JP2010537119A - 内燃機関のレーザ点火用の点火装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（１０）用の点火レーザ装置に関する。燃焼室窓（５８）がガス、圧力および温度に対して耐性があるように点火レーザのケーシング（３８）と接続されている。

Description

WO 2005/066488 A1から、いわゆるレーザ点火装置が公知である。このレーザ点火装置は、内燃機関の燃焼室内に突出している点火レーザを有する。点火レーザは光導体を介してポンピング光源により光学的にポンピングされる。

点火レーザにおいて燃焼室と対向している端部にはいわゆる燃焼室窓が設けられており、この燃焼室窓は点火レーザにおいて生成されたレーザ放射に対して透過性である。この燃焼室窓は密に点火レーザのケーシング内に収容されなければならない。燃焼室窓とケーシングとの間のシーリングには高い要求が課される。何故ならば、内燃機関の作動中は６００℃を上回る表面温度が燃焼室窓において生じる可能性があるからである。さらには２５０ｂａｒを上回る断続的な圧力負荷が併発する。ガスタービンの点火のために点火レーザが使用される場合には、ガスタービンの燃焼室内では確かに比較的低い圧力しか生じないが、燃焼室窓の表面の温度は１０００℃にまで達している可能性があるので、いかなる場合においても制御不能なグロー点火は阻止されなければならない。

点火レーザの内部は外部の高い温度および圧力に対して確実に密閉されなければならないことは明らかである。排ガスが点火レーザの内部に達してしまうと、それにより点火レーザは故障してしまう。

発明の概要
本発明の課題は、内燃機関の寿命全体にわたり、また内燃機関の燃焼室内に生じている圧力および温度において、内燃機関およびケーシングの確実で信頼性の高いシーリングが保証されているように燃焼室窓およびケーシングがシーリングされている点火レーザを提供することである。

この課題は、本発明によれば、レーザ活性固体、燃焼室窓およびケーシングを有する内燃機関用の点火レーザにおいて、ケーシングおよび燃焼室窓が少なくとも間接的に、相互に材料結合により接続されていることによって解決される。

本発明によるケーシングと燃焼室窓の材料結合による接続によって、要求される気密性は圧力および温度が非常に高い場合であっても保証される。この際、材料結合により燃焼室窓と接続されるケーシングの部分が、燃焼室窓の熱膨張係数に可能な限り等しい熱膨張係数を有していることを考慮しなければならない。これによって熱応力が低減され、その結果、ケーシングと燃焼室窓との間の材料結合による接続部の寿命が延び、また信頼性が高まる。

択一的に、ケーシングおよび燃焼室窓を相互に密に押し付けることもできる。この場合には勿論、全ての作動条件において、ケーシングと燃焼室窓のとの間に十分な押圧力が保証されることを考慮しなければならない。押圧力を高めるために、燃焼室窓とケーシングとの間のシール面を可能な限り小さくすることが推奨される。

耐熱性、耐圧性および熱膨張係数に関してケーシングに課される要求を充足できるようにするために、本発明のさらに有利な実施形態においては、ケーシングと燃焼室窓がダイヤフラムまたは中間リングによって間接的に材料結合により相互に接続されている。

これによって、ケーシングを殊に耐熱性および機械的な負荷に関して最適化することができ、またダイヤフラムないし中間リングのための適切な材料の選択によって、その密度および寿命に関する燃焼室窓との材料結合による接続部を最適化することができる。このことは、ダイヤフラムないし中間リングと燃焼室窓との間の第１の接合個所においては殊に有利であり、ここではガラスと金属との間の密な接続部が達成されなければならない。ケーシングとダイヤフラムないし中間リングとの間の接続部は製造技術的に問題ない。何故ならば、この接続部は通常の場合、例えばはんだ付け、溶接または他の周知で試験済みの接合技術によって結合することができる金属−金属結合部だからである。

ダイヤフラムないし中間リングを介在させることによって、さらには、通常は石英ガラスまたはサファイアガラスから成る燃焼室窓と、耐熱性のある金属性の材料からなるケーシングとの間で異なる材料の特性を「段階的に」移行させることができる。

ケーシングを内部スリーブおよび外部スリーブに分離することによって、それぞれのタスクに最適に適合された、内部スリーブおよび外部スリーブのそれぞれの構造的な構成を同様に達成することができる。外部スリーブと内部スリーブに対して異なる材料を選択することによって、さらに最適化された点火レーザを提供することもできる。

択一的に、ダイヤフラムを外部スリーブおよび燃焼室窓と、または内部スリーブおよび燃焼室窓と材料結合により接続させることができる。

内部スリーブおよび／またはダイヤフラムおよび／または中間リングに関しては、燃焼室窓の熱膨張係数に相当する熱膨張係数を有する材料を使用することが推奨される。例えば、このための材料としてThyssen VDM社のPernifer 2198 MSが殊に適している。

択一的に、内部スリーブおよび／またはダイヤフラムおよび／または中間リングを延性の材料、有利にはニッケルまたは銅から製造することもできる。これによって、ケーシングと燃焼室窓との間の接合個所において場合によっては生じる熱応力が材料の延性に基づき低減され、これによって接合個所における負荷が機械的に低減される。もちろん、燃焼室窓の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有し、それと同時に延性である材料を使用することも殊に有利である。これによって、２つの実施形態の利点が合わさる。

択一的に、延性の材料からなる内部スリーブおよび／またはダイヤフラムおよび／または中間リングを、燃焼室窓の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する内部スリーブおよび／またはダイヤフラムおよび／または中間リングと組み合わせることによっても同じ効果が得られる。

外部スリーブに関しては、耐熱性のある材料、有利にはTyp 1.4913の鋼からなる材料が好適であることが分かった。

ケーシング、ダイヤフラム、中間リングおよび燃焼室窓の間の材料結合による接続部を、硬はんだ付け、軟はんだ付け、溶接、殊にセラミック性および／または金属性の接着剤を用いる接着、または、グレイジングによって形成することができる。

はんだ付けの場合に、はんだと燃焼室窓との間の良好な接続部を達成するために、燃焼室窓の表面が湿潤されることが重要である。これを金属化、例えばいわゆるＷ／Ｍｎ方法、および／または、Ｍｏ／Ｍｎ方法、および／または、ＣＶＤ（化学蒸着法）またはＰＶＤ（物理蒸着法）による蒸着、および／または、イオンメッキ、および／または、アクティブはんだ付けによって行うことができる。アクティブはんだ付けにおいては、はんだが少なくとも界面活性要素、例えばチタンを含有する。

さらに、ガラスはんだを使用することも可能であり、有利には銀・ガラス組成を有するガラスはんだが使用される。その種のガラスはんだは例えばSchott社およびFerro社より市販されている。この組成においては、銀が殊に延性の材料として機能するので、熱膨張係数の異なる材料を相互に結合させることもできる。

さらには、はんだ付けの場合、冷却時に生じる熱応力を低減するために比較的低いはんだ温度を有するはんだが使用されることを考慮しなければならない。もちろん、はんだは作動時に生じる温度に耐えられるものでなければならない。

接合個所の熱応力を低減するために、有利には、ケーシングと燃焼室窓との間の接合個所が、燃焼室窓において内燃機関の燃焼室側とは反対側に配置されている。択一的に、燃焼室窓の両側にそれぞれ１つの接合個所を設けることもできる。これによってシーリングの冗長性、したがってシーリングの機能損失に対して高められた安全性が得られる。

燃焼室窓とケーシングが材料結合によらずに押圧によってシーリングされる場合、シール面の領域において延性の材料、有利には銅からなるコーティング部を設けることが有利であると分かった。このコーティング部が例えば銅からなる場合には、銅はシール面の領域における燃焼室窓とケーシングとの間の高い面加圧および使用温度に基づき延性であり、したがってこのシール面の領域における燃焼室窓とケーシングの粗さを埋める。これによって長寿命で信頼性の高いシーリングが保証される。

このコーティング部の厚さは５μｍ〜１００μｍであり、有利には電気メッキによって被着される。

必要とされる押圧力を加えるために、外部スリーブは燃焼室と対向している端部において、燃焼室窓を部分的に覆う段部を有している。外部スリーブと内部スリーブとの間のネジ結合によって、このネジ結合部を軸方向において相互に緊締させ、それによって必要なシール力を形成することができる。択一的に、外部スリーブおよび内部スリーブを緊締した状態において材料結合により相互に接続させることができる。

外部スリーブおよび内部スリーブを構造的に構成することによって、ネジ止め部の緊締力を広範に制御することができる。このために（伸張）ネジ計算を利用することができる。つまり、例えば外部スリーブは可制御の伸張が行われる領域を有し、これに対し内部スリーブはシール面と雄ネジとの間の領域において緊締力によって押圧される。これによって、「比較的軟らかい」ネジ結合部が生じ、このことは殊に温度が変化する場合にもシール力にプラスに作用する。

本発明のさらなる利点および有利な実施形態は添付の図面、図面の説明および特許請求の範囲の記載から得られる。図面、図面の説明および特許請求の範囲に記載されている全ての特徴は単独でも、また相互に任意に組み合わせても本発明の対象となりうる。

レーザを基礎とする点火装置を備えた内燃機関の概略図を示す。 図１ａによる点火装置の概略図を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。 本発明による点火レーザの実施例を示す。

図１ａにおいては内燃機関全体に参照番号１０が付されている。この内燃機関１０は、図示していない自動車を駆動するために使用される。内燃機関１０は通常の場合、複数のシリンダを有しており、これらシリンダのうちの１つだけを図１において参照番号１２で表している。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限される。燃料はインジェクタ１８を介して燃焼室１４内に直接的に達する。このインジェクタ１８はレールとも称される燃料圧力蓄積器２０に接続されている。択一的に、燃料空気混合気を燃焼室１４外において、例えば吸気管において形成することができる。

燃焼室１４内に存在する燃料空気混合気２２は、レーザパルス２４によって点火される。このレーザパルス２４は点火レーザ２６を有する点火装置２７によって燃焼室１４内に放射される。このためにレーザ装置２４には導光装置２８を介してポンプ光が供給される。このポンプ光はポンピング光源３０によって形成される。ポンピング光源３０は制御装置３２によって制御され、この制御装置３２はインジェクタ１８も駆動制御する。

図１ｂから分かるように、ポンピング光源３０は種々の点火レーザ２６に対する複数の導光装置２８を有している。それらの点火レーザ２６には内燃機関１０のシリンダ１２がそれぞれ１つずつ対応付けられている。このために、ポンピング光源３０は複数の個別のレーザ光源３４０を有し、これらの個別のレーザ光源３４０はパルス電流供給部３６と接続されている。複数の個別のレーザ光源３４０が設けられていることによって、ポンプ光の種々のレーザ装置２６へのいわば「静的な」分配が実現されており、ポンピング光源３０と点火レーザ２６との間に光学的な分配器などは必要とされない。

点火レーザ２６は例えば、受動的なＱスイッチレーザ４６を備えたレーザ活性固体４４を有する。Ｑスイッチレーザ４６は入力結合ミラー４２および出力結合ミラー４８との関係において光学的な共振器を形成する。ポンピング光源３０によって形成されるポンプ光が供給されると、点火レーザ２６はそれ自体公知のやり方でレーザパルス２４を形成し、このレーザパルス２４は集束光学系５２を介して燃焼室１４（図１ａ）内に存在する点火点ＺＰへと収束されている。点火レーザ２６のケーシング３８内に設けられている構成要素は燃焼室窓５８によって燃焼室１４と隔てられている。

図２には図１ｂの部分Ｘが拡大されて部分的な長手方向の断面図で示されている。この非常に大きく拡大された図からは、燃焼室窓５８がケーシング３８の端面（参照番号は付されていない）と材料結合により接続されていることが見て取れる。図２において接合個所には参照番号６０が付されている。燃焼室窓５８とケーシング３８との間の材料結合による接続ははんだ付け、殊に硬はんだ付け、軟はんだ付け、接着、グレイジングまたは溶接によって行うことができる。図２に示されている実施例においては、ケーシング３８が有利には、燃焼室窓５８の熱膨張係数に相当する熱膨張係数を有する。これによって熱応力が回避され、その結果、接合個所６０における負荷が低減される。しかしながら、それと同時にケーシング３８が耐熱性の材料から構成されていることを考慮しなければならない。その結果、燃焼室内に生じている動作温度において十分な耐久性も有する。この実施形態のヴァリエーションにおける特に有利な点は、構造空間に対する要求が少ないことである。

図３には、燃焼室窓５８とケーシング３８との間の本発明による接続部の別の実施例が同様に部分的な長手方向の断面図で示されている。

この実施例においては、ケーシング３８が２つの部品から構成されている。ケーシング３８は内部スリーブ６２および外部スリーブ６４を有する。外部スリーブ６４は燃焼室１４（図１ａを参照されたい）に対向する端部に段部６６を有する。この段部６６は実質的に２つの機能を有する。第１に、この段部６６は燃焼室窓５８の一部を燃焼室、また燃焼室内に生じている圧力および温度から遮蔽するので、燃焼室窓５８の熱的な負荷が低減される。

第２に、段部６６を用いることによって、燃焼室窓５８を内部スリーブ６２に押し付け、これによって接合個所６０の気密性を高めることができる。このために外部スリーブ６４には、内部スリーブ６２の相応の雄ネジと協働する雌ネジが設けられている。雌ネジおよび雄ネジから成るこのネジには全体で参照番号６８が付されている。さらにはネジの代わりに、内部スリーブを所定の押圧力でもって外部スリーブに押し付けて、溶接または他の材料結合法によって接続部を形成することもできる。

図２および図３に示されている実施形態では総圧力が燃焼室窓５８から接合個所６０を介してケーシング３８へと、もしくはケーシング３８の内部スリーブ６２へと伝達される。

ケーシング３８を内部スリーブ６２および外部スリーブ６４に分割することによって、これらの２つの構成部材および接合個所６０の機能的に最適化された構成について、より高い自由度が提供される。つまり、例えば、外部スリーブ６４の材料を耐熱性および耐久性に関して最適化することができ、他方では内部スリーブ６２の材料はその熱膨張係数が可能な限り燃焼室窓５８の熱膨張係数に相当するように選択される。その結果、熱応力は低減され、また接合個所６０の負荷は低減される。さらには、本発明により要求される燃焼室窓５８と内部スリーブ６２との間の材料結合による接続部を可能な限り信頼性が高く、また簡単で耐久力があるように構成できるように内部スリーブ６２の材料を選択することも勿論可能である。

外部スリーブ６４と内部スリーブ６２の緊締によって、段部６６と燃焼室窓５８との間にはシール面７０が生じ、このシール面７０はしたがって冗長的なシーリングを表す。この冗長的なシーリングは所期のように接合個所６０の手前に置かれており、これによって燃焼室１４と点火レーザ２６の内部空間とが既に完全に隔てられることになるか、少なくとも、接合個所６０の熱応力および圧縮応力が低減されるので、接合個所６０の負荷が低減される。

シール面７０をそのシール作用に関して最適化するために、有利には、段部６６または燃焼室窓５８にはシール面７０の領域において延性の材料、例えば銅から成るコーティング部が設けられている。これによって、燃焼室窓５８と外部スリーブ６４との間の接触面の非常に僅かな非平坦性が均等にされ、シール作用が改善される。このコーティング部の厚さは例えば５μｍ〜１００μｍでよい。

択一的に、接合個所６０とシール面７０の位置を入れ替えることも可能である。このことは、燃焼室窓５８が外部スリーブ６４の段部６６と材料結合により接続され、且つ、燃焼室窓５８が内部スリーブの端面に対して気密に押し付けられることを意味する。もっともこの場合には、段部６６と燃焼室窓５８との間の接触面の領域における熱的な負荷は燃焼室窓５８と内部スリーブ６２との間の接触面の領域における熱的な負荷よりも高いことを考慮しなければならない。

図４に示されている実施例においてはダイヤフラム７２が設けられており、このダイヤフラム７２の一方の端部は接合個所６０の領域において材料結合により燃焼室窓５８と接続されている。ダイヤフラム７２の他方の端部において、このダイヤフラム７２は材料結合により外部スリーブ６４と接続されている。後者の接合個所には図４において参照番号７４が付されている。ダイヤフラム７２の燃焼室窓５８とは対向していない面は内部スリーブ６２に載置されており、さらにダイヤフラム７２は、燃焼室１４内に生じている圧力ないし内部スリーブ６２の外部スリーブ６４との緊締によってこの内部スリーブ６２に押し付けられる。ダイヤフラム７２と内部スリーブ６２との間の気密な接続部は接合個所６０の領域には必要ない。何故ならば、ダイヤフラムは第２の接合個所７４における他方の端部によって外部スリーブ６４と気密に接続されているからである。

図５に示されている実施例においては、ダイヤフラム７２が第２の接合個所７４の領域において内部スリーブ６２と接続されている。これによっても、ダイヤフラム７２の使用により、燃焼室窓５８とケーシング３８との間の相対運動を比較的大きい機械的な応力を要せずに補償調整することができ、また材料に関しては、内部スリーブ６２、外部スリーブ６４およびダイヤフラム７２の材料の選択時に自由度が得られる。

同様の効果は、内部スリーブ６２と燃焼室窓５８との間に中間リング７６が挿入される場合にも達成される。このことは図６に示されている。この中間リング７６は内部スリーブ６２とは異なる材料から製造することができ、また第１の接合個所６０の領域において材料結合により燃焼室窓５８と接続されており、さらには第２の接合個所７４の領域において材料結合により内部スリーブ６２と接続されている。もちろん、第１の接合個所６０および第２の接合個所７４において同じ接合方式を適用することは必ずしも必要ではない。むしろ、接合個所６０および７４においてはそれぞれ最適な方式が使用されるべきである。中間リング７６を相互に堅く且つ密に接合されている複数の異なる材料から構成することができる。これによって、燃焼室窓５８と内部スリーブ６２の（材料）特性を段階的または連続的に適合させることができる。

図３から図７による実施例においては、それぞれ１つのシール面７０および第１の接合個所６０が燃焼室窓５８に設けられている。択一的に、シール面７０の代わりに、段部６６と燃焼室窓５８との間の材料結合による接続部を設けることも勿論可能である。この実施形態は図示していない。

図２から図６による全ての実施例においては、燃焼室窓５８からケーシング３８ないし内部スリーブ６２への力の伝播が接合個所を介して行われる点で共通している。図７においては、第１の接合個所６０が力の伝達には使用されない実施例が示されている。この実施例においては、図５に示されている実施例と同様に、ダイヤフラム７２が第１の接合個所６０の領域において燃焼室窓５８に気密に固定されており、他方では、第２の接合個所７２の領域において内部スリーブ６２に材料結合により接続されている。第１の接合個所６０の圧力負荷を低減できるようにするために、内部スリーブ６２の端面には切り欠き７８が設けられており、この切り欠き７８はダイヤフラム７２が第１の接合個所６０の領域において燃焼室窓５８と内部スリーブ６２との間での力の伝達に使用されないことを保証する。

図４および図５による実施例と同様に、ダイヤフラムを図７ｂに示されているように外部スリーブ６４と気密に接続することもできる。接合個所を燃焼室窓５８の外径部に配置することもできる（図７ｃを参照されたい）。

択一的に、図８に示されているように、燃焼室窓５８を段部６６と内部スリーブ６２との間においてネジ６８を用いて緊締させ、これによって２つのシール面、すなわち第１のシール面７０および第２のシール面８０を形成することも可能である。この実施例は図８に示されている。この実施例でもまた、シール面７０および８０に延性の材料、例えば銅から成る薄いコーティング部をもうけることができる。ネジを用いる緊締の代わりに、内部スリーブ６２、外部スリーブ６４および燃焼室窓５８を接合行程の前に相互に緊締させ、この緊締された状態において接続させることができる。これによって、分解不可能な緊締された接続部を形成することができる。

Claims (15)

1. レーザ活性固体（４４）、燃焼室窓（５８）およびケーシング（３８）を有する内燃機関（１０）用の点火レーザ装置において、
   前記ケーシング（３８）および前記燃焼室窓（５８）は少なくとも間接的に、相互に材料結合により接続されていることを特徴とする、点火レーザ装置。
2. レーザ活性固体（４４）、燃焼室窓（５８）およびケーシング（３８）を有する内燃機関（１０）用の点火レーザ装置において、
   前記ケーシング（３８）および前記燃焼室窓（５８）は相互に密に押し付けられることを特徴とする、点火レーザ装置。
3. 前記ケーシング（３８）および前記燃焼室窓（５８）はダイヤフラム（７２）または中間リング（７６）によって間接的に、相互に材料結合により接続されている、請求項１記載の点火レーザ装置。
4. 前記ケーシング（３８）は内部スリーブ（６２）および外部スリーブ（６４）を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
5. 前記ダイヤフラム（７２）は前記外部スリーブ（６４）および前記燃焼室窓（５８）と材料結合により接続されている、請求項３または４記載のレーザ点火装置。
6. 前記ダイヤフラム（７２）は前記内部スリーブ（６４）および前記燃焼室窓（５８）と材料結合により接続されている、請求項３または４記載のレーザ点火装置。
7. 前記内部スリーブ（６２）および／または前記ダイヤフラム（７２）および／または前記中間リング（７６）は、前記燃焼室窓（５８）の熱膨張係数［１／Ｋ］に実質的に相当する熱膨張係数［１／Ｋ］を有する材料、有利にはThyssen VDM社のPernifer 2198 MSから成る、請求項２から６までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
8. 前記内部スリーブ（６２）および／または前記ダイヤフラム（７２）および／または前記中間リング（７６）は延性の材料、有利にはニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）から成る、請求項２から７までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
9. 前記外部スリーブ（６４）は耐熱性の材料、有利には製造名１．４９１３の鋼から成る、請求項２から８までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
10. 前記ケーシング（３８）、前記ダイヤフラム（７２）、前記中間リング（７６）および前記燃焼室窓（５８）は硬はんだ付け、軟はんだ付け、溶接、接着またはグレイジングによって相互に接続されている、請求項１記載の点火レーザ装置。
11. 前記ケーシング（３８）と前記燃焼室窓（５８）との間の接合個所（６０）は、前記燃焼室窓（５８）において前記内燃機関（１０）の燃焼室（１４）とは対向していない側に設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
12. 前記ケーシング（３８）および／または前記燃焼室窓（５８）はシール面（７０）の領域において、シール材料、有利には延性で耐熱性のシール材料、殊に有利には銅（Ｃｕ）でもってコーティングされている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
13. シール材料を用いる前記コーティングの厚さは約５μｍ〜１００μｍである、請求項１２記載のレーザ点火装置。
14. 前記外部スリーブ（６４）は前記燃焼室（１４）と対向する端部において段部（６６）を有し、該段部（６６）は前記燃焼室窓（５８）を部分的に覆っている、請求項２から１３までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
15. 前記外部スリーブ（６４）は前記燃焼室（１４）とは対向していない端部において雌ネジを有し、前記内部スリーブは前記外部スリーブ（６４）の前記雌ネジと協働する雄ネジを有し、前記燃焼室窓（５８）は前記外部スリーブ（６４）の前記段部（６６）と前記内部スリーブ（６２）との間に緊締される、請求項３から１４までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。

Images