JP5409815B2 - レーザ点火プラグ - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、レーザ点火プラグ、特に自動車の内燃機関のためのレーザ点火プラグに関する。

この種のレーザ点火プラグは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０１８９７３号明細書において公知である。この公知のレーザ点火プラグは、組み込まれた副室アッセンブリを有している。副室アッセンブリにおいて、副室は、レーザ点火プラグのハウジングと一体的に形成されている。この場合の欠点は、公知のアッセンブリの１つの部品が機能しなくなっただけで、常に、レーザ点火プラグ全体を、組み込まれた副室とともに交換しなければならない点にある。特に定置式の大型ガスエンジンでの使用時、副室の寿命は、堆積物その他磨耗の結果、やはりレーザ点火プラグに組み込まれたレーザ部品の寿命よりも短い場合がある。このような場合、公知のシステムでは、それ自体はまだ機能可能なレーザアッセンブリが、既に使い古された組み込まれた副室アッセンブリと一緒に交換され、廃棄されなければならない。このことは、特にレーザアッセンブリの、副室部品に比べて遙かに高い製造コストに基づいて非経済的である。

発明の概要
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べたレーザ点火プラグを改良して、よりフレキシブルな使用が可能であると同時に、従来慣用のシステムの欠点が回避されるようにすることである。

この課題は、冒頭で述べたレーザ点火プラグにおいて、本発明により、レーザ点火プラグの燃焼室寄りの端部領域に、レーザ点火プラグと副室モジュールとの結合を可能にする結合手段が設けられていることにより解決される。すなわち、本発明に係るレーザ点火プラグ、特に自動車の内燃機関のためのレーザ点火プラグは、該レーザ点火プラグの燃焼室寄りの端部領域に、該レーザ点火プラグと副室モジュールとの結合を可能にする結合手段が設けられていることを特徴とする。好ましくは、前記結合手段は、前記レーザ点火プラグと前記副室モジュールとの解離可能な結合を可能にするように形成されている。好ましくは、前記結合手段は、前記レーザ点火プラグと前記副室モジュールとのねじ結合及び／又はプレスばめ及び／又は係止結合を可能にするように形成されている。好ましくは、前記結合手段が、前記レーザ点火プラグの長手方向軸線に対して略同軸的に延在する有利には管状の固定区分を有しており、該固定区分は、有利には、前記レーザ点火プラグのハウジングと一体的に形成されている。好ましくは、前記固定区分が、雌ねじ山及び／又は雄ねじ山を備える。また、本発明に係るレーザ点火プラグのための副室モジュールは、該副室モジュールが、前記レーザ点火プラグの前記結合手段と協働するように形成されている結合手段を備えることを特徴とする。好ましくは、前記副室モジュールの前記結合手段が雄ねじ山及び／又は雌ねじ山を備える。好ましくは、前記副室モジュールが、高い熱伝導性を有する材料、特に黄銅を有する、かつ／又は例えば銅及び鋼を含む複合材料を有する。好ましくは、前記副室モジュールが、連行輪郭、有利には外側に配置された連行輪郭、特に六角形の輪郭を有する。好ましくは、前記連行輪郭が、前記副室モジュールの燃焼室寄りの端部領域に配置されている。好ましくは、前記副室モジュールが、前記副室モジュールの内部領域と外部領域との間の流体接続を可能にする少なくとも１つのオーバーフロー通路を備える。好ましくは、前記副室モジュールが、組み込まれた光学部品、特に燃焼室窓を備える。また、本発明に係るレーザ点火プラグは、少なくとも１つの本発明に係る副室モジュールを備えることを特徴とする。好ましくは、少なくとも１つの光学部品、特に燃焼室窓が、前記副室モジュールと前記レーザ点火プラグの燃焼室寄りの端部領域との間の結合手段の領域に配置可能であり、前記副室モジュールにより前記レーザ点火プラグに対して固定可能である。

レーザ点火プラグの本発明に係る構成は、本発明における結合手段により有利には比較的後の製造段階において初めてレーザ点火プラグに結合可能な別体の副室モジュールを設けることを可能にする。

これにより、一方では、副室を備える点火プラグを製造するに際して、例えば種々異なるタイプの副室モジュールが本発明に係るレーザ点火プラグに結合可能であるので、有利には広い自由度が提供されている。このような結合は、解離可能又は解離不能に形成されていてよい。

しかし、本発明に係るレーザ点火プラグの特に有利な態様では、結合手段は、レーザ点火プラグと副室モジュールとの解離可能な結合を可能にするように形成されている。この場合、有利には、レーザ点火プラグの製造プロセスの終了後に、副室モジュールをレーザ点火プラグに結合し、必要とあれば、再びレーザ点火プラグから分離することも可能である。これにより、特に、副室モジュールの磨耗限界の到達時に、副室モジュールを非破壊にレーザ点火プラグから分離し、副室モジュールだけを廃棄することが可能である。依然として機能正常な、レーザアッセンブリを備えるレーザ点火プラグは、有利には、再使用可能であり、このために、例えば本発明における結合手段を介して新品の副室モジュールに結合可能である。

副室モジュールのこの種の交換は、本発明における結合手段に基づいて、レーザ点火プラグあるいはレーザ点火プラグを備える内燃機関の従来慣用のメンテナンスの枠内で簡単に可能である。

本発明に係るレーザ点火プラグの別の極めて有利な態様では、結合手段は、レーザ点火プラグと副室モジュールとのねじ結合及び／又はプレスばめ及び／又は係止結合を可能にするように形成されている。この態様は、副室モジュールの特に簡単な交換性を保証する。

レーザ点火プラグと、交換可能な副室モジュールとの間の特に安定な機械結合は、本発明の別の有利な態様において、結合手段が、レーザ点火プラグの長手方向軸線に対して略同軸的に延在する有利には管状の固定区分を有しており、固定区分は、有利には、レーザ点火プラグのハウジングと一体的に形成されていることにより提供されている。

固定区分は、例えば雌ねじ山及び／又は雄ねじ山を有していてよい。その結果、副室モジュールは、固定区分内に配置されるか、又は袋ナットの形態でレーザ点火プラグの固定区分に被さるように螺合されることができる。

さらに、同時に複数の副室モジュールを設け、複数の副室モジュールのうちの第１の副室モジュールを例えば固定区分の雌ねじ山により管状の固定区分内に配置し、第２の副室モジュールを袋ナットとして固定区分の雄ねじ山に螺合させることも可能である。こうして、多段の副室アッセンブリが達成可能である。

副室モジュールの固定に対して択一的又は補足的に、例えば光学部品、例えば燃焼室窓又は集光光学系が、レーザ点火プラグの結合手段と協働する適当な結合手段を有している場合、管状の固定区分内に螺入されてもよい。

本発明の課題の別の解決手段として、請求項６記載の副室モジュールが提示されている。本発明に係るレーザ点火プラグのための副室モジュールは、レーザ点火プラグの結合手段と協働するように形成されている結合手段を有している。この結合手段は、特に、雌ねじ山若しくは雄ねじ山並びに／又はプレスばめ及び／若しくは係止結合を形成する手段であってよい。

本発明に係る副室モジュールの別の有利な態様では、副室モジュールが、高い熱伝導性を有する材料、特に黄銅を有する。択一的又は補足的には、例えば銅及び鋼を含む複合材料が用いられてもよい。前述の材料の１つから副室モジュールを均質に形成することも可能である。副室モジュールのための本発明における材料選択は、有利には、熱導出あるいは熱分布の改善をもたらすので、特に、副室モジュールの燃焼室側の表面温度は低下する。これにより、制御不能なグロー点火の危険は減少する。

本発明に係る副室モジュールの特に簡単な組立あるいは交換は、本発明の別の態様によれば、副室モジュールが、連行輪郭、有利には外側に配置された連行輪郭、特に六角形の輪郭を有することにより可能である。

連行輪郭は、有利には、副室モジュールの燃焼室寄りの端部領域に配置されていてよい。

本発明に係る副室モジュールの別の極めて有利な態様では、副室モジュールの内部領域と外部領域との間の流体接続を可能にする少なくとも１つのオーバーフロー通路が設けられている。

一般に孔により実現されるオーバーフロー通路に対して択一的又は補足的に、本発明に係る副室モジュールは、副室モジュールの内部と、内燃機関の、副室モジュールを取り巻く燃焼室との間の流体交換を可能にする別の開口を有していてもよい。

本発明に係る副室モジュールは、有利には、組み込まれた光学部品、例えば犠牲窓（Ｏｐｆｅｒｆｅｎｓｔｅｒ）として形成される燃焼室窓を有していてもよい。これにより、副室モジュールの容易な交換性に基づいて、レーザ点火プラグのための「焼け焦げた」犠牲窓も、特にレーザ点火プラグ内に固定に組み込まれた部品を交換する必要なしに、簡単に交換することができる。さらに、交換可能な犠牲窓は、レーザ点火プラグ内に固定に組み込まれた一次の燃焼室窓の保護機能を高めることができる。

本発明の別の極めて有利な態様では、少なくとも１つの光学部品、特に燃焼室窓が、副室モジュールとレーザ点火プラグの燃焼室寄りの端部領域との間の結合手段の領域に配置可能であり、副室モジュールによりレーザ点火プラグに対して固定可能である。この場合、本発明に係る交換可能な副室モジュールは、同時に、光学部品の保持のための取付手段として役立つ。光学部品の確実な支承のために、本発明のこの態様では、シール手段、例えばシールリングと、光学部品を収容するための適当なマウントとが、結合手段の領域に設けられていてよい。

その他の利点、特徴及び詳細は、図面を参照しながら本発明のそれぞれ異なる実施の形態について説明する以下の説明から看取される。特許請求の範囲及び明細書で述べた特徴は、それぞれ、それ自体単独で又は任意の組み合わせで、本発明にとって本質的なものであり得る。

本発明に係る副室モジュールを備える本発明に係るレーザ点火プラグの第１の実施の形態の部分断面図である。 レーザ点火プラグに結合されている本発明に係る副室モジュールの別の実施の形態を示す図である。 本発明の別の実施の形態を示す図である。 本発明に係る副室モジュールの別の実施の形態の部分断面図である。 図４ａに示した副室モジュールの平面図である。 副室モジュールを備える本発明に係るレーザ点火プラグの別の実施の形態の部分断面図である。 副室モジュールが同時に光学部品をレーザ点火プラグの光路内に固定するためにも用いられる本発明の別の実施の形態を示す図である。

図１は、本発明に係るレーザ点火プラグ１００の部分断面図である。レーザ点火プラグ１００のうち、主に燃焼室寄りの端部領域１００ａのみが図示されている。レーザ点火プラグ１００は、自体公知の形式で内燃機関のシリンダヘッドに螺入される。

レーザ点火プラグ１００は、図示しないレーザ装置を有している。レーザ装置は、高エネルギのレーザパルス２０を供給する。レーザパルス２０は、集光光学系１０５ａにより点火箇所ＺＯに集光され、光学的に集光光学系１０５ａの下流に配置された燃焼室窓１０５ｂを通してレーザ点火プラグ１００から出力される。

副室アッセンブリあるいは前室アッセンブリを実現するために、本発明に係るレーザ点火プラグ１００は、図１に示した副室モジュールあるいは前室モジュール２００を有している。副室モジュール２００は、副室アッセンブリを備える従来慣用のレーザ点火プラグとは異なり、別体の構成部材として形成されており、こうして、例えばレーザ点火プラグ１００の製造後に初めてレーザ点火プラグ１００に結合可能である。

これにより、有利には、ある特定のレーザ点火プラグ１００にそれぞれ異なるタイプの副室モジュール２００を選択的に結合することが可能である。

特に有利には、レーザ点火プラグ１００と副室モジュール２００との間の結合は、着脱自在に形成されている。着脱性は、本発明において、適当な結合手段１１０により達成される。

本実施の形態では、本発明に係るレーザ点火プラグ１００の結合手段１１０は、ねじ結合を実現するように形成されている。このために、結合手段１１０は、レーザ点火プラグ１００の長手方向軸線Ｌに対して略同軸的に延在する有利には管状の固定区分１１１を有している。固定区分１１１は、有利には、レーザ点火プラグ１００の残りのハウジング１０１と一体的に形成されている。

副室モジュール２００は、レーザ点火プラグ１００の結合手段１１０に対して相補的な結合手段、本実施の形態では雄ねじ山を有している。その結果、副室モジュール２００は、簡単にレーザ点火プラグ１００内に螺着可能であり、かつ再びレーザ点火プラグ１００から螺解可能である。

これにより、副室モジュール２００は、例えばレーザ点火プラグ１００のメンテナンスの枠内で個別に交換可能である。交換の際、同時に、比較的高価なレーザアッセンブリを含むレーザ点火プラグ１００全体を一緒に交換する必要はない。この副室モジュール２００の容易な交換性に基づいて、本発明は、特に、定置式の大型ガスエンジンでの利用に適している。これは、副室あるいは前室がこの利用分野では決まってレーザ点火プラグのその他の部品に比べて短寿命であるからである。

さらに、副室モジュール２００の、本発明において可能となる容易な交換性により、レーザ点火プラグ１００は、柔軟にそれぞれ異なる運転条件に適合可能である。例えば、点火したいガスの発熱量（Ｂｒｅｎｎｗｅｒｔ）に応じて、あるいはその都度、このために最適化された副室モジュール２００を選択し、レーザ点火プラグ１００に結合可能である。副室モジュール２００は、例えば副室モジュール２００の幾何学形状並びに／又は副室モジュール２００のオーバーフロー通路２３０の幾何学形状及び個数に関してそれぞれ異なっていてよく、これにより、副室２０１ａから燃焼室２０１ｂへの点火火炎の伝播を調節可能である。こうして、使用される燃料あるいはガスの種類に対するレーザ点火プラグ１００あるいは副室モジュール２００の最適な適合も提供されている。

図１に示した実施の形態では、副室モジュール２００の雄ねじ山が固定領域１１１の雌ねじ山に螺合されている。その結果、解離可能な形状結合（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇｅ Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ：形状による束縛）が生じる。付加的に、形成された副室２０１ａをシールするためのシール手段１１２が設けられている。

図２は、本発明に係るレーザ点火プラグ１００の別の実施の形態を示している。本実施の形態では、本発明に係る副室モジュール２００は、鋼及び銅からなる複合材料を有している。図２から看取されるように、副室モジュール２００の主要な部材２０２は、銅複合材料から製造されている。その結果、最適化された熱伝導が副室モジュール２００内に生成される。これにより、特に、副室モジュール２００の燃焼室側の表面が過度に強く加熱されてグロー着火あるいは自己着火が発生し得るという問題は回避される。

図３は、本発明に係るレーザ点火プラグ１００の別の実施の形態を示している。本実施の形態では、副室モジュール２００が、解離可能なプレスばめ１１３を介してレーザ点火プラグ１００に結合されている。解離可能なプレスばめ１１３は、例えば、レーザ点火プラグ１００のハウジング１０１と副室モジュール２００とのためにそれぞれ異なる材料が使用されることにより実現可能である。

本発明に係る副室モジュール２００は、有利には、組み込まれた光学部品２４０を有していてもよい。光学部品２４０は、本実施の形態では、図３に破線で示した長方形により概略的に示されており、例えば付加的な燃焼室窓として形成されている。

一般に、副室モジュール２００の構成時及びレーザ点火プラグ１００への副室モジュール２００の組付時、混合気がリーンであっても確実なレーザ点火を可能にするために、僅かな流動が支配するにすぎない領域に点火箇所ＺＯ（図１）があるようにすることが望ましい。

さらに、このような構成時、比較的小さなレーザエネルギで効果的に点火することができる。その結果、レーザ装置の領域における手間及びコストが削減される。

図４ａは、本発明に係る副室モジュール２００の別の実施の形態の断面図である。この副室モジュール２００は、本発明に係るレーザ点火プラグ１００に螺入するための雄ねじ山２１０を有している。レーザ点火プラグ１００の燃焼室寄りの端部領域２００ａに配置され、本実施の形態では六角形の輪郭２２０として形成された連行輪郭（Ｍｉｔｎａｈｍｅｐｒｏｆｉｌ）により、容易な取扱性及び組立性が得られる。六角形の輪郭２２０は、特に良好に図４ｂの平面図に看取可能である。

図５は、本発明に係るレーザ点火プラグ１００の別の実施の形態を示している。本実施の形態において、副室モジュール２００は、袋ナットとして形成されており、相応に、レーザ点火プラグ１００に設けられた雄ねじ山に螺合される。レーザ点火プラグ１００自体は、やはり図５に看取可能であるように、副室モジュール２００の小さな容積部分だけが燃焼室２０１ｂに突入しているように、シリンダヘッド３００に螺入されている。

図５に示した構成により、特別に、比較的小さな副室容積を提供する副室アッセンブリが実現される。

図６は、本発明の別の実施の形態を示している。本実施の形態では、副室モジュール２００とレーザ点火プラグ１００との間に光学部品２４０、本実施の形態では燃焼室窓が配置されている。副室モジュール２００は、副室を実現する他に、燃焼室窓２４０をレーザ点火プラグ１００の光路内に機械的に固定するために役立つ。付加的に、シール手段２４０ａ，２４０ｂ、例えばシールリングが、燃焼室窓２４０と部品１００との間及び燃焼室窓２４０と部品２００との間に設けられていてよい。

本発明における結合手段１１０をねじ結合部として形成した場合、レーザ点火プラグ１００への副室モジュール２００の螺入深さにより、提供される副室容積がある範囲内で調節可能であり、副室モジュール２００に対して相対的な点火箇所ＺＯの位置もある範囲内で調節可能である。

本発明に係るレーザ点火プラグ１００は、別の特に有利な実施の形態において、点火箇所ＺＯが例えば図１に示すように副室モジュール２００の燃焼室寄りの端部領域２００ａの内部２０１ａ内にある、すなわち、直接オーバーフロー通路２３０の領域内にあるように構成されている。これにより、略すべての副室容積が、未燃の混合気の過大な部分がオーバーフロー通路２３０を通して燃焼室２０１ｂに押し出されることなしに、効率的に燃焼可能である。

さらに、点火箇所ＺＯが、強い流動あるいは乱流が点火箇所ＺＯの領域に発生しないように選択されていると、特に有利である。これにより、点火の際に形成される火炎核が、理想的には球形に、妨害されることなく成長可能である。これにより、極めてリーンな混合気、例えば大型ガスエンジンにおいて使用される極めてリーンな混合気も、高信頼性に点火可能である。同時に、この場合、比較的小さなレーザエネルギで点火可能である。その結果、レーザ点火に要する手間及びコストは、大幅に軽減される。有利な点火箇所ＺＯは、レーザ点火プラグ１００の長手方向軸線の領域にある。点火箇所ＺＯの領域における流動状況に対して、有利には、オーバーフロー通路２３０の適当な配置及び個数により影響を及ぼすことができる。

Claims (19)

1. 燃焼室窓（１０５ｂ）を備えるレーザ点火プラグ（１００）であって、該レーザ点火プラグ（１００）の燃焼室寄りの端部領域（１００ａ）は、該レーザ点火プラグ（１００）を内燃機関のシリンダヘッドに螺入するねじ山と、前記燃焼室窓（１０５ｂ）の燃焼室側に設けられ、前記レーザ点火プラグ（１００）の長手方向軸線（Ｌ）の方向で前記ねじ山よりも燃焼室寄りに位置する、前記レーザ点火プラグ（１００）と副室モジュール（２００）との解離可能なねじ結合及び／又は係止結合を可能にする結合手段（１１０）とを有することを特徴とする、レーザ点火プラグ。
2. 前記結合手段（１１０）は、前記レーザ点火プラグ（１００）の長手方向軸線（Ｌ）に対して同軸的に延在する固定区分（１１１）を有している、請求項１記載のレーザ点火プラグ。
3. 前記固定区分（１１１）は管状である、請求項２記載のレーザ点火プラグ。
4. 前記固定区分（１１１）は、前記レーザ点火プラグ（１００）のハウジング（１０１）と一体的に形成されている、請求項２又は３記載のレーザ点火プラグ。
5. 前記固定区分（１１１）は、雌ねじ山及び／又は雄ねじ山を備える、請求項２から４までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
6. 前記レーザ点火プラグ（１００）は、自動車の内燃機関のためのレーザ点火プラグ（１００）である、請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
7. 副室モジュール（２００）を備え、該副室モジュール（２００）は、前記レーザ点火プラグ（１００）の前記結合手段（１１０）と協働するように形成されている結合手段（２１０）を備える、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
8. 前記副室モジュール（２００）の前記結合手段（２１０）は、雄ねじ山及び／又は雌ねじ山を備える、請求項７記載のレーザ点火プラグ。
9. 前記副室モジュール（２００）は、高い熱伝導性を有する材料を有する、請求項７又は８記載のレーザ点火プラグ。
10. 前記副室モジュール（２００）は黄銅を有する、請求項９記載のレーザ点火プラグ。
11. 前記副室モジュール（２００）は銅及び鋼を含む複合材料を有する、請求項９又は１０記載のレーザ点火プラグ。
12. 前記副室モジュール（２００）は、連行輪郭（２２０）を有する、請求項７から１１までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
13. 前記連行輪郭（２２０）は外側に配置されている、請求項１２記載のレーザ点火プラグ。
14. 前記連行輪郭（２２０）は六角形の輪郭である、請求項１２又は１３記載のレーザ点火プラグ。
15. 前記連行輪郭（２２０）は、前記副室モジュール（２００）の燃焼室寄りの端部領域（２００ａ）に配置されている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
16. 前記副室モジュール（２００）は、前記副室モジュール（２００）の内部領域（２０１ａ）と外部領域（２０１ｂ）との間の流体接続を可能にする少なくとも１つのオーバーフロー通路（２３０）を備える、請求項７から１５までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
17. 前記副室モジュール（２００）は、組み込まれた光学部品を備える、請求項７から１６までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
18. 前記光学部品は第２の燃焼室窓（２４０）である、請求項１７記載のレーザ点火プラグ。
19. 前記光学部品は、前記副室モジュール（２００）と前記レーザ点火プラグ（１００）の燃焼室寄りの端部領域（１００ａ）との間の結合手段（１１０）の領域に配置可能であり、前記副室モジュール（２００）により前記レーザ点火プラグ（１００）に対して固定可能である、請求項１７又は１８記載のレーザ点火プラグ。

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