JP2006052735A - 内燃機関の点火のための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技法における欠点を解消し信頼性の高い点火が保証される装置を提供すること。
【解決手段】レーザービームが、燃焼室内の種々異なる焦点に集束される複数の部分レーザービームを有するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、集束されたレーザービームが空気／燃料混合気の点火のために内燃機関の燃焼室内へもたらされる、内燃機関の点火のための装置に関している。

ドイツ連邦共和国特許出願 DE 199 11 737 号明細書からは、集束されたレーザービームが内燃機関の燃焼室内へもたらされる内燃機関の点火のための装置が既に公知である。レーザービームの集束を強めることによって、当該焦点においては、燃焼室内にもたらされた空気／燃料混合気の点火を行える位に高い温度が生じる。
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 199 11 737 号明細書

本発明の課題は、従来技法の欠点を解消し、信頼性の高い点火装置を提供することである。

前記課題は本発明により、レーザービームが、燃焼室内の種々異なる焦点に集束される複数の部分レーザービームを有するように構成されて解決される。

独立請求項の特徴部分に記載された本発明による装置は、燃焼室内の複数の箇所にてレーザービームの集束により空気／燃料混合気の点火が行われるようになる利点を有する。そのように形成された複数の点火箇所によって点火の信頼性が向上する。但し燃焼室内のあらゆる箇所において各運転状態のもとに空気／燃料混合気の最適な点火が可能となるわけではない。それに対しては異なる点火箇所の空間的分割によって対抗し得る。さらに複数の点火箇所を設けることによって基本的に点火が向上する。それにより燃焼室内で火炎前面が戻る経路も低減されるので、ノッキングの傾向も著しく低減できる。さらに複数の点火箇所によって燃焼室内の混合気の燃焼も時間的に短縮され、このことは熱力学的見地から有利となる。

さらなる利点及び改善例は従属請求項に記載されている。レーザー光源の光を複数の部分レーザービームに分割することで特に簡単に複数の部分レーザービームが形成できる。それに対して有利には、それぞれ１つのレーザービームを燃焼室内で複数の箇所に分割ないしは収束させるレンズアレイ若しくはホログラフィック素子が利用される。代替的にないしは付加的にさらに複数のレーザー光源が設けられてもよい。

次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。

図１には、内燃機関の燃焼室が符号１を付されて概略的に表されている。この種の燃焼室は、今日の自動車において一般的となったオットエンジンの通常の燃焼室である。この種のエンジンは一般的に周知であるので、ここでは燃焼室１は単なる枠として概略的に示されその他の詳細については図示していない。

この燃焼室１内へもたらされた空気／燃料混合気の点火に対しては、２つのレーザー光源２が設けられており、これらのレーザー光源がレーザービーム３を放射している。このレーザービーム３は、レンズアレイ４を通って供給される。その際レーザービーム３は、複数の部分レーザービームに分割され、これらの部分レーザービームは、それぞれの焦点６に集束される。この場合焦点６は、燃焼室１の内部に存在しており、それらは当該燃焼室１内での空気／燃料混合気の点火のために使用される。焦点６においては部分レーザービーム５の各々が非常に小さな点に集束され、これによって当該の各点における温度が急峻に上昇する。この集束の度合いは、部分レーザービーム５によって焦点６における温度が燃焼室１内の空気／燃料混合気の点火に十分なくらいの高さとなるように高められる。この焦点６を起点に燃焼室１内の空気／燃料混合気は燃焼する。その際火炎前面はこの焦点６から出発して延在する。

複数の焦点６によれば、いくつかの異なった利点が得られる。すなわち複数の焦点６が設けられると、空気／燃料混合気は燃焼室内の複数の箇所で点火されるので、それによって点火の信頼性が高められる。その際には焦点６の各々における空気／燃料混合気の点火に至る確率は内燃機関の運転状態に依存して必ずしも同じレベルとは限らない。しかしながら複数の焦点６が設けられているために、少なくともそれらの焦点の１つにおいては空気／燃料混合気の点火に良好な条件がそろう。通常は複数の焦点６において空気／燃料混合気の点火が生じる。このことは燃焼室１内の空気／燃料混合気全体の燃焼に対して火炎面が長い距離を後戻りしない利点となり、それによって燃焼持続時間が短縮される。このことは熱力学的な見地から有利となる。さらに上死点直後に点火を行うことも可能となり、これによって内燃機関の効率がさらに高められる。さらに複数の箇所での点火によって内燃機関のノッキング傾向も低減される。それによりエンジン効率を例えば圧縮比の引き上げによって向上させることが可能となる。さらに複数の点火箇所によって燃焼温度が引き下げられる。このことは排ガス中の窒素酸化物ＮＯ_ｘの低減につながる。

図２にはエンジンブロック１０の平面図が示されている。このエンジンブロック１０内には、１つのシリンダが存在しており、このシリンダは特に上から見て円形の燃焼室１を呈示している。このエンジンブロック１０にシリンダヘッドを載置することによって燃焼室１は閉じられる。シリンダカバーはここでは示されておらず、上から見たエンジンブロック１０の平面が示されている。燃焼室１の周囲には通常はシールが設けられており、このシールは、燃焼室１を周囲から密閉している。このシールもここでは示されていない。エンジンブロック１０の上側には光導波路８が設けられており、この光導波路８はエンジンブロック１０とシリンダヘッドの間が密閉できるようにフラットである。レーザービームは、グラスファイバ７によって光導波路８の外側端部に入力結合される。光導波路８内でこのレーザービームは拡張され、燃焼室１まで達している、当該光導波路８の反対側から出射される。この光導波路８の出射側は、レンズアレイ４として構成されており、そこでは再び相応の複数の部分レーザービーム５が生成される。これらの部分レーザービーム５は、それぞれの相応する焦点６において集束される。これらの焦点６では、それぞれ温度が次のように著しく高められる。すなわち空気／燃料混合気の点火がなされるように高められる。光導波路８は、例えばガラスで形成されていてもよい。この種の非常にフラットな光導波路８は、シリンダヘッドシール部の領域においてレーザービームを内燃機関の燃焼室１にもたらすことが可能である。このような光導波路８の非常に薄い構成に基づけばシリンダヘッドシール部の遮蔽効率が損なわれることはない。部分的にこの種のシリンダヘッドシール部は、次のような材料、すなわち最初はペースト状でその後シール材に硬化するような材料からなっていてもよい。図２に示されている装置は、先の特許出願 DE 199 11 737 に開示されているのに似たアイデアを使用している。しかしながらここでは唯１つのグラスファイバがシリンダヘッドシール部領域に設けられているのではなく、光導波路８がさらにレーザービームの分割を経て複数の部分レーザービームを生成するように設けられている。

図１に示されているレンズアレイないしは図２に示されているような光導波路８の一方の側がレンズアレイ状の構造４である構成の他にも、相応のホログラフィックな構造、すなわち回折構造も利用可能である。この種の回折構造によっても焦点６まで貫通するレーザービームの集束を引き起すことができる。

図３には、本発明のさらなる実施形態が示されている。ここでもエンジンブロック１０がその中に含まれている燃焼室１と共に平面図で示されている。グラスファイバ７を通してレーザービームが案内されている。エンジンブロックの外側では、グラスファイバ７のレーザービームが、複数のさらなるグラスファイバ１７に分けられている。このことは相応の部分レーザービームによって行われるか、若しくはさらなるグラスファイバ１７がグラスファイバ７と組継ぎによってレーザービームがさらなるグラスファイバ１７に分割されるように接続されることによって行われる。これらのさらなるグラスファイバ１７は、個々の球体レンズ１４によって終端しており、これらのレンズは内燃機関の燃焼室１周縁に配置されている。球体レンズ１４によって個々のさらなるグラスファイバ１７のレーザービームは、部分レーザービーム５に収束され、それらはそれぞれの焦点６に結び付けられる。エンジンブロック１０とここでは詳細に示されていないシリンダヘッドとの間のシール部領域を貫通する個々のグラスファイバ１７の案内は、例えば先の特許出願 DE 199 11 737 号明細書から既に公知のような構成に相応させてもよい。この構成の利点は、エンジンブロック１０の領域外での複数のグラスファイバ１７への分割が行われることであり、このことはシリンダヘッドシーリングの実施を容易にさせる。さらにエンジン領域外での個々のグラスファイバへの分割は、後でエラーが生じた場合でもその補正のために接続箇所に後から容易にアクセスすることができる。

内燃機関のそれぞれの燃焼室をそこにもたらされるレーザービームと共に示した図 内燃機関のそれぞれの燃焼室をそこにもたらされるレーザービームと共に示した図 内燃機関のそれぞれの燃焼室をそこにもたらされるレーザービームと共に示した図

符号の説明

１ 燃焼室
２ レーザー光源
３ レーザービーム
４ レンズアレイ
５ 部分レーザービーム
６ 焦点
７ グラスファイバ
８ 光導波路
１０ エンジンブロック

Claims (7)

1. 集束されたレーザービームが空気／燃料混合気の点火のために内燃機関の燃焼室内へもたらされる、内燃機関の点火のための装置において、
   レーザービームが、燃焼室（１）内の種々異なる焦点（６）に集束される複数の部分レーザービーム（５）を有していることを特徴とする装置。
2. レーザー光源（２）が設けられており、該レーザー光源（２）のレーザービームは複数の部分レーザービーム（５）に分割される、請求項１記載の装置。
3. 前記分割のために、レンズアレイ（４）が設けられており、該レンズアレイ（４）は、レーザービームを複数の焦点（６）に集束させる、請求項２記載の装置。
4. 前記分割のために、ホログラフィック素子が設けられており、該ホログラフィック素子は、レーザービームを複数の焦点（６）に集束させる、請求項２記載の装置。
5. エンジンブロック（１０）と内燃機関のシリンダヘッドの間に光導波路（８）が設けられており、該光導波路（８）は一方の側ではグラスファイバ（７）によってレーザービームを供給し、前記光導波路（８）の燃焼室（１）に向いた側はレンズアレイ（４）若しくはホログラフィック素子として構成されている、請求項１から４いずれか１項記載の装置。
6. エンジンブロック（１０）とシリンダヘッドの間に複数のグラスファイバ（１７）が設けられており、該グラスファイバ（１７）を通って複数の部分レーザービームが燃焼室（１）内へもたらされる、請求項１から４いずれか１項記載の装置。
7. 複数のレーザー光源（２）が設けられており、該複数のレーザー光源（２）の光はそれぞれ燃焼室（１）内の異なる焦点に集束される、請求項１記載の装置。

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