JP2011112049A - レーザースパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】確実な運転及びより長い耐用期間を保証するようなレーザースパークプラグを提供する。
【解決手段】特に自動車の内燃機関又は大型ガス機関のためのレーザースパークプラグ（１００）であって、点火可能な媒体を収容するための前室（１１０）と、前室の内室（１１１）と前室（１１０）を取り囲む外室（２００）との間の流体接続を可能にする少なくとも１つの溢流通路（１２０）とが設けられている形式のものにおいて、少なくとも１つの溢流通路（１２０）が、溢流通路を通って前室（１１０）の内室（１１１）に流体が流入する際に、レーザースパークプラグ（１００）の長手方向軸線（ＬＡ）に対して約４５°以上の角度を成して位置する渦流軸線（ＷＡ）を中心として回転する少なくとも１つの渦流を有する流体流（Ｆ）が生じるように配置及び構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に自動車の内燃機関又は大型ガス機関のためのレーザースパークプラグであって、点火可能な媒体を収容するための前室と、前室の内室と前室を取り囲む外室との間の流体接続を可能にする少なくとも１つの溢流通路とが設けられている形式のものに関する。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のレーザースパークプラグを改良して、確実な運転及びより長い耐用期間を保証するようなレーザースパークプラグを提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、少なくとも１つの溢流通路が、溢流通路を通って前室の内室に流体が流入する際に、レーザースパークプラグの長手方向軸線に対して約４５°以上の角度を成して位置する渦流軸線を中心として回転する少なくとも１つの渦流を有する流体流が生じるように配置及び構成されているようにした。

特に有利には、少なくとも１つの溢流通路が長手方向軸線の外側に配置されている。

本発明によれば、このような形式の流体流により有利には、レーザースパークプラグの燃焼室窓の表面の領域におけるよどみ点の流れが回避される。その結果、前室における燃焼の際に生じる灰化オイル又はその他の粒子は、燃焼室窓の表面にごく僅かな量しか生じず、これにより、前室を備えた従来のレーザー点火システムよりも確実なレーザー点火及び長い耐用期間が保証されている。

本発明のレーザースパークプラグの特に有利な構成では、渦流軸線と長手方向軸線との間の角度が、約８０°〜９０°であり、有利にはほぼ９０°である。レーザースパークプラグの長手方向軸線に関してこのような角度条件を満たす流体流は、いわゆるタンブル流とも言われる。

本発明により得られるタンブル流の構成により特に有利には、レーザースパークプラグの燃焼室窓の表面が、燃焼生成物の堆積から保護される。何故ならば、燃焼室窓に向けられる流体速度の垂直成分が著しく減じられる若しくはなくなるからである。

本発明のタンブル流の構成は、本発明の別の構成により、少なくとも１つの溢流通路が、溢流通路の長手方向軸線が半径方向で、レーザースパークプラグの長手方向軸線に対して、約２５°以下である、有利には約１０°以下である角度をなしていることにより得られる。

特に有利には別の構成により、複数の溢流通路が設けられており、互いに隣接する溢流通路の長手方向軸線が、最大２０°の角度、有利には最大１０°の角度をなしている。

有利にはこのような本発明による構成は、溢流通路の開口が、前室の、燃焼室に面した端部側の領域に配置されている溢流通路において採用される。

特に有利な本発明の流体流は、本発明の別の構成により、複数の溢流通路が設けられており、これらの溢流通路が、少なくとも３つの溢流通路の長手方向軸線が、前室の内室内に位置する１つの交点で交差するように配置及び構成されていることにより得られる。この場合に行われる、個々の溢流通路を流れる部分流の加算は、タンブル流のためには特に強力な流体流の構成のために有利である。

前記交点が前室の半径方向外側の領域に位置していて、この場合、この交点が、レーザースパークプラグ若しくは前室の長手方向軸線から、前室の半径の少なくとも５０％〜７０％離れていることにより、特に確実に前室内にタンブル流が得られる。

本発明の別の構成により、前室の内室内で、その長手方向軸線が互いに交差する溢流通路の、外室へと開口する開口が、互いにかつ／又はレーザースパークプラグの長手方向軸線からほぼ均一な間隔をおいて位置していて、特に、ｎ≧３である仮想ｎ角形の角隅の領域に位置しているならば、効果的な点火のために必要なできるだけ均一な、前室から出る点火火炎の分布が保証される。

本発明の別の有利な構成では、少なくとも１つの流れガイドエレメントが設けられており、このエレメントは、流体流を支援し、特に、燃焼室窓の、前室に面した表面に接線状に沿って通過させるように構成されている。このために少なくとも１つの流れガイドエレメントは、理想的であるタンブル流若しくはその渦流のほぼ外側輪郭にほぼ相応した形状を有する流れガイドする表面を有する。

このような形式のタンブル流の最適な構成は、本発明の別の有利な構成によれば、燃焼室窓が設けられていて、燃焼室窓の、前室に面した表面が少なくとも所定の領域で、前室の内壁と同一平面に位置するように配置されていることにより得られる。

前室にある点火可能な混合物の最適な燃焼は、本発明の別の有利な構成によれば、レーザースパークプラグが、レーザービームが前室内に位置する１つの点火点に向かって入射するように構成されていて、該点火点と燃焼室窓との間隔が、該点火点と前室の燃焼室に面した端部領域との間隔よりも小さい、特に、少なくともほぼ５０％小さいことにより得られる。これにより有利には、レーザー点火の際に、点火点で生じる火炎コアが、本発明により形成されるタンブル流によって連行され、前室の燃焼室側の端部領域へとガイドされる。この領域における火炎フロントをさらに改善することにより、前室から外室若しくは燃焼室へと流出する未燃焼混合物は少なくなり、これにより、前室におけるレーザー点火の効率が上昇するという利点が得られる。

本発明によるレーザースパークプラグの第１実施例を示した部分横断面図である。 燃焼室窓と前室の内壁との間の境界領域に、最適な流れガイドを備えた本発明によるレーザースパークプラグの別の構成を示した図である。 本発明によるレーザースパークプラグの別の構成を示した図である。 本発明によるレーザースパークプラグのさらに別の構成を示した図である。 別の構成の本発明によるレーザースパークプラグの、燃焼室に面した端部を示した正面図である。 別の構成の本発明によるレーザースパークプラグの、燃焼室に面した端部領域を示した斜視図である。 Ａ〜Ｄは、本発明によるレーザースパークプラグのそれぞれ異なる運転段階を示した図である。

図１には、本発明によるレーザースパークプラグ１００の第１の実施例の部分横断面図が示されている。レーザースパークプラグ１００は、組み込まれたレーザー装置１０５を有しており、このレーザー装置１０５は、レーザービーム２０を発生させ、レーザースパークプラグ１００の前室１１０に位置する点火点ＺＰに集束させることができる。

前室１１０の内室は、レーザースパークプラグ１００の、燃焼室とは反対側の部分１００ａから、燃焼室窓１４０によって分離されている。

さらに、レーザースパークプラグ１００もしくはその前室１１０は、溢流通路１２０を有しており、この溢流通路１２０により、前室１１０と、内燃機関へのレーザースパークプラグ１００の組み込み状態では、例えば内燃機関の燃焼室である外側領域２００との間の流体接続が可能である。

本発明によれば少なくとも１つの溢流通路１２０が、流体が溢流通路１２０を通って前室１１０の内室１１１に流入する際に流体流Ｆが生じるように配置及び形成されている。この流体流Ｆは、レーザースパークプラグ１００の長手方向軸線ＬＡに対して約４５°以上の角度を成す渦流軸線ＷＡを中心として回転する少なくとも１つの渦流を有している。

特に有利には、溢流通路１２０は長手方向軸線ＬＡの外側に配置されており、このことは、本発明による流体流Ｆの形成をさらに改善する。

本発明により形成された流体流Ｆは、ここでは矢印Ｆにより示されている。相応の渦流軸線は図１では図平面に対して垂直に立っている。この場合、従って、渦流軸線ＷＡは、レーザースパークプラグ１００の長手方向軸線ＬＡに対して直角を成している。この場合、本発明により設けられた流体流Ｆは、いわゆるタンブル流とも言われる。

タンブル流Ｆは、有利には、燃焼室窓１４０の表面１４０ａに関して接線状の流れ速度成分しか有していないので、表面１４０ａ上への燃焼生成物の付着は有利には回避される。

タンブル流Ｆをさらに助成するために、少なくとも１つの流れガイドエレメント１３０を前室１１０に設けることもできる。

本発明の特に有利な構成では、少なくとも１つの溢流通路１２０が、その長手方向軸線ＫＬＡが、レーザースパークプラグ１００の長手方向軸線ＬＡに関して半径方向で、レーザースパークプラグ１００の長手方向軸線ＬＡに対して所定の角度βを形成し、この角度βが約２５°、有利には約１０°以下であるように配置されている。

本発明の別の構成ではさらに、複数の溢流通路１２０が、互いに隣接して位置する溢流通路の長手方向軸線ＬＡが最大２０°の角度γを、有利には最大１０°の角度γを成すように、方向付けられている。このことは、長手方向軸線ＬＡに関して半径方向で見ても、軸方向で見てもあてはまる。

図２には、本発明によるレーザースパークプラグ１００の別の構成の部分横断面図が示されている。この構成では、前室１１０が、相応に丸くされた内壁区分１１０ａに基づき、最適にされた流れガイドを保証するように成形されている。この場合、図１に示したような別個の流れガイドエレメント１３０は必要ない。

図３Ａには、本発明による前室１１０のさらに別の構成が示されている。この構成では、ほぼＴ字型の横断面を有する燃焼室窓１４０′が設けられている。これにより、レーザースパークプラグ１００のここには詳しく示されていない相応の受容手段における燃焼室窓１４０′の改善されたはめ込みが可能である。さらに、燃焼室窓１４０′は前室１１０に関して、燃焼室窓１４０′の、前室１１０に面した表面１４０ａ′が、前室１１０の内壁区分１１０ａと同一平面を成すように配置されているとさらに有利である。

図３Ｂには、本発明によるレーザースパークプラグのための前室１１０の別の構成が示されている。この構成では、燃焼室窓１４０が前室１１０の内室１１１に関して、所定の間隔だけ後方へずらされている。このことによっても、燃焼室窓１４０における燃焼生成物の堆積を減じることができる。

図４には、本発明によるレーザースパークプラグの別の構成の正面図が示されている。この構成では、前室１１０は全部で５つの溢流通路を有しており、これらの通路のうちそれぞれ、前室１１０を取り囲む外室２００に開口している開口１２０ａ′，１２０ｂ′，１２０ｃ′，１２０ｄ′，１２０ｅ′だけが図示されている。

図４により、外室２００への溢流通路若しくはその上記開口１２０ａ′，１２０ｂ′，１２０ｃ′，１２０ｄ′，１２０ｅ′の長手方向軸線ＬＡ（図１参照）に関してほぼ非対称的な配置も、本発明によるタンブル流を形成するために適していることが示されている。

図５には、本発明によるレーザースパークプラグの斜視図が示されている。この場合さらに、５つの溢流通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅも示されている。

溢流通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅは本発明では、長手方向軸線が少なくとも３つの溢流通路１２０ａ，１２０ｃ，１２０ｅと、前室１１０の内室１１１（図１参照）において交差し、即ち、交点ＳＰで交差し、これにより個々の部分流は有利には、タンブル流Ｆ（図１参照）に加わるように配置及び構成されている。

交点ＳＰが前室１１０の半径方向外側の領域に位置していて、交点ＳＰが特に、レーザースパークプラグ１００の長手方向軸線ＬＡに対して、前室１１０の半径の約５０％〜７０％の間隔を有しているならば、前室１１０の内室における本発明による流体流Ｆの特に有利な構成が保証されている。

本発明の有利な構成によれば、前室１１０の内室１１１において、その長手方向軸線が互いに交差する溢流通路１２０ａ，１２０ｃ，１２０ｅの、外室２００内に開口する開口１２０ａ′，１２０ｃ′，１２０ｅ′（図５）が、互いに及び／又はレーザースパークプラグ１００の長手方向軸線ＬＡからほぼ均一に間隔をおいて、特に仮想のｎ角形（ｎ≧３）の角隅の領域に位置しているならば、前室１１０から流出する点火火炎によって外室若しくは燃焼室２００がほぼ均一に負荷されることが保証される。

このような構成により有利には、前室１１０の内室１１１に外室２００からの流体が流入する際に同時に、互いに交差する３つの溢流通路の部分流の有利な付加が行われ、これにより溢流通路の交点の領域における流出端部で、本発明による増強された流体流Ｆが得られる。

図６Ａ〜図６Ｄには、本発明によるレーザースパークプラグ１００の種々異なる運転段階が示されている。

前室１１０に位置する１つの点火点ＺＰと燃焼室窓１４０との間隔ｄ１が、点火点ＺＰと前室１１０の燃焼室に面した端部領域１１０ａとの間隔ｄ２よりも僅かであるような点火点ＺＰにレーザービーム２０を入射させる、本発明によるレーザースパークプラグ１００の構成により有利には、点火点ＺＰに形成される火炎コアが、本発明による流体流Ｆにより連行されて、この結果、前室１１０の内室１１１を通る、時計回りで続く火炎コアの運動が生じる（図６Ｂ〜図６Ｄ参照）。

レーザー点火後、本発明による流体流Ｆは、前室１１０の、燃焼室に面した側の端部領域１１０ａ（図６Ａ）の方向で時計回りで、火炎コアを連行し、次いで火炎はここから、前室容積の残留部分に点火する。従って、炎先端が、燃焼室窓から、燃焼室に面した側の端部領域１１０ａの方向で燃焼する、タンブル流のない従来の前室と比べて、前室１１０内の圧力が燃焼により上昇した場合に、前室１１０から主燃焼室２００への未燃焼混合物の流出は少なくなる。前室容積は、本発明の原理を使用すると、従来のレーザースパークプラグよりも効果的に使用される。

これにより有利には、点火効率を損なうことなく、該当する構成部分、特に前室１１０を、従来のシステムよりも小さく設計することができる。

本発明によるレーザースパークプラグのいくつかの構成では、溢流通路１２０が非対称的に配置されていることにより、目的のシステムのシリンダヘッドに関して本発明によるレーザースパークプラグ１００を方向付けて組み付ける必要がある場合もある。

湾曲された溢流通路を設けることにより、有利には、前室１１０から燃焼室２００へと流出する点火火炎を所望の方向に変向させ、燃焼室２００内で特に均一に分配することができる。

２０ レーザービーム、 １００ レーザースパークプラグ、 １００ａ 燃焼室とは反対側の部分、 １０５ レーザー装置、 １１０ 前室、 １１０ａ 内壁区分、 １１１ 内室、 １２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ 溢流通路、 １２０ａ′，１２０ｂ′，１２０ｃ′，１２０ｄ′，１２０ｅ′ 開口、 １３０ 流れガイドエレメント、 １４０，１４０′ 燃焼室窓、 １４０ａ，１４０ａ′ 表面、 ２００ 外側領域、主燃焼室、 ＺＰ 点火点、 Ｆ 流体流、 ＬＡ レーザースパークプラグの長手方向軸線、 ＷＡ 渦流軸線、 ＫＬＡ 溢流通路の長手方向軸線、 ＳＰ 交点、 ｄ１，ｄ２ 間隔

Claims (10)

1. 特に自動車の内燃機関又は大型ガス機関のためのレーザースパークプラグ（１００）であって、点火可能な媒体を収容するための前室（１１０）と、前室（１１０）の内室（１１１）と前室（１１０）を取り囲む外室（２００）との間の流体接続を可能にする少なくとも１つの溢流通路（１２０）とが設けられている形式のものにおいて、
   少なくとも１つの溢流通路（１２０）が、溢流通路（１２０）を通って前室（１１０）の内室（１１１）に流体が流入する際に、レーザースパークプラグ（１００）の長手方向軸線（ＬＡ）に対して約４５°以上の角度を成して位置する渦流軸線（ＷＡ）を中心として回転する少なくとも１つの渦流を有する流体流（Ｆ）が生じるように配置及び構成されていることを特徴とする、レーザースパークプラグ。
2. 渦流軸線（ＷＡ）と長手方向軸線（ＬＡ）との間の角度が、約８０°〜９０°であり、有利にはほぼ９０°である、請求項１記載のレーザースパークプラグ。
3. 少なくとも１つの溢流通路（１２０）が、溢流通路の長手方向軸線（ＫＬＡ）が半径方向で、レーザースパークプラグ（１００）の長手方向軸線（ＬＡ）に対して、約２５°以下である、有利には約１０°以下である角度（β）をなしている、請求項１又は２記載のレーザースパークプラグ。
4. 複数の溢流通路（１２０）が設けられており、互いに隣接する溢流通路（１２０）の長手方向軸線が、最大２０°の角度（γ）、有利には最大１０°の角度（γ）をなしている、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザースパークプラグ。
5. 複数の溢流通路（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ）が設けられており、これらの溢流通路（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ）が、少なくとも３つの溢流通路（１２０ａ，１２０ｃ，１２０ｅ）の長手方向軸線が、前室（１１０）の内室（１１１）内に位置する１つの交点（ＳＰ）で交差するように配置及び構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザースパークプラグ。
6. 交点（ＳＰ）が前室（１１０）の半径方向外側の領域に位置している、請求項５記載のレーザースパークプラグ。
7. 前室（１１０）の内室（１１１）内で、その長手方向軸線が互いに交差する溢流通路（１２０ａ，１２０ｃ，１２０ｅ）の、外室（２００）へと開口する開口（１２０ａ′，１２０ｃ′，１２０ｅ′）が、互いにかつ／又はレーザースパークプラグ（１００）の長手方向軸線（ＬＡ）からほぼ均一な間隔をおいて位置していて、特に、ｎ≧３である仮想ｎ角形の角隅の領域に位置している、請求項５又は６記載のレーザースパークプラグ。
8. 少なくとも１つの流れガイドエレメント（１３０）が設けられており、このエレメント（１３０）は、流体流（Ｆ）を支援し、特に、燃焼室窓（１４０）の、前室（１１０）に面した表面（１４０ａ）に接線状に沿って通過させるように構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のレーザースパークプラグ。
9. 燃焼室窓（１４０）が設けられていて、燃焼室窓の、前室（１１０）に面した表面（１４０ａ）が少なくとも所定の領域で、前室（１１０）の内壁（１１０ａ）と同一平面に位置するように配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザースパークプラグ。
10. レーザースパークプラグ（１００）が、レーザービーム（２０）が前室（１１０）内に位置する１つの点火点（ＺＰ）に向かって入射するように構成されていて、該点火点（ＺＰ）と燃焼室窓（１４０）との間隔（ｄ１）が、該点火点（ＺＰ）と前室（１１０）の燃焼室に面した端部領域（１１０ａ）との間隔（ｄ２）よりも小さい、特に、少なくともほぼ５０％小さい、請求項１から９までのいずれか１項記載のレーザースパークプラグ。

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