JP5086341B2 - 点火装置の作動方法および点火装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、殊に自動車の内燃機関のための点火装置の作動方法に関する。この点火装置はレーザ装置を有しており、レーザ装置は、受動的なＱスイッチを伴うレーザ活性固体並びに、この受動的なＱスイッチの後方に接続されている光学的な増幅器とを有している。さらにこのレーザ装置は、燃焼室内に放射されるレーザパルスを生成する。点火装置はさらにポンピング光源を有しており、このポンピング光源はレーザ活性固体に対して、およびレーザ装置の光学的な増幅器に対してポンピング光を供給する。

本発明はさらに、この種の点火装置に関する。

冒頭に記載した作動方法ないし相応する点火装置が公知であり、殊に、自動車領域における内燃機関のレーザベースの点火システムにおいて使用される。しかし受動的なＱスイッチを有する公知の点火装置は、殊に１つのポンピング光源を使用して、可変の出力エネルギーを有するレーザパルスを生成することができない。レーザを有する点火装置はＤＥ１９９１１７３７号から公知である。

発明の開示
これに相応して本発明の課題は、冒頭に記載した様式の作動方法および相応する点火装置を従来のものに対して改善して、柔軟に操作可能であり、殊に可変の出力エネルギーを有するレーザパルスを放射するようにすることである。

上述の課題は、冒頭に記載した様式の作動方法において、本発明と相応に、次のことによって改善される。すなわち、レーザパルスのエネルギーが制御されることによって改善される。これは、ポンピング光の波長が変えられることによって行われる。

本発明と相応に、ポンピング光の波長を変えることによって、レーザ活性固体ないし光学的増幅器内の吸収長が相応に変化する。すなわち、ポンピング光の波長が異なる場合には、相応に変化されている吸収割合に基づいて、ポンピング光によって、それぞれ１つの異なるエネルギー量がレーザ活性固体ないし光学的増幅器に出力される。これはそれ自体公知の方法によって反転分布を引き起こす。

しかし受動的にＱスイッチ接続された（guetegeschalteten）発振器のレーザ活性固体に供給されるポンピング光エネルギーのこのようにして生じた変化は、内部で形成されたレーザパルスのエネルギーには作用を及ぼさない。レーザ活性固体内に形成されたレーザパルスのエネルギーは実質的には単独で、固体の材料の選択、受動的なＱスイッチの特性、取り出しミラーの特性並びにレーザ活性固体のポンピング光が印加される体積の特性によって定められる。これらのパラメータは一般に構造的に固定されており、殊にダイナミックには変更されない。

しかし、光学的増幅器に供給される、ポンピング光波長を変えることによって変えられたポンピング光エネルギー量は、光学的な増幅器内で形成される反転分布の程度に作用を及ぼす。従って、レーザ装置によって燃焼室内に吹きつけられる前に、ポンピング光波長に依存して、有利には、レーザ活性固体内の発振器内で形成されるレーザパルスのそれぞれ異なる大きさの増幅が可能である。従って、光学的な増幅器による光学的な増幅の程度は直接的に、使用されているポンピング光の波長に依存する。これは、相応に増幅されたレーザパルスのエネルギーと同様である。

本発明の別の有利な構成は従属請求項に記載されている。

本発明の別の利点、用途および利点は、図示されている、本発明の実施例の以下の説明に記載されている。ここで、全ての上述されたまたは図示された特徴はそれ自体で、または任意の組み合わせで、本発明の構成要件を成す。これは特許請求の範囲におけるその組み合わせまたは従属関係に依存せず、さらに、明細書ないし図面における表現ないし説明にも依存しない。

図面の簡単な説明
図１は、本発明の点火装置を有する内燃機関の概略的な図面であり、
図２は、本発明の点火装置の実施例の詳細な図面であり、
図３は、長さにわたって示された、本発明による点火装置のレーザ活性固体および光学的な増幅器内のポンピング光の吸収の概略的な経過特性を概略的に示すダイヤグラムである。

発明の実施形態
図１において内燃機関には全体として参照番号１０が付与されている。内燃機関は図示されていない自動車の駆動に用いられる。内燃機関１０は複数のシリンダを有しており、これらのうちの１つだけが図１に、参照番号１２で示されている。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限されている。燃料は燃焼室１４内に直接的にインジェクター１８を通って達する。ここでこのインジェクターはレールないしはコモンレールとも称される燃料畜圧部２０に接続されている。

燃焼室１４内に噴射された燃料２２はレーザパルス２４によって点火される。ここでこのレーザパルスはレーザ装置２６を有する点火装置２７によって、燃焼室１４内に噴射される。このためにレーザ装置２６には導光装置２８を介してポンピング光が供給される。このポンピング光はポンピング光源３０から供給される。ポンピング光源３０は開ループ制御および閉ループ制御装置３２によって制御される。これはインジェクター１８も制御する。

例えば、ポンピング光源３０は半導体レーザダイオードである。これは制御電流に依存して、相応のポンピング光を導光装置２８を介してレーザ装置２６に出力する。半導体レーザダイオードおよび別の小さく構成されたポンピング光源が、自動車領域内で有利に使用されるが、本発明による点火装置２７の作動には基本的には、ポンピング光の波長が調整可能なあらゆる種類のポンピング光源が使用可能である。

図２は、図１に示されたレーザ装置２６の細部の図が概略的に示されている。

図２から分かるように、レーザ装置２６はレーザ活性固体４４を有している。このレーザ活性固体には、Qスイッチとも称される受動的な回路４６が光学的に後方に配置されている。レーザ活性固体４４はここで、この受動的なQスイッチ４６並びに、図２においてその左側に配置された入力結合ミラー４２並びに取り出しミラー４８とともに、レーザ発振器を構成する。このレーザ発振器の振動特性は受動的なQスイッチ４６に依存しており、少なくとも間接的にそれ自体公知の方法で制御可能である。

図２に示されたレーザ装置２６の構造ではポンピング光６０は、既に図１を参照して説明された導光装置２８によって、同じように既に説明されたポンピング光源３０から、ここで両凸レンズ４０によってあらわされている入力結合レンズに導かれる。これはポンピング光６０を入力結合ミラー４２に結束させる。入力結合ミラー４２は、ポンピング光６０の波長を通過させるので、ポンピング光６０はレーザ活性固体４４内に入り込み、その内部で、それ自体公知の反転分布を生じさせる。

受動的なＱスイッチ４６が、比較的僅かな伝達係数を有している静止状態にある間、レーザ活性固体４４ないしは入力結合ミラー４２と取り出しミラー４８とによって制限されている固体４４、４６内のレーザ作動が回避される。しかしポンピング持続時間が増大するとともに、レーザ発振器４２、４４、４６、４８内の放射強度も上昇する。従って、受動的なＱスイッチ４６が退行する。すなわちその伝達係数が上昇し、レーザ発振器４２、４４、４６、４８内のレーザ作動が始まる。

このようにして、ジャイアントパルスとも称されるレーザパルス２４が生じる。これは比較的高いピーク出力を有している。レーザパルス２４は、場合によっては別の導光装置を用いて、または、直接的に図示されていない、レーザ装置２６の燃焼室窓を通じて、内燃機関１０の燃焼室１４（図１）内に入力結合される。従って、その中にある燃料２２が点火される。

付加的に本発明の点火装置ではさらに、レーザ活性固体４４内で形成されたレーザパルスの光学的な増幅が、後方に接続された光学的な増幅器７０によって行われる。その後、レーザパルス２４が燃焼室１４内に放射される。受動的なＱスイッチ４６がレーザ発振器４２、４４、４６、４８内のレーザ作動、ひいてはレーザパルスの形成を許可するとすぐに、光学的な増幅器７０は、レーザ活性固体４４と同様に、ポンピング光源３０のポンピング光６０によってポンピングされ、この光学的な増幅器７０内でも、レーザパルスの増幅に使用される反転分布が形成される。光学的な増幅器７０のポンピングは図２の構成では、事前にコンポーネント４４、４６を通るポンピング光６０によって行われる。

特に有利には、点火装置２７に対する本発明の作動方法では、使用されているポンピング光６０の波長が変えられる。これによって、レーザパルスのエネルギー、ひいては燃焼室１４に供給されるビームエネルギーが制御される。

調査によって、ポンピング光６０の変化した波長に基づいて、レーザ活性固体４４ないしは受動的なＱスイッチ４６および光学的な増幅器７０内で、ポンピング光６０に対する別の吸収特性が生じることが示されている。すなわち、該当する固体４４、４６、７０によって受容される、ポンピング光６０からのビームエネルギーはポンピング光６０の波長に依存する。

これによって、レーザ活性固体４４内で場合によっては、レーザパルスの生成に必要なポンピング持続時間が変化する。なぜなら、レーザ活性固体４４ないしは受動的なＱスイッチ４６におけるポンピング光の内の変化した放射ないし吸収に基づいて、反転分布の時間特性ひいてはレーザ作動の振動が変化し、ポンピング光６０の波長に依存して生じる、光学的増幅器７０の反転分布における変化が、光学的増幅器７０を通るレーザパルス２４の相応に異なった増幅も生じさせるからである。

すなわち、ポンピング光６０の波長の変化はレーザ発振器４２，４４、４６、４８によって生成されるレーザパルスないしはそのエネルギーに作用を及ぼさない。しかし、それによって光学的な増幅器７０もポンピングされるポンピング光６０の波長の変化は、光学的な増幅器７０内での反転分布の程度、ひいては通過するレーザパルスを増幅するために供給されるエネルギーに作用を及ぼす。

このような状況を以下で、図３を参照してより詳細に説明する。

ポンピング光６０の第１の波長の場合には、例えば図３において参照符号Ａであらわされている吸収曲線が生じる。この吸収曲線は、ポンピング光６０の放射方向において測定された場所座標ｘにわたったポンピング光６０の相対的な吸収をあらわしている。ポンピング光６０の放射方向は図２において、例えば左から右へと延在している。すなわち、ポンピング光６０はまず、レーザ活性固体４４内に生じ、その後、受動的なＱスイッチ４６において、最後に光学的な増幅器７０内に生じる。

図３における吸収ダイヤグラムの上方には概略的にレーザ活性固体４４、受動的なＱスイッチ４６およびその後に配置された光学的な増幅器７０も図示されている。しかしここでは、図２に示された構造とは異なり、分かりやすくするために、受動的なＱスイッチ４６と光学的な増幅器７０との間に、すなわち、場所的な座標ｘ０、ｘ１の間に隙間が設けられている。

図３からわかるように、曲線Ａに従ったポンピング光６０の相対的な吸収は、第１の波長の場合には、コンポーネント４４、４６において約８０％であり、これは値ａ＿２によって示されている。これに相応して、後ろに配置された光学的な増幅器７０におけるポンピング光６０の相対的な吸収のために僅かに約２０％が残されている。この場合には、光学的な増幅器７０によって、レーザパルス２４の比較的僅かな増幅が行われる。

ポンピング光６０に対して調整された第２の波長では、同じように、図３に示された曲線Ｂが得られる。ここでは、曲線Ａに対して完全に異なる吸収経過特性が示されており、コンポーネント４４、４６内には、ポンピング光エネルギーの約５０％のみの相対的な吸収が生じている。これは値ａ＿１によって示されている。すなわちポンピング光６０のこの第２の波長では、レーザ装置２６内に放射されるポンピングエネルギーの約５０％が光学的増幅器７０のポンピングのために残されている。従って、曲線Ａの状況と比較すると、格段に大きい増幅が光学的増幅器７０によって得られる。従って第２の波長のポンピング光６０によるポンピングのもとでは、ポンピング光６０に対して第１の波長が使用される場合よりも、大きいエネルギーのレーザパルス２４が得られる。

図３に示された別の曲線Ｃでは、ポンピング光６０の波長は次のように選択されている。すなわち、ポンピング光６０の相対的な吸収がコンポーネント４４、４６において僅か２５％であるように選択される（値ａ＿０を参照）。この場合にはポンピング光エネルギーの約７５％が、光学的増幅器７０のポンピングのために残る。これは、その内部を通過するレーザパルスの相当に大きい増幅を起こすことができる。

全体的に、ポンピング光６０に対する異なる波長を本発明と相応に選択することによって、一方ではコンポーネント４４、４６の、他方では光学的増幅器７０へのポンピングエネルギーの所定の分布が得られる。従って、比較的容易に実現される、ポンピング光６０の波長変化によって、有利には光学的増幅器７０の増幅、ひいては最終的にはレーザパルス２４のエネルギーが調整される。半導体レーザダイオードとして構成されたポンピング光源３０の場合には、ポンピング光６０の波長は例えば有利には、半導体レーザダイオードの温度の調整によって変えられる。

特に有利には、本発明の方法を用いる場合には、異なるエネルギーを有するレーザパルス２４を生成するために、ポンピング光源３０が１つのみ必要とされる。

本発明の特に有利な実施形態では、光学的増幅器７０はポンピング光源３０ないしはその導光体２８に関して、レーザ活性固体４４ないしはその受動的なＱスイッチ４６の後方に次のように配置されている。すなわち、この増幅器に有利には、レーザ活性固体４４および／または受動的なＱスイッチ４６を通過した、ポンピング光源３０のポンピング光のみが供給されるように配置されている。この場合には、ポンピング光６０が特に効果的に利用されることが保証される。

ポンピング光６０の放射方向ｘ（図３を参照）に沿ったレーザ活性固体４４および／または受動的なＱスイッチ４６の長さは、有利には次のように選択されている。すなわち、使用されている波長の少なくとも一部に対するポンピング光６０が既に、レーザ活性固体４４および／または受動的なＱスイッチ４６において完全に吸収されず、ポンピング光６０の少なくとも一部が光学的な増幅器７０に達し、そこで反転分布が形成されるように、選択されている。

本発明に相応して、ポンピング光源ないしは入力結合ミラー４０に関してコンポーネント４４、４６、７０を直列配置することによって一方では非常に小さい構造が実現され、他方では有利には、レーザパルスを迅速に生成するために、レーザ活性固体４４内のポンピング光６０を最大限に利用することができる。

本発明による方法の別の非常に有利な実施形態は、有利には周期的に、可能な最大エネルギーを有するレーザパルス２４が生成され、これによってレーザ装置２６の燃焼室窓が掃除されるということを特徴とする。

しかし特に有利には、可能な最大エネルギーを伴うレーザパルスは次の場合にのみ生成される。すなわち、今後の動作周期のための点火可能な空気／燃料混合気が燃焼室１４内に存在しない場合にのみ生成される。これによって故意でない点火が回避される。

非常に有利には次のことが本発明の作動方法によって可能である。すなわち、レーザパルス２４のエネルギーを作動状態、殊に内燃機関１０の作動点に依存して調整することが可能である。これによって例えば常に、空気／燃料混合気の点火に必要な最小の点火エネルギーが供給される。従って、本発明の点火装置２７のエネルギー節約型の作動が可能になる。この場合の別の利点は、レーザ装置２６の燃料室窓に不必要に、レーザパルス２４の高いビーム出力が加えられないことである。これは有利には燃焼室窓の寿命に影響を与える。

異なる波長のポンピング光６０を使用することによる、レーザ活性固体４４へのポンピング光の印加の開始と、レーザ作動の開始ないしはレーザパルス２４との生成の間の異なる待ち時間（Latenzzeit）を考慮するために、場合によっては、ポンピング光源３０から放出されるビーム出力が変えられる。例えば、コンポーネント４４、４６内で吸収されるポンピング光６０が比較的少ない、ポンピング光６０の第１の波長の場合には（図３に示された曲線Ｃを参照）、ポンピング光源３０の比較的高いビーム出力が調整される。これによって、コンポーネント４４、４６内でのポンピング光６０の吸収が僅かであるにもかかわらず、比較的短い時間でレーザ作動が励起される。コンポーネント４４、４６内でのポンピング光６０の吸収が増大する第２の波長では、ポンピング光６０のビーム出力はこれと相応に低減され、これによって比較可能な待ち時間が得られる。

本発明の原理を、複数のポンピング光源を有するレーザ装置で使用することも可能である。有利にはこれは固定モータでも使用可能である。

本発明の点火装置を有する内燃機関の概略的な図面 本発明の点火装置の実施例の詳細な図面 長さにわたって示された、本発明による点火装置のレーザ活性固体および光学的な増幅器内のポンピング光の吸収の概略的な経過特性を概略的に示すダイヤグラム

Claims (7)

1. 内燃機関（１０）用の点火装置（２７）の作動方法であって、
   当該点火装置は、
   レーザ装置（２６）と、
   ポンピング光源（３０）とを有しており、
   前記レーザ装置は、受動的なＱスイッチ（４６）を備えたレーザ活性固体（４４）並びに、当該受動的なＱスイッチ（４６）の後に配置されている光学的な増幅器（７０）を有しており、前記内燃機関（１０）の燃焼室（１４）内への放射のためにレーザパルス（２４）を生成し、
   前記ポンピング光源（３０）は、ポンピング光（６０）をレーザ装置（２６）のレーザ活性固体（４４）と光学的な増幅器（７０）のために供給する形式の方法において、
   前記レーザパルス（２４）のエネルギーを、前記内燃機関の作動状態に依存して制御し、当該制御を前記ポンピング光（６０）の波長を変えることによって行い、
   当該ポンピング光（６０）の波長の変化によって、前記ポンピング光（６０）のポンピング光エネルギーが、前記レーザ活性固体（４４）および受動的なＱスイッチ（４６）と、光学的な増幅器（７０）とに所定のように分けられ、
   前記光学的な増幅器（７０）には、前記レーザ活性固体（４４）と前記受動的なＱスイッチ（４６）を吸収されずに通過したポンピング光（６０）のみが供給され、
   前記ポンピング光（６０）の高い吸収が前記レーザ活性固体（４４）および前記受動的なＱスイッチ（４６）内で行われる、前記ポンピング光（６０）の特定の波長では、前記光学的な増幅器（７０）のポンピングのために残っている、前記ポンピング光（６０）のポンピング光エネルギーが相応に小さいので、前記光学的な増幅器（７０）は、前記レーザパルス（２４）の小さい増幅を行い、
   前記ポンピング光（６０）の小さい吸収が前記レーザ活性固体（４４）および前記受動的なＱスイッチ（４６）内で行われる、前記ポンピング光（６０）の別の波長では、前記光学的な増幅器（７０）のポンピングのために残っている、前記ポンピング光（６０）のポンピング光エネルギーが大きいので、前記光学的な増幅器（７０）は、前記レーザパルス（２４）の大きい増幅を行う、
   ことを特徴とする、内燃機関用の点火装置の作動方法。
2. ポンピング光源（３０）として半導体レーザダイオードを使用し、前記半導体レーザダイオードの温度を調整することによって、前記ポンピング光（６０）の波長を変える、請求項１記載の方法。
3. 可能な最大エネルギーを有するレーザパルス（２４）を生成して、前記レーザ装置（２６）の燃焼室窓を清掃する、請求項１または２項記載の方法。
4. 可能な最大エネルギーを有するレーザパルス（２４）を周期的に生成して、前記レーザ装置（２６）の燃焼室窓を清掃する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記可能な最大エネルギーを有するレーザパルス（２４）を、今後の動作周期のための点火可能な空気／燃料混合気が燃焼室（１４）内に存在しない場合にのみ生成する、請求項３または４記載の方法。
6. 内燃機関（１０）用の点火装置であって、
   レーザ装置（２６）と、
   ポンピング光源（３０）とを有しており、
   前記レーザ装置は、受動的なＱスイッチ（４６）を備えたレーザ活性固体（４４）並びに、当該受動的なＱスイッチ（４６）の後に配置されている光学的な増幅器（７０）を有しており、燃焼室（１４）内への放射のためにレーザパルス（２４）を生成し、
   前記ポンピング光源（３０）は、ポンピング光（６０）をレーザ装置（２６）のレーザ活性固体（４４）と光学的な増幅器（７０）のために供給する形式のものにおいて、
   前記点火装置は、開ループ制御および閉ループ制御装置（３２）を有しており、当該開ループ制御および閉ループ制御装置（３２）は、前記レーザパルス（２４）のエネルギーを、前記内燃機関の作動状態に依存して制御し、当該制御を前記ポンピング光（６０）の波長を変えることによって行い、
   当該ポンピング光（６０）の波長の変化によって、前記ポンピング光（６０）のポンピング光エネルギーが、前記レーザ活性固体（４４）および受動的なＱスイッチ（４６）と、光学的な増幅器（７０）とに所定のように分けられ、
   前記光学的な増幅器（７０）には、前記レーザ活性固体（４４）と前記受動的なＱスイッチ（４６）を吸収されずに通過したポンピング光（６０）のみが供給され、
   前記ポンピング光（６０）の高い吸収が前記レーザ活性固体（４４）および前記受動的なＱスイッチ（４６）内で行われる、前記ポンピング光（６０）の特定の波長では、前記光学的な増幅器（７０）のポンピングのために残っている、前記ポンピング光（６０）のポンピング光エネルギーが相応に小さいので、前記光学的な増幅器（７０）は、前記レーザパルス（２４）の小さい増幅を行い、
   前記ポンピング光（６０）の小さい吸収が前記レーザ活性固体（４４）および前記受動的なＱスイッチ（４６）内で行われる、前記ポンピング光（６０）の別の波長では、前記光学的な増幅器（７０）のポンピングのために残っている、前記ポンピング光（６０）のポンピング光エネルギーは大きいので、前記光学的な増幅器（７０）は、前記レーザパルス（２４）の大きい増幅を行う、
   ことを特徴とする、内燃機関の点火装置。
7. 前記ポンピング光（６０）の放射方向に沿った前記レーザ活性固体（４４）または受動的なＱスイッチ（４６）の長さは、前記ポンピング光（６０）の使用されている波長の少なくとも一部に対する前記ポンピング光（６０）が、前記レーザ活性固体（４４）または受動的なＱスイッチ（４６）において既に完全に吸収されないように選択されている、請求項６記載の装置。

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