JP2010540822A - 内燃機関の点火装置のレーザ装置 - Google Patents

Abstract

いわゆるレーザ点火のレーザ装置が提案され、ここでは燃焼室窓（５８）とケーシング（３８）との間の熱排出が改善されており、さらには簡単な変更によって燃焼室窓の冷却性ないし温度を調節することができる。

Description

従来技術
いわゆるレーザ点火においては、レーザビームが内燃機関の燃焼室に集束され、このようにして燃焼室に存在する燃料空気混合気が点火される。このために、レーザビームを生成および集束するいわゆるレーザ装置が必要である。レーザ装置の内部を、当然ながら高圧および高温である燃焼室から分離するために、レーザ装置にはいわゆる燃焼室窓が設けられている。この燃焼室窓は、その名前からも示唆されるようにレーザビームに対して透過性であり、集束作用を及ぼすこともできる。レーザ点火が障害なく機能するように、燃焼室窓は内燃機関の寿命全体にわたってレーザビームに対して透明でなければならない。もっとも、燃焼室窓に排ガスが堆積することによって燃焼室窓の所要の光学的透過性が失われることも起こり得る。

この堆積を阻止するためにレーザ装置は、燃焼室に向いた燃焼室窓の表面における動作温度が、堆積をとりわけ有機的に燃焼ないし酸化させるために充分な高温となるように構成すべきである。

もっとも、燃焼室窓の表面温度は、燃焼室窓の表面で燃料空気混合気の自然着火が生じ得るほどに高温になってはいけない。

発明の概要
本発明の課題は、内燃機関の動作中に生じる燃焼室窓の表面温度を、簡単かつ再現可能な方法で充分精確に調整することができるレーザ装置を提供することである。

さらに本発明のレーザ装置においては、個々の寸法および構成部材特性をほんの僅かに変更するだけで燃焼室窓の表面温度を制御できるようにすべきである。

この課題は、本発明によれば、内燃機関のレーザ点火装置用のレーザ装置であって、該装置はレーザ活性固体、燃焼室窓、およびケーシングを備えている形式のレーザ装置において、前記ケーシング内に、該ケーシングの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からなる装入部分が設けられていることを特徴とするレーザ装置によって解決される。この装入部分は、とりわけ銅、黄銅、アルミニウム、または高い熱伝導性を有する鋼を含む。

装入部分に対する材料選択および装入部分の寸法設定によって、熱排出を簡単に制御することが可能となり、その結果、内燃機関の動作中に生じる燃焼室窓の表面温度も充分精確に調整することが可能となる。充分精確に、とは、本発明の関連においては、表面温度が、燃焼室に存在する燃料空気混合気が燃焼室窓の表面において制御不能に点火されてしまうほど高くはならないよう、不利な動作状況にある場合においても必ず保証されているという意味である。この上側の温度限界は負荷に依存しているので、固定的な上側温度限界を示すことはできない。

他方では本発明による装入部分によって、燃焼室窓の表面温度が、少なくとも所定の動作状態において、生じ得る堆積物が酸化されて分解されるほど高くなるようにも保証しなければならない。これによって、燃焼室窓の光学的透過性が内燃機関の寿命全体にわたって保証される。

本発明の装入部分は低コストに有利に製造することができるので、本発明のレーザ装置も比較的低コストに製造することが可能である。

装入部分の材料および／または寸法、および、ケーシングの主要寸法を変更することによって、種々の"熱価"を有するレーザ装置を製造することが可能である。種々の熱価を有するレーザ装置は、同一の外寸を有しているので、必要に応じて相互に交換することが可能である。

本発明の別の有利な実施形態においては、燃焼室窓はケーシングによって少なくとも部分的に包囲されている。これによって、燃焼室窓からケーシングへの良好な熱排出を保証することが可能である。この良好な熱排出は、本発明の装入部分の有効性に大きな影響を与える。

燃焼室窓へのガス放射による熱伝達を制御するために、別の有利な実施形態においては、保持器によって燃焼室窓を内燃機関の燃焼室から保護することができる。この際、保持器とケーシングとを一体的に構成することも、別々の構成部材として構成することも可能である。

本発明のケーシングの別の有利な実施形態においては、このケーシングが二重壁として構成されており、装入部分はこれらのケーシングの壁の間に配置されている。これによって、装入部分をケーシング内にある程度不可視に収容することができると同時に、ケーシング内に閉じ込めることができる。これによって、ケーシングと装入部分との間で材料が異なることに基づく望まない相互作用が阻止される。

製造技術的に特に簡単かつ有利な本発明の実施形態によれば、装入部分は、ケーシングのケーシング壁の内側に配置されている。この実施形態においては、装入部分が燃焼室窓との直接的なコンタクトを有することができるので、熱排出は一層改善される。ケーシングないし装入部分と燃焼室窓との間のコンタクトの長さによって、構成部材の寸法が同じ場合に、熱排出を簡単に調整および制御することができる。

本発明の別の有利な実施形態においては、燃焼室窓とケーシングとが軸方向および／または半径方向に互いに接続されている。これは、プレス嵌め、挟み込み、接着、ボンディング、または別の材料結合による接合技術によって実施することができる。

図１ａは、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１ｂは、図１による点火装置の概略図を示す。図１ｃは、集束性の燃焼室窓を備える点火装置を示す。 図２は、本発明のレーザ装置の実施例を示す。 図３は、本発明のレーザ装置の実施例を示す。 図４は、本発明のレーザ装置の実施例を示す。 図５は、本発明のレーザ装置の実施例を示す。 図６は、本発明のレーザ装置の実施例を示す。

発明の実施形態
内燃機関には図１において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ることができる。内燃機関１０は１つまたは複数のシリンダを有しており、図１にはこれらシリンダのうちの１つだけが参照番号１２により図示されている。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限される。燃料は直接的にインジェクタ１８を介して燃焼室１４内に達する。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。択一的に混合気形成を、内燃機関１４の外部、例えば吸気管において実施することも可能である。

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、レーザ装置２６を含む点火装置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２６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は種々のレーザ装置２６に対する複数の導光装置２８を有している。これらのレーザ装置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とレーザ装置２６との間に光学的な分配器などは必要とされない。

レーザ装置２６は例えば、受動的Ｑスイッチ４６を備えたレーザ活性固体４４を有する。受動的Ｑスイッチ４６は入力結合ミラー４２および出力結合ミラー４８とともに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、レーザ装置２６は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は集束レンズ５２と燃焼室窓５８を介して燃焼室１４内に存在する点火点ＺＰへと集束されている。レーザ装置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。燃焼室窓５８は、内燃機関の動作中に高圧および高温に耐えると同時にレーザ光に対して透明でなければならないので、例えば石英ガラスまたはサファイヤのように適当な原材料は僅かしかない。

図１ｂおよび１ｃの実施例において、燃焼室窓５８は複数の課題を担っている。第１の課題は、内燃機関１０の燃焼室１４を占める圧力、温度、排煙ガスからレーザ装置２６の内部を隔てることである。このために燃焼室窓５８は、圧力および温度に非常に耐性のある材料から製造しなければならない。

図１ｃの実施例においては、燃焼室窓５８は付加的に、レーザ活性固体４４から出力結合されたレーザパルス２４を点火点ＺＰに集束するように構成されている。これによって集束レンズ５２（図１ｂ参照）を省略することができる。

この目的のために、図１ｂに図示した本発明による集束性の燃焼室窓５８は、レーザ活性固体４４に向いた側においては平面として構成されている。もちろん燃焼室窓５８の曲げられた側を、レーザ活性固体４４に向いた側に配置することも可能である。

燃焼室窓５８のこの二重の機能によれば、コストを格段に節約できるだけでなく、構成部材の数が低減することによって所要構造スペースを節約することも可能である。

図２には、図１ｂの部分Ｘが非常に拡大されて示されている。図１ｂとは異なり、ここでは燃焼室（図示しない）は、燃焼室窓５８の右側に位置している。固体レーザ４４、受動的Ｑスイッチ４６、および集束レンズ５２（図１ｂ）は、図２〜６においては燃焼室窓５８の左側に位置しているが、これらは図２〜６には図示されていない。

図１から分かるようにレーザ装置２６のケーシング３８は、燃焼室窓５８を、コンタクト長さＬ_Kontaktにわたって包囲している。

図２の実施例においては、コンタクト長さＬ_Kontaktは、燃焼室窓５８の厚さＤよりも短い。ケーシング３８と燃焼室窓５８の間のコンタクト面の領域における焼き嵌め（Querpresssitz）によって、燃焼室窓５８をケーシング３８内にて半径方向に固定することができる。もちろん燃焼室窓５８を、相応の段部（図示しない）または別の手段によってケーシング３８内に固定することも可能である。燃焼室窓５８とケーシング３８を、ボンディング、はんだ付け、または接着することも可能である。

コンタクト長さＬ_Kontaktによって、またひいては燃焼室窓５８とケーシング３８の間のコンタクト面によって燃焼室窓５８からケーシング３８への熱排出を簡単かつ非常に良好に再現可能に調節できるということは明らかである。

内燃機関１０の燃焼室１４（図１ａ参照）に向いた燃焼室窓の表面６０が、点火されたガス空気混合気のガス放射に対して部分的に遮蔽ないし保護されるようにするために、ケーシング３８には保持器６２が構成されている。この保持器６２は燃焼室窓５８とは直接的なコンタクトを有さず、燃焼室窓を部分的に取り囲んでおり、これによって燃焼室窓５８を部分的にガス放射から遮蔽している。燃焼室窓５８の光学的活性領域において、すなわち燃焼室窓５８からレーザビーム（図１ｂ参照）が出射する領域において、燃焼室窓が遮蔽されてはならないことは明らかである。なぜなら、そうでないとレーザビームが燃焼室１４に到達しないからである。

最後にこの保持器は保護機能も有しており、この保護機能によって、燃焼室窓５８とケーシング３８の間の接続が損傷した場合に、燃焼室窓が燃焼室１４に落下して内燃機関の損傷を引き起こしてしまうことが阻止される。

図３には、本発明のレーザ装置の実施例の断面図が非常に概略的に図示されている。この実施例においては、ケーシング３８の内径に切欠６４が設けられており、この切欠に装入部分６６が圧入されている。この装入部分６６は、燃焼室窓５８からの熱の熱放出を改善およびコントロールするために使用される。したがってこの装入部分は、有利には、熱伝導率の良好な加工し易い材料から形成されている。

図３の実施例においては、装入部分６６は短い管部分とすることができ、この短い管部分はケーシング３８の切欠６４に圧入される。

図３に示した実施例においては、装入部分６６は、参照符号６８で示された長さにわたって、燃焼室窓５８との直接的なコンタクトを有している。ここでも熱排出は、装入部分６６と燃焼室窓５８の間の長さ６８、および／または、ケーシング３８と燃焼室窓５８の間のコンタクト長さＬ_Kontaktを選択および量定することによって、簡単かつ非常に効果的に制御することができる。

図４には、本発明のケーシングの別の実施例の縦方向断面図が概略的に図示されている。この実施例においては、ケーシング３８は二重壁になっており、外側壁７０と内側壁７２によって構成されている。これらの壁７０および７２の間に、熱伝導率の良好な材料からなる装入部分５６が挿入されている。

ケーシング３８の２つの壁７０および７２は、互いに同心に配置された２つの管部分から製造することができ、これらを燃焼室窓５８とケーシング３８の間のコンタクト面の領域で互いに溶接する（図示しない）ことができる。択一的に、溝削りによってケーシング３８に相応の溝を形成し、これにより生じた中空部に装入部分６６を圧入することも可能である。

大量生産のためには深絞り加工が特に有利であり、この深絞り加工においては、ケーシング材料（例えば鋼）からなる２つの薄板の間に、装入部分材料（例えば銅）からなる１つの薄板が配置されている。合計３つの薄板からなるこの組合体は、その後一緒に深絞り加工される。

最後に、ケーシング３８を金属粉から例えば焼結または金属粉末射出成形（Metal Injection Moulding）によって製造することも可能である。

これまで記載した本発明のケーシング３８の全ての実施例は、燃焼室窓がケーシング３８内にて半径方向に固定されている点で共通している。

図５の実施例においては、燃焼室窓５８は、スリーブ状のケーシング３８の端面７４に固定されている。この接続は、ボンディング、接着、または別の方法で実施することができる。しかしながら、この接続がケーシング内部を、燃焼室（図１ａ参照）に存在するガスおよびここを占める圧力および温度からガス密に隔離していることが重要である。

この実施例ではレーザ装置の直径が低減されることが利点である。さらにこの実施例は、製造において非常に材料節約的である。

図６には、本発明のレーザ装置の別の実施例が示されている。このレーザ装置においても図５の実施例と同じように、燃焼室窓５８はケーシング３８にて軸方向に固定されている。もっとも図６の実施例においては、燃焼室窓は保持部６２によって部分的に取り囲まれている。この保持器６２はケーシング３８も包囲している。ケーシング３８に対する燃焼室５８の所要の固定を達成するために、この保持器６２は緊締ナットとして構成されており、ケーシング３８とねじ結合することができる。これによって燃焼室窓５８を、保持器６２とケーシング３８の間で軸方向に緊締することができる。保持器６２とケーシング３８との間のねじ結合は、図６に様式化されて図示されており、参照符号７８で示されている。

択一的に、保持器６２とケーシング３８とを、溶接、接着、および／または、はんだ付けによって互いに接続することも可能である。

このために保持器６２には、周囲にわたって均等に分布された複数のウェブ７６が設けられており、このウェブにより、保持器６２と燃焼室窓５８の間における軸方向の所要の力伝達が可能となる。

隙間厚さＳは、図６に例示的に示されている。この隙間厚さは、保持器６２と燃焼室窓との間の直接的なコンタクトを阻止するために必要である。なぜなら、そうすることによってのみ保持器６２の所期の遮蔽効果が与えられるからである。

Claims (11)

1. 内燃機関のレーザ点火装置（２７）用のレーザ装置であって、
   該装置はレーザ活性固体（４４）、燃焼室窓（５８）、およびケーシング（３８）を備えている
   形式のレーザ装置において、
   前記ケーシング（３８）内に、該ケーシングの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からなる装入部分（６６）が設けられている、
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記燃焼室窓（５８）は、ケーシング（３８）によって少なくとも部分的に（Ｌ_Kontakt）包囲されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記燃焼室窓（５８）は、保持器（６２）によって内燃機関（１０）の燃焼室（１４）から部分的に遮蔽されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。
4. 前記保持器（６２）と前記ケーシング（３８）は一体的に構成されている、
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
5. 前記ケーシング（３８）は、部分的に二重壁に構成されており、前記装入部分（６６）は、これらのケーシング壁（７０，７２）の間に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ装置。
6. 前記装入部分（６６）は、ケーシング壁の内側に配置されている（図３）、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザ装置。
7. 前記装入部分（６６）は、前記燃焼室窓（５８）との直接的なコンタクトを有する（図３）、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のレーザ装置。
8. 前記装入部分（６６）は、前記ケーシング（３８）と形状結合および／または材料結合によって接続されている、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載のレーザ装置。
9. 前記燃焼室窓（５８）と前記ケーシング（３８）とは、軸方向および／または半径方向に互いに接続されている、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載のレーザ装置。
10. 前記レーザ活性固体（４４）は、受動的Ｑスイッチ（４６）、入力結合ミラー（４２）、および／または、出力結合ミラーを含む、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載のレーザ装置。
11. 前記装入部分（６６）は、銅、黄銅、貴金属、アルミニウム、および／または鋼を含む、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載のレーザ装置。

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