JP2009541651A - 内燃機関用の点火装置の作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、殊に自動車の、内燃機関（１０）用の点火装置の作動方法であって、
当該点火装置は、レーザ装置（２６）と、ポンピング光源（３０）とを有しており、
前記レーザ装置は、受動的なＱスイッチ（４６）を備えたレーザ活性固体（４４）を有しており、燃焼室（１４）内への放射のためにレーザパルス（２４）を生成し、前記ポンピング光源（３０）は、ポンピング光（６０）をレーザ装置（２６）のレーザ活性固体（４４）のために供給する。本発明では、ポンピング光（６０）の放射強度（Ｉ０）および／またはポンピング持続時間（ｔ＿ｐｕｍｐ）および／またはポンピング開始時点（ｔ１）および／またはポンピング光（６０）の波長を調整することによって、レーザパルス（２４）が生成される点火時点（ｔＺ）を所定の目標値に調整する。

Description

従来技術
本発明は、殊に自動車の内燃機関のための点火装置の作動方法に関する。この点火装置はレーザ装置を有しており、このレーザ装置は、受動的なＱスイッチを伴うレーザ活性固体を有している。さらにこのレーザ装置は、燃焼室内に放射されるレーザパルスを生成する。点火装置はさらにポンピング光源を有しており、このポンピング光源はレーザ装置のレーザ活性固体に対してポンピング光を供給する。レーザでの点火装置の作動方法は、ＤＥ１９９１１７３７号から公知である。

本発明はさらに、この種の点火装置のための制御機器並びに制御機器のためのコンピュータプログラムに関する。

冒頭に記載した様式の点火装置に対する作動方法は、次のような欠点を有している。すなわち、種々異なるノイズ影響、例えば使用されているコンポーネントの温度変化並びに特性における見本ばらつき（Exemplarstreuungen）が、所望されている点火時点の正確な遵守に悪影響を及ぼし、ひいては殊にできるだけ少ない公害物質排出および高い効率に関して燃焼プロセスを妨害する。

発明の開示
これに相応して本発明の課題は、冒頭に記載した様式の方法、制御機器およびコンピュータプログラムを改善して、ノイズ量ないし見本ばらつきの影響下においても、所望の点火時点を正確に遵守することを可能にすることである。

上述の課題は、冒頭に記載した様式の作動方法において、本発明と相応に、次のことによって解決される。すなわち、レーザパルスが生成される点火時点を所定の目標値に調整することによって解決される。これは、ポンピング光の放射強度および／またはポンピング持続時間および／またはポンピング開始時点および／またはポンピング光の波長が調整されることによって行われる。

本発明と相応に、点火時点を調整することによって有利には、レーザパルス生成時の時間的なジッタを、正常で、かつ排出の少ない内燃機関の作動を妨げない値まで低減させることができる。例えば本発明の調整方法を使用して、レーザパルスの時間的なジッタを約１０μｓ以下の値にまで制限することができる。従って内燃機関の回転数が高い場合でも（例えば約６、０００回転／分）、障害のない作動が保証される。

本発明の別の有利な構成は従属請求項に記載されている。

本発明の別の特徴、用途および利点は、図示されている、本発明の実施例の以下の説明に記載されている。ここで、全ての上述されたまたは図示された特徴はそれ自体で、または任意の組み合わせで、本発明の構成要件を成す。これは特許請求の範囲におけるその組み合わせまたは従属関係に依存せず、さらに、明細書ないし図面における表現ないし説明にも依存しない。

図面の簡単な説明
図１は、本発明の方法を用いる点火装置を有する内燃機関の概略的な図面であり、
図２は、図１に示された点火装置の実施形態の詳細図であり、
図３は、図１に示された点火装置の駆動制御の時間的な経過特性であり、
図４は、本発明による方法の第１の実施形態の簡略化された機能ダイヤグラムである。

発明の実施形態
図１において内燃機関には全体として参照番号１０が付与されている。内燃機関は図示されていない自動車の駆動に用いられる。内燃機関１０は複数のシリンダを有しており、これらのシリンダうちの１つだけが図１に、参照番号１２で示されている。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限されている。燃料は燃焼室１４内に直接的にインジェクター１８を通って達する。ここでこのインジェクターはレールないしはコモンレールとも称される燃料畜圧部２０に接続されている。

燃焼室１４内に噴射された燃料２２はレーザパルス２４によって点火される。ここでこのレーザパルスはレーザ装置２６を有する点火装置２７によって、燃焼室１４内に噴射される。このためにレーザ装置２６には導光装置２８を介してポンピング光が供給される。このポンピング光はポンピング光源３０から供給される。ポンピング光源３０は開ループ制御および閉ループ制御機器３２によって制御される。これはインジェクター１８も制御する。

例えば、ポンピング光源３０は半導体レーザダイオードである。これは制御電流に依存して、相応のポンピング光を導光装置２８を介してレーザ装置２６に出力する。半導体レーザダイオードおよび別の小さく構成されたポンピング光源が、自動車領域内で有利に使用されるが、本発明の点火装置２７の作動には基本的にはあらゆる種類のポンピング光源が使用可能である。

図２は、図１に示されたレーザ装置２６の細部の図が概略的に示している。

図２から分かるように、レーザ装置２６はレーザ活性固体４４を有している。このレーザ活性固体には、Ｑスイッチとも称される受動的な回路４６が光学的に後方に配置されている。レーザ活性固体４４はここで、この受動的なＱスイッチ４６並びに、図２においてその左側に配置された入力結合ミラー４２並びに取り出しミラー４８とともに、レーザ発振器を構成する。このレーザ発振器の振動特性は受動的なＱスイッチ４６に依存しており、少なくとも間接的にそれ自体公知の方法で制御可能である。

図２に示されたレーザ装置２６の構造ではポンピング光６０は、既に図１を参照して説明された導光装置２８によって、同じように既に説明されたポンピング光源３０から、ここで両凸レンズ４０によってあらわされている入力結合レンズに導かれる。これはポンピング光６０を入力結合ミラー４２に結束させる。入力結合ミラー４２は、ポンピング光６０の波長を通過させるので、ポンピング光６０はレーザ活性固体４４内に入り込み、その内部で、それ自体公知の反転分布を生じさせる。

受動的なＱスイッチ４６が、比較的僅かな伝達係数を有している静止状態にある間、レーザ活性固体４４ないしは入力結合ミラー４２と取り出しミラー４８とによって制限されている固体４４、４６内のレーザ作動が回避される。しかしポンピング持続時間が増大するとともに、レーザ発振器４２、４４、４６、４８内の放射強度も上昇する。従って、受動的なＱスイッチ４６が退行する。すなわち大きい伝達係数となり、レーザ発振器４２、４４、４６、４８内のレーザ作動が始まる。

このようにして、ジャイアントパルスとも称されるレーザパルス２４が生じる。これは比較的高いピーク出力を有している。レーザパルス２４は、場合によっては別の導光装置を用いて、または、直接的に図示されていない、レーザ装置２６の燃焼室窓を通じて、内燃機関１０の燃焼室１４（図１）内に入力結合される。従って、その中にある燃料２２が点火される。

場合によっては、図２に示されているように、レーザ発振器４２、４４、４６、４８には、レーザパルス２４の光学的な増幅のための光学的な増幅器７０が割り当てられる。しかし、光学的な増幅器７０は、以降に記載される本発明の方法を使用するために必要ではない。

レーザ活性固体４４の材料特性における種々のノイズ影響、例えば温度変動、経年劣化作用および見本ばらつき等によって、駆動制御が同じ場合でも、レーザパルス２４の時間的なジッタ、すなわち、発生の時間的な変動が生じることがあるので、本発明では、レーザパルス２４が実際に生成される点火時点が所定の目標値に調整される。

図３は、このために、本発明による点火装置２７の駆動制御の概観を示している。開始時点ｔ０から出発してまずは所定の待ち時間Δｔの間は待機され、最終的にポンピング開始時点ｔ１から点火装置２７のポンピング光源３０が起動され、これによってポンピング光６０が、図３に参照値Ｉ０として示された放射強度で、レーザ活性固体４４（図２）で放射される。ポンピング光源３０は全ポンピング持続時間ｔ＿ｐｕｍｐの間、起動されたままである。これは図３では時点ｔ２まで拡大している。すなわち、ｔ＿ｐｕｍｐ＝ｔ２−ｔ１である。

ポンピング持続時間ｔ＿ｐｕｍｐ内では、レーザ活性固体４４にポンピング光６０を照射することによって、既に上述したように、その内部に反転分布が形成される。これは受動的なＱスイッチ４６の退行後、最終的にはレーザ作動を生じさせる。従って、実際の点火時点ｔＺでは、図３においても参照番号２４で示されているレーザパルスが出力される。

レーザパルス２４の実際の発生並びに相応する点火時点ｔＺは本発明では、それ自体公知であり、ここでは詳細に示されていない測定手段によって定められ、本発明による調整方法を実施するために制御機器３２に導かれる。実際の点火時点ｔＺは基本的には、上述のノイズ影響に基づいて変動するので、ポンピング持続時間ｔ＿ｐｕｍｐは有利には次のように選択される。すなわち、ポンピング持続時間が所定の時間差だけ、予期されている点火時点とポンピング開始時点ｔ１との間の時間差よりも大きくなるように選択されている。従ってこの時間差は安全時間とも称され、レーザパルス２４の生成が遅れた場合にもポンピング光供給が早期に中断されないことを保証する。

次に、図４の機能ダイヤグラムを参照して、本発明による調整方法の第１の形態をより詳細に説明する。

本発明の方法に対する入力量として、点火時点に対する目標値ｔＺ＿ｓｏｌｌが設定されている。これは例えば、内燃機関１０の制御機器３２によって、別の作動パラメータに依存して求められ、レーザパルス２４がいつ燃焼室１４に放射されるべきかを示す。

この目標値ｔＺ＿ｓｏｌｌは、第１の特性曲線ＫＬ１に供給される。この特性曲線はここから、例えばポンピング光源３０から出力される放射強度に対する目標値Ｉ＿ｓｏｌｌを形成する。この目標値Ｉ＿ｓｏｌｌは、次に、第１の補正係数ＫＦ１と乗算され、補正された目標値Ｉ＿ｓｏｌｌ’になる。次にこの補正された目標値Ｉ＿ｓｏｌｌ’は第２の補正係数ＫＦ１とさらに乗算され、補正された目標値Ｉ＿ｓｏｌｌ’ ’になる
第１の補正係数ＫＦ１は内燃機関１０の温度と、ポンピング光源３０の実際に調整されるべき放射強度Ｉ＿ｓｏｌｌとの機能的な関係をあらわす。ここで本発明では次のことが考慮される。すなわち、燃焼室１４の直接的な周辺において、内燃機関１０に対してレーザ装置２６が空間的に近いことによって、レーザ装置が内燃機関１０とほぼ同じ温度を有することが考慮される。従って内燃機関１０の温度変化はレーザ装置２６ないしはその内部に含まれているコンポーネント４４、４６の温度変化も生じさせる。

レーザ活性固体４４の温度変化は例えば、レーザパルス２４の生成ないしは、レーザ活性固体４４内へ放射されたポンピング光６０を利用する際の効果に作用を及ぼし、これと相応に第１の補正係数ＫＦ１によってこれと相応に、内燃機関１０ないしはレーザ活性固体４４の温度が異なる場合にも、常に、ポンピング光６０に対して必要な放射強度I＿ｓｏｌｌが保証されるように考慮される。これと相応に、補正された値Ｉ＿ｓｏｌｌ’は、内燃機関１０の温度だけ修正された、ポンピング光６０の放射強度に対する目標値をあらわす。

内燃機関１０の温度の上述した考慮と同様に、ポンピング光源３０としてレーザダイオードを使用する場合には、レーザダイオードの温度およびレーザダイオードによって放射された放射強度と、ポンピング光６０の放射されたポンピング波長との間の関係も考慮される。これは、ここでは補正係数ＫＦ２によって示されている。

２つの補正係数ＫＦ１、ＫＦ２は、各温度および相応する、例えば事前に測定に基づいて求められた特性曲線に依存して、それ自体公知の方法で求められる。補正係数ＫＦ１、ＫＦ２を求めるための相応する特性曲線並びに特性曲線ＫＬ１は例えば有利には、制御機器３２(図１)の不揮発性メモリ内に格納されている。

上述したように求められた、放射強度に対する補正された目標値Ｉ＿ｓｏｌｌ’ ’は次にリミッターＭＸ内で、放射強度に対する許容される最大値Ｉ＿ｍａｘと比較され、場合によってはその値に制限される。次に、補正された目標値Ｉ＿ｓｏｌｌ’ ’はポンピング光源３０のレーザダイオードに対する相応の制御電流に換算される。これは同じように、特性曲線（図示されていない）を介して行われる。

本発明のレーザ装置２６の後続の駆動制御はこれと相応に、上述したように求められた、ポンピング光６０の放射強度Ｉ＿ｓｏｌｌ’ ’ ’を用いて行われる。

例えば、図３に示された放射強度Ｉ０は上述の計算された値Ｉ＿ｓｏｌｌ’ ’を有している。このような駆動制御の場合には、点火時点ｔＺで後続するレーザパルス２４が生じる。これは同じように上述された測定手段によって検出されている。実際の点火時点ｔＺが調整差を求めるために検出され、この調整差が所定の閾値を上回ると、点火時点ｔＺに影響を与える調整量が相応に、本発明の方法で適合調整される。

目標値ｔＺ＿ｓｏｌｌの変わりに、図４に示された機能ダイヤグラムにおいて直接的に調整差を入力量として使用することもできる。それに依存して例えばポンピング光６０の放射強度が適合調整される。

例えば、実際に、レーザパルス２４が遅く生じた場合には、図４に示された方法によって、ポンピング光６０の放射強度が次のように高められる。すなわち、後続のレーザパルス２４が早く生じるように高められる。すなわち、本発明による調整方法の調整差は低減する。

ポンピング光６０の放射強度ないしはポンピング光源３０として構成されたレーザダイオードの相応する制御電流を使用する他に、さらに、ポンピング持続時間ｔ＿ｐｕｍｐまたはポンピング開始時点ｔ１並びにポンピング光６０の波長を調整して、レーザパルス２４の実際の時間的な長さに影響を与えることもできる。

ポンピング光６０の波長の変化は例えば、レーザダイオードとして構成されたポンピング光源３０のアクティブな温度調整によって行われる。

ポンピング持続時間ｔ＿ｐｕｍｐを修正することによって時点ｔＺに影響を与える場合には、有利には、ポンピング持続時間ｔ＿ｐｕｍｐの制限は許容可能な最大のポンピング持続時間に設定される。これによってポンピング光源３０の温度的な過負荷が回避される。

特に有利には本発明による方法の別の実施形態では、レーザパルス２４の点火時点の調整が内燃機関１０の回転数に依存して行われる。これによって非常に有利には次のことが可能になる。すなわち、特に時間臨界的な作動領域において（これは例えば内燃機関１０の比較的高い回転数に相応する）、特に正確な調整を行うことが可能になる。また、内燃機関１０の回転数が少ない別の作動領域においては、レーザパルス２４の点火時点の正確な制御が行われる必要はない。内燃機関１０の作動点ないし、レーザパルス２４の最大の時間的なジッタへの要求に応じて、種々異なる調整量も修正され、これによって点火時点が整合される。

点火装置２７に対する本発明の作動方法を例えばコンピュータプログラムの形で実現することができる。これは制御機器３２の電子メモリ内に格納されており、制御機器３２ないしはその内部に設けられた計算ユニット（図示されていない）上で作動する。

一般的に、レーザパルス２４の時間的な長さに、同時に、上述した影響量の複数によって影響を与えることができる。例えば同時にポンピング持続時間ｐ＿ｐｕｍｐおよびポンピング光６０の放射強度Ｉ０を修正することができる。

レーザパルス２４の時間的な長さの僅かな補正は殊に、単独でも、待機時間Δｔ（図３）を変えることによって、すなわち、ポンピング開始時点ｔ１をシフトさせることによって実現される。これに対して例えばレーザパルス２４の全体的な欠如は、レーザ作動を制御する影響量、例えば放射強度Ｉ０並びにポンピング持続時間ｐ＿ｐｕｍｐまたはポンピング６０の波長を変えることによって修正可能である。

レーザパルス２４の点火時点に対する上述した本発明の調整方法によって、温度変動の他に、別のノイズ影響、例えばレーザ活性個体４４の種々異なるドーピング並びに種々異なるポンピング体積が、例えば、レーザ活性固体４４内のポンピング光６０の入力結合領域における種々異なるポンピングビーム形成等に依存して補償される。同じように受動的なＱスイッチ４６の種々異なる初期伝達値およびレーザパルス２４の時間的な長さに対するその影響が、本発明の方法によって補償可能である。

このようにして、ポンピング光６０ないしレーザパルス２４に対する入力結合ミラーおよび取り出しミラー４２、４８の種々異なる反射係数も補償される。

本発明の原理は有利には固定モータでも使用可能である。

本発明の方法を用いる点火装置を有する内燃機関の概略的な図面 図１に示された点火装置の実施形態の詳細図 図１に示された点火装置の駆動制御の時間的な経過特性 本発明による方法の第１の実施形態の簡略化された機能ダイヤグラム

Claims (10)

1. 殊に自動車の、内燃機関（１０）用の点火装置の作動方法であって、
   当該点火装置は、
   レーザ装置（２６）と、
   ポンピング光源（３０）とを有しており、
   前記レーザ装置は、受動的なＱスイッチ（４６）を備えたレーザ活性固体（４４）を有しており、燃焼室（１４）内への放射のためにレーザパルス（２４）を生成し、
   前記ポンピング光源（３０）は、ポンピング光（６０）を前記レーザ装置（２６）のレーザ活性固体（４４）のために供給する形式の方法において、
   ポンピング光（６０）の放射強度（Ｉ０）および／またはポンピング持続時間（ｔ＿ｐｕｍｐ）および／またはポンピング開始時点（ｔ１）および／またはポンピング光（６０）の波長を調整することによって、レーザパルス（２４）が生成される点火時点（ｔＺ）を所定の目標値に調整する、
   ことを特徴とする、内燃機関用の点火装置の作動方法。
2. レーザダイオードをポンピング光源（３０）として使用し、
   前記ポンピング光（６０）の放射強度（Ｉ０）を、レーザダイオードの相応する制御電流を調整することによって調整する、請求項１記載の方法。
3. 前記ポンピング光（６０）の波長を、前記レーザダイオードをアクティブに温度調整することによって変える、請求項２記載の方法。
4. 前記レーザ活性固体（４４）ないしは前記レーザ装置（２６）の温度を内燃機関（１０）の温度から導出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記レーザ活性固体（４４）ないしは前記レーザ装置（２６）の温度および／または前記ポンピング光源（３０）の温度を調整時に考慮する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ポンピング持続時間（ｔ＿ｐｕｍｐ）を許容可能な最大ポンピング持続時間に制限する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記調整を、内燃機関（１０）の回転数に依存して行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ポンピング光（６０）の放射強度（Ｉ０）および／またはポンピング持続時間（ｔ＿ｐｕｍｐ）および／またはポンピング開始時点（ｔ１）および／またはポンピング光（６０）の波長と点火時点（ｔＺ）との間の関係を特性曲線および／または特性マップから得る、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載されている方法を実施するためにプログラミングされている、
   ことを特徴とする、コンピュータプログラム。
10. 殊に自動車の内燃機関（１０）用の点火装置のための制御機器（３２）であって、
    請求項１から８までのいずれか１項に記載されている方法を実施するために構成されている、
    ことを特徴とする、内燃機関用の点火装置のための制御機器。

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