JP2011530665A

JP2011530665A - 内燃機関のレーザ点火のための点火装置

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Publication number: JP2011530665A
Application number: JP2011521508A
Authority: JP
Inventors: ヴァインロッターマーティン; ヴェアナーパスカル; ライマンユルゲン; ヴォルツディーター
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: US8607755B2; EP2324234A1; DE102008041130A1; US20110203542A1; JP5216143B2; WO2010015500A1

Abstract

本発明は、燃焼室窓（５８）が耐ガス性、耐圧性及び耐熱性に点火レーザのハウジング（３８）に結合されている、内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置を提案する。さらに本発明は、点火レーザのハウジング（３８）内の圧力上昇を効果的に防止する放圧孔（６７）を備える。

Description

従来技術
WO２００５／０６６４８８号において、いわゆるレーザ点火装置が公知である。この公知のレーザ点火装置は、内燃機関の燃焼室に突入する点火レーザを備える。点火レーザは、ライトガイド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。

点火レーザの、燃焼室側の端部には「燃焼室窓」が存在する。燃焼室窓は、点火レーザにおいて発生されたレーザビームに関して透過性である。この燃焼室窓は、点火レーザのハウジング内に密に収容されなければならない。その際、燃焼室窓とハウジングとの間のシールには、高い要求が課される。これは、内燃機関の運転中、６００℃を超える表面温度が燃焼室窓に生じる場合があるからである。付加的に、約２５０バールまでの間欠的な圧力負荷が加わる。点火レーザがガスタービンの点火のために使用される場合、ガスタービンの燃焼室内は、確かに、比較的低い圧力が支配するものの、燃焼室窓の表面は、１０００℃までの温度に達する場合があり、いかなる場合においても、管理下にない着火が防止されなければならない。

点火レーザの内部を極端に高い温度及び圧力に対して確実にシールする必要があることは明らかである。排ガスが点火レーザの内部に達するようなことになれば、点火レーザは故障する。

出願時未公開のＤＥ１０２００７０４１５２８．３号において公知の点火レーザにおいて、燃焼室窓及びハウジングは、内燃機関の全寿命にわたって、かつ内燃機関の燃焼室内を支配する圧力及び温度において、燃焼室窓及びハウジングの、確実で信頼性の高いシールが保証されているようにシールされている。

発明の開示
本発明の課題は、さらに改善された寿命及び信頼性を有する点火レーザを提供することである。

この課題は、本発明により、内燃機関のためのレーザ点火装置であって、レーザ活性の固体と、燃焼室窓と、インナースリーブ及びアウタースリーブを備えるハウジングとを備え、前記インナースリーブ及び前記アウタースリーブが中間室を画成する形式のものにおいて、前記ハウジングが圧力補償装置を備え、該圧力補償装置が前記中間室及び周囲を互いに接続することを特徴とする、内燃機関のためのレーザ点火装置により解決される。好ましくは、前記アウタースリーブ内に圧力補償孔が設けられており、該圧力補償孔が前記燃焼室窓に対して間隔を置いて前記ハウジングから開口する。好ましくは、前記圧力補償孔が、前記ハウジングからの開口部に最小の直径を有し、かつ該直径が、前記中間室に向かって増大する。好ましくは、前記圧力補償孔内にフィルタエレメントが設けられている。好ましくは、前記圧力補償孔が栓体、特にポリイミド又はシリコーンからなる栓体により閉鎖されている。好ましくは、前記アウタースリーブが、燃焼室側の端部に段部を有しており、該段部が、前記燃焼室窓に部分的にオーバラップする。好ましくは、前記アウタースリーブが、燃焼室とは反対側の端部にナット状ねじ山を備え、前記インナースリーブが、前記アウタースリーブのナット状ねじ山と協働するボルト状ねじ山を備え、前記ナット状ねじ山及び／又は前記ボルト状ねじ山に放圧溝が形成されている。

本発明における圧力補償装置は、言わば、レーザ点火装置のシールコンセプトのためのバックアップシステムとして想定されている。すなわち、レーザ点火装置の運転中、最小の不密性が生じるだけで、このことは、中間室内の圧力が大きく周囲圧を超えて上昇し、燃焼室窓とハウジングのインナースリーブとの間のシール面を強く負荷するに至る場合がある。本発明における圧力補償装置により、アウターハウジングと燃焼室窓との間の漏れ流が最小のときも、燃焼室窓とインナースリーブとの間のシール面が、許容できないほど負荷されることはなく、その結果、ハウジングの内部が確実に排煙ガス、及び排煙ガス中に含まれる異物から保護されていることが保証されている。

本発明における圧力補償装置により、ハウジング内部のシールは、当然により高い熱負荷及び化学負荷に曝されている前述のシール面が、内燃機関あるいはレーザ点火装置の運転時間の経過中不密となっても、なおも維持される。本発明における圧力補償装置により、アウタースリーブと燃焼室窓との間の不密性に基づいて中間室に流入する排ガス量は、導出可能である。その結果、中間室内の圧力は、上昇せず、燃焼室窓とインナースリーブとの間の第２のシールの運転条件は、変化しない。中間室の許容できない圧力負荷も回避される。

本発明における圧力装置の、製造技術的に極めて簡単なバリエーションは、アウタースリーブ内に設けられる圧力補償孔として形成されている。その際、圧力補償孔は、レーザ点火装置が組み付けられた状態において、内燃機関のシリンダヘッドの、レーザ点火装置は取り付けられている穴内に開口するようにアウタースリーブに配置される。この穴は、点火が点火プラグによりトリガされる従来慣用の内燃機関のシリンダヘッド内に設けられる「プラグ穴（Ｋｅｒｚｅｎｓｃｈａｃｈｔ）」に相当する。

さらに、異物が圧力補償孔を通して上述の穴からアウタースリーブとインナースリーブとの間の中間室内に到達することを防止するために、圧力補償孔が、ハウジングにおける出口に最小の直径を有し、かつこの直径が、中間室に向かって増径するようになっていてよい。例えば、圧力補償孔を段付き孔として構成するか、又は柱状の孔として構成し、次に、外面の外径部において、変形加工工程により圧力補償孔の直径を一部減径することが可能である。

さらに、圧力補償孔内にフィルタエレメントを収容することも可能である。このフィルタエレメントは、粒子その他異物の侵入を防止する役割を有しており、例えば耐熱性のフォーム、例えばプラスチック、金属又は焼結材料から製造可能である。さらに、フィルタエレメントをワイヤグリッドその他ニット（編み物）として形成することも可能である。

本発明の別の有利な態様では、圧力補償孔が例えば、シール機能を果たす硬化可能なプラスチックからなる栓体により閉鎖される。特に適した材料は、その高い耐熱性に基づいて、ポリイミドである。別の適した材料は、高いガス透過性にもかかわらず粒子及び液体に対して密であることに基づいて、シリコーンである。

栓体による圧力補償孔の閉鎖により、第１に、通常運転中、すなわち、アウタースリーブと燃焼室窓との間のシールが完全に密であるとき、圧力補償孔が閉鎖されており、これにより汚染物質が中間室内に進入しないことが保証されている。しかし、中間室内の圧力が周囲圧を超えて例えば４バールに上昇すると、栓体は、この圧力により圧力補償孔から押し出され、圧力補償孔は、中間室と周囲との間の圧力補償を可能にする。これにより、許容できないほど高い圧力が中間室内に発生しないことが保証される。

本発明の別の有利な態様では、圧力補償装置が放圧溝として形成されており、放圧溝が、有利にはレーザ点火装置のハウジングのボルト状ねじ山及び／又はナット状ねじ山に設けられている。この放圧溝は、好ましくは軸方向で設けられており、レーザ点火装置の、燃焼室窓から離間した端部において終端している。

インナースリーブ及びアウタースリーブにハウジングを分割することにより、やはり、アウタースリーブ及びインナースリーブの、それぞれの役割にそれぞれ最適に適合された構造的な形態が達成可能である。また、アウタースリーブ及びインナースリーブの種々異なる材料の選択により、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。択一的には、ダイヤフラムをアウタースリーブ及び燃焼室窓にあるいはインナースリーブ及び燃焼室窓に素材結合式に結合することも可能である。

本発明の別の利点及び有利な態様は、以下の図面、図面の説明及び特許請求の範囲から看取可能である。図面、図面の説明及び特許請求の範囲に開示されるすべての特徴は、単独でも、任意の組み合わせでも、本発明にとって本質的な特徴であり得る。

図１ａは、レーザを基礎とする点火装置を備える内燃機関の概略図、図１ｂは、図１に係る点火装置の概略図である。本発明に係る点火レーザの一実施の形態を示す図である。本発明に係る点火レーザの一実施の形態を示す図である。本発明に係る点火レーザの一実施の形態を示す図である。本発明に係る点火レーザの一実施の形態を示す図である。本発明に係る点火レーザの一実施の形態を示す図である。本発明に係る点火レーザの一実施の形態を示す図である。

図１ａにおいて、符号１０は内燃機関全体を示す。内燃機関は、図示しない自動車を駆動するために利用可能である。内燃機関１０は、一般に、複数のシリンダを備え、複数のシリンダのうち、図１には、符号１２を付した１つのシリンダだけが示されている。シリンダ１２の燃焼室１４は、ピストン１６により画成される。燃料は、レールとも呼ばれる燃料蓄圧器２０に接続されたインジェクタ１８によって、直接、燃焼室１４内に達する。択一的には、燃料空気混合物は、燃焼室１４の外、例えば吸気管内で形成されてもよい。

燃焼室１４内に存在する燃料空気混合物２２は、レーザパルス２４により点火される。レーザパルス２４は、点火レーザ２６を含む点火装置２７により燃焼室１４内に放射される。このために、レーザ装置２４には、ライトガイド装置２８を介して、ポンピング光源３０により提供されるポンピング光が供給される。ポンピング光源３０は制御装置３２により制御される。制御装置３２はインジェクタ１８も制御可能である。

図１ｂに示すように、ポンピング光源３０は、それぞれ異なる点火レーザ２６のための複数のライトガイド装置２８に供給を行う。点火レーザ２６は、内燃機関１０のそれぞれ１つのシリンダ１２に配設されている。このために、ポンピング光源３０は、複数の個々のレーザ光源３４０を備える。レーザ光源３４０は、パルス電流供給部３６に接続されている。複数の個々のレーザ光源３４０が存在することで、ポンピング光は、いわば「固定的（ｒｕｈｅｎｄ）」に、それぞれ異なるレーザ装置２６に分配される。その結果、ポンピング光源３０と点火レーザ２６との間の光学式の分配器又はこれに類するものは不要である。

点火レーザ２６は、例えば、受動的なＱスイッチ４６を備えるレーザ活性の固体４４を有する。Ｑスイッチ４６は、入力結合ミラー４２及び出力結合ミラー４８と相俟って、光学式の共振器を形成する。ポンピング光源３０によって発生されたポンピング光の供給下で、点火レーザ２６は、自体公知の形式でレーザパルス２４を発生する。レーザパルス２４は、フォーカシング光学系５２により、燃焼室１４（図１ａ）内にある点火点ＺＰにフォーカシングされている。点火レーザ２６のハウジング３８内に存在するコンポーネントは、燃焼室窓５８により燃焼室１４から隔離されている。

図２には、図１ｂの要部Ｘが著しく拡大された部分縦断面図で示されている。本実施の形態では、ハウジング３８が２つの部材から形成されている。ハウジング３８は、インナースリーブ６２及びアウタースリーブ６４を備える。アウタースリーブ６４は、燃焼室１４（図１ａ参照）側の端部に段部６６を備える。段部６６は、実質的に２つの機能を有する。第１に、段部６６は、燃焼室窓５８の一部を燃焼室に対して、並びに燃焼室を支配する圧力及び温度に対して遮蔽するので、燃焼室窓５８の熱負荷を軽減する。

さらに、段部６６により、燃焼室窓５８をインナースリーブ６２に押し付けて、接合箇所６０，７０におけるシール性を高めることが可能である。この目的で、アウタースリーブ６４にナット状ねじ山あるいは雌ねじ山が設けられている。ナット状ねじ山は、インナースリーブ６２の対応するボルト状ねじ山あるいは雄ねじ山と協働する。ナット状ねじ山及びボルト状ねじ山からなるねじ山全体に符号６８を付した。さらに、ねじ山の代わりに、インナースリーブ６２を所定の押し付け圧でアウタースリーブ６４に押し付けて、結合を溶接その他の素材結合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）式の方法によるか、又は摩擦力結合（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：摩擦力による束縛）式若しくは形状結合（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：形状による束縛）式の方法（縁曲げ）にしたがって形成してもよい。

窓及びスリーブの素材結合式の結合の上述の実施の形態に対して択一的に、シール作用がクランプにより形成されてもよい。この場合、符号６０，７０を付した面がシール面である。

燃焼室窓５８は、ハウジング３８のインナースリーブ６２の端面（符号なし）に素材結合式に結合されている。図２においてこの接合箇所に符号６０を付した。燃焼室窓５８とハウジング３８との間の素材結合式の結合は、ろう接、特に硬ろう付け、軟ろう付け、接着、融着又は溶接により実施可能である。図２に示した実施の形態では、ハウジング３８は、有利には、燃焼室窓５８の熱膨張係数に近似の熱膨張係数を有する。これにより、熱応力は回避され、その結果、接合箇所６０の負荷は緩和される。しかし、同時に、ハウジング３８が、耐熱性の材料からなり、その結果、燃焼室内を支配する動作温度において十分な疲れ強さも有することに留意すべきである。この実施の形態の特に有利な点は、小さな所要構成スペースである。

図２に示した実施の形態では、すべての押圧力が接合箇所６０を介して燃焼室窓５８からハウジング３８あるいはハウジング３８のインナースリーブ６２に伝達される。

ハウジング３８をインナースリーブ６２及びアウタースリーブ６４に分割することにより、設計者には、上述の両構成部材及び接合箇所６０の、機能的に最適化された形態について、より高い自由度が提供される。例えば、アウタースリーブ６４の材料は、耐熱性及び疲れ強さに関して最適化可能な一方、インナースリーブ６２の材料は、素材結合が有利であれば、インナースリーブ６２の熱膨張係数ができる限り燃焼室窓５８の熱膨張係数に相当するように選択される。摩擦力結合が選択される場合、それぞれ異なる熱膨張係数は、少なくとも部分的に補償可能である。その結果、熱応力は減じられ、接合箇所６０の負荷は緩和される。さらに、もちろん、インナースリーブ６２の材料を、本発明における燃焼室窓５８とインナースリーブ６２との間の素材結合が、可及的確実、簡単かつ耐久性に形成可能であるように選択することもできる。

アウタースリーブ６４及びインナースリーブ６２の締め付けにより、段部６６と燃焼室窓との間には、シール面７０が生じる。シール面７０は、これにより、冗長なシールをなす。このシールは、いわば接合箇所６０の上流に位置し、これにより、既に、燃焼室１４と点火レーザ２６の内部との完全な隔離を生じるか、又は少なくとも接合箇所６０の温度負荷及び圧力負荷を軽減して、接合箇所６０の負荷を緩和する。

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、例えば段部６６又は燃焼室窓５にシール面７０の領域において、延性の材料、例えば銅からなるコーティングを施しても有利である。これにより、燃焼室窓５８とアウタースリーブ６４との間の接触面の極小の凹凸は均され、シール作用は改善される。このコーティングの厚さは、例えば５μｍ〜１００μｍであってよい。

択一的には、接合箇所６０とシール面７０の位置を配置転換してもよい。このことは、燃焼室窓５８がアウタースリーブ６４の段部６６に素材結合式に結合されるとともに、燃焼室窓５８がインナースリーブの端面に密に圧着されることを意味する。しかし、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負荷が、燃焼室窓５８とインナースリーブ６２との間より高いことを考慮すべきである。

インナースリーブ６２、アウタースリーブ６４及び燃焼室窓５８は、中間室６５を画成する。段部６６と燃焼室窓５８との間のシール面７０が完全に密であるとき、中間室６５内の圧力は、周囲圧とほぼ同じである。

図２には、本発明における放圧孔６７の形態の放圧装置の第１の実施の形態が示されている。この放圧孔６７は、アウタースリーブ６４の外部を、アウタースリーブ６４及びインナースリーブ６２により実質的に画成される中間室６５に接続する。放圧孔６７は、軸方向で燃焼室窓５８から間隔を置いているので、レーザ点火装置において、放圧孔６７は、燃焼室内ではなく、内燃機関のシリンダヘッドの、レーザ点火装置が挿入されている穴（図示せず）内に開口する。この穴は、従来慣用の内燃機関において公知の、点火プラグが挿入され、プラグねじ山を介してシリンダヘッド内に固定されるプラグ穴に相当する。

図３に示した実施の形態では、ダイヤフラム７２が設けられている。ダイヤフラム７２は、一端で、接合箇所６０の領域において燃焼室窓５８に素材結合式に結合されている。ダイヤフラム７２は、他端で、アウタースリーブ６４に素材結合式に結合されている。この第２の接合箇所には図３において符号７４を付した。ダイヤフラム７２は、燃焼室窓とは反対側の面でインナースリーブ６２上に載置され、付加的に、燃焼室１４内を支配する圧力により、あるいはアウタースリーブ６４とインナースリーブ６２の締め付けによりインナースリーブ６２に圧着される。ダイヤフラム７２とインナースリーブ６２との間のガス密な結合は、ダイヤフラムが他端で第２の接合箇所６４においてガス密にアウタースリーブ６４に結合されているので、接合箇所６０の領域では不要である。

図３では、放圧孔が円錐台状の孔として形成されている。円錐台状の孔の最小の直径は、アウタースリーブ６４の外径部に存在する。これにより、外部から中間室６４への汚染粒子の侵入を防止する。同時に、製造手間及び流動抵抗も減じられる。放圧孔６７を段付き孔（図示せず）として形成するか、又は放圧孔をアウタースリーブ６４の外径部において、製作後に、変形加工工程又は圧縮加工工程により局所的に狭窄することも可能である。このようにしても、中間室内への汚染物質その他粒子の侵入は、効果的に抑制される。

放圧装置の横断面が約０．１〜０．３ｍｍの直径を有していれば、段部６６と燃焼室窓５８との間のシール面７０で生じる漏れ量は、導出可能である。しかし、このシールが完全に失陥して、大きな圧力衝撃が中間室６５内に達する場合、貫通孔の開口は、数平方ｍｍの大きさの開口横断面を有していなければならない。

図４に示した実施の形態では、ダイヤフラム７２が、第２の接合箇所７４の領域でインナースリーブ６２に結合されている。このようにしても、ダイヤフラム７２の使用は、燃焼室窓５８とハウジング３８との間の相対運動を、より大きな機械応力なしに補償可能とし、かつ材料に関して、インナースリーブ６２、アウタースリーブ６４及びダイヤフラム７２の材料の選択時の自由度を生じる。図４には、本発明における放圧孔６７の一実施の形態が示されている。本実施の形態では、フィルタインサート７１が放圧孔６７内に挿入されている。フィルタインサートは、セラミックス、プラスチックからなる多孔質のフォーム、又は金属ワイヤ若しくは金属クロスからなることができる。フィルタエレメント７１の主な役割は、中間室内への異物の侵入を防止することである。

図５では、放圧孔６７が栓体６９により閉鎖されている。この栓体６９は、ホットメルト接着剤（Ｈｅｉｓｓｋｌｅｂｅｒ）その他の接着剤により形成可能である。栓体６９によって、通常運転中、中間室６５と周囲との間に交換が生じないことが保証されている。中間室６５内の許容最大圧を超過して初めて、放圧孔を通して栓体６９に作用するガス力は、栓体６９を孔６７から押し出し、放圧孔を開放する。図６ａ〜図６ｃに係る実施の形態では、インナースリーブ６２、アウタースリーブ６４及び放圧孔６７の異なる態様が示されている。

図７は、本発明における放圧装置の別の実施の形態を示す。本実施の形態では、インナースリーブ６２のボルト状ねじ山内に、長手方向溝７３がフライス加工されており、長手方向溝７３は、中間室６５と周囲との間の管理された圧力補償を可能にする。もちろん、アウタースリーブ６４のナット状ねじ山に長手方向溝（図示せず）を設けることも可能である。

Claims

内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置であって、レーザ活性の固体（４４）と、燃焼室窓（５８）と、インナースリーブ（６２）及びアウタースリーブ（６４）を備えるハウジング（３８）とを備え、前記インナースリーブ（６２）及び前記アウタースリーブ（６４）が中間室（６５）を画成する形式のものにおいて、前記ハウジング（３８）が圧力補償装置（６７）を備え、該圧力補償装置（６７，７３）が前記中間室（６５）及び周囲を互いに接続することを特徴とする、内燃機関のためのレーザ点火装置。
前記アウタースリーブ（６４）内に圧力補償孔（６７）が設けられており、該圧力補償孔（６７）が前記燃焼室窓（５８）に対して間隔を置いて前記ハウジング（３８）から開口する、請求項１記載のレーザ点火装置。
前記圧力補償孔（６７）が、前記ハウジング（３８）からの開口部に最小の直径を有し、かつ該直径が、前記中間室（６５）に向かって増大する、請求項１又は２記載のレーザ点火装置。
前記圧力補償孔（６７）内にフィルタエレメント（７１）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
前記圧力補償孔（６７）が栓体（６９）、特にポリイミド又はシリコーンからなる栓体（６９）により閉鎖されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
前記アウタースリーブ（６４）が、燃焼室（１４）側の端部に段部（６６）を有しており、該段部（６６）が、前記燃焼室窓（５８）に部分的にオーバラップする、請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
前記アウタースリーブ（６４）が、燃焼室（１４）とは反対側の端部にナット状ねじ山を備え、前記インナースリーブ（６２）が、前記アウタースリーブ（６４）のナット状ねじ山と協働するボルト状ねじ山を備え、前記ナット状ねじ山及び／又は前記ボルト状ねじ山に放圧溝（７３）が形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。