JP2014043861A - 内燃機関のためのレーザ誘起式の外部点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼でき、故障することがなく、しかもメンテナンスが少なくて済むようなレーザ点火装置を提供する
【解決手段】内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置において、ハウジング（３８）の、燃焼室窓（５８）が配置されている端部に、オリフィス（７４）が設けられており、オリフィス（７４）が円錐形に構成されており、オリフィス（７４）の直径（Ｄ_Ｂ）は燃焼室窓（５８）に向かって次第に大きくなっており、オリフィス（７４）の円錐角（β）はレーザパルス（２４）の出射角（α）にほぼ相当し、レーザパルスの外側輪郭と前記オリフィス（７４）との間に１ｍｍよりも小さいギャップが存在するよう、前記オリフィス（７４）の寸法が決められている。
【選択図】図３

Description

本発明は、点火が点火レーザによって誘起される、内燃機関のためのレーザ点火装置に関する。以下ではレーザ点火と称呼される、このような点火は、例えば国際公開第２００５／０６６４８８号パンフレットにより公知である。

点火レーザは、燃焼室窓を有しており、この燃焼室窓は、点火レーザから放射されたレーザパルスを透過させる。それと同時に、燃焼室窓は、燃焼室窓の光学的な特性に不都合な影響を与えることなしに、内燃機関の耐用年数全体に亘って燃焼室内に形成される高い圧力及び温度に耐えられるものでなければならない。この場合、燃焼室に向いた側の、燃焼室窓の表面に、内燃機関の作動サイクル中に発生する６００°を越える表面温度及び２５０ｂａｒを越える圧力が発生する。しかも、排ガスの化学的浸食性の構成成分が燃焼室窓に損傷を与え、燃焼室窓に堆積する堆積物が燃焼室窓の透過率を減少させる。

国際公開第２００５／０６６４８８号パンフレット

本発明の課題は、信頼でき、故障することがなく、しかもメンテナンスが少なくて済むようなレーザ点火装置を提供することである。

この課題を解決した本発明によれば、レーザ活性固体を備えた点火レーザと、燃焼室窓と、ハウジングとを有している、内燃機関のためのレーザ点火装置において、ハウジングの、燃焼室窓が配置されている端部に、オリフィスが設けられている。

このようなオリフィスは、燃焼室窓の表面に、排ガス及び、燃焼室内に存在するガス流が接することがないように、配慮する。従って、燃焼室窓の堆積物は著しく減少される。このような堆積物は、内燃機関の燃焼室内の排ガスによって形成される。

本発明によるオリフィスは、まず第１に、燃焼室窓に堆積する残滓の量を著しく減少させる。第２に、このような残滓が燃焼室窓の表面にぶつかる際の衝撃を著しく減少させる。

このような２つの効果によって、燃焼室窓における堆積物が著しく減少され、少量の堆積物だけが燃焼室窓に弱く付着する。従って、本発明によるレーザ点火装置は、信頼でき、故障することがなく、しかもメンテナンスが少なくて済む。

本発明の実施態様によれば、オリフィスの直径は、点火レーザのレーザパルスが妨げられることなくオリフィスを通過できるように、寸法設計されている。勿論、オリフィスの直径は、燃焼室窓を最適に保護するために必要な最低限の大きさを越えてはならない。この場合、レーザパルスの直径（照射径とも称呼される）は、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ １１１４５規格に従って算出される。この規格は、レーザ技術分野の専門家の専門知識に属するので、この規格を参照することによって、照射径の算出についての詳しい説明は省かれる。

レーザ点火装置のレーザパルスは着火点ＺＰに収束され、フォーカスレンズ系の光学精度は非常に高いので、オリフィスの直径を、レーザパルスの外側輪郭とオリフィスとの間に、１ｍｍよりも小さい、有利には０．５ｍｍよりも小さい、特に有利には０．２５ｍｍよりも小さいギャップが存在するように寸法設計することができる。

オリフィスの直径が小さければ小さい程、より少ない量のガスがオリフィス内に流入し、燃焼室窓に達することができる。

本発明の別の有利な実施態様によれば、オリフィスが円錐形に構成されており、オリフィスの直径は燃焼室窓に向かって次第に大きくなっており、オリフィスの円錐角はレーザパルスの出射角にほぼ相当する。この場合も、オリフィスは、全長に亘って、１ｍｍよりも小さい、有利には０．５ｍｍよりも小さい、特に有利には０．２５ｍｍよりも小さい間隔を保って、レーザパルスを取り囲むように配置されていてよい。点火レーザの光軸の方向のオリフィスの長さによって、燃焼室窓における不純物の堆積及び排ガスの侵入はさらに減少される。それと同時に、オリフィスの隙間容積は減少され、これは内燃機関の運転特性に有利に働く。

本発明によるレーザ点火装置の有利な実施態様によれば、オリフィスが別個の構成部分として構成されており、オリフィスが点火レーザのハウジング、特にハウジングの段部に固定されている。

これによって、既に完成されたレーザ点火装置にも、本発明によるオリフィスを後から取り付けることができる。さらにまた、別個の構成部分を交換することによって、オリフィスの直径及びオリフィスの円錐角を点火レーザの光学特性に適合させることができる。従って、例えば種々異なる燃焼室幾何学形状を有する燃焼室内に点火レーザを使用した場合、点火レーザの着火点ＺＰを、燃焼室窓からある程度遠ざけて配置する必要がある。着火点をこのように変えた場合、一般的に、オリフィスの直径及び円錐角に適合させる必要がある。これは、別個の構成部分として構成されたオリフィスを用いることによって可能である。

本発明の別の有利な実施態様によれば、オリフィスは点火レーザのハウジングに一体的に構成してもよい。

点火レーザが１つの燃焼室窓を有していれば、この燃焼室窓は、本発明によるオリフィスを使用することによって、比較的低い温度及び著しく少量の排ガスによって負荷される。

これによって、燃焼室窓の透過率は、内燃機関の妨げられることのない運転を保証するために、内燃機関の全耐用年数に亘って十分に高く維持される。

本発明によるレーザ点火装置の別の有利な実施態様によれば、オリフィスは点火レーザの周囲を部分的にのみ、つまり３６０°よりも小さい角度に亘って覆っている。この場合、オリフィスは、点火レーザを組み込んだ状態で、燃焼室内の排ガスの主流れ方向で見て、点火レーザの上流に配置されるように、考慮する必要がある。オリフィスがこのような形式で、点火レーザに対して相対的に位置決めされていれば、点火レーザを所望に遮蔽することができる。

燃焼室内の排ガスの主流れ方向は、各エンジン型式に応じて個別に確認される。オリフィスを点火レーザに対して正しく位置決めするためには、点火レーザを形状結合式に、かつ相対回動不能に内燃機関のシリンダヘッド内に固定するとよい。点火レーザに取り付けられた凸部（シリンダヘッドの対応する凹部と協働する）によって、オリフィスは確実に、前記形式で点火レーザに対して相対的に位置決めされる。

オリフィスが、点火レーザの周囲を、２００°よりも小さい角度、有利には１６０°〜１８０°の角度に亘って覆っていれば、特に有利であることが分かった。これによって、安価な費用で、及び燃焼室内のガス流の最小限の影響下で、多くの使用例のために十分な遮蔽が保証される。

本発明によるその他の利点及び有利な実施態様が、以下に図面、図面の説明及び特許請求の範囲に記載されている。図面、図面の説明及び特許請求の範囲に開示されたすべての特徴は、単独でも、任意の組み合わせでも、本発明にとって重要なものである。

レーザ誘起式の点火装置を有する内燃機関の概略図である。 図１ａに示した点火装置の概略図である。 本発明による点火レーザの概略図である。 本発明による点火レーザの概略図である。

図１ａでは、内燃機関は全体が符号１０で示されている。内燃機関１０は、図示していない自動車を駆動するために用いられる。内燃機関１０は、複数のシリンダを有しており、これらのシリンダのうちの、図１には符号１２で示した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に画定されている。燃料は、インジェクタ１８によって燃焼室１４内に直接達する。インジェクタ１８は、レールとも称呼される燃料・蓄圧器２０に接続されている。

燃焼室１４内に噴射された燃料は、レーザパルス２４によって点火される。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、点火レーザ２６に、ライトガイド装置２８を介してポンプ光が供給される。ポンプ光は、ポンプ光源３０によって生ぜしめられる。ポンプ光源３０は、制御器３２によって制御され、この制御器３２はインジェクタ１８の制御も行う。

図１ｂに示されているように、ポンプ光源３０は、内燃機関１０の各シリンダ１２に配属された種々異なる点火レーザ２６のための複数のライトガイド装置２８にポンプ光を供給する。このために、ポンプ光源３０は複数の個別のレーザ光源３４０を有しており、これらのレーザ光源３４０は、パルス電流供給装置３６に接続されている。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、種々異なる点火レーザ２６に対するポンプ光の"ダイレクト"ディストリビューション「"ruhende"Verteilung」が実現されるので、ポンプ光源３０と点火レーザ２６との間に光ディストリビュータ等を必要としない。

点火レーザ２６は、例えば、パッシブなＱ回路（Gueterschaltung；クオリティ回路）４６を備えたレーザ活性固体４４を有しており、前記Ｑ回路４６は、励起ミラー４２と出力ミラー４８と共に１つの光共振器を形成する。ポンプ光源３０によって生ぜしめられたポンプ光が点火レーザ２６に供給され、この点火レーザ２６が公知の形式でレーザパルス２４を生ぜしめ、このレーザパルス２４がフォーカスレンズ系５２によって、燃焼室１４（図１ａ）内に存在する着火点ＺＰに集束される。点火レーザ２６のハウジング３８内に設けられた構成部材は、燃焼室窓５８によって燃焼室１４から分離されている。

図２には、図１ｂの符号Ｘで示した部分の拡大断面図が示されている。この拡大断面図によれば、燃焼室窓５８がハウジング３８と密に接続されていることが明らかである。ハウジング３８と燃焼室窓との間のシールは、符号６０で示した、素材結合又は摩擦結合による結合部の領域に形成されている。

高い熱負荷を考慮して、ハウジング３８は耐熱性材料より成っており、これによって、燃焼室内が運転温度に達した場合でも十分な疲れ強さを有している。

図２及び図３に示した実施例では、ハウジング３８は２つに分割して構成されている。ハウジング３８は、インナースリーブ６２とアウタースリーブ６４とを有している。アウタースリーブ６４は、燃焼室１４（図１ａ参照）に向いた側の端部に段部６６を有している。この段部６６は、燃焼室窓５８をインナースリーブ６２に押し付け、それによって符号６０で示した領域のシール性を高めるために用いられる。このために、アウタースリーブ６４は雌ねじ山を有しており、この雌ねじ山は、インナースリーブ６２の対応する雄ねじ山と協働する。この雌ねじ山と雄ねじ山とからなるねじは、全体が符号６８で示されている。アウタースリーブ６４とインナースリーブ６２とを螺合させることによって、段部６６と燃焼室窓との間に別のシール面７２が形成される。

図２では、点火レーザ２６の燃焼室１４に向いた側の端部が拡大して示されている。ハウジング３８内に、図示していないフォーカスレンズ系が配置されており、該フォーカスレンズ系は、レーザパルス２４を、点火レーザ２６のレンズ系の焦点に相当する着火点ＺＰに集束する。集束されたレーザパルス２４の外側輪郭は、円錐形の包絡線（符号なし）によって示されている。包絡線は、着火点ＺＰで交差し合い、直径Ｄ_Ａで燃焼室窓５８から出射する。燃焼室窓５８の、燃焼室に向いた側が、排ガスにできるだけさらされないようにするために、本発明によれば、燃焼室窓５８と着火点ＺＰとの間にオリフィス７４が設けられている。オリフィスの直径は、符号Ｄ_Ｂで示されている。

オリフィス７４の直径Ｄ_Ｂは、できるだけ小さく選定されている。オリフィス７４が、レーザパルス２４若しくはその外側輪郭に対して、１ｍｍより小さい、有利には０．５ｍｍより小さい、特に有利には０．２５ｍｍより小さい半径方向間隔を有していれば、十分である。このようなオリフィス７４の直径Ｄ_Ｂの寸法によって、レーザパルス２４の着火効率の低下が避けられ、また燃焼室間のガス交換、及びオリフィス７４と燃焼室窓５８との間に存在する隙間容積７０が減少される。オリフィス７４は、例えば金属薄板ディスクとして構成されていて、アウタースリーブ６４にはんだ付け、溶接又はその他の形式で固定される。

燃焼室から隙間容積７０に達する排ガス量が少なければ少ない程、燃焼室窓５８に堆積する付着物の量は少なくなる。オリフィス７４が着火点ＺＰのできるだけ近くにあれば、有利である。勿論、それには限界がある。何故ならば、着火点ＺＰは燃焼室１４のできるだけ中央に配置されていなければならず、またオリフィス７４が、燃焼室１４内の混合比に与える影響をできるだけ小さくしなければならないからである。

図３には、本発明によるオリフィス７４の別の実施例が示されている。前記図２に示した実施例との主要な相違点は、オリフィス７４がアウタースリーブ６４の一部であって、オリフィス７４が円錐形に構成されているという点にある。オリフィス７４の円錐角βは、レーザパルス２４の角度αに相当する。この場合も、オリフィス７４とレーザパルス２４との間の半径方向間隔は、できるだけ小さくする必要がある。図３の実施例による隙間容積７０は、図２の実施例に対して、さらに縮小されていることによって、燃焼室窓５８に堆積する付着物はさらに少なくなる。

１．本発明に係る内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置は、内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置であって、レーザ活性固体（４４）を備えた点火レーザ（２６）と、燃焼室窓（５８）と、ハウジング（３８）とを有している形式のものにおいて、
ハウジング（３８）の、燃焼室窓（５８）が配置されている端部に、オリフィス（７４）が設けられていることを特徴とする。

２．オリフィス（７４）の直径（Ｄ_Ｂ）は、点火レーザ（２６）のレーザパルス（２４）が妨げられることなくオリフィス（７４）を通過できるように、寸法設計されている、１記載のレーザ点火装置であってもよい。

３．オリフィス（７４）が円錐形に構成されており、オリフィス（７４）の直径（Ｄ_Ｂ）は燃焼室窓（５８）に向かって次第に大きくなっており、オリフィス（７４）の円錐角（β）はレーザパルス（２４）の出射角（α）にほぼ相当する、１又は２記載のレーザ点火装置であってもよい。

４．オリフィス（７４）が別個の構成部分として構成されており、オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）のハウジング（３８）、特にハウジング（３８）の段部（６６）に固定されている、１から３までのいずれか記載のレーザ点火装置であってもよい。

５．オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）のハウジング（３８）、特にハウジング（３８）の段部（６６）と一体的に構成されている、１から４までのいずれか記載のレーザ点火装置であってもよい。

６．ハウジング（３８）がインナースリーブ（６２）とアウタースリーブ（６４）とを有している、１から５までのいずれか記載のレーザ点火装置であってもよい。

７．点火レーザ（２６）が組み込まれた状態で、オリフィス（７４）が、内燃機関の燃焼室壁とほぼ同一平面に配置されている、１から６までのいずれか記載のレーザ点火装置であってもよい。

８．オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）を部分的に覆っており、点火レーザ（２６）が組み込まれた状態で、オリフィス（７４）が、燃焼室（１４）内の排ガスの主流れ方向で見て点火レーザ（２６）の上流側に配置されている、１から７までのいずれか記載のレーザ点火装置であってもよい。

９．オリフィス（７４）が、点火レーザ（２６）の周囲を、最大で２００°、有利には１６０°〜１８０°の角度に亘って覆っている、１から８までのいずれか記載のレーザ点火装置であってもよい。

１０ 内燃機関、 １２ シリンダ、 １４ 燃焼室、 １６ ピストン、 １８ インジェクタ、 ２０ 燃料・蓄圧器、 ２４ レーザパルス、 ２６ 点火レーザ、 ２７ 点火装置、 ２８ ライトガイド装置、 ３０ ポンプ光源、 ３２ 制御器、 ３６ パルス電流供給装置、 ３８ ハウジング、 ４２ 励起ミラー、 ４４ レーザ活性固体、 ４８ 出力ミラー、 ５２ フォーカスレンズ系、 ５８ 燃焼室窓、 ６２ インナースリーブ、 ６４ アウタースリーブ、 ６６ 段部、 ６８ ねじ、 ７０ 隙間容積、 ７４ オリフィス、 ３４０ レーザ光源、 ＺＰ 着火点、 Ｘ 部分、 α レーザパルス２４の角度、 β 円錐角

Claims (11)

1. 内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置であって、レーザ活性固体（４４）を備えた点火レーザ（２６）と、燃焼室窓（５８）と、ハウジング（３８）とを有している形式のものにおいて、
   ハウジング（３８）の、燃焼室窓（５８）が配置されている端部に、オリフィス（７４）が設けられており、
   オリフィス（７４）が円錐形に構成されており、オリフィス（７４）の直径（Ｄ_Ｂ）は燃焼室窓（５８）に向かって次第に大きくなっており、オリフィス（７４）の円錐角（β）はレーザパルス（２４）の出射角（α）にほぼ相当し、
   レーザパルスの外側輪郭と前記オリフィス（７４）との間に１ｍｍよりも小さいギャップが存在するよう、前記オリフィス（７４）の寸法が決められていることを特徴とする、内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置。
2. オリフィス（７４）の直径（Ｄ_Ｂ）は、点火レーザ（２６）のレーザパルス（２４）が妨げられることなくオリフィス（７４）を通過できるように、寸法設計されている、請求項１記載のレーザ点火装置。
3. オリフィス（７４）が別個の構成部分として構成されており、オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）のハウジング（３８）に固定されている、請求項１又は２記載のレーザ点火装置。
4. オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）のハウジング（３８）の段部（６６）に固定されている、請求項３記載のレーザ点火装置。
5. オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）のハウジング（３８）と一体的に構成されている、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。
6. オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）のハウジング（３８）の段部（６６）と一体的に構成されている、請求項５記載のレーザ点火装置。
7. ハウジング（３８）がインナースリーブ（６２）とアウタースリーブ（６４）とを有している、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。
8. 点火レーザ（２６）が組み込まれた状態で、オリフィス（７４）が、内燃機関の燃焼室壁とほぼ同一平面に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
9. オリフィス（７４）が点火レーザ（２６）を部分的に覆っており、点火レーザ（２６）が組み込まれた状態で、オリフィス（７４）が、燃焼室（１４）内の排ガスの主流れ方向で見て点火レーザ（２６）の上流側に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
10. レーザパルスの外側輪郭と前記オリフィス（７４）との間に０．５ｍｍよりも小さいギャップが存在するよう、前記オリフィス（７４）の寸法が決められている、請求項１から９までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。
11. レーザパルスの外側輪郭と前記オリフィス（７４）との間に０．２５ｍｍよりも小さいギャップが存在するよう、前記オリフィス（７４）の寸法が決められている、請求項１から９までのいずれか１項記載のレーザ点火装置。

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