Optikelemente 11, 15 und 21 die Außenseitenflächen der Umschließungen 111, 151 und 213 jeweils durch die Innenflächen der Optikelementaufnahmeräume 101, 106 und 201 gehalten, und die Endflächen 112, 155 und 214 der Umschließungen 111, 151 und 213 sind jeweils mit den Referenzflächen S1, S2, und S3 in Kontakt. Folglich sind die optischen Achsen der Optikelemente 11, 15 und 21 in der Achsrichtung des Außengehäuses 10 und des Innengehäuses 20 aneinander ausgerichtet und die Abstände zwischen den Optikelementen 11, 15 und 21 in der Achsrichtung werden konstant gehalten.
Wie dies in dem Unterschaubild (b) von 4 gezeigt ist, ist in dem Zustand, in dem das Außengehäuse 10 und das Innengehäuse 20 miteinander verbunden sind, ein Spalt G zwischen dem distalseitigen Ende des Innengehäuses 20 und dem vergrößernden Optikelement 15 vorgesehen. Mit dem Spalt G wird verhindert, dass das vergrößernde Optikelement 15 der axialen Festziehkraft zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 204 des Innengehäuses 20 in den Innengewindeabschnitt 106F des Außengehäuses 10 ausgesetzt wird.
Außerdem ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Federelement 16 so konfiguriert, dass es eine Eigenfrequenz hat, die höher als eine Frequenz ist, die gemäß der Betriebsdrehzahl der Kraftmaschine hervorgerufen wird.
Genauer gesagt ist die Federkonstante k des Federelements 16 so festgelegt, dass die Frequenz einer einfachen harmonischen Schwingung eines Systems, das die Masse des Federelements 16 beinhaltet, höher als die Schwingungsfrequenz ist, die gemäß der Betriebsdrehzahl der Kraftmaschine hervorgerufen wird.
Außerdem ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Vorspannkraft kX des Federelements 16 so festgelegt, dass kX> MG (N) ist, wobei X der Betrag der Vorverschiebung des Federelements 16 von seinem freien Ende ist, M die Masse in Kilogramm ist, die an dem Federelement 16 wirkt, und G die Schwingungsbeschleunigung in m/s² ist, die durch den Betrieb der Kraftmaschine hervorgerufen wird.
Ferner sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die folgenden Beziehungen weiter spezifiziert: f > 60N; und $f > (1 / 2 π) \times \sqrt{(\frac{k}{M})},$
wobei f die Eigenfrequenz in Hz des Federelements 16 ist und N die Maximaldrehzahl in upm der Kraftmaschine ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Außengehäuse 10 und das Innengehäuse 20 über den passenden Eingriff zwischen dem Innengewindeabschnitt 106F des Außengehäuses 10 und dem Außengewindeabschnitt 204 des Innengehäuses 20 miteinander verbunden. Außerdem ist zwischen der Innenfläche des in dem Außengehäuse 10 ausgebildeten Innengehäuseaufnahmeraums 108 und der distalseitigen Außenfläche 208 des Innengehäuses 20 ein solcher kleiner Spalt vorgesehen, um den beiden Flächen zu ermöglichen, aneinander zu gleiten. Ferner ist in der distalseitigen Außenfläche 208 des Innengehäuses 20 die Ringnut 209 ausgebildet, in der der O-Ring 19 angeordnet ist. Der O-Ring 19 ist aus einem wärmewiderstandsfähigen, elastischen Material, etwa Silikongummi und Fluorgummi gefertigt. Mit dem zwischen dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 angeordneten O-Ring 19 ist es möglich, die Fluiddichtigkeit dazwischen sicherzustellen.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 1 und 5 ausführliche Konfigurationen der Kühlvorrichtung 26 und der Optikfaser 29 sowie die Arten der Montage der beiden Komponenten 26 und 29 in der Laserzündvorrichtung 1 beschrieben.
Wie dies in 5 gezeigt ist, hat die Kühlvorrichtung 26 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 260, der aus einem Metallmaterial, etwa rostfreiem Stahl gefertigt ist. In der Innenfläche des Grundkörpers 260 ist eine Ringnut ausgebildet, die den Kühlkanal 265 bildet. Der Grundkörper 260 hat zudem ein Paar Durchgangslöcher 261 und 262, die durch eine proximalseitige Endwand des Grundkörpers 260 hindurch ausgebildet sind, sodass sie mit dem Kühlkanal 265 in Verbindung sind. Endabschnitte 270 und 280 des Einlassrohrs 27 und des Auslassrohrs 28 sind jeweils in die Durchgangslöcher 261 und 262 des Grundkörpers 260 eingesetzt und mittels Gewindeabschnitten 271 und 281 darin befestigt. Folglich ist der Kühlkanal 265 über das Einlassrohr 27 und das Auslassrohr 28 fluidmäßig mit dem externen Wärmetauscher 80 verbunden. Außerdem sind zwischen dem Grundkörper 260 und dem Einlassrohr 27 und dem Auslassrohr 28 Dichtungselemente vorgesehen, um die Fluiddichtigkeit dazwischen sicherzustellen, auch wenn dies in den Figuren nicht gezeigt ist.
Der Kühlkanal 265 ist nicht durch die in 5 gezeigte Ringnut 265 ausgebildet, sondern auch durch eine (nicht gezeigte) Ringnut, die in einer distalseitigen Innenfläche 266 des Grundkörpers 260 ausgebildet ist, der der proximalseitigen Außenfläche 109 des Außengehäuses 10 zugewandt ist, sodass sie einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat, und durch eine Ringnut (nicht gezeigt), die in einer proximalseitigen Innenfläche 263 des Grundkörpers 260 ausgebildet ist, die der proximalseitigen Außenfläche 206 des Innengehäuses 20 zugewandt ist, sodass sie einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat. Folglich werden mit dem obigen Ausbilden des Kühlkanals 265 sowohl die proximalseitige Außenfläche 109 des Außengehäuses 10 als auch die proximalseitige Außenfläche 206 des Innengehäuses 20 dem in dem Kühlmittelkanal 165 strömenden Kühlmittel direkt ausgesetzt, wodurch die Effizienz des Wärmeaustauschs zwischen den Kühlmittel und dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 verbessert wird.
Außerdem sind, wie in 5 gezeigt ist, an den distalen Enden der Endabschnitte 270 und 280 des Einlassrohrs 27 und des Auslassrohrs 28 jeweils ein Einlassloch 272 und ein Auslassloch 282 ausgebildet, die sich beide zu dem Kühlkanal 265 öffnen.
Zwischen der proximalseitigen Innenfläche 263 des Basiskörpers 260 und der proximalseitigen Außenfläche 206 des Innengehäuses 20 ist ein so kleiner Spalt vorgesehen, dass den beiden Flächen 263 und 206 ermöglicht wird, aneinander zu gleiten. Ferner wird der Spalt zwischen den beiden Flächen 263 und 206 durch den O-Ring 24 abgedichtet, der in der Ringnut 207 angeordnet ist, die in der proximalseitigen Außenfläche 206 des Innengehäuses 20 ausgebildet ist. Auf ähnliche Weise ist zwischen der distalseitigen Innenfläche 266 des Grundkörpers 260 und der proximalseitigen Außenfläche 109 des Außengehäuses 10 ein so kleiner Spalt vorgesehen, dass den zwei Flächen 266 und 109 ermöglicht wird, aneinander zu gleiten. Ferner ist der Spalt zwischen den zwei Flächen 266 und 109 durch den O-Ring 25 gedichtet, der in einer Ringnut 267 angeordnet ist, die in der distalseitigen Innenfläche 266 des Basiskörpers 260 ausgebildet ist.
Folglich ist die Fluiddichtigkeit zwischen der Kühlvorrichtung 26 und dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 durch die O-Ringe 24 und 25 sichergestellt. Außerdem ist die Fluiddichtigkeit zwischen dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 durch den dazwischen angeordneten O-Ring 19 sichergestellt, wie dies zuvor beschrieben wurde.
Die Kühlvorrichtung 26 ist an dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 lediglich mittels der elastischen Kräfte der O-Ringe 24 und 25 angebracht. Daher ist die Kühlvorrichtung 26 von dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 abnehmbar. Außerdem wird das Anbringen und Abnehmen der Kühlvorrichtung 26 an und von dem Außengehäuse 10 und Innengehäuse 20 durchgeführt, indem zuerst (nicht gezeigte) Schrauben in in der proximalseitigen Endfläche des Grundkörpers 260 der Kühlvorrichtung 26 ausgebildete Innengewindelöcher 264 eingeschraubt werden und dann die Schrauben aufwärts gedrückt oder abwärts gezogen werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Einlassrohr 27 und das Auslassrohr 28 an dem Grundkörper 260 der Kühlvorrichtung 26 durch Gewindeeingriff befestigt. Jedoch können das Einlassrohr 27 und das Auslassrohr 28 an dem Grundkörper 260 auch durch andere Verfahren befestigt werden, etwa durch Hartlöten, vorausgesetzt es ist möglich, die Fluiddichtigkeit zwischen dem Einlassrohr 27 und dem Auslassrohr 28 und dem Grundkörper 260 sicherzustellen.
Außerdem können das Einlassrohr 27 und das Auslassrohr 28 durch jedes im Stand der Technik bekannte Verfahren mit dem externen Wärmetauscher 60 verbunden werden, bspw. unter Verwendung flexibler Rohre und Rohrverbinder.
Wie dies in 5 gezeigt ist, ist außerdem an dem distalseitigen Ende des Außenumfangs des Grundkörpers 260 eine Führungsfläche 268 ausgebildet, die in Richtung zu der distalen Seite konisch verläuft. Mit der Führungsfläche 268 kann die Laserzündvorrichtung 1 einfach in das in dem Zylinderkopf 440 ausgebildete Kerzenloch 441 eingesetzt werden.
Das Optikfaserverbindungsbauteil 23 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 230, in dem ein Optikfaseraufnahmeraum 231 zum Aufnehmen der Optikfaser 29 ausgebildet ist. An dem distalseitigen Außenumfang des Basiskörpers 230 ist ein Außengewindeabschnitt 232 ausgebildet, der zu dem Innengewindeabschnitt 201M des Innengehäuses 20 passt. An dem mittleren Außenumfang des Grundkörpers 230 ist ein Flanschabschnitt 233 ausgebildet, der auf der proximalseitigen Endfläche des Innengehäuses 20 aufsitzt. An dem proximalseitigen Außenumfang des Basiskörpers 230 ist ein Außengewindeabschnitt 234 zum Befestigen der Optikfaser 29 an dem Grundkörper 230 ausgebildet.
Die Optikfaser 29 wird in den in dem Optikfaserverbindungsbauteil 23 ausgebildeten Optikfaseraufnahmeraum 231 von der proximalen Seite des Bauteils 23 eingesetzt. Die Optikfaser 29 wird dann an dem Optikfaserverbindungsbauteil 23 befestigt, indem eine Deckmutter 291 auf den Außengewindeabschnitt 234 des Bauteils 23 mit einer dazwischen angeordneten Passscheibe 290 geschraubt wird. Die Optikfaser 29 hat ein Kernmaterial 292 und ein Schutzbauteil 293. Das Schutzbauteil 293 bedeckt das Kernmaterial 292 so, dass das distalseitige Ende des Kernmaterials 292 an einer Stelle, die von der dritten Referenzfläche S3 um eine vorbestimmte Strecke L3 (siehe 1) beabstandet ist, von dem Schutzelement 293 freiliegt.
Nachdem die Konfiguration der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, werden im weiteren Verlauf deren Vorteile beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 6 wird zuerst ein erster Vorteil der Laserzündvorrichtung 1 im Vergleich zu einem ersten Nachteil einer Laserzündvorrichtung 1z gemäß einem Vergleichbeispiel beschrieben.
In der Laserzündvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie dies in dem Unterschaubild (a) von 6 gezeigt ist, ist zwischen dem distalseitigen Ende des Außengewindeabschnitts 104 und dem proximalseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts 105 des Außengehäuses 10 der erste Nicht-Optikelementanordnungsbereich L1 vorgesehen, in dem keines der Optikelemente 11, 15 und 21 angeordnet ist. Außerdem sind an den distalseitigen und proximalseitigen Enden des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L1 jeweils die erste und die zweite Referenzfläche S1 und S2 vorgesehen. Das fokussierende Optikelement 11 ist an der distalen Seite des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L1 angeordnet, sodass es elastisch gegen die erste Referenzfläche S1 gedrückt wird. Das vergrößernde Optikelement 15 ist an der proximalen Seite des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L1 angeordnet, sodass es elastisch gegen die zweite Referenzfläche S2 gedrückt wird.
Wenn bei der obigen Anordnung der hexagonale Abschnitt 105 des Außengehäuses 10 zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 104 des Außengehäuses 10 in das Innengewindeloch 424 des Zylinderkopfs 440 gedreht wird, dann werden weder die axiale Festschraublast, die an dem Außengewindeabschnitt 104 angelegt wird, noch das Festschraubdrehmoment, das an dem hexagonalen Abschnitt 105 des Außengehäuses 10 angelegt wird, auf die Optikelemente 11, 15 und 21 übertragen. Folglich kann das Auftreten sowohl einer Verzerrung der optischen Achsen der Optikelemente 11, 15 und 21 als auch einer Fehlausrichtung der optischen Achsen der Optikelemente 11, 15 und 21 während des Befestigens des Außengehäuses 10 an dem Zylinderkopf 440 verhindert werden.
Ferner kann während des Befestigens des Außengehäuses 10 an dem Zylinderkopf 440 der Teil des Außengehäuses 10, der zwischen der ersten und der zweiten Referenzfläche S1 und S2 liegt, durch das Festschraubdrehmoment verdreht werden. Jedoch wird nach dem Befestigen des Außengehäuses 10 an dem Zylinderkopf 440 dieser Teil des Außengehäuses 10 fest an dem Zylinderkopf 440 gesichert, wodurch der vorbestimmte Abstand zwischen der ersten und der zweiten Bezugsfläche S1 und S2 (d.h. die vorbestimmte Läge des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L1) unverändert beibehalten werden. Dementsprechend wird auch die vorbestimmte Strecke zwischen dem fokussierenden Optikelement 11 und dem vergrößernden Optikelement 15 unverändert beibehalten werden.
Wie dies vorher beschrieben wurde, ist außerdem der Sitzring 13, der einen grö-ßeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Außengehäuse 10 hat, zwischen dem Optikfensterbauteil 12 und dem fokussierenden Optikelement 11 angeordnet. Wenn das Außengehäuse 10 durch die durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 erzeugte Wärme ausgedehnt wird, ist es möglich, die Abnahme der Drückkraft des gebördelten Abschnitts 102 infolge der thermischen Ausdehnung des Außengehäuses 10 mit der thermischen Ausdehnungskraft des Sitzrings 13 zu kompensieren, wodurch das fokussierende Optikelement 11 elastisch gegen die erste Referenzfläche S1 gedrückt gehalten wird.
Als ein Ergebnis ist es möglich, dem vergrößernden Optikelement 15 zu ermöglichen, zuverlässig den Strahldurchmesser des gepulsten Laserlichts LSR_PLS auf den vorbestimmten Wert zu vergrößern und das im Strahldurchmesser vergrö-ßerte, gepulste Laserlicht LSR_PLS zu dem fokussierenden Optikelement 11 auszugeben. Es ist auch möglich, dem fokussierenden Optikelement 11 zu ermöglichen, das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht LSR_PLS zuverlässig auf den vorbestimmten Brennpunkt FP in der Brennkammer 400 zu fokussieren, wodurch ein stabiles Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sichergestellt wird.
Verglichen damit sind in der in dem Unterschaubild (b) von 6 gezeigten Laserzündvorrichtung 1z gemäß dem Vergleichsbeispiel sowohl das fokussierende Optikelement 11z als auch das vergrößernde Optikelement 15z in Achsrichtung zwischen dem distalseitigen Ende des Außengewindeabschnitts 104z und dem hexagonalen Abschnitt 105z (nicht gezeigt) des Außengehäuses 10z zwischengeordnet. Wenn der hexagonale Abschnitt 105z des Außengehäuses 10z zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 104z des Außengehäuses 10z in das Innengewindeloch 442 des Zylinderkopfs 440 gedreht wird, können folglich sowohl die an dem Außengewindeabschnitt 104z anliegende axiale Festschraublast und das an dem hexagonalen Abschnitt 105z des Außengehäuses 10z anliegende Festschraubdrehmoment auf die optischen Elemente 11z und 15z übertragen werden, sodass in die Optikelemente 11z und 15z mechanische Spannungen eingebracht werden. Infolge der mechanischen Spannungen können als ein Ergebnis die optischen Achsen der Optikelemente 11z und 15z verzerrt werden, wodurch es schwierig gemacht wird, das stabile Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sicherzustellen.
Außerdem ist die fokussierende Linse des fokussierenden Optikelements 11z durch eine Kombination einer Vielzahl von Linsen ausgebildet. Daher können sich Abmessungsfehler der Linsen aufsummieren, wodurch es unmöglich gemacht wird, dass die fokussierende Linse das gepulste Laserlicht LSR_PLS auf den vorbestimmten Brennpunkt FP in der Brennkammer 400 fokussiert.
Als Nächstes wird unter nochmaliger Bezugnahme auf 6 ein zweiter Vorteil der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verglichen mit einem zweiten Nachteil der Laserzündvorrichtung 1z gemäß dem Vergleichsbeispiel beschrieben.
In der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die distalseitige Endfläche 121 (d.h. die Lichtaustrittsfläche) des Optikfensterbauteils 12 bündig mit der distalseitigen Endfläche des Außengehäuses 10 (d.h. der distalseitigen Endfläche des gebördelten Abschnitts 102 des Außengehäuses 10), wie dies in dem Unterschaubild (a) von 6 gezeigt ist. Wenn der Strom TMB des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 die distalseitige Endfläche 121 des Optikfensterbauteils 12 passiert, ist es folglich möglich, dass der Strom TMB unerwünschte Stoffe (bspw. unverbrannten Kraftstoff oder Ruß), die an der distalseitigen Endfläche 121 angehaftet sind, wegbläst, wodurch die distalseitige Endfläche 121 gereinigt wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, das Verringern der Übertragung des gepulsten Laserlichts LSR_PLS durch Ablagerung der unerwünschte Stoffe an der distalseitigen Endfläche 121 des Optikfensterbauteils 12 zu verhindern. Es ist zudem möglich, das Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS durch eine anormale Lichtbrechung infolge der Ablagerung der unerwünschte Stoffe auf der distalseitigen Endfläche 121 zu verhindern.
Im Vergleich dazu hat das Optikfensterbauteil 12z der Laserzündvorrichtung 1z gemäß dem Vergleichsbeispiel, wie dies in dem Unterschaubild (b) von 6 gezeigt ist, im Wesentlichen die Form einer ebenen Platte. Somit ist die distalseitige Endfläche des Außengehäuses 10z an der distalen Seite der Lichtaustrittsfläche 121z des Optikfensterbauteils 12z positioniert, wodurch eine Stufe zwischen der distalseitigen Endfläche des Außengehäuses 10z und der Lichtaustrittsfläche 121z des Optikfensterbauteils 12z ausgebildet wird. Wenn der Strom TMB des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 die Lichtaustrittsfläche 121z des Optikfensterbauteils 12z passiert, kann in der Nähe der Stufe eine Wirbelströmung erzeugt werden, wodurch die Geschwindigkeit des Stroms TMB gesenkt wird und wodurch verursacht wird, dass sich die unerwünschten Stoffe an dem Inneren der Stufe ablagern. Ferner kann sich die Ablagerung der unerwünschten Stoffe von dem Außenumfang zu der Mitte der Lichtaustrittsfläche 121z des Optikfensterbauteils 12z allmählich ausdehnen, wodurch verursacht wird, dass die Übertragung des gepulsten Laserlichts LSR_PLS verringert wird und die optische Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS verzerrt wird. Als ein Ergebnis kann es unmöglich werden, das stabile Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sicherzustellen.
Als Nächstes wird ein dritter Vorteil der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
In der Laserzündvorrichtung 1 ist, wie dies in 7 gezeigt ist, zwischen dem distalseitigen Ende des Außengewindeabschnitts 204 und dem proximalseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts 205 des Innengehäuses 20 der zweite Nicht-Optikelementanordnungsbereich L4 vorgesehen, in welchem keines der Optikelemente 11, 15 und 21 angeordnet ist. Ferner ist an dem proximalseitigen Ende des zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs L4 die dritte Referenzfläche S3 vorgesehen. Das einbringende Optikelement 21 ist in dem dritten Optikelementaufnahmeraum 201 aufgenommen, der in dem Innengehäuse 20 an der proximalen Seite der dritten Referenzfläche S3 ausgebildet ist, sodass das einbringende Optikelement 21 durch das Optikfaserverbindungselement 23 über den Abstandshalter 22 elastisch gegen die dritte Referenzfläche S3 gedrückt wird.
Wenn mit der obigen Anordnung der hexagonale Abschnitt 205 des Innengehäuses 20 zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 204 des Innengehäuses 20 in den Innengewindeabschnitt 106F des Außengehäuses 10 gedreht wird, dann werden weder die an dem Außengewindeabschnitt 204 anliegende axiale Festschraublast noch das an dem hexagonalen Abschnitt 205 des Innengehäuses 20 anliegende Festschraubdrehmoment auf die Optikelemente 11, 15 und 21 übertragen. Während des Befestigens des Optikfaserverbindungselements 23 an dem Innengehäuse 20 werden auch weder die axiale Festschraublast noch das Festschraubdrehmoment zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts 232 des Optikfaserverbindungselements 23 in den Innengewindeabschnitt 201M des Innengehäuses 20 auf die Optikelemente 11, 15 und 21 übertragen. Folglich kann das Auftreten sowohl der Verzerrung der optischen Achsen der Optikelemente 11, 15 und 21 als auch der Fehlausrichtung zwischen den optischen Achsen der Optikelemente 11, 15 und 21 während des Befestigens des Innengehäuses 20 an dem Außengehäuse 10 sowie während des Befestigens des Optikfaserverbindungselements 23 an dem Innengehäuse 20 verhindert werden. Als ein Ergebnis ist es möglich, das stabile Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sicherzustellen.
Als Nächstes wird ein vierter Vorteil der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
In der Laserzündvorrichtung 1 wird die proximalseitige Endfläche (oder die Lichteintrittsfläche) 181 des Laserresonators 18, wie dies in 7 gezeigt ist, durch die elastische Kraft des Federelements 16 elastisch gegen die distalseitige Endfläche 214 des einbringenden Optikelements 21 an der dritten Referenzfläche S3 gedrückt. Folglich kann eine Variation in der Genauigkeit bei der maschinellen Herstellung des Laserresonators 18 und eine Abmessungsänderung des Laserresonators 18 infolge der in dem Laserresonator 18 erzeugten Wärme durch Ausdehnung/Kontraktion des Federelements 16 absorbiert werden, wodurch der optische Abstand zwischen dem einbringenden Optikelement 21 und dem Laserresonator 18 konstant gehalten wird. Ferner kann mit dem Flanschabschnitt 233 des Optikfaserverbindungselements 23, der auf der proximalseitigen Endfläche des Innengehäuses 20 (oder auf der vierten Referenzfläche S4) aufsitzt, die vorbestimmte Strecke L3 von dem distalseitigen Ende des Kernmaterials 292 der Optikfaser 29 zu der proximalseitigen Endfläche des Laserresonators 18 (oder zu der dritten Referenzfläche S3) ebenso konstant gehalten werden. Als ein Ergebnis kann der Strahldurchmesser des durch das einbringende Optikelement 21 in die proximalseitige Endfläche des Laserresonators 18 eingebrachten Erregungslichts LSR_PMP konstant gehalten werden, wodurch eine stabile Ausgabe des gepulsten Laserlichts LSR_PLS von dem Laserresonator 18 zu dem vergrößernden Optikelement 15 sichergestellt wird.
Außerdem wird das gepulste Laserlicht LSR_PLS von dem Laserresonator 18 zu dem vergrößernden Optikelement 15 in der Form eines Parallelstrahls ausgegeben. Daher wird die Ausgabe des im Strahldurchmesser vergrößerten, gepulsten Laserlichts LSR_PLS von dem vergrößernden Optikelement 15 nicht durch einen Abmessungsfehler beeinflusst, der während des Zusammenbaus des Außengehäuses 10 und des Innengehäuses 20 verursacht wird, und auch nicht von einer Abmessungsänderung des Laserresonators 18 infolge der Wärmeerzeugung in dem Laserresonator 18.
Als Nächstes wird ein fünfter Vorteil der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
In der Laserzündvorrichtung 1 ist der Laserresonator 18, wie dies in 7 gezeigt ist, in dem in dem Innengehäuse 20 ausgebildeten Resonatoraufnahmeraum 202 aufgenommen. Zwischen der Außenfläche des Laserresonators 18 und der Innenfläche des Resonatoraufnahmeraums 202 ist ein so kleiner Spalt vorgesehen, dass den beiden Flächen ermöglicht wird, axial aneinander zu gleiten. Selbst wenn eine Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserresonator 18 und dem Innengehäuse 20 vorhanden ist, ist es folglich möglich, zu verhindern, dass eine thermische Spannung infolge der Differenz in den Laserresonator 18 eingebracht wird, wodurch die Parallelheit zwischen den Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen des Laserresonators 18 unverändert gehalten wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass die optische Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS während des Passierens des gepulsten Laserlichts LSR_PLS durch den Laserresonator 18 verzerrt wird, wodurch das stabile Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sichergestellt wird.
Als Nächstes wird ein sechster Vorteil der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
In dem Fall, in dem die Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserresonator 18 und dem Innengehäuse 20 groß ist, kann es dann, wenn das im Strahldurchmesser geregelte Erregungslicht LSR_PMP durch das einbringende Optikelement 21 in den Laserresonator 18 eingebracht wird, und dadurch ein Ansteigen der Temperatur des Laserresonators 18 verursacht, schwierig für die Außenfläche des Laserresonators 18 werden, an der Innenfläche des in dem Innengehäuse 20 ausgebildeten Resonatoraufnahmeraums 202 zu gleiten. Folglich kann es schwierig werden, das Verzerren der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS infolge einer in den Laserresonator 18 eingebrachten thermischen Spannung zu verhindern. Außerdem kann mit dem Anstieg der Temperatur des Lasermediums 180 der durch den Laserresonator 18 erzeugte Zyklus des gepulsten Laserlichts LSR_PLS zunehmen, wodurch die Anzahl der Laserimpulse verringert wird, die für jedes Zünden verwendet werden, wodurch das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 instabil gemacht wird.
In der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umgibt jedoch der in der Kühlvorrichtung 26 ausgebildete Kühlkanal 265 die Außenumfänge sowohl des dritten Optikelementaufnahmeraums 201 als auch des Resonatoraufnahmeraums 202, die in dem Gehäuse 20 ausgebildet sind, wie dies in 8 gezeigt ist. Mit dem durch den Kühlmittelkanal 265 zirkulierenden Kühlmittel kann die Temperatur des in dem Resonatoraufnahmeraum 202 aufgenommenen Laserresonators 18 folglich bei nicht höher als 40°C gehalten werden.
Als ein Ergebnis ist es möglich, die Verzerrung der optischen Achse des gepulsten Laserlichts LSR_PLS infolge einer thermischen Spannung zu verhindern, die durch die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserresonator 18 und dem Innengehäuse 20 in den Laserresonator 18 eingebracht wird. Es ist zudem möglich, den Temperaturanstieg des Lasermediums 180 zu erhöhen, wodurch eine Erhöhung des Zyklus des gepulsten Laserlichts LSR_PLS unterdrückt wird, um ein stabileres Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch das gepulste Laserlicht LSR_PLS sicherzustellen.
Außerdem ist in der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kühlvorrichtung 26 an der proximalen Seite des Laserresonators 18 sowie an der radial äußeren Seite des Laserresonators 18 angeordnet. Folglich ist es möglich, die in dem Laserresonator 18 erzeugte Wärme gemäß dem Naturgesetzt der Wärmeübertragung effizient zu dessen proximaler Seite abzuleiten.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine Laserzündvorrichtung 1a, die nahezu den gleichen Aufbau wie die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Dementsprechend werden im Weiteren Verlauf nur die Unterschiede dazwischen beschrieben.
In dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel sind der gebördelte Abschnitt 102 und der durch Wärme verformte Abschnitt 103 jeweils als ein integraler Teil des Außengehäuses 10 ausgebildet; das Optikfensterbauteil 12 ist durch die Drückkraft des gebördelten Abschnitts 102 an dem Außengehäuse 10 befestigt (siehe 1 bis 3).
Im Vergleich dazu ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie dies in 9 gezeigt ist, ein gebördelter Abschnitt 102a als ein integraler Teil eines Sitzrings (oder elastischen Elements) 13a ausgebildet. Der gebördelte Abschnitt 102a umwickelt und drückt die distalseitige Seitenfläche 123a des Optikfensterbauteils 12a über eine im Wesentlichen ringförmige Platte (oder elastisches Element) 14a, sodass eine Komponente der Drückkraft des gebördelten Abschnitts 102a an der distalseitigen Seitenfläche 123a in der Achsrichtung zu der proximalen Seite wirkt. Ferner sind das Optikfensterbauteil 12a und der Sitzring 13a durch Hartlöten aneinander befestigt. Der Sitzring 13a wird getrennt von dem Außengehäuse 10a ausgebildet und mit einer zwischen dem Sitzring 13a und dem distalseitigen Endabschnitt des Außengehäuses 10a ausgebildeten Verschweißung 103a an das Außengehäuse 10a angeschweißt. Der Sitzring 13a ist aus einem metallenen Material gefertigt, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der des Außengehäuses 10a hat. Außerdem ist anzumerken, dass in 9 die oberen und unteren Seiten jeweils den distalen und proximalen Seiten entsprechen.
Wie dies in dem Unterschaubild (a) von 9 gezeigt ist, hat genauer gesagt der Sitzring 13a eine im Wesentlichen zylindrische Form und eine konisch verlaufende Innenfläche 131a, die mit der proximalseitigen Seitenfläche 124a des Optikfensterbauteils 12a konform ist. Ferner ist in dem Innenumfang des Sitzrings 13a an der distalen Seite der konischen Innenfläche 131a eine Ringnut 132a ausgebildet, um das Hartlötmaterial 133 daran zu platzieren. Außerdem hat der Sitzring 13a einen dünnwandigen Abschnitt an der distalen Seite der Ringnut 132a. Der gebördelte Abschnitt 102a wird ausgebildet, indem ein Bördelvorgang an dem dünnwandigen Abschnitt durchgeführt wird.
In einem ersten Schritt des Bördelvorgangs werden sowohl das Optikfensterbauteil 12a als auch das Hartlötmaterial 133 an dem Sitzring 13a montiert, wie dies in dem Unterschaubild (b) von 9 gezeigt ist. Dann wird der Sitzring 13a von seiner radial äußeren Seite erwärmt.
Folglich wird das Hartlötmaterial 133 geschmolzen und verteilt sich zwischen dem Optikfensterbauteil 12a und dem Sitzring 13a, wie dies in dem Unterschaubild (c) von 9 gezeigt ist, und kühlt dann ab, um die beiden Komponenten 12a und 13a aneinanderzufügen.
In einem zweiten Schritt des Bördelvorgangs wird, wie dies in dem Unterschaubild (d) von 9 gezeigt ist, der Sitzring 13a, an dem das Optikfensterbauteil 12a montiert ist, an einer Fixierform 70a fixiert. Dann wird die Platte 14a an der distalseitigen Seitenfläche 123a des Optikfensterbauteils 12 platziert. Danach wird eine Bördelform 710a, in deren unterer Fläche eine im Wesentlichen becherförmige Vertiefung ausgebildet ist, durch eine Vertikalbewegungsvorrichtung 71a abwärts bewegt, um den dünnwandigen Abschnitt des Sitzrings 13a zu drücken.
Folglich wird der dünnwandige Abschnitt des Sitzrings 13a radial einwärts gebeult und dadurch mit der Platte 14a in gedrücktem Kontakt gebracht. Als ein Ergebnis wird der gebördelte Abschnitt 102a erhalten, der die distalseitige Seitenfläche 123a des Optikfensterbauteils 12a über die Platte 14a wickelt und presst.
Nach dem Ausbilden des gebördelten Abschnitts 102a wie vorstehend erwähnt, werden das fokussierende Optikelement 11 und der Sitzring 13a zusammen mit dem Optikfensterbauteil 12a in dem in dem Außengehäuse 10a ausgebildeten ersten Optikelementaufnahmeraum 101a platziert, wie dies in dem Unterschaubild (e) von 9 gezeigt ist. Dann werden der distalseitige Endabschnitt des Außengehäuses 10a und der Sitzring 13a miteinander laserverschweißt, um die Verschweißung 103a dazwischen auszubilden. Als ein Ergebnis wird die Laserzündvorrichtung 1a gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erhalten.
Die vorstehend beschriebene Laserzündvorrichtung 1a gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die gleichen Vorteile wie die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Während die vorstehend erwähnten besonderen Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Verbesserungen durchgeführt werden können, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise zeigt 10 verschiedene Modifikationen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die distalseitige Endfläche 121 des Optikfensterbauteils 12 mit der distalseitigen Endfläche des Außengehäuses 10 bündig, wie dies zuvor beschrieben wurde (siehe 1).
Im Vergleich damit befindet sich in einer in dem Unterschaubild (a) von 10 gezeigten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels die distalseitige Endfläche 121c (d.h., die Lichtaustrittsfläche) des Optikfensterbauteils 12c weiter distal als die distalseitige Endfläche des Außengehäuses 10c (d.h. die distalseitige Endfläche des gebördelten Abschnitts 102c des Außengehäuses 10c). Mit anderen Worten ragt die distalseitige Endfläche 121c des Optikfensterbauteils 12c von der distalseitigen Endfläche des Außengehäuses 10c in Richtung zu der Brennkammer 400 vor.
Mit der oben erwähnten Stelle der distalseitigen Endfläche 121c des Optikfensterbauteils 12c gemäß der Modifikation wird es für den Strom TMB des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 400 einfacher, unerwünschte Stoffe (bspw. unverbrannten Kraftstoff oder Ruß), die an der distalseitigen Endfläche 121c angehaftet sind, wegzublasen. Folglich ist die Fähigkeit der Laserzündvorrichtung 1c zur Selbstreinigung der distalseitigen Endfläche 121c des Optikfensterbauteils 12c verbessert. Selbst wenn sich die unerwünschte Stoffe an der Grenze zwischen dem Optikfensterbauteil 12c und dem Außengehäuse 10c ablagern, ist es außerdem immer noch möglich, die distalseitige Endfläche 121c des Optikfensterbauteils 12c frei von Ablagerungen der unerwünschte Stoffe zu halten, da die distalseitige Endfläche 121c sich weiter distal als die Grenze befindet.
Auf ähnliche Weise befindet sich in einer Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels, die in dem Unterschaubild (b) von 10 gezeigt ist, die distalseitige Endfläche 121d des Optikfensterbauteils 12d weiter distal als die distalseitige Endfläche des Sitzrings 13d und auch als die distalseitige Endfläche des Außengehäuses 10d.
Mit der oben erwähnten Stelle der distalseitigen Endfläche 121d des Optikfensterbauteils 12d ist es möglich, die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie mit jenen der distalseitigen Endfläche 121c des Optikfensterbauteils 12c in der in dem Unterschaubild (a) von 10 gezeigten Modifikation zu erreichen.
Wie dies zuvor beschrieben wurde, verläuft in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel die distalseitige Seitenfläche 123 (oder 123a) des Optikfensterbauteils 12 (oder 12a) in Richtung zu der distalen Seite, sodass der Durchmesser der distalseitigen Seitenfläche 123 (oder 123a) in der Achsrichtung in Richtung zu der distalen Seite kontinuierlich abnimmt. Außerdem ist das Optikfensterbauteil 12 (oder 12a) mittels des gebördelten Abschnitts 102 (oder 102a) und des durch Wärme verformten Abschnitts 103 (oder der Verschweißung 103a) befestigt (siehe 1 und 9).
Im Vergleich ist in einer in dem Unterschaubild (c) von 10 gezeigten anderen Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels die gesamte Seitenfläche 123e des Optikfensterbauteils 12e gestuft, sodass sie einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser an der distalen Seite und einen Abschnitt mit großem Durchmesser an der proximalen Seite aufweist; der Durchmesser des Abschnitts mit großem Durchmesser ist größer als jener des Abschnitts mit kleinem Durchmesser. Außerdem ist das Optikfensterbauteil 12e mittels des gebördelten Abschnitts 102e und des durch Wärme verformten Abschnitts 103e befestigt.
Mit der obigen Konfiguration der Seitenfläche 123e des Optikfensterbauteils 12e ist es möglich, die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie mit jener der Seitenfläche 123 des Optikfensterbauteils 12 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zu erreichen.
Auf ähnliche Weise ist in einer in dem Unterschaubild (d) von 10 gezeigten anderen Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels die gesamte Seitenfläche 123f des Optikfensterbauteils 12f so gestuft, dass sie einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser an der distalen Seite und einen Abschnitt mit großem Durchmesser an der proximalen Seite aufweist; der Durchmesser des Abschnitts mit großem Durchmesser ist größer als jener des Abschnitts mit kleinem Durchmesser. Außerdem ist das Optikfensterbauteil 12f mittels des gebördelten Abschnitts 102f und der Verschweißung 103f befestigt.
Mit der obigen Konfiguration der Seitenfläche 123f des Optikfensterbauteils 12f ist es möglich, die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie jene der Seitenfläche 123a des Optikfensterbauteils 12a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zu erreichen.
Außerdem ist in einer weiteren Modifikation des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der Sitzring 13 (oder 13a) ausgelassen, wie dies in dem Unterschaubild (e) von 10 gezeigt ist. Stattdessen ist das Optikfensterbauteil 12g unter Verwendung einer im Wesentlichen zylindrischen Umschließung 13g befestigt. Die gesamte Seitenfläche 123g des Optikfensterbauteils 12g ist so gestuft, dass sie einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser an der distalen Seite und einen Abschnitt mit großem Durchmesser an der proximalen Seite aufweist; der Durchmesser des Abschnitts mit großem Durchmesser ist größer als jener des Abschnitts mit kleinem Durchmesser. Die Umschließung 13g hat einen ähnlichen Aufbau wie die Umschließung 111 des fokussierenden Optikelements 11. Das Optikfensterbauteil 12g ist teilweise in der Umschließung 13g aufgenommen, sodass der Abschnitt mit großem Durchmesser von der Umschließung 13g nach außen vorragt. Der gebördelte Abschnitt 102g umwickelt und drückt die distalseitige Endfläche der Umschließung 13g über die dazwischen angeordnete Platte 14g, wodurch das Optikfensterbauteil 12g zusammen mit dem fokussierenden Optikbauteil 11 in dem in dem Außengehäuse 10g ausgebildeten ersten Optikelementaufnahmeraum 101g befestigt wird.
Mit der obigen Anordnung des Optikfensterbauteils 12g ist es möglicht, die gleichen Wirkungen wie jene des Optikfensterbauteils 12 und 12a gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel zu erhalten.
Außerdem sind die kegelstumpfartigen Formen der Seitenflächen 123, 123a, 123c und 123d der Optikfensterbauteile 12, 12a, 12c und 12d, die jeweils in 1 und 9 und den Unterschaubildern (a) bis (b) von 10 gezeigt sind, mehr vorzuziehen als die abgestuften Formen der Seitenflächen 123e bis 123g der Optikfensterbauteile 12e bis 12g, die jeweils in den Unterschaubildern (c) bis (e) von 10 gezeigt sind, hinsichtlich: (1) Erleichtern der maschinellen Bearbeitung der Optikfensterbauteile; und (2) Verhindern des Auftretens von Spannungskonzentrationen in den Optikfensterbauteilen während des Bördelvorgangs oder während der Verwendung der Laserzündvorrichtungen.
In dem ersten Ausführungsbeispiel umgibt der in der Kühlvorrichtung 26 ausgebildete Kühlkanal 265 sowohl den Außenumfang des dritten Optikelementaufnahmeraums 201, der in dem Innengehäuse 20 zum Aufnehmen des einbringenden Optikelements 21 ausgebildet ist, als auch den Außenumfang des Resonatoraufnahmeraums 202, der in dem Innengehäuse 20 zum Aufnehmen des Laserresonators 18 ausgebildet ist (siehe 1 und 8).
Im Vergleich dazu umgibt in noch einer anderen Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels, die in 11 gezeigt ist, der in der Kühlvorrichtung 26h ausgebildete Kühlkanal 265h nur den Außenumfang des dritten Optikelementaufnahmeraums 201, der in dem Innengehäuse 20 zum Aufnehmen des einbringenden Optikelements 21 ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal 265h so konfiguriert, dass er den Außenumfang des Innengehäuses 20 nur an der proximalen Seite des Laserresonators 18 umgibt.
Mit der obigen Konfiguration ist es möglich, die Abmessung der Kühlvorrichtung 26h zu minimieren, während ein wirkungsvolles Ableiten der in dem Laserresonator 18 erzeugten Wärme sichergestellt wird. Es ist zudem möglich, das an dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 wirkende Trägheitsmoment zu minimieren, um dadurch zuverlässiger die Verzerrung der optischen Achsen der Optikelemente 11, 15 und 21, die in dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 aufgenommen sind, zu verhindern.
Wie dies in 11 gezeigt ist, ist es zudem möglich, einen Außengewindeabschnitt 269 an dem proximalseitigen Außenumfang der Kühlvorrichtung 26h vorzusehen, wodurch die Kühlvorrichtung 26h durch Gewindeeingriff an dem Zylinderkopf 440h befestigt wird bzw. festgeschraubt wird. Folglich ist es möglich, noch zuverlässiger zu verhindern, dass sich die Kühlvorrichtung 26h während des Betriebs von dem Außengehäuse 10 und dem Innengehäuse 20 löst.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Optikfaserverbindungsbauteil 23 zum Verbinden der Optikfaser 29 mit dem Innengehäuse 20 mit dem Innengehäuse 20 befestigt, indem der Außengewindeabschnitt 232 des Optikfaserverbindungsbauteils 23 in den Innengewindeabschnitt 201M des Innengehäuses 20 eingeschraubt wird.
Vorausgesetzt, dass es möglich ist, einen vorbestimmten Abstand von dem distalseitigen Ende des Kernmaterials 292 der Optikfaser 29 zu dem vergrößernden Optikelement 21 zu halten, ohne eine Verzerrung der optischen Achse des Elements 21 zu verursachen, kann das Optikfaserverbindungselement 23 jedoch auch mit anderen Befestigungsverfahren an dem Innengehäuse 20 befestigt werden, etwa durch Presspassen des Bauteils 23 in einen proximalseitigen Endabschnitt des Innengehäuses 20 oder durch Einsetzen des Bauteils 23 in den proximalseitigen Endabschnitt des Innengehäuses 20 durch anschließendes Verschweißen oder Verlöten dieser beiden.
Eine Laserzündvorrichtung hat ein Gehäuse, das einen Außengewindeabschnitt zum Befestigen des Gehäuses und einen hexagonalen Abschnitt zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts hat. Zwischen einem brennkammerseitigen Ende des Außengewindeabschnitts und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts ist ein Nicht-Optikelementanordnungsbereich definiert, in dem keines von einem einbringenden Optikelement, einem vergrößernden Optikelement und einem fokussierenden Optikelement der Vorrichtung angeordnet ist. An einem brennkammerseitigen Ende und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs ist eine Referenzfläche ausgebildet, die sich senkrecht zu einer Achsrichtung des Gehäuses erstreckt. Eines von dem einbringenden Optikelement, dem vergrößernden Optikelement und dem fokussierenden Optikelement ist derart in dem Gehäuse aufgenommen, dass es von außerhalb des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs elastisch gegen die Referenzfläche gedrückt wird.

Claims

Laserzündvorrichtung (1) mit: einer Erregungslichtquelle (50), die dazu konfiguriert ist, ein Erregungslicht auszugeben; einem einbringenden Optikelement (21), das dazu konfiguriert ist, den Strahldurchmesser des von der Erregungslichtquelle (50) ausgegebenen Erregungslichts auf einen vorbestimmten Wert zu regeln; einem Laserresonator (18), der dazu konfiguriert ist, nach dem Einbringen des im Strahldurchmesser regulierten Erregungslichts dorthin durch das einbringende Optikelement (21) ein gepulstes Laserlicht zu erzeugen und das erzeugte, gepulste Laserlicht auszugeben; einem vergrößernden Optikelement (15), das dazu konfiguriert ist, den Strahldurchmesser des von dem Laserresonator (18) ausgegebenen gepulsten Laserlichts zu vergrößern und das im Strahldurchmesser vergrö-ßerte, gepulste Laserlicht auszugeben; einem fokussierenden Optikelement (11), das dazu konfiguriert ist, das im Strahldurchmesser vergrößerte, gepulste Laserlicht, das von dem vergrößernden Optikelement (15) ausgegeben wird, auf einen vorbestimmten Brennpunkt in einer Brennkammer (400) einer Kraftmaschine zu fokussieren, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer (400) gezündet wird; einem Optikfensterbauteil (12), das an einer Brennkammerseite des fokussierenden Optikelements (11) vorgesehen ist, um das fokussierende Optikelement (11) zu schützen; und einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse, das in sich das einbringende Optikelement (21), den Laserresonator (18), das vergrößernde Optikelement (15), das fokussierende Optikelement (11) und das Optikfensterbauteil (12) aufnimmt, wobei das Gehäuse einen Außengewindeabschnitt (104) zum Befestigen des Gehäuses und einen hexagonalen Abschnitt (105) zum Festschrauben des Außengewindeabschnitts (104) hat, zwischen einem brennkammerseitigen Ende des Außengewindeabschnitts (104) und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des hexagonalen Abschnitts (105) ein Nicht-Optikelementanordnungsbereich (L1) definiert ist, in dem keines von dem einbringenden Optikelement (21), dem vergrößernden Optikelement (15) und dem fokussierenden Optikelement (11) angeordnet ist, und an einem von einem brennkammerseitigen Ende und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs (L1) eine Referenzfläche ausgebildet ist, die sich senkrecht zu einer Achsrichtung des Gehäuses erstreckt, und eines von dem einbringenden Optikelement (21), dem vergrößernden Optikelement (15) und dem fokussierenden Optikelement (11) derart in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass es von außerhalb des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs (L1) elastisch gegen die Referenzfläche gedrückt wird.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Außengewindeabschnitt (104) ein erster Außengewindeabschnitt ist, der hexagonale Abschnitt (105) ein erster hexagonaler Abschnitt ist und der Nicht-Optikelementanordnungsbereich (L1) ein erster Nicht-Optikelementanordnungsbereich ist und die Referenzfläche eine erste Referenzfläche ist, das Gehäuse einen Doppelaufbau hat, der aus einem Außengehäuse (10) und einem Innengehäuse (20), das teilweise in dem Außengehäuse (10) aufgenommen ist, besteht, wobei sowohl das Außengehäuse (10) als auch das Innengehäuse (20) eine im Wesentlichen zylindrische Form haben, der erste Außengewindeabschnitt an einem Außenumfang des Außengehäuses (10) zum Fixieren des Außengehäuses (10) an einem Zylinderkopf (440) der Kraftmaschine ausgebildet ist, der erste hexagonale Abschnitt zudem an dem Außenumfang des Au-ßengehäuses (10) zum Festschrauben des ersten Außengewindeabschnitts in einem in dem Zylinderkopf (440) ausgebildeten Innengewindeloch (442) ausgebildet ist, wobei der erste hexagonale Abschnitt sich an der Gegen-Brennkammerseite des ersten Außengewindeabschnitts befindet, der erste Nicht-Optikelementanordnungsbereich zwischen dem brennkammerseitigen Ende des ersten Außengewindeabschnitts und dem gegen-brennkammerseitigen Ende des ersten hexagonalen Abschnitts definiert ist, ein zweiter Außengewindeabschnitt an einem Außenumfang des Innengehäuses (20) zum Befestigen des Innengehäuses (20) an dem Außengehäuse (10) ausgebildet ist, wobei sich der zweite Außengewindeabschnitt an einer Gegen-Brennkammerseite des ersten hexagonalen Abschnitts befindet, zudem ein zweiter hexagonaler Abschnitt an dem Außenumfang des Innengehäuses (20) zum Festschrauben des zweiten Außengewindeabschnitts in einem in dem Außengehäuse (10) ausgebildeten Innengewindeabschnitt ausgebildet ist, wobei sich der zweite hexagonale Abschnitt an der Gegen-Brennkammerseite des zweiten Außengewindeabschnitts befindet, zwischen einem brennkammerseitigen Ende des zweiten Außengewindeabschnitts und einem gegen-brennkammerseitigen Ende des zweiten hexagonalen Abschnitts ein zweiter Nicht-Optikelementanordnungsbereich definiert ist, in dem keines von dem einbringenden Optikelement (21), dem vergrößernden Optikelement (15) und dem fokussierenden Optikelement (11) angeordnet ist, an dem brennkammerseitigen Ende des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs die erste Referenzfläche vorgesehen ist, an der Brennkammerseite der ersten Referenzfläche in dem Außengehäuse (10) ein erster Optikelementaufnahmeraum ausgebildet ist, in dem das fokussierende Optikelement (11) so aufgenommen ist, dass es elastisch gegen die erste Referenzfläche gedrückt wird, an dem gegen-brennkammerseitigen Ende des ersten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs eine zweite Referenzfläche vorgesehen ist, die sich senkrecht zu der Achsrichtung des Gehäuses erstreckt, an der Gegen-Brennkammerseite der zweiten Referenzfläche in dem Außengehäuse (10) ein zweiter Optikelementaufnahmeraum ausgebildet ist, in welchem das vergrößernde Optikelement (15) so aufgenommen ist, dass es elastisch gegen die zweite Referenzfläche gedrückt wird, an dem gegen-brennkammerseitigen Ende des zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs eine dritte Referenzfläche vorgesehen ist, die sich senkrecht zu der Achsrichtung des Gehäuses erstreckt, an der Gegen-Brennkammerseite der dritten Referenzfläche in dem Innengehäuse (20) ein dritter Optikelementaufnahmebereich ausgebildet ist, in welchem das einbringende Optikelement (21) so aufgenommen ist, dass es elastisch gegen die dritte Referenzfläche gedrückt wird, innerhalb des zweiten Nicht-Optikelementanordnungsbereichs in dem Innengehäuse (20) ein Resonatoraufnahmeraum ausgebildet ist, in welchem der Laserresonator (18) axial verschiebbar aufgenommen ist, und ein Elastikelement zwischen dem Laserresonator (18) und dem vergrößernden Optikelement (15) zwischengeordnet ist, um eine gegenbrennkammerseitige Endfläche des Laserresonators (18) elastisch gegen eine brennkammerseitige Endfläche des einbringenden Optikelements (21) zu drücken und eine brennkammerseitige Endfläche des vergrößernden Optikelements (15) elastisch gegen die zweite Referenzfläche zu drücken.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Optikfensterbauteil (12) derart in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass eine brennkammerseitige Endfläche des Optikfensterbauteils (12) mit einer brennkammerseitigen Endfläche des Gehäuses bündig ist.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Optikfensterbauteil (12) so in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass eine brennkammerseitige Endfläche des Optikfensterbauteils (12) von einer brennkammerseitigen Endfläche des Gehäuses in Richtung zu der Brennkammer (400) vorragt.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Referenzfläche an dem brennkammerseitigen Ende des Nicht-Optikelementanordnungsbereichs (L1) ausgebildet ist, das fokussierende Optikelement (11) so in dem Gehäuse aufgenommen ist, dass es an der Brennkammerseite der Referenzfläche positioniert ist, die Laserzündvorrichtung (1) ferner Mittel zum elastischen Drücken des fokussierenden Optikelements (11) gegen die Referenzfläche aufweist, und das elastisch drückende Mittel eine Seitenfläche des Optikfensterbauteils (12) umwickelt und drückt, wobei das fokussierende Optikelement (11) in Achsrichtung zwischen dem Optikfensterbauteil (12) und der Referenzfläche zwischengeordnet ist, sodass eine Komponente der Drückkraft des Mittels an der Seitenfläche des Optikfensterbauteils (12) in der Achsrichtung von der Brennkammer (400) weg wirkt.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, wobei das elastisch drückende Mittel aus einem gebördelten Abschnitt besteht, der in dem Gehäuse an dem brennkammerseitigen Ende des Gehäuses ausgebildet ist.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, wobei zwischen dem Optikfensterbauteil (12) und dem fokussierenden Optikelement (11) ein im Wesentlichen zylindrisches, elastisches Element zwischengeordnet ist, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse hat, und das elastisch drückende Mittel aus einem gebördelten Abschnitt besteht, der in dem elastischen Element an dem brennkammerseitigen Ende des elastischen Elements ausgebildet ist.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, wobei die Seitenfläche des Optikfensterbauteils (12) eine kegelstumpfartige Form hat, die in Richtung zu der Brennkammer (400) konisch verläuft.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, wobei die Seitenfläche des Optikfensterbauteils (12) gestuft ist, sodass sie einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser an der Brennkammerseite und einen Abschnitt mit großem Durchmesser an der Gegen-Brennkammerseite aufweist, wobei der Abschnitt mit großem Durchmesser einen größeren Durchmesser als der Abschnitt mit kleinem Durchmesser hat.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, wobei das Gehäuse einen durch Wärme verformten Abschnitt hat, der sich in Achsrichtung zwischen der Referenzfläche und dem elastisch drückenden Mittel befindet, und der durch Wärme verformte Abschnitt durch axiales Pressen eines dünnwandigen Abschnitts des Gehäuses während dem Erwärmen des dünnwandigen Abschnitts zu dessen dauerhaften Verformung ausgebildet wird, wobei der dünnwandige Abschnitt zwischen der Referenzfläche und dem elastisch drückendem Mittel vorgesehen ist und eine kleinere Wanddicke als andere Abschnitte des Gehäuses hat.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei ein im Wesentlichen ringförmiges, elastisches Element in Achsrichtung zwischen dem Optikfensterbauteil (12) und dem fokussierenden Optikelement (11) zwischengeordnet ist, sodass eine Außenfläche des elastischen Elements an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt und eine Innenfläche des elastischen Elements an einer Seitenfläche des Optikfensterbauteils (12) anliegt, das elastische Element aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse gefertigt ist, und das anliegende Paar aus der Innenfläche des elastischen Elements und der Seitenfläche des Optikfensterbauteils (12) beide in der Achsrichtung von der Brennkammer (400) weg konisch verlaufen.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, ferner mit einer Kühlvorrichtung (26), die aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Gehäuse hat, wobei in der Kühlvorrichtung (26) ein Kühlkanal ausgebildet ist, der einen Außenumfang des Gehäuses zumindest an der Gegen-Brennkammerseite des Laserresonators (18) umgibt.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, wobei die Kühlvorrichtung (26) abnehmbar an dem Gehäuse lediglich mittels elastischer Kräfte von einem ersten und einem zweiten O-Ring angebracht ist, die beide aus einem elastischen Material gefertigt sind und jeweils zwischen einer gegen-brennkammerseitigen Innenfläche der Kühlvorrichtung (26) und einer Außenfläche des Gehäuses und zwischen einer brennkammerseitigen Innenfläche der Kühlvorrichtung (26) und der Außenfläche des Gehäuses zwischengeordnet sind.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, wobei die Kühlvorrichtung (26) so konfiguriert ist, dass ein durch einen externen Wärmetauscher (60) gekühltes Kühlmittel in den Kühlkanal strömt, erwärmt wird, während er den Kühlkanal passiert, und aus dem Kühlkanal zu dem externen Wärmetauscher (60) ausströmt.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei sich die Erregungsquelle außerhalb des Gehäuses befindet, und das von der Erregungslichtquelle (50) ausgegebene Erregungslicht über eine Optikfaser zu dem einbringenden Optikelement (21) übertragen wird.
Laserzündvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei jedes von dem einbringenden Optikelement (21), dem vergrößernden Optikelement (15) und dem fokussierenden Optikelement (11) eine optische Linse (110, 150, 210) und eine im Wesentlichen zylindrische Umschließung (111, 151, 213) aufweist, die die optische Linse (110, 150, 210) darin hält, die optische Linse (110, 150, 210) so konfiguriert ist, dass sie ein Licht aufnimmt, das einen vorgegebenen Einfallswinkel hat, und ein Licht ausgibt, das einen vorgegebenen Ausfallswinkel hat, und beide Endflächen der Umschließung (111, 151, 213) senkrecht zu deren Längsachse verlaufen, um einen Brennpunkt der optischen Linse (110, 150, 210) mit Bezug auf die Referenzfläche zu positionieren.