JP4203722B2 - 燃料・空気−混合気に点火するための装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関とくに定置ガス機関の燃焼室内の燃料・空気−混合気に点火するための装置であって、少なくとも１つの光源と、光伝送装置と、光を燃焼室に収束させるための入射光学系とを有する装置に関する。

この種の点火装置は従来の技術においてたとえばドイツ特許出願公開第１９９１１７３７号明細書［ＤＥ１９９１１７３７Ａ１］から公知である。この場合、光導体中をガイドされたレーザビームが光素子を経て燃焼室に入射される。その他の方式たとえば米国特許公報第４４３４７５３号明細書［ＵＳ４４３４７５３］または同第４５２３５５２号明細書［ＵＳ４５２３５５２］の構成によれば、供給されたレーザ光の領域で高度な光吸収を行う添加物質が付加的に燃焼室内に吹き込まれる。これらに励起されたレーザが当たると、該添加物質は加熱され、こうして燃焼室内の燃料・空気−混合気の点火が行われる。

基本的にあらゆるレーザ点火装置の場合に、点火に要される点火エネルギーをレーザによって適正な時点に十分な強度で供給することが不可欠である。この場合、持続的な振動と燃焼室周囲の熱に耐えることのできる装置を創作することが必要である。またさらに点火装置は、それが広い範囲で使用される必要があれば、製造方法の点でも好適なものでなければならない。従来の技術による前記の類の点火装置はこれらの要求を満たさないかまたは部分的にしか満たさない。

そこで本発明の目的は、従来の技術の短所を取り除いた冒頭に述べた類の装置を創作することである。

前記課題は本発明により、無励起の、それ自体としては点火力のないマスタ光パルスを連続的に、好ましくは周期的に放出する少なくとも１つのマスタ光源が設けられ、伝送装置は少なくとも１つの増幅器を含み、該増幅器は選択的に励起可能であって、個々のまたは一群のマスタ光パルスを燃料・空気−混合気の点火に十分なエネルギーレベルに増幅することによって達成される。

前記構成により、マスタ光パルスは定まった周波数で持続的に発生させられて、伝送装置を経て点火さるべきそれぞれのシリンダに伝搬され、入射光学系を経て各シリンダの燃焼室に入射される。この場合、定まった時間間隔で持続的に発生させられるこれらのマスタ光パルスのエネルギーはそれ自体では燃料・空気−混合気の点火には十分ではない。点火の励起は個々のマスタ光パルスのエネルギーレベルが、選択的に励起可能な、少なくとも１つのシリンダに配された増幅器によって点火に必要なエネルギーレベルに引き上げられて初めて行われる。こうしたコンセプトにより、１つの内燃機関の複数のシリンダに対し、適切な伝送装置を経て光パルスを各シリンダのそれぞれの点火箇所に送出する単一のマスタ光源を設ければよいこととなる。この場合、次のいずれも可能であり、すなわち、少なくとも１つのマスタ光源によって少なくとも１つの内燃機関のすべてのシリンダに光パルスを供給することも、同じく少なくとも１つのマスタ光源によって１つのシリンダに配された複数の増幅器に光パルスを供給することも可能である。これはマスタ光源を内燃機関の振動領域および熱負荷領域の外部に分散配置することができることを意味している。

特に好適な実施形態においてマスタ光源はレーザである。これらの好適な実施形態の眼目はレーザが―好ましくはダイオードポンプおよび／または受動Ｑスイッチおよび／または能動Ｑスイッチ―固体レーザである点にある。固体レーザのうち、Ｙｂレーザおよび／またはＮｄレーザ―好ましくはＣｒ４＋可飽和吸収体を用いたＮｄレーザ―は好適な可能性を表している。さらにこれらの実施形態においてＮｄレーザは適切な母材、好ましくはＮｄ：ＹＡＧに埋封されている。別途母材としてたとえばＹＬＦ、バナジン酸塩も使用することができる。さらにこれらの実施形態においてマスタ光源はマイクロディスク形状を有している。

点火時点の決定に際する所要の精密性を達成するには、マスタ光源が光パルスないしレーザパルスを１〜２５ｋＨｚ―好ましくは５ｋＨｚ―の繰返し周波数で送出するのが好適である。パルス持続時間に関しては、、マスタ光源がパルス持続時間１ｎｓ〜５００ｎｓ―好ましくは１００ｎｓ〜３００ｎｓ（ナノ秒）―の光パルスないしレーザパルスを送出するのが好適である。マスタ光源から送出される光の波長に関しては、使用される光の波長が０．５μｍ（マイクロメートル）〜２０μｍ、好ましくは０．５μｍ〜５μｍの範囲内にあるのが好適である。

好適な実施形態において一方では、伝送装置の少なくとも１つの増幅器は少なくとも１つの光増幅―好ましくはレーザ活性―光導体、好ましくはフレキシブルな光ファイバを含んでいる。他の好適な実施形態において、伝送装置の少なくとも１つの増幅器は少なくとも１つの光増幅―好ましくはレーザ活性―モノリシックバーおよび／または少なくとも１つの光増幅―好ましくはレーザ活性―結晶板を含んでいる。本発明によりいずれの実施形態においても、マスタ光源はグラスファイバを介しそれぞれ少なくとも１つのシリンダに配された複数の増幅器と固定結合されている。これらの増幅器において適宜、定められた時間幅で励起されて光増幅媒質ないしレーザ活性媒質中にエネルギーが蓄えられ、該エネルギーにより次に生ずるマスタ光パルスがエネルギー増幅され、それぞれの増幅器に対応するシリンダ燃焼室内の燃料・空気−混合気の点火が行われる。その際、点火時点の決定は増幅器の励起によって行われる。こうしたシステムにより熱および振動に対して敏感なマスタ光源を分散的な箇所に配置することができ、他方、そのパルスとその際に伝搬される出力との配分は単一モードファイバおよび／または細い多モードファイバを介して行うことができる。マスタ光源はこれによって機械的に（振動および温度に関して）シリンダから絶縁され、他方、シリンダには遥かに堅牢な増幅器（たとえばモノリシックバーまたは結晶板）を配することができる。

さらに、少なくとも１つの増幅器は光パルスないしレーザパルスのエネルギーレベルを０．５ｍＪ（ミリジュール）〜１０ｍＪ―好ましくは１ｍＪ〜５ｍＪ―に増幅するのが特に好適である。

光増幅および／またはレーザ活性の、好ましくはフレキシブルな光ファイバを増幅器として使用する場合には、該ファイバが好ましくはコイル状に巻かれた区間を有しているのが特に好適である。これにより、増幅に必要とされる長さの光増幅―好ましくはフレキシブルな―光ファイバを全体としてコンパクトな形にまとめることができる。

好適な実施形態において、少なくとも１つの光増幅好ましくはレーザ活性光導体および／または少なくとも１つの光増幅好ましくはレーザ活性モノリシックバーおよび／または少なくとも１つの光増幅好ましくはレーザ活性結晶板に作用する少なくとも１つの励起可能なポンピング光源が設けられている。この場合、ポンピング光源は縦方向または横方向に好ましくはグラスファイバを介して光増幅ないしレーザ活性材料と連結することが可能である。

好適な実施形態においてポンピング光源は半導体レーザである。したがってＮｄ用にたとえば波長８００ｎｍの準連続波レーザダイオードを使用することができる。これらの実施形態において励起は各個のシリンダにつき必要に応じ、放出持続時間が好ましくは１５０〜２００ｍｓのたとえば準連続波レーザダイオードへの給電を経て行われる。

本発明のその他の特徴ならびに詳細を以下に図面を参照して説明する。図１にはグラスファイバ中継線の空間的配分が示されている。マスタ光源１は自由回転しながらグラスファイバ中継線システム２に光パルス８を供給する。この場合、たとえば光パルスないしレーザパルス８はたとえば５ｋＨｚのクロック周波数でマスタ光源１から送出される。光パルス８は、グラスファイバ２とそれらの分岐・合流器（カプラ）３とから成る伝送装置を通り、ほとんどが増幅されずに、増幅器４と入射光学系７とを通ってそれぞれのシリンダ５に達する。マスタ光パルス８が増幅されずにシリンダ５に達する場合には、そのエネルギーはその時々にシリンダ５の燃焼室１４内に存在する燃料・空気−混合気に点火するには十分なものではない。これによってミスファイアが回避される。

図２はピストン６を有したシリンダ５の詳細を示したものである。シリンダ５には入射光学系７を有した増幅器４が取り付けられており、増幅器４から発するレーザパルスは入射光学系７を通ってシリンダ５の燃焼室１４に入射される。増幅器４は光増幅材料ないしレーザ活性材料１５たとえばモノリシックバーまたは結晶板を有しているのが好適である。増幅器４のこのレーザ活性材料はポンピング光源１３（たとえばＮｄ用には約８００μｍの準連続波レーザダイオード）によって縦または横（本例に図示）にポンピングされる。増幅器の励起はポンピング光源１３（ここでは準連続波レーザダイオード）の給電系（ここでは不図示）を経て行われる。準連続波レーザダイオードの典型的な放出持続時間は１５０〜２００ｍｓである。レーザ活性材料１５は入射光学系７、グラスファイバ２および／またはポンピング光源１３とグラスファイバ１６を介して連結されているのが好適である。

増幅器４における光増幅材料ないしレーザ活性材料１５によるマスタ光パルスの増幅方法を図３に基づいて説明する。図３は入射光学系７を経てそれぞれのシリンダ５の燃焼室１４に入射された光パルスないしレーザパルスのエネルギーＥを時間ｔと相関させて示したグラフである。図３に示したように時間的経過は以下のように述べることができる。

好ましくは５ｋＨｚの周波数でマスタ光パルス８は、グラスファイバ２と分岐・合流器（カプラ）３とから成る伝送装置を通って増幅器４に向かい、増幅器とその入射光学系７とを経てほぼ常に増幅されずにシリンダ内に達するが、この場合、無増幅の形の該パルスはシリンダ内で点火を起こさない。時間幅１０にて増幅器４の光増幅材料ないしレーザ活性材料１５が２００ｍｓまでの適正な前駆時間でポンピングされると、次のマスタ光パルス８はポンピングされたエネルギー１１によって適切な増幅を受けるため、これによって、燃焼室１４内の圧縮された燃料・空気−混合気の点火に至る総点火パルス９が形成される。したがって、ポンピングとともに点火パルス９の励起もポンピング光源１３の（ここでは不図示の）給電系を経て行われる。換言すれば、２つのマスタ光パルス８間の時間幅１０の間にポンピングによって増幅器４の光増幅材料ないしレーザ活性材料１５に十分なエネルギーが蓄積されて初めて各シリンダにつき点火可能な光パルスないしレーザパルス９が形成されることになる。光増幅材料ないしレーザ活性材料１５に十分なエネルギーが蓄積されていると、次のマスタ光パルス８が増幅されて点火パルス９が形成される。点火時点（点火角）の決定に際する所要の精度は約０．２ｍｓ（ミリ秒）〜１ｍｓ好ましくは約０．５ｍｓである。個々のシリンダに点火パルス９（点火角）が発生する点火時点は図３にも示したように時間的に等しく分布しているわけではない。個々のシリンダの点火時点の時間的不均等分布に代わる十分精細な時間的分布はマスタ光パルス８の十分高い繰返し周波数（ここでは５ｋＨｚ）によって保証される。この場合、放射品質はマスタ光源ならびに、グラスファイバ中継線２と分岐・合流器３とから成る伝送装置によって決定される。増幅器４が放射品質に影響することはほとんどなく、これは破壊防止に寄与することとなる。

図４は増幅器４の別途構造を示したものである。この場合、光増幅材料ないしレーザ活性材料は好ましくはコイル状に巻かれた―好ましくはフレキシブルな、光増幅ないしレーザ活性―光ファイバとして形成されている。このコイル状光ファイバ１２もまたポンピング源１３によってポンピングされる。増幅器４の励起とともに点火パルス９の形成もまたポンピング源１３への給電によって行われる。図４に示した構造の場合にあっても時間励起されるマスタ光パルス８の増幅の基本原理は図３に示したものと同じである。

マスター光源と伝送装置とシリンダとから成るシステムを示した図である。 シリンダに配された増幅器システムの詳細図である。 マスター光パルスと増幅器ポンピング放射との時間的順序とエネルギーの重なり合いとを示した図である。 好ましくはコイル状に巻かれた光増幅ないしレーザ活性光ファイバとしての増幅器の実施形態を示した図である。

Claims (19)

1. 少なくとも１つのマスタ光源と、光伝送装置と、光を燃焼室に収束させるための入射光学系とを有し、それ自体としては点火力のないマスタ光パルス（８）を周期的に放出する少なくとも１つのマスタ光源（１）が設けられ、前記光伝送装置（２，３，４，７）は少なくとも１つの増幅器（４）を含み、該増幅器は個々のまたは一群のマスタ光パルス（８）を選択して励起することができ、該マスタ光パルス（８）を燃料・空気−混合気の点火に十分なエネルギーレベル（９）に増幅することを特徴とする内燃機関とくに定置ガス機関の燃焼室内の燃料・空気−混合気に点火するための装置。
2. マスタ光源（１）はレーザであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. レーザはダイオードポンプおよび／または受動Ｑスイッチおよび／または能動Ｑスイッチ―固体レーザであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 固体レーザはＹｂレーザおよび／またはＮｄレーザ―であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 固体レーザはＣｒ４＋可飽和吸収体を用いたＮｄレーザ―であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. マスタ光源（１）は１〜２５ ｋＨｚの繰返し周波数で光パルスないしレーザパルス（８）を送出することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
7. マスタ光源（１）は５ ｋＨｚの繰返し周波数で光パルスないしレーザパルス（８）を送出することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
8. マスタ光源（１）はパルス持続時間１ ｎｓ〜５００ ｎｓの光パルスないしレーザパルスを送出することを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置。
9. マスタ光源（１）はパルス持続時間１００ ｎｓ〜３００ ｎｓの光パルスないしレーザパルスを送出することを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置。
10. 使用される光の波長は０．５μｍ〜２０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の装置。
11. 使用される光の波長は０．５μｍ〜５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の装置。
12. 伝送装置の少なくとも１つの増幅器（４）は少なくとも１つの光増幅であるフレキシブルな光ファイバーを含んでいることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の装置。
13. 伝送装置の少なくとも１つの増幅器（４）は少なくとも１つの光増幅であるレーザ活性―モノリシックバー（１５）および／またはレーザ活性―結晶板（１５）を含んでいることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の装置。
14. 少なくとも１つの増幅器（４）は光パルスないしレーザパルスのエネルギーレベルを０．５ ｍＪ〜１０ ｍＪに増幅することを特徴とする請求項１２または１３のいずれかに記載の装置。
15. 少なくとも１つの増幅器（４）は光パルスないしレーザパルスのエネルギーレベルを１ ｍＪ〜５ ｍＪに増幅することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 光増幅および／またはレーザ活性のフレキシブルな光ファイバ（１２）において、該ファイバはコイル状に巻かれた１区間を有することを特徴とする請求項１２、１４、及び１５のいずれかに記載の装置。
17. 少なくとも１つの光増幅であるレーザ活性光導体（１２）、レーザ活性モノリシックバー（１５）およびレーザ活性結晶板（１５）の少なくとも１つに作用する励起可能なポンピング光源（１３）が設けられていることを特徴とする請求項１２から１６までのいずれか１項に記載の装置。
18. ポンピング光源（１３）は半導体レーザであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 複数のシリンダ（５）用にそれぞれ単一の共通マスタ光源（１）が設けられ、光伝送装置（２，３，４，７）はマスタ光パルスのエネルギーレベルを選択的に励起可能な増幅器（４）にマスタ光（８）を配分するため１つまたは複数の分岐器（３）を有することを特徴とする請求項１から１８までのいずれか１項に記載の多気筒内燃機関用装置。

Images