DE112019003242T5

DE112019003242T5 - Reinigungsvorrichtung für optisches Fenster, Motor und Verfahren zum Reinigen des optischen Fensters eines Motors

Info

Publication number: DE112019003242T5
Application number: DE112019003242.9T
Authority: DE
Inventors: Eiichi Takahashi; Takehiko Segawa
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2021-04-01
Also published as: JP6980319B2; WO2020004181A1; CN112292522A; US20210260632A1; CN112292522B; US11389840B2; JPWO2020004181A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung, die eine Oberfläche eines optischen Fensters 32 reinigt, bereit, wobei die Vorrichtung umfasst: eine erste Elektrode 33, die im Inneren des optischen Fensters bereitgestellt ist und mit einem dielektrischen Material, welches das optische Fenster bildet, bedeckt ist; eine zweite Elektrode 34a, die um das optische Fenster herum bereitgestellt ist und an wenigstens einer Oberfläche des optischen Fensters freiliegt; eine Leistungsversorgung 50, die elektrisch zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gekoppelt ist, und eine Steuereinheit 60, welche die Leistungsversorgung 50 steuert, um eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche 32a des optischen Fensters zu erzeugen, indem eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines optischen Fensters einer Vorrichtung und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Reinigen des optischen Fensters eines von einem Laser gezündeten Motors.
Beschreibung der verwandten Technik
Herkömmlicherweise wird ein Motor durch Zünden einer Luft-Brennstoff-Mischung mit einem Funken einer Zündkerze und Verbrennen der Mischung betrieben, aber Laserzündung hat sich ebenfalls als möglich erwiesen. Jedoch entstehen daraus Probleme, und ein Hauptproblem ist, dass eine Linse oder ein optisches Fenster zum Einführen eines Lasers in eine Brennkammer mit einem Produkt verunreinigt wird, das durch die Verbrennung in einem Motor erzeugt wird, und der Laser somit das Innere der Brennkammer nicht mit ausreichender Intensität erreicht, wodurch die Zündung nicht implementiert werden kann. Lösungen für das Problem, in denen zum Beispiel das Material eines optischen Fensters ausgewählt wird, um die Temperatur des optischen Fensters zu erhöhen, oder die Oberfläche eines optischen Fensters durch Bestrahlung mit einem Laserimpuls gereinigt wird (siehe zum Beispiel NPL1), wurden untersucht.
Nicht-Patentliteratur
NPL1: „Lens/window-fouling mitigation in laser ignited reciprocating“, S. Gupta, et al. OPTICS and PHOTONICS International Congress 2018, LIC5-6, Yokohama, Japan, 25. - 27. April 2018
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde entworfen, um das Problem zu lösen und sie stellt eine neue und nützliche Vorrichtung zum Reinigen eines optischen Fensters, einen Motor und ein Reinigungsverfahren bereit.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung, die eine Oberfläche eines optischen Fensters reinigt: eine erste Elektrode, die im Inneren des optischen Fensters bereitgestellt ist und mit einem dielektrischen Material, welches das optische Fenster bildet, bedeckt ist; eine zweite Elektrode, die um das optische Fenster herum bereitgestellt ist und an wenigstens einer Oberfläche des optischen Fensters freiliegt; und eine Leistungsversorgung, die elektrisch zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit, welche die Leistungsversorgung steuert, um eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche des optischen Fensters zu erzeugen, indem eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird.
Gemäß dem Aspekt wird die Leistungsversorgung gesteuert, um eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche des optischen Fensters zu erzeugen, indem eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird. Auf diese Weise werden durch die dielektrische Barriereentladung ein Radikal und eine induzierte Luftströmung erzeugt und entfernen Verunreinigungen auf der Oberfläche des optischen Fensters, wodurch die Oberfläche gereinigt wird.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Motor bereit, der eine Luft-Brennstoff-Mischung in einer Brennkammer durch einen Laser zündet, wobei der Motor umfasst: eine Laserquelle; ein optisches Fenster, das aus einem dielektrischen Material hergestellt ist und einen Laser von der Laserquelle in die Brennkammer einführt; und eine Vorrichtung, welche die Oberfläche des optischen Fensters gemäß dem Aspekt reinigt.
Gemäß dem Aspekt wird durch die Vorrichtung eine dielektrische Barriereentladung erzeugt, und ein Radikal und eine induzierte Luftströmung, die durch die dielektrische Barriereentladung erzeugt werden, können Verunreinigungen auf der Oberfläche der Brennkammerseite des optischen Fensters zum Einführen eines Lasers entfernen. Dies kann eine Luft-Brennstoff-Mischung mit einem Laser stabil zünden, wobei ein stabiler Motorbetrieb erreicht wird.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines optischen Fensters, das einen Laser eines Motors einführt, der eine Luft-Brennstoff-Mischung in einer Brennkammer durch einen Laser zündet, bereit, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Leistungsversorgung derart, dass in einem Auspufftakt während eines Betriebs des Motors eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird, und eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche des optischen Fensters erzeugt wird.
Gemäß dem Aspekt wird die Leistungsversorgung gesteuert, um in dem Auspufftakt während des Betriebs des Motors eine dielektrische Barriereentladung zu erzeugen, so dass ein Radikal und eine induzierte Luftströmung, die während eines Betriebs des Motors durch die dielektrische Barriereentladung erzeugt werden, Verunreinigungen auf der Oberfläche der Brennkammerseite des optischen Fensters entfernen können und Zwischenprodukte, die einhergehend mit der dielektrische Barriereentladung erzeugt werden und die Verbrennung beeinträchtigen können, entfernt werden, wobei ein stabiler Motorbetrieb erreicht wird.
Figurenliste

1 stellt die schematische Konfiguration eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
2A und 2B stellen die Konfiguration einer Reinigungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei 2A eine Querschnittansicht der schematischen Konfiguration einer Laserzündkerze darstellt, wobei 2B eine von einer Brennkammer genommene Ansicht darstellt;
3A und 3B stellen die Konfiguration einer Reinigungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei 3A eine vergrößerte Querschnittansicht des optischen Fensters einer Laserzündkerze darstellt, wobei 3B eine von einer Brennkammer genommene Ansicht darstellt;
4A und 4B stellen die Konfiguration einer Reinigungsvorrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei 4A eine vergrößerte Querschnittansicht des optischen Fensters einer Laserzündkerze darstellt, wobei 4B eine von einer Brennkammer genommene Ansicht darstellt;
5A ist eine Querschnittansicht, die eine dielektrische Barriereentladungszündkerze darstellt, die für ein Wirkungsbestätigungsexperiment verwendet wird, und 5B ist eine von der Brennkammer genommene Ansicht;
6A bis 6C sind Fotografien, die Änderungen der Verunreinigungen auf der Oberfläche eines dielektrischen Elements, das dem optischen Fenster entspricht, in dem Wirkungsbestätigungsexperiment anzeigen; und
7A und 7B sind Fotografien, die Änderungen der Verunreinigungen auf der Oberfläche des dielektrischen Elements, das dem optischen Fenster entspricht, in einem Wirkungsbestätigungsexperiment mit teilchenförmigen Testverunreinigungen anzeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend gemäß den begleitenden Zeichnungen beschrieben. Gemeinsame Elemente in den Zeichnungen werden durch die gleichen Bezugszahlen angezeigt und eine Wiederholung einer detaillierten Erklärung der Elemente wird weggelassen.
1 stellt die schematische Konfiguration eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Motor 10 eine Einlassöffnung 20, eine Auspufföffnung 21 und eine Laserzündkerze 30 in einer Zylinderkopfeinheit 11. Der Motor 10 umfasst ferner eine Laserquelle 40 eines Impulslasers, der in die Laserzündkerze 30 eingeführt werden soll, eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 zum Liefern eines Hochspannungs-Hochfrequenzsignals an eine Reinigungsvorrichtung (die später beschrieben wird) für die Laserzündkerze 30 und eine Steuereinheit 60 zum Steuern der Laserquelle 40 und der Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50.
In der Zylinderkopfeinheit 11 ist eine Einlassrohrleitung 24, die in der Zylinderkopfeinheit 11 bereitgestellt ist, mit der Einlassöffnung 20 verbunden. Mit der Einlassrohrleitung 24 ist ein (nicht dargestellter) Vergaser zum Mischen von verdampftem Brennstoff mit Luft, um eine Luft-Brennstoff-Mischung zu erzeugen, verbunden. Die Auspufföffnung 21 ist in der Zylinderkopfeinheit 11 bereitgestellt und ist mit einer Auspuffrohrleitung 25 verbunden. Eine Luft-Brennstoff-Mischung wird durch einen Öffnungsbetrieb eines Einlassventils 22 und das Absenken eines Kolbens 13 von der Einlassöffnung 20 durch die Einlassrohrleitung 24 in eine Brennkammer 12 zugeführt. Die Luft-Brennstoff-Mischung wird durch das Ansteigen des Kolbens 13 verdichtet und durch Laserzündung wird die Verbrennung bewirkt. Nach der Verbrennung werden durch die Verbrennung erzeugter Ruß, Kohlenwasserstoffgase, Säuren, Aldehyde und Phenole, Wasserdampf und Teilchen durch den Öffnungsbetrieb des Auspuffventils 23 und das Ansteigen des Kolbens 13 aus der Auspufföffnung 21 ausgelassen. An diesem Punkt haften Ruß und Teilchen an einer Innenwand, die der Brennkammer 12 zugewandt ist, und dem optischen Fenster der Laserzündkerze 30.
In dem Motor 10 kann unter Verwendung eines Kanaleinspritzverfahren zum Einspritzen von Brennstoff in die Einlassrohrleitung 24 anstelle eines Vergasers eine Luft-Brennstoff-Mischung erzeugt werden oder eine Luft-Brennstoff-Mischung kann in der Brennkammer 12 unter Verwendung eines Direkteinspritzverfahrens zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer 12 erzeugt werden.
2A und 2B stellen die Konfiguration einer Reinigungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 2A ist eine Querschnittansicht, welche die schematische Konfiguration der Laserzündkerze darstellt. 2B ist eine von einer Brennkammer genommene Ansicht. In 2A und 2B sind einige der in 1 dargestellten Elemente der Einfachheit halber weggelassen.
Bezugnehmend auf 2A und 2B in 1 ist die Laserzündkerze 30 auf der Zylinderkopfeinheit 11 angeordnet und umfasst in einem Haltepassstück 34 einen Kondensorteil 31, der einen Impulslaser von der Laserquelle 40 kondensiert, und ein optisches Fenster 32, das zu der Brennkammer 12 freiliegt, den Kondensorteil 31 von der Brennkammer 12 trennt und den Durchgang des kondensierten Impulslasers erlaubt. Ein Impulslaser wird von der Laserquelle 40 geliefert und durch den Kondensorteil 31 kondensiert. Der Impulslaser, der das optische Fenster 32 durchlaufen hat, zündet eine Luft-Brennstoff-Mischung in der Brennkammer 12. Der Zeitpunkt der Emission eines Impulslasers wird mit Signalkommunikationen durch die Steuereinheit 60 gesteuert, die mit der Laserquelle 40 verbunden ist. Die Steuereinheit 60 erlangt Kurbelwinkelinformationen von der Kurbelwinkel-Erfassungseinheit 61 einer Kurbel 14, die mit dem Kolben 13 ineinandergreift. Die Laserquelle 40 kann zum Beispiel ein YAG-Laser sein, ist aber nicht speziell eingeschränkt. Der Kondensorteil 31 kann nahe der Laserquelle 40 bereitgestellt sein.
Das optische Fenster 32 ist mit einer ersten Elektrode 33 versehen, die in dem optischen Fenster 32 und nahe einer Oberfläche 32a benachbart zu der Brennkammer 12 angeordnet ist. Um das optische Fenster 32 herum liegt eine zweite Elektrode 34a zu der Brennkammer 12 frei. In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Elektrode 34a ein Teil, der von dem Halteanpassstück 34 der Laserzündkerze 30 zu der Brennkammer 12 freiliegt. In Die Laserzündkerze 30 ist in Bezug auf eine vertikale Achse in 2A wie ein Rotationselement geformt (parallel zur z-Richtung in 2A).
Das optische Fenster 32 ist aus einem dielektrischen Material hergestellt, das den Durchgang eines Impulslasers zulässt. Das optische Fenster 32 hat bevorzugt Hitzebeständigkeit, da eine Temperatur in dem Motor 10 durch die Verbrennung einer Luft-Brennstoff-Mischung erhöht wird. Das optische Fenster 32 kann zum Beispiel aus Saphir hergestellt sein. Das optische Fenster 32 hat zum Beispiel eine Dicke von 10 mm (z-Richtung) und hat zum Beispiel einen Durchmesser von 10 mm (x-y-Ebene). Das optische Fenster 32 wird von dem Halteanpassstück gehalten. Das optische Fenster 32 kann zwei Elemente umfassen, welche die erste Elektrode 33 entlang der z-Richtung halten. Zum Beispiel wird diese Konfiguration bevorzugt verwendet, wenn das optische Fenster 32 aus einem Material, z.B. Saphir, hergestellt ist, das schwer mit der eingebetteten ersten Elektrode 33 zu formen ist.
Die erste Elektrode 33 ist aus einem leitfähigen Material, das den Durchgang eines Impulslasers zulässt, hergestellt. Zum Beispiel kann die erste Elektrode 33 aus einem Material hergestellt sein, auf das als eine transparente leitfähige Beschichtung Bezug genommen wird, die vorwiegend aus Indiumoxid (InO₂) und/oder Zinnoxid (SnO₂) und/oder Zinkoxid (ZnO) oder einem Mischmaterial daraus zusammengesetzt ist. Zum Beispiel können Materialien, wie etwa ITO (mit Zinn dotiertes InO₂), AZO (mit Aluminium (Al) dotiertes ZnO), IZO (eingetragenes Warenzeichen) (InO₂-ZnO), GZO (mit Gallium (Ga) dotiertes ZnO) und ATO (mit Antimon (Sb) dotiertes SnO₂) verwendet werden. Zum Beispiel ist die erste Elektrode 33 bevorzugt wie eine Scheibe mit einer Dicke (z-Richtung) von z.B. 1 µm bis 500 µm und einem Durchmesser (x-y-Ebene) von z.B. 3 mm bis 30 mm geformt und ist bevorzugt kleiner als das optische Fenster 32. Die erste Elektrode ist in einem Abstand von z.B. 50 µm bis 3000 µm von der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 in der Nähe der Brennkammer 12 angeordnet und ist mit dem dielektrischen Material des optischen Fensters 32 bedeckt, ohne zu der Brennkammer 12 freizuliegen. Bevorzugt wird Saphir als ein dielektrisches Material des optischen Fensters 32 der Brennkammer 12 verwendet, um die erste Elektrode 33 zu bedecken. Die erste Elektrode 33 ist bevorzugt in der Mitte des optischen Fensters 32 auf einer Ebene senkrecht zu der Achse eines einfallenden Impulslasers angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Elektrode ein ringförmiger Teil, der von dem Haltepassstück 34 der Laserzündkerze 30 zu der Brennkammer freiliegt, und kann aus metallischen Materialien, insbesondere hitzebeständigen Materialien, wie etwa nichtrostendem Stahl und Kohlenstoffstahl, hergestellt sein. Der Innendurchmesser der zweiten Elektrode 34a ist zum Beispiel 3 mm bis 30 mm und wird gemäß dem Durchmesser des optischen Fensters 32 ausgewählt. Die zweite Elektrode 34a ist elektrisch mit der Hochfrequenz-Leistungsquelle 50 gekoppelt. Die zweite Elektrode 34a ist in Kontakt mit der Zylinderkopfeinheit 11 elektrisch gekoppelt und ist somit bevorzugt durch einen Motorblock geerdet.
Ein Draht 36 ist mit der ersten Elektrode 33 verbunden und ist durch ein Drahtloch 34b des optischen Fensters 34b und das Halteanpassstück mit der externen Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 elektrisch gekoppelt. Somit ist die erste Elektrode 33 mit der Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 elektrisch gekoppelt. Die zweite Elektrode 34b ist zum Beispiel über die Zylinderkopfeinheit 11 mit Erde (nicht dargestellt) verbunden, und die Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 ist ebenfalls mit Erde (nicht dargestellt) verbunden. Die Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 ist nicht speziell beschränkt, solange die Leistungsversorgung ein Hochfrequenz- oder Impulshochspannungssignal liefern kann. Das Hochfrequenzsignal ist ein Hochfrequenz- oder Impulssignal. Die Frequenz wird unter dem Gesichtspunkt der praktischen Verwendung unter Berücksichtigung der Vorrichtungskosten der Leistungsversorgung bevorzugt auf 0,05 kHz bis 1000 kHz festgelegt, und die Spannung wird bevorzugt auf 0,1 kV bis 100 kV festgelegt. Die Steuereinheit 60 steuert das Hochspannungssignal der Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 und legt die Spannung zwischen die erste Elektrode 33 und die zweite Elektrode 34a an, wobei die dielektrische Barriereentladung PL zwischen der Oberfläche 32a der Seite der Brennkammer 12 des optischen Fensters 32, die nahe der ersten Elektrode 33 ist, und der zweiten Elektrode 34a erzeugt wird. Das Drahtloch 34b kann mit einem Isoliermaterial gefüllt sein.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst die Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine erste Elektrode 33, die im Inneren des optischen Fensters 32 bereitgestellt ist, um einen Impulslaser einzuführen, und mit einem dielektrischen Material bedeckt ist, welches das optische Fenster 32 bildet, die zweite Elektrode 34a, die um das optische Fenster 32 herum bereitgestellt ist und an einer Oberfläche, auf der Seite der Brennkammer 12 freiliegt, und die Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50, die elektrisch zwischen die erste Elektrode 33 und die zweite Elektrode 34 gekoppelt ist. Von der Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 wird eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode 33 und die zweite Elektrode 34a angelegt, und die dielektrische Barriereentladung PL wird entlang der Oberfläche 32a zwischen der zweiten Elektrode 34a, die zu der Brennkammer 12 freiliegt, und der Oberfläche 32a nahe der ersten Elektrode 33 erzeugt (auf diese Bearbeitung wird auch als „Reinigung“ Bezug genommen). Die dielektrische Barriereentladung PL ionisiert Gas in der Brennkammer 12, erzeugt ein Radikal und erzeugt eine induzierte Luftströmung. Das Radikal reagiert mit Verunreinigungen auf der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32, zum Beispiel Abscheidungen oder Kohlenstoff, und wird verdampft, um mit einer induzierten Luftströmung in die Brennkammer 12 zu diffundieren, so dass Teilchenverunreinigungen, die anorganische Teilchen umfassen, mit einer induzierten Luftströmung von der Oberfläche 32a in die Brennkammer 12 verteilt werden. Dies reinigt die Oberfläche 32a des optischen Fensters 32. Die erste Elektrode 33 ist aus einem Material hergestellt, das den Durchgang eines Impulslasers zulässt, wodurch eine Verringerung in der Intensität des Impulslasers unterdrückt wird.
Die Reinigung des optischen Fensters 32 kann durchgeführt werden, wenn ein Motor gestoppt wird, das heißt, wenn der Motor nicht betrieben wird, zum Beispiel vor dem Anlassen des Motors, nach dem Stoppen des betriebenen Motors oder während eines Betriebs des Motors.
Anorganische Teilchen auf der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 können durch eine induzierte Luftströmung entfernt werden, die durch die dielektrische Barriereentladung bewirkt wird, die einmal über eine Dauer von 100 Millisekunden durchgeführt wird, was in einem Wirkungsbestätigungsexperiment später nachgewiesen wird. Auf diese Weise kann die Reinigung durchgeführt werden, wenn der Motor gestoppt ist, und die Reinigung kann durchgeführt werden, um während eines Betriebs des Motors anorganische Teilchen zu entfernen. Während eines Betriebs des Motors wird die Reinigung, wie nachstehend beschrieben wird, bevorzugt in einem Auspufftakt durchgeführt.
Gemäß dem Wirkungsbestätigungsexperiment, das später beschrieben wird, wurde herausgefunden, dass eine Abscheidung oder Kohlenstoff auf der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 schwieriger zu entfernen ist als anorganische Teilchen. Somit wird die Reinigung bevorzugt in einer fortlaufenden Weise über eine relativ lange Zeit durchgeführt, wenn der Motor gestoppt ist.
Überdies wird die Reinigung bevorzugt während eines Betriebs des Motors in einem Auspufftakt durchgeführt, und die Reinigung wird besser mehrere Male wiederholt. Die Oberfläche des optischen Fensters kann während eines Betriebs des Motors gereinigt werden, indem eine dielektrische Barriereentladung durchgeführt wird, wenn der Kolben sich in dem Auspufftakt des Motors von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt bewegt. Außerdem werden Zwischenprodukte, die einhergehend mit der dielektrische Barriereentladung erzeugt werden und die Verbrennung beeinträchtigen, während eines Ansaugtakts abgegeben und in der Brennkammer 12 belassen, wodurch die nachteilige Wirkung der Verbrennung in einem Verdichtungstakt und einem Verbrennungstakt verringert oder verhindert wird.
Die Laserzündkerze 30 ist bevorzugt bündig auf die Oberfläche der Brennkammerseite der Zylinderkopfeinheit montiert, um nicht in die Brennkammer 12 vorzustehen. Dies kann Unregelmäßigkeiten in einer Strömung einer Luft-Brennstoff-Mischung verringern, wobei die Unregelmäßigkeiten durch die Laserzündkerze 30 bewirkt werden, die derart geformt ist, dass sie zu der Brennkammer 12 freiliegt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch die Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode 33 und die zweite Elektrode 34a angelegt, entlang der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 die dielektrische Barriereentladung PL erzeugt und werden durch die dielektrische Barriereentladung PL ein Radikal und eine induzierte Luftströmung erzeugt und Verunreinigungen auf der Oberfläche 32a entfernt, wodurch die Oberfläche 32a gereinigt wird.
3A und 3B stellen die Konfiguration einer Reinigungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 3A ist eine vergrößerte Querschnittansicht des optischen Fensters einer Laserzündkerze. 3B ist eine von einer Brennkammer genommene Ansicht. Bezugnehmend auf 3A und 3B ist eine Laserzündkerze 130 derart geformt, dass eine erste Elektrode 133 in einem optischen Fenster 32 einen Mittelabschnitt 133a hat, der näher an einer Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 als ein umgebender Abschnitt 133b auf einer Ebene (x-y-Ebene) senkrecht zu der Achse eines einfallenden Impulslasers ist. Wenn bei dieser Konfiguration durch eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 über einen Draht 36 eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, wird die Feldintensität in einem Bereich entgegengesetzt zu dem Mittelabschnitt 133a der ersten Elektrode 133 und einem Bereich entgegengesetzt zu dem umgebenden Abschnitt 133b der ersten Elektrode 133 auf der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 gleichmäßiger und die dielektrische Barriereentladung PL wird von einem Abschnitt um die Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 herum zu der Mitte der Oberfläche 32a gleichmäßiger erzeugt. Dies erleichtert die Entfernung von Verunreinigungen in der Mitte der Oberfläche 32a ebenso wie dem Abschnitt um die Oberfläche 32a des optischen Fensters 32 herum. Die erste Elektrode 133 unterscheidet sich in der Form von der ersten Elektrode 33 von 2A und 2B. Andere Konfigurationen sind ähnlich denen der vorhergehenden Ausführungsform und folglich wird ihre Erklärung weggelassen.
4A und 4B stellen die Konfiguration einer Reinigungsvorrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 4A ist eine vergrößerte Querschnittansicht des optischen Fensters einer Laserzündkerze. 4B ist eine von einer Brennkammer genommene Ansicht. Bezugnehmend auf 4A und 4B ist eine Laserzündkerze 230 mit einer ersten Elektrode 233 in der Mitte und einer dritten Elektrode 235, die um die erste Elektrode 233 herum im Inneren eines optischen Fensters 32 herum angeordnet ist, versehen. Die dritte Elektrode 235 schwebt elektrisch, ohne mit der ersten Elektrode 233 und der zweiten Elektrode 34a elektrisch gekoppelt zu sein.
Wenn durch die in 1, 2A und 2B dargestellte Hochfrequenz-Leistungsversorgung 50 eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode 233 und die zweite Elektrode 34a angelegt wird, hat die dritte Elektrode 235 eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen der ersten Elektrode 235 und der zweiten Elektrode 34a. Die elektrisch schwebende dritte Elektrode 233 wirkt in der Anfangszeitspanne, wenn die dielektrische Barriereentladung von der zweiten Elektrode 34a zu der Mitte anwächst, als eine eingebettete Elektrode, während die elektrisch schwebende dritte Elektrode 235, wenn sich die dielektrische Barriereentladung PL größer entwickelt, im Vergleich zu der ersten Elektrode weniger wirksam eine Entladung induziert. Dies erzeugt die dielektrische Barriereentladung PL von dem Rand zu der Mitte der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32. Auf diese Weise kann der Durchmesser der ersten Elektrode 233 kleiner als der der ersten Elektrode 33 der in 2A und 2B dargestellten Ausführungsform sein. Dies fördert die Ausdehnung der dielektrische Barriereentladung PL zu der Mitte der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32, was die Entfernung von Verunreinigungen in der Mitte erleichtert.
Das Wirkungsbestätigungsexperiment der Reinigungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. In diesem Experiment wurde die Oberfläche der Brennkammerseite in einer Simulation verunreinigt und unter Verwendung einer dielektrische Barriereentladungszündkerze (die hier nachstehend auch als „DBE-Zündkerze“ Bezug genommen wird) wurde eine dielektrische Barriereentladung erzeugt.
5A ist eine Querschnittansicht, die eine dielektrische Barriereentladungszündkerze darstellt, die für das Wirkungsbestätigungsexperiment verwendet wird. 5B ist eine von der Brennkammer genommene Ansicht. Bezugnehmend auf 5A und 5B mit 2A und 2B umfasst eine DBE-Zündkerze 330 eine mittlere Elektrode 333a, die der ersten Elektrode entspricht, eine Ringelektrode 334a, die der zweiten Elektrode entspricht, und ein dielektrisches Element 332, das dem optischen Fenster 32 entspricht. Eine Hochfrequenzspannung wurde zwischen die mittlere Elektrode 333a und die Ringelektrode 334a angelegt, um eine dielektrische Barriereentladung auf der Oberfläche des dielektrischen Elements 332, die zu der Brennkammer freiliegt, zu erzeugen.
Wirkungsbestätigungsexperiment 1: Rußverunreinigung in der Brennkammer 6A bis 6C sind Fotografien, die Änderungen der Verunreinigungen auf der Oberfläche des dielektrischen Elements, das dem optischen Fenster entspricht, in dem Wirkungsbestätigungsexperiment anzeigen. Bezugnehmend auf 6A bis 6C zeigt 6A einen Zustand an, in dem die DBE-Zündkerze 330 an der Zylinderkopfeinheit des Motors befestigt war, durch eine Zündkerze ein herkömmlicher Motorbetrieb durchgeführt wurde und sich Rußverunreinigungen auf der Oberfläche des dielektrischen Elements 332 (entspricht der Oberfläche 32a des optischen Fensters 32) ansammelten. Der dunkelste Abschnitt eines Außenrings ist die Ringelektrode 334a und ein Abschnitt im Inneren der Ringelektrode 334a ist die Oberfläche des dielektrischen Elements 332.
6B zeigt einen Zustand an, nachdem 15 Sekunden lang ein Hochspannungs-Hochfrequenzsignal mit einer Spannung von 10 kV und einer Frequenz von 15 kHz zwischen die mittlere Elektrode 333a und die Ringelektrode 334a der DBE-Zündkerze 330 angelegt wurde. In diesem Zustand wurde ein Abschnitt um die Oberfläche des dielektrischen Elements 332 herum, das heißt, ein Abschnitt nahe der Ringelektrode 334a, weiß, was bewies, dass die Rußverunreinigungen von dem Teil entfernt wurden.
6C zeigt einen Zustand an, nachdem 18 Minuten lang ein Hochspannungs-Hochfrequenzsignal mit einer sinusförmigen Welle mit einer Spannung von 10 kV und einer Frequenz von 15 kHz zwischen die mittlere Elektrode 333a und die Ringelektrode 334a der DBE-Zündkerze 330 angelegt wurde, wobei die sinusförmige Welle eine Burst-Breite von 20 ms und eine Burstfrequenz von 5 kHz hatte. 6C zeigt, dass die Verunreinigung im Wesentlichen über die Oberfläche des dielektrischen Elements 332 entfernt wurde.
Das Experiment zeigte, dass eine dielektrische Barriereentladung durch die DBE-Zündkerze 330 Rußverunreinigungen auf der Oberfläche des dielektrischen Elements 332 in der Brennkammer entfernen kann.
Wirkungsbestätigungsexperiment 2: Teilchenförmige Testverunreinigung 7A und 7B sind Fotografien, die Änderungen der Verunreinigungen auf der Oberfläche des dielektrischen Elements, das dem optischen Fenster entspricht, in einem Wirkungsbestätigungsexperiment mit teilchenförmigen Testverunreinigungen anzeigen. Bezugnehmend auf 7A und 7B wurde gefärbter poröser Quarz (mittlerer Teilchendurchmesser: einige µm) auf der Oberfläche des dielektrischen Elements 332 der DBE-Zündkerze 330 als teilchenförmige Testverunreinigung in der Brennkammer abgeschieden. Dieser Zustand ist in 7A gezeigt. Der dunkelste Abschnitt eines Außenrings ist die Ringelektrode 334a und ein Abschnitt im Inneren der Ringelektrode 334a ist die Oberfläche des dielektrischen Elements 332. Schwarzer poröser Quarz wird auf der Oberfläche abgeschieden.
7B zeigt einen Zustand an, nachdem 100 ms lang ein Hochspannungs-Hochfrequenzsignal mit einer Spannung von 10 kV und einer Frequenz von 15 kHz zwischen die mittlere Elektrode 333a und die Ringelektrode 334a der DBE-Zündkerze 330 angelegt wurde. 7B zeigt, dass poröser Quarz über die Oberfläche des dielektrischen Elements 332 entfernt wurde.
Das Experiment zeigte, dass die dielektrische Barriereentladung durch die DBE-Zündkerze 330 teilchenförmige Verunreinigungen auf der Oberfläche des dielektrischen Elements 332 in der Brennkammer entfernen kann.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, der in dem Schutzbereich der Patentansprüche beschrieben wird, auf vielfältige Weise modifiziert und geändert werden. Die Laserzündkerzen 30, 130 und 230 in 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B können kleine Laserquellen umfassen oder der Kondensorteil 31 kann weggelassen werden.
Die vorliegende Erfindung ist neben dem Benzinmotor auf einen Gasmotor anwendbar. Unnötig zu sagen, die vorliegende Erfindung ist auch auf eine Halbleiterfertigungsvorrichtung zum Einführen eines Lasers oder Lichts mit einer spezifischen Wellenlänge in eine Kammer und eine Prüfvorrichtung für eine Halbleitervorrichtung, zum Beispiel eine Laserhärtungsvorrichtung zum Einführen eines Lasers auf ein Objekt und Härten des Objekts oder eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Objekts in einer Kammer von außen mit einem Laser und Messen einer Tiefe und einer Dicke, anwendbar ist.
Als eine Ausführungsform, welche die vorhergehende Beschreibung betrifft, wird der folgende Anhang offenbart:

(Anhang 1) Eine Vorrichtung, die eine Oberfläche eines optischen Fensters eines Motors reinigt, die einen Laser von dem optischen Fenster einführt und eine Luft-Brennstoff-Mischung in einer Brennkammer zündet, wobei die Vorrichtung umfasst:
- eine erste Elektrode, die mit einem dielektrischen Material bedeckt ist, welches das optische Fenster bildet, im Inneren der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters;
- eine zweite Elektrode, die um das optische Fenster herum bereitgestellt ist und an der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters freiliegt;
- eine Leistungsversorgung, die elektrisch zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gekoppelt ist; und
- eine Steuereinheit, welche die Leistungsversorgung steuert, um eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters zu erzeugen, indem eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird.

Bezugszeichenliste

10: Motor
11: Zylinderkopfeinheit
11a: Innenwand
12: Brennkammer
13: Kolben
20: Einlassöffnung
21: Auspufföffnung
30, 130, 230: Laserzündkerze
31: Kondensorteil
32: Optisches Fenster
32a: Oberfläche eines optischen Fensters
33, 133, 233: Erste Elektrode
34: Haltepassstück
34a: Zweite Elektrode
34b: Drahtloch
36: Draht
50: Hochfrequenz-Leistungsversorgung
60: Steuereinheit
61: Kurbelwinkel-Erfassungseinheit
335: Dritte Elektrode

Claims

Vorrichtung, die eine Oberfläche eines optischen Fensters reinigt, wobei die Vorrichtung aufweist: eine erste Elektrode, die im Inneren des optischen Fensters bereitgestellt ist und mit einem dielektrischen Material, welches das optische Fenster bildet, bedeckt ist; eine zweite Elektrode, die um das optische Fenster herum bereitgestellt ist und an wenigstens einer Oberfläche des optischen Fensters freiliegt; eine Leistungsversorgung, die elektrisch zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gekoppelt ist; und eine Steuereinheit, welche die Leistungsversorgung steuert, um eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche des optischen Fensters zu erzeugen, indem eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Fenster in einem Motor angeordnet ist, der durch einen Laser gezündet wird, die erste Elektrode an einer Innenseite der Oberfläche auf einer Brennkammerseite des optischen Fensters angeordnet ist, die zweite Elektrode derart angeordnet ist, dass sie zu der Brennkammer freiliegt, und die dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Elektrode in einer Mitte des optischen Fensters auf einer Ebene senkrecht zu einer Einfallsachse des Lasers angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode derart geformt ist, dass ihr mittlerer Abschnitt näher an der Oberfläche des optischen Fensters ist als ein Abschnitt, der den mittleren Abschnitt umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Elektrode sich parallel zu der Oberfläche des optischen Fensters erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine dritte Elektrode aufweist, die derart angeordnet ist, dass sie die erste Elektrode umgibt, um im Inneren des optischen Fensters angeordnet zu sein, und die nicht mit den ersten und zweiten Elektroden elektrisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Fenster scheibenförmig ist und die zweite Elektrode ringförmig ist, um das optische Fenster zu umgeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische Fenster aus zwei optischen Fensterelementen ausgebildet ist, die in einer Dickenrichtung des optischen Fensters angeordnet sind, und die erste Elektrode zwischen den zwei optischen Fensterelementen eingefügt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Elektrode aus einem Material hergestellt ist, das als eine Hauptkomponente Zinnoxid (SnO₂) und/oder Zinkoxid (ZnO) oder ein Mischmaterial aus Zinnoxid (SnO₂) und Zinkoxid (ZnO) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Frequenz der Hochfrequenz- oder Impulsspannung auf 0,05 kHz bis 1000 kHz festgelegt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Frequenz der Hochfrequenz- oder Impulsspannung auf 0,1 kV bis 100 kV festgelegt wird.
Vorrichtung zum Reinigen einer Oberfläche eines optischen Fensters eines Motors, der einen Laser von dem optischen Fenster einführt und eine Luft-Brennstoff-Mischung in einer Brennkammer zündet, wobei die Vorrichtung aufweist: eine erste Elektrode, die mit einem dielektrischen Material bedeckt ist, welches das optische Fenster, im Inneren der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters bildet; eine zweite Elektrode, die um das optische Fenster herum bereitgestellt ist und an der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters freiliegt; eine Leistungsversorgung, die elektrisch zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gekoppelt ist; und eine Steuereinheit, welche die Leistungsversorgung steuert, um eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche auf der Brennkammerseite des optischen Fensters zu erzeugen, indem eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird.
Motor, der eine Luft-Brennstoff-Mischung in einer Brennkammer durch einen Laser zündet, wobei der Motor aufweist: eine Laserquelle; ein optisches Fenster, das aus einem dielektrischen Material hergestellt ist und einen Laser von der Laserquelle in die Brennkammer einführt; und die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche eines optischen Fensters, das einen Laser eines Motors einführt, der eine Luft-Brennstoff-Mischung in einer Brennkammer unter Verwendung des Lasers zündet, durch die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren das Steuern der Leistungsversorgung derart aufweist, dass während eines Betriebs des Motors in einem Auspufftakt eine Hochfrequenz- oder Impulsspannung zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird und eine dielektrische Barriereentladung entlang der Oberfläche des optischen Fensters erzeugt wird.