DE112011105132T5

DE112011105132T5 - Laserzündvorrichtung

Info

Publication number: DE112011105132T5
Application number: DE112011105132.8T
Authority: DE
Inventors: Hirohide Furutani; Akihiro Sone; Hiroshi Sakai
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2012137384A1; US20140041612A1; CN103459831A; CN103459831B; JP2012219661A

Abstract

Eine Laserzündvorrichtung 1 zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Hilfsbrennkammer 85 umfasst eine Zieleinheit 20, die in der Hilfsbrennkammer 85 angeordnet ist und eine Laserlichtquelle 11, die auf der Außenseite der Brennkammer 85 angeordnet ist, und zwar zum Abstrahlen von Laserlicht L für ein Bestrahlen der Zieleinheit 20. Die Laserlichtquelle 11 ist ein Mikrochiplaser.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserzündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsraum.
STAND DER TECHNIK
Laserzündvorrichtungen, die Luft-Kraftstoff-Gemische in Verbrennungsräumen bzw. Brennkammern unter Verwendung von Laserlicht zünden, haben als Vorrichtungen zum Verbessern der Wirkungsgrade von Gasmotoren Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Beispielsweise offenbart das Patentdokument 1 eine zündungszielartige Laserzündvorrichtung, die Laserlicht bei einem Festkörperziel sammelt, das auf der oberen Fläche eines Kolbens eines Motors platziert ist, um ein Plasma bzw. Plasmen zu erzeugen, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einer Brennkammer gezündet wird. Das Patentdokument 2 offenbart eine gaszündartige Laserzündvorrichtung, die Laserlicht bei einem Luft-Kraftstoff-Gemisch sammelt bzw. zusammenführt, um es zu entzünden.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nummer 2006-220091
Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldung 2006-329186

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Allerdings kann die Laserzündvorrichtung, die in dem oben genannten Patentdokument 1 offenbart ist, daran scheitern, Plasmen zu erzeugen, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden, außer die Laserlichtsammelposition wird mit dem Festkörperziel mit hoher Präzision ausgerichtet. Die Laserzündvorrichtung, die in dem Patentdokument 2 offenbar ist, verlangt andererseits, eine hohe Laserleistung zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündvorrichtung bereitzustellen, die auf zuverlässige Weise Plasmen erzeugen kann, um Luft-Kraftstoff-Gemische zu zünden, während sie gleichzeitig imstande ist, die zum Zünden notwendige Laserlichtenergie zu vermindern.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die Laserzündvorrichtung gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Laserzündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer, wobei die Laserzündvorrichtung eine Zieleinheit, die in der Brennkammer angeordnet ist, und eine Laserlichtquelle aufweist, die auf der Außenseite der Brennkammer zum Abstrahlen von Laserlicht für ein Bestrahlen der Zieleinheit angeordnet ist, wobei die Laserlichtquelle ein Mikrochiplaser ist.
Die Laserzündvorrichtung verwendet einen Mikrochiplaser als Laserlichtquelle. Das von dem Mikrochiplaser abgestrahlte Laserlicht weist eine so hohe Energie pro Flächen auf, dass ein breiter Intensitätsbereich für das Laserlicht sichergestellt wird, der Plasmen zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Zieleinheit erzeugen kann. Dies ermöglicht es, Plasmen auf zuverlässige Weise zu erzeugen, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden, und zwar selbst dann, wenn die Laserlichtsammelposition zu der Zieleinheit versetzt ist. Diese Laserzündvorrichtung umfasst ebenso, dass die Zieleinheit in der Brennkammer angeordnet ist und die Laserlichtquelle, die auf der Außenseite der Brennkammer angeordnet ist, zum Abstrahlen von Laserlicht für ein Bestrahlen der Zieleinheit ist. Diese Laserzündvorrichtung bestrahlt die in der Brennkammer angeordnete Zieleinheit mit Laserlicht, um Plasmen zu erzeugen, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird. Ein Zielzündungsschema kann eine Zündung durch Laserlicht erreichen, das eine niedrigere Energie aufweist, als das bei einem Gaszündungsschema. Folglich kann die Energie des Laserlichts, die zum Zünden notwendig ist, reduziert werden.
Die Laserzündvorrichtung kann des Weiteren ein optisches System zum Einstellen eines Intensitätsbereichs des Laserlichts aufweisen, das angepasst ist, um Plasmen zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Zieleinheit und eine Sammelposition des Laserlichts zu erzeugen. So ein Aufbau kann den Laserlichtintensitätsbereich und die Sammelposition auf gewünschte Positionen in Bezug zu der Zieleinheit einstellen.
Bei der Laserzündvorrichtung kann das optische System den Intensitätsbereich und die Sammelposition so einstellen, dass der Intensitätsbereich die Zieleinheit einbezieht, während die Sammelposition vor der Zieleinheit angeordnet ist. Bei so einer Regelung schließt der Intensitätsbereich die Zieleinheit ein, wodurch Plasmen auf zuverlässige bzw. sichere Weise erzeugt werden können, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden. Somit macht es das Regeln der Sammelposition möglich, das Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt bei der Sammelposition zu zünden. Dies kann sowohl eine Zielzündung als auch eine Gaszündung verursachen, wodurch ein Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf zuverlässigere Weise erfolgt.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann auf zuverlässige Weise Plasmen erzeugen, um Luft-Kraftstoff-Gemische zu zünden, während es die zum Zünden notwendige Energie des Laserlichts reduziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Diagramm zum Erläutern der Struktur einer Motorvorrichtung, die mit einer Laserzündvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ausgestattet ist;
2 ist ein Graph zum Erläutern des Betriebs der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform;
3 ist ein Satz Diagramme zum Erläutern der Effekte der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform;
4 ist ein Graph zum Erläutern eines ersten Beispiels der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform;
5 ist ein Graph zum Erläutern des ersten Beispiels der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform;
6 ist ein Graph zum Erläutern eines zweiten Beispiels der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform;
7 ist ein Graph zum Erläutern eines dritten Beispiels der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform; und
8 ist ein Graph zum Erläutern eines vierten Beispiels der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Laserzündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben. Bei der Erläuterung der Zeichnungen wird auf die gleichen Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen bezuggenommen, während auf sich überschneidende Beschreibungen verzichtet wird.
1 ist ein Diagramm zum Erläutern der Struktur einer Motorvorrichtung 100, die mit einer Laserzündvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform ausgestattet ist. Die Motorvorrichtung 100 umfasst eine Verbrennungseinheit 50 und die Laserzündvorrichtung 1.
Die Laserzündvorrichtung 1 wird nunmehr erläutert. Die Laserzündvorrichtung 1 umfasst eine Lasererzeugungseinheit 10 und eine Zieleinheit 20. Die Lasererzeugungseinheit 10 umfasst eine Laserlichtquelle 11, einen Kollimator 12, einen Spiegel 13, eine Linse 14, eine Linsenantriebseinheit 16, eine Zieleinheit 20 und eine Laserlichtsteuerung 15.
Die Laserlichtquelle 11 ist auf der Außenseite der Verbrennungseinheit 50 angeordnet. Die Laserlichtquelle 11 weist als Funktion auf, Laserlicht L zum Bestrahlen der Zieleinheit 20 abzustrahlen. Als Laserlichtquelle 11 wird ein Mikrochiplaser verwendet. Der Mikrochiplaser ist ein Festkörperlaser, der einen Halbleiterlaser (LD) als Pumplichtquelle verwendet. Die Laserlichtquelle 11 umfasst eine Pumplichtquelle 11a, einen Laserresonator 11b und einen Pulsator 11c. Beispielsweise wird ein Halbleiterlaser als Pumplichtquelle 11a verwendet. Beispielsweise wird Nd:YAG als Laserresonator 11b verwendet. Der Laserresonator 11b weist eine Länge von 20 mm oder weniger auf. Beispielsweise wird ein externer Modulator, der eine von außerhalb aufgezwungene Modulation ausführt, oder ein sättigbarer Absorber, der eine Modulation gemäß einer seinem Element innewohnenden Eigenschaft ausführt, als Pulsator 11c verwendet. Als externer Modulator kann beispielsweise ein elektrooptischer Modulator (Electro-Optic Modulator, EOM), ein akustik-optischer Modulator (Acusto-Optic Modulator, AOM) oder Ähnliches verwendet werden. Als sättigbarer Absorber kann zum Beispiel Cr:YAG, SESAM oder Ähnliches verwendet werden.
Der Kollimator 12 ist in einem optischen Pfad des Laserlichts L angeordnet. Der Kollimator 12 wird zum Ausbilden des Laserlichts L als kollimierter bzw. gebündelter Lichtstrahl verwendet.
Der Spiegel 13 ist in dem optischen Pfad des Laserlichts L angeordnet. Er hat die Funktion, den optischen Pfad des Laserlichts L zu steuern, um das Laserlicht L durch einen Laserlichteinlass 84 auf die Zieleinheit 20 zu lenken.
Die Linse 14 ist in dem optischen Pfad des Laserlichts L angeordnet. Die Linse 14 ist ein optisches System zum Einstellen des Intensitätsbereichs des Laserlichts L und der Stelle einer zusammenlaufenden Position P des Laserlichts L. Als Intensitätsbereich des Laserlichts L ist ein Bereich gemeint, durch den ein Plasma zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Zieleinheit 20 erzeugt werden kann. Vorzugsweise wird eine Linse mit einer langen Brennweite als Linse 14 verwendet. Beispielsweise kann eine Linse mit einer Brennweite von 100 mm oder eine Linse mit einer Brennweite von 150 mm als Linse 14 verwendet werden.
Die Zieleinheit 20 ist in einer Hilfsbrennkammer 85 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die Zieleinheit 20 auf einer Wandfläche angeordnet, die der mit dem Laserlichteinlass 84 bereitgestellten gegenüberliegt. Die Zieleinheit 20 hat als Funktion, Plasmen zu erzeugen, wenn sie mit dem Laserlicht L bestrahlt wird.
Die Laserlichtsteuerung 15 ist zum Steuern der Position der Linse 14 mit der Linsenantriebseinheit 16 verbunden. Die Laserlichtsteuerung 15 steuert die Linsenantriebseinheit 16, um die Linse 14 in Richtungen entlang des optischen Pfads des Laserlichts L zu bewegen und dadurch den Intensitätsbereich und die Sammelposition P des Laserlichts L einzustellen. Die Sammelposition P des Laserlichts L wird so eingestellt, dass sie in der Hilfsbrennkammer 85 angeordnet ist. Innerhalb der Hilfsbrennkammer 85 kann die Sammelposition P so eingestellt werden, dass sie auf der Fläche der Zieleinheit 20 platziert ist, und zwar vor der Zieleinheit 20 oder bei einer wünschenswerten Stelle in dem optischen Pfad des Laserlichts L. Der Intensitätsbereich des Laserlichts L wird so eingestellt, dass er die Zieleinheit 20 einbezieht. Die Laserlichtsteuerung 15 ist ebenso mit der Laserlichtquelle 11 verbunden. Zum Beispiel steuert die Laserlichtsteuerung 15 die Wiederholfrequenz, Energie, Pulsbreite und Wellenlänge des Laserlichts L, das von der Laserlichtquelle 11 abgestrahlt wird.
Nunmehr wird die Verbrennungseinheit 50 beschrieben. Die Verbrennungseinheit 50 umfasst eine Hauptbrenneinheit 60, eine Hilfsbrenneinheit 80, eine Drucksteuerung 91 und eine Gaseinführsteuerung 92. Die Hauptbrenneinheit 60 umfasst einen Brennkammerkörper 61, einen Kolben 62, einen Deckel 63, einen Hauptdruckregler 64, ein Hauptdruckmessgerät 65 und ein Hauptgaseinlass 66. Der Brennkammerkörper 61 weist eine zylindrische Hauptbrennkammer 67 auf.
Der Deckel 63 ist an einem Endteil 61a des Brennkammerkörpers 61 gesichert, während der Kolben 62 von der anderen Endteilseite 61b dort eingeführt wird. Der Kolben 62 ist ausgeführt, um in Richtungen entlang einer Mittelachse 61c der Hauptbrennkammer 67 bewegbar zu sein. Durch Bewegen in Richtungen entlang der Mittelachse 61c verdichtet der Kolben 62 das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 67 oder expandiert bzw. entspannt dieses. Das Hauptdruckmessgerät 65 ist auf der inneren Wandfläche der Hauptbrennkammer 67 angeordnet. Das Hauptdruckmessgerät 64 und der Hauptgaseinlass 66 sind auf der äußeren Seitenfläche bzw. der Fläche der Außenseite des Brennkammerkörpers 61 angeordnet. Der Hauptdruckregler 64 ist mit der Hauptbrennkammer 67 über ein Durchgangsloch 64a verbunden, das durch den Brennkammerkörper 61 von seiner äußeren Wandfläche zu der Hauptbrennkammer 67 hindurchgeht.
Die Hilfsbrenneinheit 80 ist auf der Fläche der Außenseite des Brennkammerkörpers 61 angeordnet. Die Hilfsbrenneinheit 80 umfasst einen Hilfsbrennkammerkörper 81, einen Hilfsdruckregler 82, einen Hilfsgaseinlass 83 und den Laserlichteinlass 84. Der Hilfsbrennkammerkörper 81 weist die Hilfsbrennkammer 85 auf, die eine rechteckige parallelflache Form aufweist.
Der Hilfsbrennkammerkörper 81 weist ein Durchgangsloch 86 auf. Ein Endteil des Durchgangslochs 86 ist bei einer Wandfläche der Hilfsbrennkammer 85 angeordnet, während das andere Endteil bei der Wandfläche der Hauptbrennkammer 67 angeordnet ist. Eine weitere Wandfläche, die der mit dem Durchgangsloch 86 ausgebildeten Wandfläche gegenüberliegt, ist mit dem Laserlichteinlass 84 bereitgestellt. Der Laserlichteinlass 84 ist beispielsweise aus Kieselglas hergestellt. Eine der Wandflächen, die senkrecht zu dem Laserlichteinlass 84 ist, ist mit dem Hilfsgaseinlass 83 bereitgestellt, während die andere mit dem Hilfsdruckregler 82 bereitgestellt ist.
Die Drucksteuerung 91 ist mit dem Hauptdruckregler 64 verbunden. Durch Einstellen eines mit dem Hauptdruckregler 64 bereitgestellten Ventils steuert die Drucksteuerung 91 den Innendruck der Hauptbrennkammer 67. Die Drucksteuerung 91 ist zudem mit dem Hilfsdruckregler 82 verbunden. Durch Einstellen eines mit dem Hilfsdruckregler 82 bereitgestellten Ventils steuert die Drucksteuerung 91 den Innendruck der Hilfsbrennkammer 85.
Die Gaseinführsteuerung 92 ist mit dem Hauptgaseinlass 66 verbunden. Die Gaseinführsteuerung 92 führt ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Hauptbrennkammer 67 durch den Hauptgaseinlass 66 ein. Die Gaseinführsteuerung 92 ist mit dem Hilfsgaseinlass 83 verbunden. Die Gaseinführsteuerung 92 führt ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Hilfsbrennkammer 85 durch den Hilfsgaseinlass 83 ein.
Zunächst strahlt die Laserlichtquelle 11 das Laserlicht L in der so mit der ausgeführten Laserzündvorrichtung 1 ausgestatteten Motorvorrichtung 100 ab. Das von der Laserlichtquelle 11 abgestrahlte Laserlicht L passiert den Kollimator 12, um den Spiegel 13 zu erreichen. Das den Spiegel 13 erreichende Laserlicht L wird dadurch dazu gebracht, die Richtung des optischen Pfades zu ändern, um die Zieleinheit 20 zu bestrahlen. Das Laserlicht L, das die Richtung des optischen Pfads geändert hat, erreicht die Linse 14. Beim Passieren durch die Linse 14 wird das Laserlicht L gebrochen, um bei der Sammelposition P zusammenzulaufen. Das durch die Linse 14 übertragene Laserlicht L passiert durch den Laserlichteinlass 84, um zum Beispiel auf der Fläche der Zieleinheit 20 zusammenzulaufen.
Zu diesem Zeitpunkt hat die Gaseinführsteuereinheit 92 bereits ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem gewünschten Mischverhältnis in die Hauptbrennkammer 67 und die Hilfsbrennkammer 85 eingeführt. Das Innere der Hauptbrennkammer 67 und der Hilfsbrennkammer 85 wurde durch den Druckregler 91 auf einen gewünschten Druck eingestellt. Auf der Fläche der Zieleinheit 20, wo das Laserlicht L zusammenläuft, tritt Plasma bzw. treten Plasmen auf. Das Plasma zündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in die Hilfsbrennkammer 85 eingeführt worden ist, wodurch ein Verbrennungsgas erzeugt wird. Das Verbrennungsgas wird in die Hauptbrennkammer 67 durch das Durchgangsloch 86 ausgestoßen. Das so ausgestoßene Verbrennungsgas zündet das magere vorgemischte Luft-Kraftstoff-Gemisch, wodurch dieses rasch verbrannt wird.
2 ist ein Graph zum Erläutern des Betriebs der Laserzündvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform und veranschaulicht Änderungen des Innendrucks in der Hauptbrennkammer 67 und der Hilfsbrennkammer 85 über die Zeit. Der Innendruck in der Hauptbrennkammer 67 wird durch das Hauptdruckmessgerät 65 gemessen und der Innendruck in der Hilfsbrennkammer 85 wird durch das Druckmessgerät 87 gemessen. In 2 veranschaulicht der Graph G1 Änderungen des Innendrucks über die Zeit in der Hauptbrennkammer 67 und der Graph G2 veranschaulicht Änderungen des Innendrucks über die Zeit in der Hilfsbrennkammer 85. Bestrahlung mit dem Laserlicht L tritt zum Zeitpunkt T1 auf. Unter Bezugnahme auf den Graph G1 steigt der Innendruck nach dem Zeitpunkt T1 drastisch an, was zeigt, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 67 gezündet worden ist. Es wird auch erwartet, dass während die Druckdifferenz ΔP zwischen dem jeweiligen Innendruck der Hauptbrennkammer 67 und der Hilfsbrennkammer 85 größer ist, die Verbrennung leichter auftritt, wodurch die Verbrennungseffizienz höher ist.
Wie zuvor beschrieben, verwendet die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform einen Mikrochiplaser als Laserlichtquelle 11. Unter Bezugnahme auf 3 werden der Betrieb und die Effekte, die durch den Mikrochiplaser erreicht werden, erläutert. 3 ist ein Satz von Diagrammen zum Erläutern des Betriebs bzw. der Arbeitsweisen und Effekte, die durch die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform erreicht werden. 3(a) veranschaulicht einen Intensitätsbereich I1 des Laserlichts LH, das von einer konventionellen Laserlichtquelle abgestrahlt worden ist. 3(b) veranschaulicht einen Intensitätsbereich I2 des Laserlichts L, der von der Laserlichtquelle 11 gemäß dieser Ausführungsform abgestrahlt worden ist. Die Energie des Laserlichts LH wird gleich der des Laserlichts L angenommen. Unter Bezugnahme auf die 3(a) und 3(b) kann das Laserlicht L einen M²-Wert erreichen, der eine Laserqualität von 1,2 oder weniger zeigt, und zwar selbst wenn es die gleiche Energie wie die des Laserlichts LH aufweist, wodurch der Durchmesser des Laserlichts L zum Beispiel auf mehrere Millimeter eingestellt werden kann. Dies kann die Energiemenge pro Fläche verbessern. Der Intensitätsbereich I2 des Laserlichts L, der angepasst ist, Plasmen zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Zieleinheit 20 zu erzeugen, kann somit über einen breiten Bereich sichergestellt werden. Selbst wenn die Laserlichtsammelposition P zu der Zieleinheit 20 versetzt ist, können somit Plasmen auf sichere Weise erzeugt werden, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden.
Da der Intensitätsbereich I2 des Laserlichts L über einen breiten Bereich sichergestellt werden kann, können Plasmen sicher erzeugt werden, selbst wenn die Zieleinheit 20 auf der oberen Fläche 62a des Kolbens 62 angeordnet ist, die sich in Richtungen entlang der Mittelachse 61c bewegt, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden, und zwar so lange wie der Bereich der Bewegung der oberen Fläche 62a in dem Intensitätsbereich I2 des Laserlichts L einbezogen ist. Dies ist als Verfahren zum simultanen Zünden bei einer Vielzahl von Sammelpositionen P ebenso effektiv. Der Mikrochiplaser ermöglicht seinem Lasermedium eine Größe aufzuweisen, die der eines Halbleiterlasers gleichwertig ist, und kann somit die Laserlichtquelle 11 kleiner machen.
Die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Zieleinheit 20, die in der Hilfsbrennkammer 85 angeordnet ist, und die auf der Außenseite der Hilfsbrennkammer 85 angeordnete Laserlichtquelle 11 zum Abstrahlen des Laserlichts L für ein Bestrahlen der Zieleinheit 20. Die Laserzündvorrichtung 1 bestrahlt die in der Hilfsbrennkammer 85 angeordnete Zieleinheit 20 mit dem Laserlicht L, um Plasmen zu erzeugen, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird. Die Energie des Laserlichts L, die zum Zünden bei so einem Zielzündungszündschema benötigt wird, ist geringer als die bei einem Gaszündungsschema, welches das Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt zündet. Die Energie des für die Zündung notwendigen Laserlichts kann somit reduziert werden. Dies kann die Energie des Laserlichts L vermindern, die durch den Laserlichteinlass 84 hindurchgeht, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Laserlichteinlasses 84 vermindert wird. Dies kann ebenso die Energie des Laserlichts L reduzieren, welche die Zieleinheit 20 bestrahlt, wodurch die Abnutzung der Zieleinheit 20 reduziert wird, die durch die Erzeugung der Plasmen verursacht wird. Die Häufigkeit des Austauschs des Laserlichteinlasses 84 und der Zieleinheit 20 kann deswegen reduziert werden, wodurch die Lebenszeit der Laserzündvorrichtung 1 verlängert werden kann. Da die Energie des Laserlichts L geringer ist, kann die Laserlichtsteuerung 15 zum Steuern des Laserlichts L auf einfache Weise kleiner gemacht werden. Die Herstellungskosten für die Laserzündvorrichtung 1 können ebenso reduziert werden.
Während die Zieleinheit 20 abgenutzt wird, werden die Sammelposition P und die Zieleinheit 20 nach und nach voneinander versetzt. Dies macht es bei konventionellen Zündvorrichtungen notwendig, die das Zielzündungsschema verwenden, die Laserlichtsammelposition zu justieren oder die Zieleinheit zu ersetzen. Hingegen kann die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform den Intensitätsbereich I2 des Laserlichts L über einen breiten Bereich sicherstellen und kann somit auf sichere Weise Plasmen erzeugen, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden, und zwar ohne die Sammelposition P regelmäßig zu justieren oder die Zieleinheit 20 auszutauschen.
Bei konventionellen Zündvorrichtungen, die Zündkerzen verwenden, erhöht sich die Entladungsspannung, während ihre Brennkammern höhere Drücke erreichen, wodurch die Zündkerzen eine kürzere Lebenszeit aufweisen. Im Gegensatz dazu bestrahlt die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Zieleinheit 20 mit dem Laserlicht L, um Plasmen zu erzeugen, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird, was die Verwendung von Zündkerzen überflüssig macht. Dies ermöglicht es der Laserzündvorrichtung 1 eine längere Standzeit aufzuweisen als Zündvorrichtungen, die Zündkerzen verwenden.
Vorzugsweise umfasst die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform des Weiteren die Linse 14, die als optisches System zum Einstellen des Intensitätsbereichs I2 des Laserlichts L dient, das angepasst ist, Plasma zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Zieleinheit 20 und der Sammelposition P des Laserlichts L zu erzeugen. So ein Aufbau kann den Intensitätsbereich I2 und die Sammelposition P des Laserlichts L auf erwünschte Positionen im Bezug zu der Zieleinheit 20 einstellen.
Vorzugsweise stellt die als optisches System dienende Linse 14 in der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform den Intensitätsbereich I2 und die Sammelposition P so ein, dass der Intensitätsbereich I2 die Zieleinheit 20 einbezieht, während die Sammelposition P vor der Zieleinheit 20 angeordnet ist. So eingestellt, schließt der Intensitätsbereich I2 die Zieleinheit 20 ein, wodurch Plasmen auf zuverlässige bzw. sichere Weise erzeugt werden können, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden. Das Regeln der Sammelposition P des Laserlichts L, um es vor der Zieleinheit 20 zu platzieren, das heißt in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Hilfsbrennkammer 85, kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei der Sammelposition P direkt zünden. Dies kann sowohl eine Zielzündung als auch eine Gaszündung verursachen, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf zuverlässigere Weise gezündet wird. Der Wärmeverlust zu der Zieleinheit 20 wird problematisch, wenn magere vorgemischte Luft-Kraftstoff-Gemische und Kraftstoffe mit niedrigem Brennwert verbrannt werden. Die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform kann die Zielzündung und Gaszündung zum selben Zeitpunkt verursachen, wodurch das oben genannte Problem gelöst wird. Dies ist insbesondere nützlich, wenn Biogase mit niedriger Verbrennungsgeschwindigkeit und Ähnliches verwendet werden.
BEISPIEL 1
Bei Verwendung der Motorvorrichtung 100, die mit der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ausgestattet ist, wurden Effekte der Laserzündvorrichtung 1 untersucht. Das Laserlicht L, das von der Laserlichtquelle 11 abgestrahlt wird, die durch einen Mikrochiplaser ausgeführt ist, wurde eingerichtet, sodass sie (1) eine Wiederholfrequenz von mehreren Hz oder mehr, (2) eine Energie von 0,15 mJ pro Puls oder höher, (3) eine Pulsbreite von 1 ns oder weniger, (4) eine Strahlqualität von 1,2 oder weniger und (5) eine Laserwellenlänge von 532 nm in einem Wellenlängenabsorptionsbereich des Luft-Kraftstoff-Gemischs aufweist. Die Hauptbrennkammer 67 und die Hilfsbrennkammer 85 wurden eingerichtet, um (1) ein Hilfsbrennkammervolumen von 2,45 cm³, (2) ein Hauptbrennkammervolumen von 75,60 cm³ beim Verbrennungszeitpunkt, (3) ein Verdichtungsverhältnis von 7,29 und (4) eine Temperatur von 80°C vor Verdichtung aufzuweisen. Als Kraftstoff wurde Methan verwendet. Das Äquivalenzverhältnis, das das Mischverhältnis zwischen Methan und Luft zeigt, war auf 0,6 in der Hauptbrennkammer 67 und auf 1,25 in der Hilfsbrennkammer 85 eingestellt. Der Fülldruck war auf 0,348 MPa sowohl in der Hauptbrennkammer 67 als auch in der Hilfsbrennkammer 85 eingestellt.
Die 4 und 5 sind Graphen zum Erläutern der Effekte der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform, die Änderungen in den Innendrücken der Hauptbrennkammer 67 und der Hilfsbrennkammer 85 über die Zeit veranschaulichen. 4 veranschaulicht Änderungen des inneren Drucks während des Verbrennens des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Hauptbrennkammer 67 durch Bestrahlen der Zieleinheit 20 mit dem Laserlicht L, das eine auf 0,94 mJ pro Puls eingestellte Energie aufweist. In 4 veranschaulicht der Graph G3 Änderungen im Innendruck über die Zeit in der Hauptbrennkammer 67 und der Graph G4 veranschaulicht Änderungen des Innendrucks über die Zeit in der Hilfsbrennkammer 85. Es kann durch den Graph G3 erkannt werden, dass der Innendruck in einer Zone Z1 drastisch ansteigt, was darauf hinweist, dass die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Hauptbrennkammer 67 in dieser Zone Z1 auftritt.
5 veranschaulicht Änderungen der inneren Drücke beim Verbrennen des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Hauptbrennkammer 67 durch Bestrahlen der Zieleinheit 20 mit dem Laserlicht L, das eine Energie aufweist, die auf 0,21 mJ pro Puls eingestellt ist. In 5 veranschaulicht der Graph G5 Änderungen der inneren Drücke über die Zeit in der Hauptbrennkammer 67 und der Graph G6 veranschaulicht Änderungen der inneren Drücke über der Zeit in der Hilfsbrennkammer 85.
Wie aus Graph G5 zu erkennen, ist der innere Druck in einer Zone Z2 drastisch erhöht, was zeigt, dass die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Hauptbrennkammer 67 in dieser Zone Z2 aufgetreten ist.
BEISPIEL 2
Als Nächstes wurde die Zündenergie des Laserlichts L untersucht. Hierbei wurde die Sammelposition P des Laserlichts L auf eine gewünschte Position eingestellt und es wurde beobachtet, ob das Luft-Kraftstoff-Gemisch der Hauptbrennkammer 67 beim Verändern der Energie des Laserlichts L zünden kann oder nicht. Das von der Laserlichtquelle 11 abgestrahlte Laserlicht L wurde durch den Kollimator 12 gebündelt und durch die Linse 14 konvergiert bzw. gesammelt, um die Zieleinheit 20 zu bestrahlen. Die Sammelposition P wurde so eingestellt, um 2 mm vor der Zieleinheit 20 platziert zu sein.
6 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Energie pro Puls des Laserlichts L, das die Zieleinheit 20 bestrahlt, und ob die Zündung erfolgreich war oder nicht. Die Punkte D1 bis D8 zeigen, dass die Zündung erfolgreich war. Die Punkte D1 bis D7 veranschaulichen die Ergebnisse für den Fall, bei dem die Linse 14 eine Brennweite von 100 mm aufweist. Der Punkt D8 veranschaulicht das Ergebnis in dem Fall, bei dem die Linse 14 eine Brennweite von 150 mm aufweist. Es ist von den Punkten D1 bis D7 aus 6 zu erkennen, dass die Zündung in dem Bereich erfolgreich war, wo die Energie pro Puls zwischen 0,21 mJ bis 0,94 mJ war, wenn die Linse 14 mit der Brennweite von 100 mm verwendet worden ist. Es ist durch den Punkt D8 aus 6 zu erkennen, dass die Zündung erfolgreich war, und zwar selbst bei einer Energie pro Puls von 0,15 mJ, wenn die Linse 14 mit der Brennweite von 150 mm verwendet worden ist. Dies zeigt, dass die Verwendung des Mikrochiplasers als Laserlichtquelle 11 und dessen Vorsehen mit der Linse 14, die eine hohe Brennweite aufweist, eine Zündung ermöglicht, und zwar selbst wenn die Energie des Laserlichts L zum Beispiel auf 0,15 mJ pro Puls vermindert wird.
BEISPIEL 3
Nachfolgend wurde die Länge des Intensitätsbereichs I2 des Laserlichts L untersucht. Hierbei wurde die Energie pro Puls des Laserlichts L auf einen gewünschten Wert eingestellt und es wurde beobachtet, ob das Luft-Kraftstoff-Gemisch der Hauptbrennkammer 67 während des Veränderns der Sammelposition P gezündet werden kann oder nicht. In diesem Beispiel wurde die Energie pro Puls des Laserlichts L auf 0,7 mJ eingestellt. In Bezug zu der Sammelposition P in diesem Beispiel wurden positive und negative Richtungen respektive auf die Vorderseite der Zieleinheit 20 und eine dazu entgegengesetzte Richtung eingestellt. Danach wurde die Sammelposition P schrittweise in einem Bereich von +2 mm bis –10 mm eingestellt. 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Sammelposition P und ob die Zündung erfolgreich war oder nicht. Die Punkte M1 bis M10 zeigen, dass die Zündung erfolgreich war. Wie aus 7 zu erkennen, konnte das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 67 zünden, wenn die Sammelposition P so eingestellt war, dass sie in dem Bereich von +2 mm bis –10 mm in Bezug zu der Zieleinheit 20 platziert war. Dies hat bestätigt, dass der Intensitätsbereich I2 mit einer Länge von 12 mm gesichert werden kann, wenn die Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform unter der oben beschriebenen Bedingung betrieben wird.
BEISPIEL 4
Als Nächstes wurde untersucht, ob die Gaszündung eine erfolgreiche Zündung ergab oder nicht. Dieses Beispiel war eingerichtet, um (1) ein Hilfsbrennkammervolumen von 9,6 cm³, (2) ein Hauptbrennkammervolumen von 168 cm³ zum Zeitpunkt der Verbrennung, (3) ein Verdichtungsverhältnis von 6,28 und (4) eine Temperatur von 100°C vor Verdichtung aufzuweisen. Das Äquivalenzverhältnis, das das Mischverhältnis zwischen Methan und Luft zeigt, war auf 0,6 in der Hauptbrennkammer 67 und auf 1,25 in der Hilfsbrennkammer 85 eingestellt. Der Fülldruck war auf 0,25 MPa in sowohl der Hauptbrennkammer 67 als auch der Hilfsbrennkammer 85 eingestellt. Die Sammelposition P des Laserlichts L war eingestellt, um 10 mm vor der Zieleinheit 20 platziert zu sein. Diese Sammelposition P ist bei dem Mittelpunkt zwischen der oberen und unteren Band der Hilfsbrennkammer 85 angeordnet. Die Wellenlänge des Laserlichts L war auf 532 nm eingestellt. Die Energie pro Puls des Laserlichts L war auf 1,02 mJ eingestellt. Als Linse 14 wurde eine mit einer Brennweite von 150 mm verwendet. Die oben genannten Einstellungen waren darauf ausgerichtet, eine Sammelgaszündung der Luft-Kraftstoffmischung in der Hilfsbrennkammer 85 hervorzurufen.
8 veranschaulicht Veränderungen der inneren Drücke in der Hauptbrennkammer 67 und der Hilfsbrennkammer 85 über die Zeit. Der Graph G7 veranschaulicht Veränderungen der inneren Drücke über die Zeit in der Hilfsbrennkammer 85 und der Graph G8 veranschaulicht Veränderungen der inneren Drücke über die Zeit in der Hauptbrennkammer 67. Wie in dem Graph G7 zu erkennen, ist der Innendruck in der Hilfsbrennkammer 85 in einer Zone Z3 drastisch erhöht. Dies hat bestätigt, dass das Betreiben der Laserzündvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform unter den oben genannten Bedingungen eine Zündung durch Gaszündung ermöglicht.
MODIFIZIERTE BEISPIELE
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise ist die Laserzündvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur für Fahrzeugmotoren anwendbar, sondern ebenso für Gasmotoren, die bei Kraft-Wärme-Kopplungssystemen verwendet werden. Das Einsetzen der Laserzündvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann den thermischen Wirkungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplungssysteme verbessern. Es kann auch eine längere Lebenszeit als die einer Zündkerze erreichen, wodurch die Wartungskosten vermindert werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann auf zuverlässige Weise Plasmen erzeugen, um Luft-Kraftstoff-Gemische zu zünden, während sie imstande ist, die für eine Zündung notwendige Energie des Laserlichts zu reduzieren.
BEZUGSZEICHENLISTE

1 ... Laserzündvorrichtung; 11 ... Laserlichtquelle; 20 ... Zieleinheit; 67 ... Hauptbrennkammer; 85 ... Hilfsbrennkammer; L ... Laserlicht

Claims

Laserzündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer, die Laserzündvorrichtung mit: einer Zieleinheit, die in der Brennkammer angeordnet ist; und einer Laserlichtquelle, die auf der Außenseite der Brennkammer zum Abstrahlen von Laserlicht für ein Bestrahlen der Zieleinheit angeordnet ist; wobei die Laserlichtquelle ein Mikrochiplaser ist.
Laserzündvorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren mit einem optischen System zum Einstellen eines Intensitätsbereichs des Laserlichts, der angepasst ist, ein Plasma zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Zieleinheit und einer Sammelposition des Laserlichts zu erzeugen.
Laserzündvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das optische System den Intensitätsbereich und die Sammelposition einstellt, sodass der Intensitätsbereich die Zieleinheit aufweist, während die Sammelposition vor der Zieleinheit angeordnet ist.