JP2012159080A - 内燃機関のための点火プラグおよび該点火プラグの動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの動作情報をいっそう簡単かついっそうフレキシブルに評価できるよう改善する。
【解決手段】点火プラグ１００に組み込まれた点火レーザにポンピング光を供給するための光導波体装置１１０を備えた内燃機関のための点火プラグ１００において、点火レーザ１０５，１０６，１０７は、燃焼室から点火プラグ１００へ入射される第１の波長範囲の光に対し少なくとも部分的に透過性である。この第１の波長範囲の光をポンピング光から分離するため、光導波体装置１１０に対応づけられて光学的ビームスプリッタ１１１が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学的放射出力を点火プラグに供給する光導波体装置を備えた内燃機関のための点火プラグに関する。DE 199 11 737またはDE 101 45 944から、レーザを備えた点火装置が知られている。

本発明はさらに、請求項８の上位概念に記載のこの種の点火プラグの動作方法に関する。

冒頭で述べた形式の点火プラグおよび動作方法は知られており、これらはたとえばレーザに基づく内燃機関点火システムに適用される。点火プラグに対応づけられた燃焼室もしくは点火プラグ自体の光学的動作情報を捕捉するために知られているのは、光学的放射出力たとえばポンピング光を点火プラグに供給するために設けられた光導波体装置を利用することである。この場合、光学的動作情報がそれ相応に燃焼室から光導波体装置を介して評価装置へ伝送されるが、このためには一般にこの光学的情報をポンピング光から分離することが必要となる。

また、点火プラグもしくはそれに対応づけられた燃焼室から光学的動作情報を求める上述の公知のやり方は、一体化された点火レーザを備えた慣用の点火プラグには適用できない。

DE 199 11 737 DE 101 45 944

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の点火プラグおよび動作方法において、点火プラグの動作情報をいっそう簡単かついっそうフレキシブルに評価できるよう改善することにある。

本発明によればこの課題は、冒頭で挙げた形式の点火プラグにおいて、少なくとも部分的に点火プラグに組み込まれているが光導波体装置の外部に配置されたセンサ手段が設けられており、このセンサ手段は、点火プラグの動作情報および／または点火プラグに対応づけられた燃焼室の動作情報を捕捉するように構成されている。

本発明に従い光導波体装置の外側に配置されたセンサ手段によって、従来技術において知られていたそれぞれ異なる光学的信号を分離する問題は生じない。

本発明の課題の別の解決手段として、請求項１記載の点火プラグが挙げられている。一体型点火レーザを有するこの点火プラグは以下の特徴を備えている。すなわち点火レーザは、燃焼室から点火プラグへ照射される第１の波長範囲の光に対し少なくとも部分的に透過性であり、その際、第１の波長範囲は有利には約２００ｎｍ〜約８００ｎｍにあり、この第１の波長範囲の光をポンピング光から分離するため、光導波体装置に対応づけられて光学的ビームスプリッタが設けられている。本発明のように点火レーザを透過性に構成することにより、もしくは対象とする光学的動作情報の波長範囲に対する点火レーザの成分により、この種の点火プラグタイプであってもコンパクトなコンフィギュレーションを達成することができ、これによって同時に点火プラグ動作ないしは燃焼室内の事象の光学的な監視が可能となる。

本発明による透過性の点火レーザを光導波体装置の外部に配置されたさらに別のセンサ手段と組み合わせることも可能である。

従属請求項には、本発明の他の有利な実施形態について記載されている。

本発明のその他の特徴、実施態様ならびに利点は、図面に示された本発明の実施例に関する以下の説明に示されている。ここで説明するすべての特徴は、それらが特許請求の範囲、実施例の説明および図面のいずれに記載されているかに関わらず、単独でもまたは任意に組み合わせても、本発明の対象を成すものである。

本発明による点火プラグの第１の実施形態を示す図 本発明による点火プラグの第２の実施形態を示す図 本発明による点火プラグの第３の実施形態を示す図

図１には、内燃機関のための本発明による点火プラグ１００が示されている。点火プラグ１００はこの実施例では光ファイバとして構成された光導波体装置１１０を有しており、光源１５０から生じた光がこの光導波体装置１１０を介して点火プラグ１００へ供給される。

光源１５０をたとえばポンピング光源とすることができ、この光源から点火プラグ１００内に設けられている一体型点火レーザの活性個体１０５へポンピング光が供給される。これに応じて点火レーザは周知のようにレーザパルスを生成し（矢印２０参照）、このレーザパルスは図１において点火プラグ１００の左端に配置された燃焼室窓１３０を介して、隣り合った内燃機関燃焼室へ照射される。レーザパルス２０を燃焼室内に存在する点火ポイントＺＰもしくはこの領域に存在する燃料に向けて集束させるために、ここではレンズ３０としてシンボリックに表された光学系を設けることができる。

本発明による点火プラグ１００の適正な動作を監視するためにセンサ手段が設けられており、これは図１の実施例によれば別個の光導波体装置１２０およびオプトエレクトロニクス変換器１１５′を有している。図１に示されているように、別個の光導波体装置１２０の第１の端部１２０ａは本発明による点火プラグ１００内にじかに配置されているので、動作情報を表す光学信号を点火プラグ１００内部から別個の光導波体装置１２０へ入射させることができる。この種の光学信号は、たとえば燃焼室内に存在する燃料の点火時もしくは燃焼時に発生する可能性があり、その際にたとえば約２００ｎｍ〜約９００ｎｍの波長範囲を対象とする情報を得ることができる。このような光学信号は、燃焼室窓１３０を介して本発明による点火プラグ１００の内部空間へ到達し、したがってこの信号を別個の光導波体装置１２０へ入力させることができる。

有利には別個の光導波体装置１２０の第２の端部１２０ｂは点火プラグ１００の外部に配置されており、たとえばホトダイオードとすることのできるオプトエレクトロニクス変換器１１５′と光学的に接続されている。オプトエレクトロニクス変換器１１５′は、別個の光導波体装置１２０を介して点火プラグ１００から得られた光学信号を対応する電気信号に変換し、必要に応じてこの電気信号を、図１には描かれていない後段に接続された評価ユニットにより評価することができる。

図１に示した本発明による点火プラグ１００によれば有利なことに、光源１５０のポンピング光をたとえば燃焼室内で燃焼した燃料に基づく光学的動作情報と分離する問題が生じない。

別個の光導波体装置１２０の第１の端部１２０ａをたとえば、一体化された点火レーザから発せられたレーザパルスが少なくとも一部分はダイレクトに別個の光導波体装置１２０に入射されるよう、点火プラグ１００の内部に配置することもできる。このようにすることで、点火プラグ１００の一体型点火レーザの動作のダイレクトな監視が保証される。

択一的に、あるいはこれに加えて、別個の光導波体装置１２０の第１の端部１２０ａを、燃焼室窓１３０を介して点火プラグ１００内部に到来する放射が既述のように少なくとも部分的に別個の光導波体装置１２０へ入射されるよう、本発明による点火プラグ１０内に配置することもできる。複数の別個の光導波体装置１２０を使用することも考えられる。

図２には、本発明による点火プラグ１００の別の実施形態が示されている。図１に示した実施例を参照しながら説明した既述の実施例とは異なり、図２に示した本発明による点火プラグ１００は、点火プラグ１００内部にダイレクトに配置されたオプトエレクトロニクス変換器１１５を有している。オプトエレクトロニクス変換器１１５は、点火プラグ１００の内部空間から取り出された光学信号を対応する電気信号にダイレクトに変換し、この電気信号を図２には詳しくは示されていない信号ケーブルを介して、後段に接続された評価電子装置１４０へ転送することができる。図２に示されているように評価ユニット１４０を、点火プラグ１００に対する供給を行う光源１５０とともに共通の制御ユニット２００内に配置することができる。制御ユニット２００をたとえば、本発明による点火プラグ１００を有する内燃機関の動作を調整し、相応に内燃機関の他の別の燃焼室に割り当てられた点火プラグ１００も制御する制御装置としてもよい。ポンピング光等を光源１５０から複数の点火プラグ１００に分配するために場合によっては必要とされる光学分配器は、図２には描かれていない。

図２に示した本発明による点火プラグ１００の格別な利点は、点火プラグ１００の動作情報を光学的に捕捉する場所でダイレクトに電気信号への信号変換が行われる点にあり、したがって動作情報の光学的転送による減衰損失が発生しないことである。さらに電気信号の少なくとも部分的な前処理たとえば予備増幅などを、点火プラグ１００においてローカルに行うことも考えられる。このために必要とされる電子装置を、オプトエレクトロニクス変換器１１５とともに単一のモジュールに組み込むのが有利である。

図１に示した別個の光導波体装置１２０の第１の端部１２０ａと同様、図２に示したオプトエレクトロニクス変換器１１５を、点火レーザにより放射されたレーザパルスからダイレクトにもしくは燃焼室窓１３０を介して本発明による点火プラグ１００の内部空間へ入射される光を受け取るよう、配置することができる。

さらに考えられるのは、複数のオプトエレクトロニクス変換器１１５を、あるいはオプトエレクトロニクス変換器１１５の前段に接続された光学系も（図示せず）、本発明による点火プラグ１００の内部に設けることである。この光学系は、燃焼室窓１３０を介して入射される光も点火レーザから生じるレーザ光も、オプトエレクトロニクス変換器１１５に結像させるものである。

これと同様に、図１に示した実施例においても２つ以上の別個の光導波体１２０を設けることができ、もしくは別個の光学系を設けることができる。この光学系は、別個の光導波体装置１２０の第１の端部１２０ａに対応づけて設けられ、燃焼室および／または点火プラグ１００の点火レーザからの光を結像させるものである。

次に図３を参照しながら、本発明の第３の実施形態について説明する。

図３に示した本発明による点火プラグ１００は一体型点火レーザを有しており、これは殊に入射ミラー１０６、出射ミラー１０７、およびそれらの間に配置された既述のレーザ活性固体１０５を有しており、したがってこれは発振器を成しており、この発振器は光源１５０から光導波体装置１１０を介して入射されるポンピング光が十分に加えられるとレーザパルス２０を送出する。

発振器の境界を成すミラー１０６，１０７は慣用の点火レーザのように、たとえば約７９０ｎｍ〜約９９０ｎｍを有する可能性のあるポンピング光に対し透過性であり、たとえば約１０００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの範囲内にある生成されたレーザパルス２０の波長に対し十分に反射性である。出射ミラー１０７単独でレーザパルス２０に対し、そもそもレーザパルス２０を燃焼室に放射できるようにするのに十分に大きい透過係数を有している。

本発明によれば、点火レーザ全体つまり殊にコンポーネント１０５，１０６，１０７は、燃焼室から点火プラグ１００内部に入射される対象波長領域の光に対し、少なくとも部分的に透過性である。対象波長領域は有利には約２００ｎｍ〜約９００ｎｍに及ぶものであり、この波長領域における本発明による透過性によって、燃焼室からの光２５を光導波体装置１１０を介してオプトエレクトロニクス変換器１１５へ転送することができる。

図３に示した点火プラグ１００はさらに、光導波体装置１１０に対応づけて設けられた光学的ビームスプリッタ１１１を有しており、これによって燃焼室からと光源１５０のポンピング光からの光２５，２５ａが分離される。

したがって光導波体装置１１０の第１の区間１１０ａを除いてこの光導波体装置１１０は、点火レーザの動作に必要とされるポンピング光と、たとえば燃焼室内で燃焼した燃料により放射され燃焼室窓１３０およびそれに対して透過性の点火レーザを介して光導波体装置１１０へ入力され対象となる動作情報を光学的形態で供給する光とによって、二重に利用される。

図３による点火プラグによれば点火レーザが透過性に設計されていることから、点火プラグ１００を著しくコンパクトに構成することができる。

本発明のさらに別の格別有利な実施形態によれば、オプトエレクトロニクス変換器１１５，１１５′から供給される電気信号はフィルタリングを介して評価される。フィルタリングをたとえば適切なバンドパスフィルタあるいはそれに対応する信号処理などによって行うことができ、これにより有利には本発明による点火プラグ１００動作時の様々なフェーズが考慮される。たとえば、点火プラグ１００から燃焼室窓１３０を介して点火パルス１００外部に位置する点火ポイントＺＰに至るレーザパルスの発生および照射が考慮される一方、内燃機関燃焼室においてそれに続き生じる燃焼過程が考慮され、その際には燃焼中の空気燃料混合物から殊に紫外線光２５が放射され、これは少なくとも部分的に燃焼室窓１３０を介して本発明による点火プラグ１００内部に入射される。

光源１５０もしくは点火レーザをチェックするために、あるいは一般にレーザパルス２０の適正な発生をチェックするために、オプトエレクトロニクス変換器１１５，１１５′から供給される信号をたとえば、予測点火時点付近に位置する第１の監視時間窓内で評価することができる。レーザパルス２０の発生を推定することのできる光学的信号がこの監視時間窓内で検出されなければ、評価電子装置１４０においてたとえば対応するエラーを記録することができる。さらに本発明によるセンサ手段によって、レーザパルス２０が実際に発生した時点を精確に確定することができ、これをたとえば診断目的で制御ユニット２００へ供給することができる。

光源１５０もしくは点火レーザのチェックのほかにも、燃焼室内で場合によってはこれに続いて生じる空気燃料混合物の燃焼に起因して発生する光２５，２５ａを、オプトエレクトロニクス変換器１１５、１１５′を介して評価することができる。

比較的高い周波数のレーザパルス２０を燃焼室内の燃焼に起因して発生する光２５，２５ａから分離するために、もしくはこれに対応する電気信号を分離するために、バンドパスフィルタを設けることができる。このバンドパスフィルタはそれ相応に高い中心周波数を有しており、燃焼室光２５，２５ａに対応する信号のほかに、低周波の妨害信号もフィルタリングする。

燃焼室光２５，２５ａもしくはこれに対応する電気信号を選択するために、適切な中心周波数をもつ別のバンドパスフィルタを用いることもできる。

レーザパルス２０の発生とこれが発生してからはじめて生じる燃焼との間の時間的な隔たりないしは区別に基づき、相応の時間窓設定を行うだけで個々に対象とする信号を選択することもできる。既述のフィルタリングと対象とする時間窓の選択とを組み合わせることもできるし、もしくは中心周波数のそれぞれ異なるバンドパスフィルタを時間で切り替えることもできる。

本発明による点火プラグ１００およびその中に配置されたセンサ手段１１５，１１５′，１２０により有利にはレーザパルス２０の発生を監視することができる一方、内燃機関燃焼室内で生じる燃焼も監視することができる。

レーザパルス２０をフォーカシングするために場合によっては設けられる光学系３０（図１）ならびに燃焼室窓１３０を、図３に示した本発明による実施形態における点火レーザと同様、燃焼室からの光２５，２５ａの対象とする波長に対し透過性に構成することができる。

１００ 点火プラグ
１０５，１０６，１０７ 点火レーザ
１１０ 光導波体装置
１１１ 光学的ビームスプリッタ

Claims (9)

1. 点火プラグ（１００）に組み込まれた点火レーザにポンピング光を供給するための光導波体装置（１１０）を備えた内燃機関のための点火プラグ（１００）において、
   前記点火レーザ（１０５，１０６，１０７）は、燃焼室から点火プラグ（１００）へ入射される第１の波長範囲の光に対し少なくとも部分的に透過性であり、
   該第１の波長範囲の光をポンピング光から分離するため、前記光導波体装置（１１０）に対応づけられて光学的ビームスプリッタ（１１１）が設けられていることを特徴とする、
   内燃機関のための点火プラグ。
2. 前記第１の波長範囲は約２００ｎｍ〜約９００ｎｍに及ぶ、請求項１記載の点火プラグ。
3. 前記燃焼室から前記点火プラグ（１００）へ入射される光は、前記点火レーザ（１０５，１０６，１０７）を通過してから、前記ビームスプリッタ（１１１）に到達する、請求項１または２記載の点火プラグ。
4. 前記燃焼室から前記点火プラグ（１００）へ入射される光は、前記光導波体装置（１１０）を通過してから、前記ビームスプリッタ（１１１）に到達する、請求項１または２記載の点火プラグ。
5. 前記燃焼室から前記点火プラグ（１００）へ入射される光は、最初に前記点火レーザを通過し、次に前記導波体装置（１１０）を通過してから、前記ビームスプリッタ（１１１）に到達する、請求項１または２記載の点火プラグ。
6. 前記燃焼室から前記点火プラグ（１００）へ入射される光は、前記ビームスプリッタ（１１１）からオプトエレクトロニクス変換器（１１５）へ到達する、請求項１から５のいずれか１項記載の点火プラグ。
7. 前記点火レーザ（１０５，１０６，１０７）は、入射ミラー（１０６）、出射ミラー（１０７）、および前記入射ミラー（１０６）と前記出射ミラー（１０７）との間に配置されたレーザ活性固体（１０５）を有しており、前記光導波体装置（１１０）を介して入射されるポンピング光が所要量加えられると、レーザパルス（２０）を送出する、請求項１から６のいずれか１項記載の点火プラグ。
8. 請求項６記載の点火プラグ（１００）の作動方法において、
   レーザパルス（２０）の発生を推定するために、前記オプトエレクトロニクス変換器（１１５）により形成された信号が評価されることを特徴とする方法。
9. 前記レーザパルスが実際に発生した時点が検出される、請求項８記載の方法。

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