JP6153700B2

JP6153700B2 - 航空機エンジンを含むガスタービン用のレーザ点火システムのための先進型オプティックスおよび光アクセス

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Publication number: JP6153700B2
Application number: JP2011259830A
Authority: JP
Inventors: サラ・ロッチ・デニス; ハーバート・コペセク; リチャード・ウェード・スティックルス; チュクウエロカ・オビオラ・ウメー; ガボール・アスト; マーク・パトリック・ケルシー; スティーブン・クレイトン・ヴァイス; ギャリー・リー・レオナルド; シャイ・ビルマハル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: US20120131927A1; EP2461004A1; JP2012117535A; CA2758423A1; US8616006B2

Description

本発明は、一般に、内燃エンジン用の点火システムに関する。さらに具体的には、本発明は、内燃エンジン用のレーザ点火システムおよびレーザ点火システム中に含まれるオプティックスおよび光アクセスを最適化する特徴に関する。

内燃エンジンでは、燃料が、燃焼室内で酸化剤（通常は空気）によって燃やされる。この結果生じる高温・高圧ガスが、膨張し、それによって、タービンを駆動するためのタービンブレードなどのエンジンの可動コンポーネントに、力が加えられる。燃焼は、間欠的であってもよく（例えば、自動車用の用途の場合）、または連続的なものであってもよい（例えば、ガスタービンおよびジェットエンジンの場合）。

内燃エンジン用の従来の点火装置では、スパーク放電によって空気燃料混合気に点火するために、高電圧を、燃焼室の壁面上に固定された点火プラグに印加する。しかし、この種の点火装置では、点火プラグが燃焼室に直接晒されるので、炭素が点火プラグに付着し、そのため点火プラグの放電が困難になる。さらに、このタイプの構成では、電極腐食が心配になる恐れがある。さらに、点火プラグの電極に熱損失があるために、放電によって発生した炎のトーチまたは核が冷やされて、炎に到達する前に消滅する。さらに、点火が壁面に極めて近いところで起きるので、燃焼室の壁面ごく近くで、高い燃料の部分が、壁面から燃料を燃焼させることに付随する問題から、しばしば生じる。

可燃性燃料を使用するエンジン、たとえばガスタービンエンジンおよび他の内燃エンジンなどは、たとえば、燃焼によって得られるエネルギーから機械的エネルギーへの変換を促進する燃焼器、またはシリンダおよびピストンのアセンブリなどの燃焼領域を含む。霧化した燃料を燃焼領域中に導入するために、燃料ノズルが使用される。霧化した燃料は、点火装置によって点火する。点火装置には、たとえば、霧化した燃料に接近したところでスパークを生成する電気的点火装置、霧化した燃料に熱を加える加熱要素、および燃焼領域中に炎をもたらす、レーザ点火装置などの点火装置を含むことができる。燃焼室中で燃料のレーザによる点火性能を高める試みとして、点火中に利用する、関連したオプティックスおよび光アクセスを最適化することが、望まれる。

したがって、内燃エンジンのために、新しい向上したレーザ点火システムおよび方法が、必要であり、その方法では、最適化されたオプティックスおよび光アクセスが、燃焼領域内で点火性を向上させる試みとして、提供される。

本発明の一実施形態によって、燃焼エンジンシステムが提供される。燃焼エンジンシステムは、燃焼室を含むエンジンと、レーザビームを発生するように構成された、少なくとも１つのレーザ光源と、燃焼室を画定する燃焼器壁中に、燃焼室中の炎領域に隣接して形成された点火ポートとを含む。点火ポートは、さらに、燃焼室への最適化された光アクセスをもたらすように構成される。燃焼エンジンシステムはさらに、燃料を燃焼室中に送るように働く、少なくとも１つの燃料ノズルと、少なくとも１つのレーザ光源と点火ポートの間に配置された光ビーム誘導コンポーネントとを含む。光ビーム誘導コンポーネントは、少なくとも１つのレーザ光源から放射された光を燃焼室に誘導するために最適化された光コンポーネントを含むように構成される。レーザビームは、燃焼室中で燃料に点火するように働く。

本発明のもう１つの実施形態は、燃焼室を含むエンジンと、少なくとも１つの、レーザビームを発生するように構成されたレーザ光源と、燃焼室を画定する燃焼器壁中に、燃焼室中の炎領域に隣接して形成された、ウインドウのない点火ポートとを含む燃焼エンジンシステムを対象とする。ウインドウのない点火ポートは、燃焼室への最適化された光アクセスをもたらすように構成される。このシステムは、さらに、燃焼室中に燃料を送るように働く燃料ノズルと、少なくとも１つのレーザ光源とウインドウのない点火ポートの間に配置された光ビーム誘導コンポーネントとを含む。光ビーム誘導コンポーネントは、少なくとも１つのレーザ光源から放射された光を燃焼室に誘導するために最適化された光学コンポーネントを含むように構成される。レーザビームは、燃焼室中で燃料に点火するように働く。

本発明のもう１つの実施形態は、内燃エンジン中の燃料混合気に点火するための方法を対象とする。この方法は、少なくとも１つのレーザ光源を用いて少なくとも１つのレーザビームを発生するステップと、少なくとも１つのレーザビームを少なくとも１つの光ビーム誘導コンポーネントを通じて透過させるステップであって、少なくとも１つの光ビーム誘導コンポーネントは、少なくとも１つのレーザ光源から放射された光を燃焼室に誘導するために最適化された光コンポーネントを含むように構成される、ステップと、レーザビームを、燃焼室への光アクセスを最適化するように構成された、ウインドウのない点火ポートを通じて透過させるステップとを含む。少なくとも１つのレーザビームを透過させるステップは、その少なくとも１つのレーザビームを、内燃エンジンの燃焼室中に供給された燃料混合気上に合焦させることを含む。本方法はさらに、炎領域中で燃焼器の炎を発生させるために、合焦されたレーザビームを用いて燃料混合気に点火するステップを含む。

これらおよび他の利点および特徴は、添付図面とともに提示される、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から、よりよく理解されることになる。

本開示の上記および他の態様、特徴および利点は、添付図面と併せて行う、次の詳細な説明を踏まえると、より明らかになる。

１つの実施形態によるレーザ点火システムを含むガスタービンの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。１つの実施形態によるレーザ点火システムの概略図である。

本開示の実施形態は、添付図面を参照して、ここに述べる。次の説明では、よく知られた機能または構成については、無用な細部にわたる記述によって、本開示を分かりにくくすることを避けるために、詳細には述べない。

図１に、本発明の実施形態による、高められたレーザ点火システム１０を示す。本発明の実施形態では、レーザ点火システム１０は、レーザビームを発生し、それを誘導して、内燃エンジン２００の燃焼室２０２などのチャンバ中に合焦させ、それによって、酸素含有燃料混合気などをその中に含む、燃焼性媒体に点火するように構成される。さらにその上、レーザ点火システムは、燃焼室２０２内で、点火およびフレームアウトを検出し、局所における混合気の組成、炎の伝搬および放射を査定する放射診断方法を備えるように構成される。語句「内燃エンジン」は、ここで使用するとき、連続的に燃焼するエンジンおよび間欠的に燃焼するエンジンを包含する。内燃エンジン２００の限定しないものとする例には、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、ジェットエンジン、ジーゼルエンジンおよびロータリーエンジンが含まれる。

図１に示すように、レーザ点火システム１０は、少なくとも１つの、レーザビーム１４を発生するように構成されたレーザ光源１２と、少なくとも１つのレーザ光源１２と光学的に連通し、少なくとも１つのレーザ光源１２からのレーザビーム１４を誘導して、内燃エンジン２００の燃焼室２０２中に合焦させ、それによって点火性能を高めるように構成された光ビーム誘導コンポーネント１６とを含む。さらに、レーザ点火システム１０は、少なくとも１つのレーザ光源１２に結合されて、少なくとも１つのレーザ光源１２からのレーザビーム１４の発生を制御する点火コントローラ１８と、炎センサとを含み、任意選択で、燃焼器の炎の送られた排気を検出し、レーザビーム１４に関連した燃焼パラメータを制御するための制御診断方法２０を含むことができる。

図示した構成では、点火コントローラ１８は、少なくとも１つのレーザ光源１２から引き離されている。あるいは、点火コントローラ１８は、少なくとも１つのレーザ光源１２と一体としてもよい。この開示は、本発明の処理作業課題を実施するための、いずれもの具体的なコントローラには限定されるものでないことに留意すべきである。用語「コントローラ」は、その用語がここで使用されるとき、本発明の作業課題を実施するために必要な計算または演算を実行することが可能な、いずれもの機械を意味するように意図されている。用語「コントローラ」は、当業者が理解されるように、構造化された入力を受け取り、その入力を既定のルールに従って処理して出力を生成することが可能である、いずれもの機械を意味するように意図されている。さらに、点火コントローラ１８は、少なくとも１つのレーザ光源１２にパワーを供給してもよい。

いくつかの用途では、点火コントローラ１８は、パイロットから点火リクエストを受け取ってもよく、および／または、クランク角、速度、エンジン動作温度、アクセル位置、排気ガス品質、および測定された燃料変数などのエンジン動作パラメータに基づいて操作してもよい。したがって、いくつかの例では、内燃エンジン２００の動作パラメータを検知するために、当技術で知られた光検出器（図示せず）などの、１つまたは複数の検出ユニットを備えてもよく、そのユニットは、レーザビーム１４の発生および／または合焦を制御するために、点火コントローラ１８に対応する情報を中継してもよい。

１つの限定するものでない例では、点火コントローラ１８は、レーザ制御回路および／または点火タイミング制御回路を含んでもよい。当技術で知られているように、レーザ制御回路は、レーザ発振を点火タイミングに同期させることができる。点火タイミング制御回路は、点火タイミング計算回路を含む制御回路を含んでもよく、その点火タイミング計算回路は、検出されたエンジン動作条件に基づき、点火タイミングを計算する。かかる例の制御ユニットのさらなる記述は、「Laser ignition apparatus for an internal combustion engine」と題する、米国特許第４，４１６，２２６号公報に見ることができ、それは、同じ譲受人に譲渡され、参照によってここに組み込まれるものとする。いくつかの用途では、点火コントローラ１８として、または点火コントローラ１８とともに、電子制御ユニット（ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ））を使用してもよい。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのレーザ光源１２は、十分なエネルギーを放射することが可能であり、それゆえ、そのエネルギーは、内燃エンジン２００の燃焼室２０２中に合焦させ、それによって燃料、燃料空気混合気、または予混合気などをその中に含む、燃焼性媒体に点火することができる、当技術で知られた、いずれものレーザ装置であってもよい。少なくとも１つのレーザ光源１２の例には、ただし、これらに限定されないが、ネオジム型レーザ、エルビウム型レーザ、他のソリッドステートのレーザ、または半導体レーザなどの他の適切なレーザが含まれる。

いくつかの実施形態では、レーザ点火プロセスは、ただし、これらに限定されないが、光化学点火、熱点火およびレーザ誘起スパーク点火を含む、少なくとも３つの点火メカニズムのいずれか１つ、またはその組み合わせによって、行うことができる。

光化学点火では、レーザ光子によって、燃料または燃料空気混合気などの目標分子が高度に反応性のラジカル種に解離する。次いで、これらのラジカルは、迅速な化学的連鎖反応または燃焼を起こす。当技術で知られているように、光化学点火では、解離が起きるために、レーザ励起波長と目標分子の吸収波長の間に密接な一致が必要である。

熱点火では、レーザを使用して、目標分子の並進運動の、合理的な、または振動する形で運動エネルギーを増加させる。その結果、分子結合が壊され、化学反応が起きることができる。このメカニズムは、固相、液相および気相の組み合わせである可燃性物質に点火するために使用することができる。この技術を用いた物質の加熱は、赤外線レーザによって実施することができる。

レーザ誘起スパーク点火では、レーザビームを合焦させてプラズマ核またはスパークを生成する。かかるスパークによって、光、熱および衝撃波が囲繞する媒体に放射されて、燃焼を開始するためのエネルギーが加えられる。レーザ誘起スパーク点火は、主に、熱化学プロセスを構成することができ、そのプロセスでは、レーザスパークと衝撃波の両方で発生した熱が点火するために使用される。

図１に示すように、光ビーム誘導コンポーネント１６は、内燃エンジン２００上に配置され、燃焼室２０２と連通している。さらに具体的には、光ビーム誘導コンポーネント１６は、燃焼室２０２の燃焼器壁中に位置付けすることができ、光ウインドウ（間もなく述べる）を含むことができる。少なくとも１つのレーザ光源１２からのレーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６を通過することができ、そして、光ビーム誘導コンポーネント１６内に収納された１つまたは複数のレンズ、プリズムまたは同様のものなど、１つまたは複数のオプティックス１７によって、合焦させる、結像させる、または変形させることができる。本発明の例の実施形態によれば、１つまたは複数のオプティックス１７は、レーザビーム１４を合焦させる、および／または導くために、可動とすることができる。それゆえ、少なくとも１つのレーザ光源１２からのレーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって、燃焼室２０２中に誘導し、かつ合焦させ、それによってその中にある燃料および燃料空気混合気に点火することができる。

図１に示すレーザ点火システム１０は、さらに、燃焼器のバーナーの炎からの、空間的、経時的、および／またはスペクトルの光放射を選択的に検出することによって、内燃エンジン２００の燃焼室２０２中の燃焼パラメータを測定する手段を含むことができる。本発明の実施形態によれば、次いで、測定された燃焼パラメータは、ただし、これらに限定されないが、燃料流量、燃料／空気比および燃料流量分布を含む、内燃エンジン２００の様々なパラメータを制御し、それによって亜酸化窒素の排気、動圧の振動および燃料効率、空気／燃料比、燃焼炎の振動、燃焼炎の消火、熱発生率、または炎温度を最適化するために、利用することができる。燃焼パラメータを測定する手段を含む、かかる例の燃焼エンジンのさらなる記述は、代理人の事件番号が第２３４８５２−１号であり、「Optical Sensors for Combustion Control」と題する、係属中の米国特許出願第１２／４８４，４４７号に見ることができ、これは、同じ譲受人に譲渡され、参照によってここに組み込まれるものとする。

ここで図２および３を参照すると、概略図で示すものは、実施形態による最適化された光アクセスを含むレーザ点火システムである。説明を容易にするために、図中、同じ番号を使用して同様の要素を示していることがある。図２および３に示す構成は、説明に役立てるためだけであることに留意すべきである。図２に示すものは、レーザ点火システム３０であり、それは、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０と一般に同様に構成され、そして燃焼器壁３５中に形成された、レーザビーム１４がそれを通過するポート３４を有する。

示した実施形態では、内燃エンジン２００（図１）中に設けるものは、複数の燃料ノズル２８であり、それらの１つだけを示している。燃料ノズル２８は、燃焼性媒体３１の噴霧、さらにその上、燃焼室２０２内のレーザビーム１４の点火位置（複数可）を示すように図示している。示したものは、レーザ構成であり、その構成では、ノズル２８は、レーザ光源１２と光学的に一直線になるように構成され、放射されたレーザビーム１４を受け取ることが可能である。図１に関して前に述べたように、光ビーム誘導コンポーネント１６は、燃焼室２０２の外側ライナ２０４に隣接して構成される。

点火性能を高めるために、レーザビーム１４は、燃焼室２０２中に供給された酸素含有燃料混合気または燃焼性媒体３１上を照射するように透過され、そして、レーザスパーク３２を介して、炎領域３３中に燃焼器の炎を発生させる。図２に最もよく示してあるように、レーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって方向付けられて、通常の動作条件下で、炎領域３３に対応する場所に、レーザスパーク３２を発生させる。

この例示の実施形態では、レーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって、燃焼器壁３５中に形成されたポート３４を通じて誘導される。ポート３４は、燃焼器壁３５中の開口部として構成されており、ここではウインドウのないポートとして言及されることがある。図１に示すように、パージ用の空気またはガス３６を利用して、燃焼室２０２の内部と外部の間の正圧差を生成する。この圧力差によって、空気が、燃焼室２０２からウインドウのないポート３４を通って全く抜け出さないようにすることが可能になる。

燃焼室２０２への光アクセスが、燃焼エンジンおよびガスタービンの用途のためのレーザ点火システムの重要な側面であることがよく知られている。燃焼室２０２に繋がるウインドウ面上へのいずれもの種類の堆積によって、ウインドウを通るビームの伝搬が悪影響を受け、結果として、レーザビーム１４の点火性能に悪影響を及ぼすことができる。図１に示す実施形態では、ポート３４が燃焼器壁３５においてウインドウを実装していないということで、その結果として、ウインドウの燃焼性媒体３１による濡れ、付着、すすけていること、または、レーザ点火システム３０の性能に影響する恐れがある他の被害が、全くない。ウインドウのないポート３４によって、高高度における再点火性能が高められ、排気がより少なくなることを含め、レーザ点火システム３０の向上した光アクセス、性能および増加された信頼性がもたらされる。

ここで図３を参照すると、図示するものは、レーザ点火システム３５であり、これは、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０と一般に同様に構成され、そして、燃焼器壁３５中に、図２で開示した実施形態と一般に同様に形成されたポート３４を有し、それを通ってレーザビーム１４が通過する。

図２の実施形態とは異なって、この例示の実施形態では、ポート３４は、それに塗布された被覆３９を有するウインドウ３８を含むように構成される。さらに具体的には、内燃エンジン２００（図１）中に設けるものは、複数の燃料ノズル２８であり、それらの１つだけを示す。燃料ノズル２８は、燃焼性媒体３１の噴霧、さらにその上、燃焼室２０２内のレーザビーム１４の点火位置（複数可）を示すように図示されている。示すものは、レーザ構成であり、その構成では、ノズル２８は、レーザ光源１２と光学的に一直線になるように構成され、放射されたレーザビーム１４を受け取ることが可能である。図１に関して前に述べたように、光ビーム誘導コンポーネント１６が、燃焼室２０２の外側ライナ２０４に隣接して構成される。

この例示の実施形態では、レーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって、燃焼器壁３５中に形成されたポート３４を通じて誘導される。前に述べたように、ポート３４は、燃焼器壁３５中の開口部として形成され、その中に位置付けられたウインドウ３８を含む。ウインドウ３８は、被覆３９がそれに塗布されており、その被覆は、好ましい実施形態では、触媒作用を有する被覆であり、ウインドウ３８の面（複数可）を清浄に保つのを支援する。好ましい実施形態では、ウインドウ３８は、結晶性またはアモルファスの面を有するように形成される。前に述べたように、燃焼室２０２に繋がるウインドウ面上へのいずれもの種類の堆積によって、ウインドウ３８を通るビームの伝搬が悪影響を受け、その結果、レーザビーム１４の点火性能が悪影響を受けることができる。被覆３９によって、ウインドウ３８を通るビームの伝搬への悪影響が最小になる。好ましい実施形態では、被覆３９は、燃焼室２０２にもっとも近いウインドウ３８の面上に形成されて、燃焼性媒体３１からの、それに隣接するウインドウ３８の面上へのいずれもの堆積が最小になる。ウインドウ３８上の被覆３９によって、高高度における再点火性能が高められ、排気がより少なくなることを含め、レーザ点火システム３５の性能が向上し、信頼性が高められる。

ここで図４〜６を参照すると、概略図で示すものは、実施形態による最適化されたオプティックスを含むレーザ点火システムである。説明を容易にするために、図中、同じ番号を使用して同様の要素を示していることがある。図４〜６に示す構成は、説明に役立てるためだけであることに留意すべきである。図４に示すものは、レーザ点火システム４０であり、これらは、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０と一般に同様に構成され、そしてレーザ点火のために、先進型オプティックスが含められている。

示した実施形態では、設けるものは、複数の燃料ノズル２８であり、それらの１つだけを示している。燃料ノズル２８は、燃焼性媒体３１の噴霧、さらにその上、燃焼室２０２内のレーザビーム１４の点火位置（複数可）を示すように図示している。示したものは、レーザ構成であり、その構成では、ノズル２８は、レーザ光源１２と光学的に一直線になるように構成され、放射されたレーザビーム１４を受け取ることが可能である。図１に関して前に述べたように、光ビーム誘導コンポーネント１６は、燃焼室２０２の外側ライナ２０４に隣接して構成される。

点火性能を高めるために、レーザビーム１４は、燃焼室２０２中に供給された酸素含有燃料混合気または燃焼性媒体３１上を照射するように透過され、そしてレーザスパーク３２を介して、炎領域３３中に燃焼器の炎を発生させる。図４に最もよく示してあるように、レーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって方向付けられて、通常の動作条件下で、炎領域３３に対応する場所に、レーザスパーク３２を発生させる。

１つの限定するものではない例では、動作中、光ビーム誘導コンポーネント１６内に収納されたオプティックス１７によって、レーザビーム１４が、合焦され、ノズル２８に向けて誘導されて、それによって燃焼室２０２中に入射し、ノズル２８から噴霧された酸素含有燃料混合気３１に所望の位置（複数可）で点火する。光ビーム誘導コンポーネント１６内に収納されたオプティックス１７は、回折要素、可動プリズム、可動ミラー、光音響スイッチおよび／または偏光ベースのオプティックスを含んでもよい。さらに具体的には、光ビーム誘導コンポーネント１６は、従来のレンズ、または高効率を有し、燃焼室２０２内の燃焼性媒体３１に点火するために、レーザビーム１４を中継するのに適切な良好なピント合わせができる、いずれものレンズを含むことができる。

図４〜６に示した実施形態では、光ビーム誘導コンポーネント１６は、さらに、オプティックス１７に隣接して、またはそれと一体に形成された予加熱システム４２を含むことができる。図４に示した例示の実施形態では、図示するものは、オプティックス予加熱システム４２であり、これは、一般に、電源４５に結合された電気ヒータ４４から構成される。動作中、オプティックス予加熱システム４２は、ウインドウ、レンズ、プリズムまたはそのようなものなどの円筒形オプティックス１７とともに、レーザ点火システム４０の点火性能を高める。さらに、オプティックス予加熱システム４２は、燃料または他の液体の衝突によって生じるオプティックスの濡れを防止する。オプティックス予加熱システム４２は、さらに、オプティックス１７の面上での燃料のよどみを防止するために、開口部４７を介して混合されるパージ用の空気またはガス４６を含むことができる。図４に示すように、動作中、パージ用の空気またはガス４６は、レーザ点火システム４０中に入り、オプティックス１７の面上への、燃焼性媒体３１からのいずれもの堆積物の蓄積を最小にする。

ここで図５を参照すると、図示するものは、レーザ点火システム５０であり、これは、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０と一般に同様に構成され、そして、レーザ点火のための先進型オプティックスを有する。この例示の実施形態では、含めるものは、オプティックス予加熱システム４２であり、これは、光ビーム誘導コンポーネント１６に隣接して、またはそれと一体に、図４に開示された実施形態と一般に同様に形成され、それを通ってレーザビーム１４が通過する。図４の実施形態とは異なって、オプティックス予加熱システム４２は、円筒形オプティックス１７に隣接して位置付けられた複数の加熱リング５２を含むように構成される。複数の加熱リング５２は、レーザビーム１４がそれを通って通過する中心開口部５２を有する構成で、一般に環状に形成される。

動作中、複数の加熱リング５２を含むオプティックス予加熱システム４２は、ウインドウ、レンズ、プリズムまたはそれと同様のものなどの円筒形オプティックス１７とともに、レーザ点火システム５０の点火性能を高める。前の実施形態と同様に、オプティックス予加熱システム４２は、燃料または他の液体の衝突によって生じるオプティックスの濡れを防止する。オプティックス予加熱システム４２とともに、オプティックス１７の面上での燃料のよどみを防止するために、パージ用の空気またはガス４６を、開口部４７を介して混合することができる。

ここで図６を参照すると、図示するものは、レーザ点火システム５５であり、これは、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０と一般に同様に構成され、そして、レーザ点火のために、先進型オプティックスを有する。この例示の実施形態では、含めるものは、オプティックス予加熱システム４２であり、これは、光ビーム誘導コンポーネント１６に隣接して、またはそれと一体に、図４に開示された実施形態と一般に同様に形成され、それを通ってレーザビーム１４が通過する。さらに具体的には、オプティックス予加熱システム４２は、円筒形オプティックス１７の周りに位置付けられた電気ヒータ４４を含むように構成される。代替の実施形態では、オプティックス予加熱システム４２は、複数の加熱リング５２、たとえば図５を参照して述べたそれらなどを含むように構成することができる。図４および５の実施形態とは異なって、この例示の実施形態では、光ビーム誘導コンポーネント１６は、さらに、燃焼器壁３５に隣接して構成された円錐形光要素５６を含む。円錐形光要素５６は、向上したパージ用の流れの観点で、利点をもたらす。また、それによって、ウインドウ面上のいずれもの堆積物をより迅速に焼き払うために、先端温度をより高くすることが可能になる。

動作中、電気ヒータ４４を含むオプティックス予加熱システム４２は、円筒形オプティックス１７および円錐形光要素５６とともに、レーザ点火システム６０の点火性能を高める。前の実施形態と同様に、オプティックス予加熱システム４２は、燃料または他の液体の衝突によって生じるオプティックスの濡れを防止する。オプティックス予加熱システム４２とともに、円錐形光要素５６の面上での燃料のよどみを防止するために、パージ用の空気またはガス４６を、開口部４７を介して混合することができる。

ここで図７〜１０を参照すると、概略図で示すものは、実施形態による先進型オプティックスおよび光アクセスを含むレーザ点火システムである。説明を容易にするために、図中、同じ番号を使用して同様の要素を示していることがある。図７〜１０に示す構成は、説明に役立てるためだけであることに留意すべきである。ここで図７を参照すると、示すものは、レーザ点火システム６０であり、これは、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０と一般に同様に構成され、そして可変のスパーク形状（長さ対幅）およびスパーク容積を得るために、先進型オプティックスが含められている。

示した実施形態では、レーザ点火システム６０は、内燃エンジン２００（図１）中に複数の燃料ノズル２８を含み、それらの１つだけを示している。燃料ノズル２８は、燃焼性媒体３１の噴霧、さらにその上、燃焼室２０２内のレーザビーム１４の点火位置（複数可）を示すように図示している。図１に関して前に述べたように、光ビーム誘導コンポーネント１６は、燃焼室２０２の外側ライナ２０４に隣接して構成される。

点火性能を高めるために、レーザビーム１４は、燃焼室２０２中に供給された酸素含有燃料混合気または燃焼性媒体３１上を照射するように透過され、そしてレーザスパーク３２を介して、炎領域３３中で燃焼器の炎を発生させる。図７に示すように、レーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって誘導されて、通常の動作条件下で、炎領域３３に対応する場所に、レーザスパーク３２を発生させる。

この例示の実施形態では、レーザビーム１４は、光ビーム誘導コンポーネント１６によって、燃焼器壁３５中に形成されたポート３４を通じて誘導され、光ビーム誘導コンポーネントは、図３を参照して前に述べたようなウインドウから、または図２を参照して前に述べたようにウインドウなしで構成することができる。レーザビーム１４がそれを通って通過する光ビーム誘導コンポーネント１６に含まれているものは、複数のオプティックス１７であり、これらは、レーザスパーク３２の形状を最適化し、かつ点火性を向上させるように構成される。さらに具体的には、光ビーム誘導コンポーネント１６、さらに具体的には、オプティックス１７は、凹または凸レンズ６４などの回折光学コンポーネント６２を含み、それは、先進型オプティックスを介してレーザスパーク３２を最適化する。動作中、矢印６５によって一般に示したように、点火ポート３４に対して軸方向に凹レンズ６４を移動させることによって、スパーク長さ５７およびスパーク位置５８を適合させることができる。スパーク長さ５７およびスパーク位置５８のこの最適化によって、制御性および燃焼性媒体３１の点火性が高められる。

ここで図８〜１０を参照すると、図示するものは、オプティックス１７の様々な構成であり、これらオプティックスは、光ビーム誘導コンポーネント１６内に含まれ、レーザ点火システムを最適化し、かつ燃焼性媒体３１の点火性を高める。さらに具体的には、概略図で示すものは、レーザ点火システム６５、７０および７５の様々な構成であり、それぞれが、実施形態に基づき、図１を参照して述べたレーザ点火システム１０に一般に同様に構成される。

示した実施形態では、内燃エンジン２００（図１）中に設けるものは、複数の燃料ノズル２８であり、それらの１つだけを示している。燃料ノズル２８は、燃焼性媒体３１の噴霧、さらにその上、燃焼室２０２内のレーザビーム１４の点火位置（複数可）を示すように図示している。示すものは、レーザ構成であり、その構成では、ノズル２８が、放射されたレーザビーム１４を受け取るように構成される。図１に関し前に述べたように、光ビーム誘導コンポーネント１６は、燃焼室２０２の外側ライナ２０４に隣接して構成される。

図８〜１０に示すように、光ビーム誘導コンポーネント１６は、燃焼室２０２の内部で複数箇所の点火スパークを生成するための様々なオプティックス構成を含む。さらに具体的には、図８〜１０に図示するものは、光ビーム誘導コンポーネント１６であり、そのコンポーネントでは、構成するものは、回折光学コンポーネント６２および合焦レンズ６３を含み、図７で述べた実施形態に一般に同様である、複数のオプティックス１７である。限定するものでない例では、動作中、光ビーム誘導コンポーネント１６のそれぞれ内に収納されたオプティックスが、レーザビーム１４を合焦させ、それらのそれぞれのノズル２８に向けて透過させ、それによってビームは、燃焼室２０２中に入射して、所望の位置（複数可）で、ノズル２８から噴霧された燃焼性媒体に点火する。光ビーム誘導コンポーネント１６内に収納されたオプティックス１７は、合焦レンズ６３、または高効率を有し、燃焼室２０２内で点火位置（複数可）において燃焼性媒体に点火するために、レーザビーム１４を中継するのに適切な良好なピント合わせができる、いずれものレンズを含んでもよい。光ビーム誘導コンポーネント１６のそれぞれは、追加として、レーザビーム１４の経路上に回折光学コンポーネント６２を含むように構成され、コンポーネント６２は、それを通過するレーザ光の少なくとも一部分を回折させて、複数箇所の点火スパーク６６，６７および６８を生成するように構成される。複数箇所の点火スパークは、レーザ点火システム６５、７０および７５を最適化し、点火性を高める。

図８に、回折光学コンポーネント６２を示し、これは、レーザビーム１４が合焦レンズ６３を通過するとき、それを合焦させるのに先立ち、そのレーザビーム１４がそこを通過する通路を設けるように位置付けされる。図９に、合焦レンズ６３を示し、これは、レーザビーム１４が、回折光学コンポーネント６２を通過するのに先立ち、そこを通過する通路を設け、そのレーザビームを合焦させるように位置付けされる。図１０に、回折光学コンポーネント６２および合焦レンズ６３を示し、これらは、単一光学要素として形成され、レーザビーム１４がそこを通過する通路を設けるように位置付けされる。回折光学コンポーネント６２を含む光ビーム誘導コンポーネントを通じてレーザビーム１４を誘導することによって、複数箇所の点火スパーク６６、６７および６８が生成される。

したがって、述べたものは、内燃エンジン用のレーザ点火システムのための先進型オプティックスおよび光アクセス、さらに具体的には、ガスタービンであり、そのガスタービンでは、光ビーム誘導コンポーネントが、とりわけ、最適化されて、それによって、極めて希薄な条件において、即時の再点火能力および向上した燃焼制御、それゆえ、炎の安定性の形で、信頼性および点火性を向上させ、フレームアウトに対する応答時間が短縮される。

本開示を、典型的な実施形態において図示し、述べてきたが、本開示の精神から決して逸脱せずに様々な修正および置き換えを実施することができるので、示した細部に限定されるものではないと意図される。そのようなものとして、ここで述べた開示のさらなる修正および均等物は、まさしくいつもの実験だけを使用して当業者が思いつく可能性があり、かかる修正および均等物すべては、次のクレームによって定義された本開示の精神および範囲に含まれるものと信じる。

１０レーザ点火システム
１２レーザ光源
１４レーザビーム
１６光ビーム誘導コンポーネント
１７オプティックス、光学コンポーネント
１８点火コントローラ
２０制御診断方法
２２炎領域
２４ウインドウのない点火ポート、炎領域
２８燃料ノズル
３０レーザ点火システム
３１燃焼性媒体、燃料混合気、酸素含有燃料混合気
３２レーザスパーク
３３炎領域
３４点火ポート
３５燃焼器壁、レーザ点火システム
３８ウインドウ
３９被覆
４０レーザ点火システム
４４電気ヒータ
４５電源
４６パージ用の空気またはガス
４７開口部
５０レーザ点火システム
５２加熱リング、中心開口部
５５レーザ点火システム
５６円錐形光要素
５７可変スパーク長さ
５８可変スパーク位置
６０レーザ点火システム
６２回折光学コンポーネント、回折オプティックス
６３合焦レンズ、合焦オプティックス
６４凹または凸レンズ
６５レーザ点火システム、矢印
６６点火スパーク
６７点火スパーク
６８点火スパーク
７０レーザ点火システム
７５レーザ点火システム
２００エンジン、燃焼エンジン、内燃エンジン
２０２燃焼室
２０４外側ライナ

Claims

燃焼エンジンシステム（１０、３０、３５、４０、５０、５５、６０、６５、７０、７５）であって、
燃焼室（２０２）を含むエンジン（２００）と、
レーザビーム（１４）を発生するように構成された、少なくとも１つのレーザ光源（１２）と、
前記燃焼室（２０２）を画定する燃焼器壁（３５）中に、前記燃焼室（２０２）中の炎領域（３３）に隣接して形成されたウインドウのない点火ポート（３４）であって、燃焼室（２０２）への光アクセスを最適化するように構成された、ウインドウのない点火ポート（３４）と、
燃焼性媒体（３１）を前記燃焼室（２０２）中に送るように働く、少なくとも１つの燃料ノズル（２８）と、
前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）と第１の端部で結合され、前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）及び前記燃焼器壁（３５）に形成された前記ウインドウのない点火ポート（３４）を一直線にさせる光ビーム誘導コンポーネント（１６）（但し、前記ウインドウのない点火ポートまで延びる延長部を備える光ビーム誘導コンポーネントを除く）と
を含み、
前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）は前記ウインドウのない点火ポート（３４）から離間して流体が流れるように構成され、該ウインドウのない点火ポート（３４）を通じ外部と内部との間に正圧差を生じさせ、
前記光ビーム誘導コンポーネント（１６）は、さらに、前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）から放射された前記レーザビーム（１４）を前記ウインドウのない点火ポート（３４）と一直線にするために最適化された光学コンポーネント（１７）を含むように構成され、
前記レーザビーム（１４）は、前記燃焼室（２０２）中で前記燃焼性媒体（３１）を点火するように働く、
燃焼エンジンシステム（１０、３０、３５、４０、５０、５５、６０、６５、７０、７５）。
前記光ビーム誘導コンポーネント（１６）は、前記レーザビーム（１４）を前記燃焼室（２０２）中に合焦させるように働く、１つまたは複数の合焦オプティックス（６３）と、１つまたは複数の回折オプティックス（６２）とを含む、請求項１記載のシステム。
前記１つまたは複数の回折オプティックス（６２）は、前記燃焼室（２０２）中で可変スパーク長さ（５７）および可変スパーク位置（５８）をもたらすように構成される、請求項２記載のシステム。
前記１つまたは複数の回折オプティックス（６２）は、前記燃焼室（２０２）中で複数箇所の点火を得るための複数の点火スパーク（６６、６７、６８）をもたらすように構成される、請求項２記載のシステム。
レーザによる点火をサポートするために、前記光ビーム誘導コンポーネント（１６）に結合されたオプティックス予加熱システム（４２）をさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
前記燃焼エンジン（２００）は、ガスタービンエンジンである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
内燃エンジン（２００）中の燃料混合気（３１）に点火するための方法であって、
少なくとも１つのレーザ光源（１２）を用いて少なくとも１つのレーザビーム（１４）を発生させるステップと、
前記少なくとも１つのレーザビーム（１４）を、前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）と第１の端部で結合され該少なくとも１つのレーザ光源（１２）及び前記燃焼器壁（３５）に形成されたウインドウのない点火ポート（３４）を一直線にさせる少なくとも１つの光ビーム誘導コンポーネント（１６）（但し、前記ウインドウのない点火ポートまで延びる延長部を備える光ビーム誘導コンポーネントを除く）を通じて透過させるステップと
を含み、
前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）は前記ウインドウのない点火ポート（３４）から離間して流体が流れるように構成され、該ウインドウのない点火ポート（３４）を通じ外部と内部との間に正圧差を生じさせ、
前記少なくとも１つの光ビーム誘導コンポーネント（１６）は、前記少なくとも１つのレーザ光源（１２）から放射された前記レーザビーム（１４）を前記ウインドウのない点火ポート（３４）と一直線にするために最適化された光学コンポーネント（１７）を含み、
前記方法は、さらに、
前記少なくとも１つのレーザビーム（１４）を、前記燃焼室内の燃焼領域の近傍で該燃焼室を画成する燃焼器壁（３５）に形成され、前記燃焼室（２０２）への光アクセスを最適化するように構成された、ウインドウのない点火ポート（２４）を通じて透過させるステップであって、前記少なくとも１つのレーザビーム（１４）を透過させるステップは、前記少なくとも１つのレーザビーム（１４）を、前記内燃エンジン（２００）の燃焼室（２０２）中に供給された前記燃料混合気（３１）上に合焦させることを含む、ステップと、
炎領域（２４）中で燃焼器の炎（２２）を発生させるために、前記合焦されたレーザビーム（１４）を用いて前記燃料混合気（３１）に点火するステップと
を含む、方法。
前記内燃エンジン（２００）は、ガスタービンエンジンである、請求項７記載の方法。