(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性のある固体（４４）と、燃焼室窓（５８）と、ハウジング（３８）と、を備える、内燃機関のレーザ点火装置用の点火レーザにおいて、
燃焼室（１４）に向いた側のハウジング（３８）の端部に、少なくとも１つの熱伝導を調整するための手段が形成されており、
前記熱伝導を調整するための第１の手段として、前記燃焼室窓（５８）が、２つの異なる材料から作製されており、
前記燃焼室窓（５８）は、点火レーザ（２６）の光軸（８０）の周囲に直接配置された第１の領域（８２）においては、光学的特性の最適化された透明材料からなり、
前記燃焼室窓（５８）は、半径方向で外側の第２の領域（８４）においては、前記透明材料より熱伝導性の低い材料からなる、
ことを特徴とする点火レーザ。
【請求項２】
前記熱伝導を調整するための第２の手段は、少なくとも１つの中間エレメントを前記ハウジング（３８）と前記燃焼室窓（５８）との間に有する、
請求項１に記載の点火レーザ。
【請求項３】
前記中間エレメントは、リング状の中間エレメント（７６，７８）である、
請求項２記載の点火レーザ。
【請求項４】
前記燃焼室窓（５８）は、前記第１の領域（８２）においては結晶サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなり、および／または前記第２の領域（８４）においては石英ガラス、ＹＡＧ、または酸化ジルコニアからなる、
請求項１から３までのいずれか一項に記載の点火レーザ。
【請求項５】
前記ハウジング（３８）には外ネジ（７０）が形成されており、前記外ネジ（７０）は、前記燃焼室（１４）に向いた側の点火レーザ（２６）の端部から間隔（Ｌ）をおいて終端している、
請求項１から４までのいずれか一項に記載の点火レーザ。
【請求項６】
前記ハウジング（３８）は、外部分（６４）と内部分（６２）とにより２つの部分から構成されている、
請求項１から５までのいずれか一項に記載の点火レーザ。
【請求項７】
前記レーザ活性のある固体（４４）は、受動型Ｑ回路（４６）と、入力ミラー（４２）と、出力ミラー（４８）と、を有する、
請求項１から６までのいずれか一項に記載の点火レーザ。
【請求項８】
前記熱伝導を調整するための第３の手段は、ニッケル（Ｎｉ）および／またはニッケル鍍金された銅（Ｃｕ）から形成された熱伝導リング（７４）である、
請求項７に記載の点火レーザ。
【請求項９】
制御装置（３２）と、点火レーザ（２６）と、ポンプ光がポンピング光源（３０）から供給される光導体装置（２８）と、を有するレーザ点火装置（２７）において、
点火レーザ（２６）は、請求項１から８までのいずれか一項に記載のように構成されている、ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
特許文献１から、いわゆるレーザ点火が公知である。このレーザ点火は、内燃機関の燃焼室に突入する点火レーザを有する。この点火レーザは、光導体を介してポンピング光源と接続されている。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室側の点火レーザの端部には、いわゆる燃焼室窓が備えられており、この燃焼室窓は点火レーザで形成されたレーザパルスに対して透過性である。レーザ波長は５００ｎｍ〜１５００ｎｍ、好ましくは９００ｎｍ〜１１００ｎｍである。この燃焼室窓は、点火レーザのハウジング内に密に収容されていなければならない。ここで燃焼室窓とハウジングとの間の密閉度には高い要求が課せられる。なぜなら、内燃機関の動作中には燃焼室窓に６００℃以上の表面温度が発生し得るからである。さらに付加的に、間欠的な圧力負荷は２５０ｂａｒ以上である。点火レーザがガスタービンの点火のために使用される場合、ガスタービンの燃焼室では、圧力は低いが、燃焼室窓の表面は１，０００℃までの温度に達することがある。
【０００３】
レーザ点火が障害なしに動作するためには、燃焼室窓が内燃機関の全寿命にわたってレーザービームに対して透過性でなければならない。とりわけ動作中には、堆積物が燃焼室窓に堆積することがあり、そのため燃焼室窓の所要の光学的透明度が失われてしまう。この堆積を阻止するために点火レーザは、燃焼室窓の燃焼室側の表面における動作温度が、とりわけ有機堆積物を燃焼または酸化するのに十分なほど高くなるよう設計される。
【０００４】
しかし燃焼室窓の表面温度は、燃料空気混合気の自己着火が燃焼室窓の表面で生じる程に高くてはならず、とりわけ燃焼室窓上に堆積物、とりわけオイル灰が形成されてもならない。
【０００５】
特許文献２から、点火レーザの脚部への排熱を高めることにより燃焼室窓の温度を低下し得る点火レーザが公知である。
【０００６】
結果として、燃焼室窓の表面温度は、約４００℃である有機堆積物に対する燃焼温度より上に、かつオイル灰から結晶リン酸塩が成長を開始する６００℃より下に維持しなければならない。このことは、燃焼室窓の表面では４２０℃から５５０℃の間の温度範囲に持続的に達すべきであることを意味する。
【０００７】
少なくとも内燃機関の冷間始動時には前記温度範囲を維持することができないから、点火レーザまたは燃焼室窓の急速な加熱が望まれる。同時に内燃機関の安定動作時には、過熱を回避するため点火レーザからの熱を十分に排熱しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０６６４８８Ａ１
【特許文献２】ＤＥ１９８１０７５０Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の基礎とする課題は、点火レーザまたは燃焼室窓を所要の４００℃の温度に迅速に加熱することができ、ひいては内燃機関の冷間始動後に有機堆積物に対する燃焼温度に迅速に達することができ、これにより堆積物が燃焼室窓に持続的に堆積できないような点火レーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、本発明によれば上位概念記載の点火レーザにおいて、熱伝導を調整するための手段が設けられており、この手段は燃焼室から点火レーザのハウジングを介した燃焼室窓への熱輸送を調節することができ、これによりすべての適用事例で燃焼室窓の迅速な加熱が達成されることによって解決される。
【００１１】
ここで燃焼室に向いた側のハウジング端部にある熱伝導を調整するための手段は、熱伝導素子、とりわけ良熱伝導性の材料、とりわけニッケルおよび／またはニッケル鍍金された銅からなる熱伝導リングである。この熱伝導素子は、点火レーザのハウジングと一体的に構成することができる。または点火レーザのハウジングとは別の材料製であってもよく、この材料とたとえばハンダ付けまたは溶接によって良熱伝導的に結合されている。このような熱伝導素子に対する適切な材料は、ニッケルまたは銅が適切であることが実証されている。なぜならこれらは、非常に良好な熱伝導性を有するからである。本発明の熱伝導素子は、冷却フィンのように機能する。なぜなら熱伝導素子の表面積の拡大により、熱い排気ガスからの熱吸収および点火レーザのハウジングへのその熱の放出が促進され、改善されるからである。
【００１２】
ここで点火レーザにおいてそのハウジングでの熱伝導を調整するための手段は、外ネジを形成し、外ネジは点火レーザの燃焼室側の端部から間隔をおいて終端している。通例は点火レーザを内燃機関のシリンダヘッド内にネジ留めするため用いられる外ネジが、点火レーザの端部にまで達していなければ、燃焼室に向いた側の点火レーザの端部からの排熱が減少し、これにより点火レーザの加熱が促進される。
【００１３】
本発明のさらなる有利な構成では、ハウジングと燃焼室窓との間に少なくとも１つの中間エレメント、とりわけ熱伝導性の悪い材料、好ましくは雲母からなるリング状の中間エレメントが設けられている。この中間エレメントは、燃焼室窓からの排熱を減少させ、これにより燃焼室窓の加熱を促進し、燃焼室窓の表面温度の安定性を高めるために用いられる。
【００１４】
中間エレメントは円形リング状のディスクとして構成することができ、軸方向で燃焼室窓の前方または後方または両側に、ハウジングと燃焼室窓との間で設けることができる。たとえば１つの中間エレメントだけが設けられている場合、この中間エレメントは、燃焼室窓とハウジングとの間にある、燃焼室とは反対側の接触面の上に配置され、これにより燃焼室窓からハウジング脚部への熱放出が低下し、したがって加熱が促進される。
【００１５】
しかしさらに、燃焼室窓とハウジングとの間にある、燃焼室に向いた側の接触面の上にもこのような中間エレメントを設けることができる。これにより、ハウジングの端面から燃焼室窓への熱放出が低減し、このようにしても燃焼室窓の加熱速度または表面温度安定性を調整することができ、個別事例の要求に対応して適合することができる。
【００１６】
冒頭に述べた課題は同様に、燃焼室窓が２つの異なる材料からなることによっても解決される。もちろん燃焼室窓は、レーザパルスが点火レーザの内部から燃焼室に達することができるようにするため、透明または点火レーザの波長の光に対して透過性でならない。レーザパルスを集束するためにとくに適した材料は結晶性サファイアであり、サファイアは室温において約４０Ｗ／ｍＫの比較的高い熱伝導性を有する。
【００１７】
本発明によれば、点火レーザの光軸に直接続く燃焼室窓の領域内に、燃焼室窓に対する材料として結晶性サファイアが設けられており、燃焼室窓の半径方向で外側の領域は、熱伝導性の低い別の原材料から作製される。したがって燃焼室窓は本発明によれば、理想的な光学的特性を有する中央領域と、熱伝導性に関して最適化されたリング状の半径方向外側領域とから構成される。燃焼室窓の２つの外側領域に対する適切な原材料は、たとえば室温でわずか約４Ｗ／ｍＫの熱伝導性しか有しない石英ガラス、室温で熱伝導性が約１４Ｗ／ｍＫのＹＡＧ、または室温で熱伝導性が約１０．５Ｗ／ｍＫの酸化ジルコニアである。
【００１８】
前記原材料の熱伝導性を比較すると、２つの異なる原材料からなる燃焼室窓によって、燃焼室窓から熱放出を非常に離れた限界内で制御できることが分かる。したがいここでは前記原材料を適切に寸法設定および組み合わせることにより、燃焼室窓の表面温度を所望の値に調節することができ、同時に燃焼室窓を４００℃以上の温度に非常に迅速に加熱することができる。
【００１９】
従属請求項の特徴は、本発明の点火レーザにおいて個別にも使用できることは自明である。しかし複数のこれら特徴を互いに組み合わせることも、もちろん可能である。したがい、図２に示したように熱伝導リングを設け、同時に、点火レーザのハウジング３８の外ネジが点火レーザの端面まで達していないようにすることは問題なしに可能である。
【００２０】
対応することが、燃焼室窓５８とハウジング、または２つの異なる物質から統合される１つの燃焼室窓との間の中間エレメントに対しても当てはまる。
【００２１】
以下、図面に基づき本発明の実施例を例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】内燃機関のレーザに基づく点火装置が概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａの点火装置の概略詳細図である。
【図２】本発明の点火レーザの実施例を示す図である。
【図３】本発明の点火レーザの実施例を示す図である。
【図４】本発明の点火レーザの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面に基づき本発明の点火装置を内燃機関の例で説明する。しかし点火レーザはガスタービンに実現することもできる。
【００２４】
内燃機関には、図１ａでは全体が参照番号１０により示されている。内燃機関は図示しない自動車の駆動に用いられるか、または燃焼機関として電流形成のために使用される。内燃機関１０は通例、複数のシリンダを有し、それらのうち図１ａには１つだけが参照符合１２により示されている。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限される。燃料は燃焼室１４にインジェクタ１８を通って達する。インジェクタ１８はレールと称される燃料圧力リザーバ２０に接続されている。択一的に燃料空気混合気を燃焼室１４の外で、たとえば吸気管の中で形成することもできる。
【００２５】
燃焼室１４内に存在する燃料空気混合気２２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を含む点火装置２７から燃焼室１４に放射される。そのために点火レーザ２６には光導体装置２８を介して、ポンピング光源３０によって生成されるポンプ光が供給される。ポンピング光源３０は制御装置３２によって制御され、この制御装置はインジェクタ１８も制御する。
【００２６】
図１ｂから分かるように、ポンピング光源３０は、内燃機関１０のそれぞれ１つのシリンダ１２に配置された異なる点火レーザ２６に対して複数の光導体装置２８を有する。そのためにポンピング光源３０は複数のレーザ光源３４を有し、それらはパルス電流供給部３６と接続されている。複数のレーザ光源３４が存在することにより、ポンプ光を複数のレーザ装置２６にいわば「静止的に」分配することができる。したがってポンピング光源３０と点火レーザ２６の間に光学的分配器が必要ない。
【００２７】
点火レーザ２６は、受動型Ｑ回路４６を有し、これは入力ミラー４２および出力ミラー４８とともに光学的共振器を形成する。ポンピング光源３０によって形成されたポンプ光を印加すると、点火レーザ２６は公知のようにレーザパルス２４を形成する。このレーザパルス２４は集束光学系５２により、燃焼室１４（図１ａ）内にある点火点ＺＰに集束される。点火レーザ２６のハウジング３８内にある要素は、ディスク状の燃焼室窓５８によって燃焼室１４から分離されている。燃焼室窓５８は正方形または好ましくは円形に実施することができる。
【００２８】
図２から４には、本発明によるレーザ装置２６の種々の実施形態が拡大して示されている。ここにはとりわけ、燃焼室１５の側の点火レーザ２６の端部が示されている。
【００２９】
燃焼室１４（図１ａ参照）に向いた側の燃焼室窓５８の表面には、図２で参照符合６０が付されている。
【００３０】
図２に示された実施例で、ハウジング３８はツーピースに構成されている。図示の実施例でハウジング３８の内部分６２は外部分６４とネジ留めされている。しかし他の結合も可能であり、とりわけハンダ付けまたは溶接による物質的な結合も可能である。内部分の端面側（参照符合なし）と外部分６４の突起６６との間に、燃焼室窓５８が密に張架されている。場合により必要な付加的なパッキン素子は、図２には図示されていない。外部分６４と内部分６２はネジ６８によって互いに結合することができるから、対応する引っ張りトルクにより、内部分６２と外部分６４の突起６６との間に燃焼室窓５８を張架する押し付け力を調節することができる。溶接結合またはハンダ付け結合の場合、この押し付け力は、たとえば接合工程中の機械的圧力による適切なプロセス制御によって実現することができる。
【００３１】
外部分６４またはハウジング３８は外ネジ７０を有し、この外ネジは点火レーザ２６を図示しない内燃機関のシリンダヘッドに、たとえばねじ込むために用いられる。
【００３２】
本発明によれば、外ネジ７０はハウジング３８の端面側７２までには至っておらず、端面側７２から間隔Ｌで終端している。これの意味するのは、ハウジング３８の直径が、外ネジ１７の端部とハウジングの端面側７２との間の領域では、外ネジ７０のコア直径より小さいということである。その結果、ハウジング３８、とりわけ外部分６４の断面が、この領域では減少しており、したがって端面側７２からハウジング３８の燃焼室の反対側の領域への熱の流れが少なくなる。それにより内燃機関の冷間始動時に、燃焼室窓５８、とりわけ燃焼室窓５８の燃焼室に向いた側の表面６０が急速に加熱され、４００℃の燃焼温度により迅速に到達する。
【００３３】
図２の実施例には、燃焼室窓５８の表面温度を制御または上昇させるための本発明のさらなる構造的特徴が図示されている。すなわち端面側７２には熱伝導リング７４が形成されており、この熱伝導リングはハウジング３８の外部分６４とワンピースに形成することができる。またはたとえばニッケルまたは銅のような熱伝導性の良い材料から、別個の構成部材として作製することができる。この場合、熱伝導リング７４は、たとえばハンダ付けまたは溶接によりハウジング３８と物質的に、したがって良熱伝導性に結合することが推奨される。
【００３４】
熱伝導リング７４はある程度の冷却フィンの役目を有しており、熱伝導リング７４は本発明によれば、燃焼室からハウジング３８に、したがって燃焼室窓５８にも熱を伝達する。熱伝導リングの幾何形状および寸法が、燃焼室窓の表面温度または運転温度を調整するためにさらなるパラメータであることは自明である。基本的に、熱伝導リング７４と、周囲の燃焼空気および燃焼室内の排気ガスとの熱伝達表面積が大きければ熱伝達は高くなる。熱伝導リングの質量または体積が大きければ熱的慣性も大きくなる。これらのパラメータは、一方では急速な加熱を可能にし、他方では所定の熱的慣性を達成するために使用することができる。これによりすべての動作状態の下で、燃焼室窓５８の許容最高表面温度に達しないか、またはこれを上回らない。
【００３５】
本発明の２つの特徴、すなわち熱伝導リング７４と、端面側７２まで形成されていない外ネジ７０は、点火レーザ２６に個別に形成することもできることは自明である。これら２つの特徴を、１つの点火レーザ２６で一緒に実現する必要はない。
【００３６】
図３には、本発明の点火レーザ２６の別の実施例が示されている。
【００３７】
この実施例では、ハウジング３８と燃焼室窓５８との間に中間リング７６と７８が嵌め込まれている。これら中間リング７６および７８は、熱伝導性の悪い材料、たとえば雲母からなる。しかし熱伝導性が悪く、十分な耐熱性のある他のすべての材料が適する。第１の中間リング７６と第２の中間リング７８は、どの程度の範囲で点火レーザ２６内の熱伝導または放熱を制御すべきかに応じて個別にも使用することができる。
【００３８】
たとえば第１の中間リング７６だけが内部分６２と燃焼室窓５８との間に嵌め込まれていれば、燃焼室窓５８から内部分６２への熱伝導が低減され、これによりレーザ活性のある固体４４の温度が低下する。同時に燃焼室窓５８の運転温度は高まる。
【００３９】
第１の中間リング７６の厚さによって、燃焼室窓から内部分６２への排熱をさらなる限界内で制御することができる。第２の中間リング７８が燃焼室窓５８と、外部分６４の突起６６との間に嵌め込まれていれば、ハウジング３８から燃焼室窓５８への熱伝達は減少する。
したがって第１の中間リング７６および／または第２の中間リング７８を取り付けることにより、燃焼室窓５８の運転温度および冷間始動時に燃焼室窓５８が加熱される速度を、さらなる限界内で制御することができる。
【００４０】
図４には、本発明の点火レーザ２６の別の実施例が示されている。ここでは燃焼室窓５８が２つの異なる材料から作製されている。点火レーザ２６の光軸８０と同心に、燃焼室窓５８は、最適の光学的特性を備える第１の材料から作製されている。この第１の領域には、図４で参照符合８２が付されている。たとえばこの第１の領域で、燃焼室窓５８は結晶サファイア（Ａｌ２Ｏ３）から作製することができる。結晶サファイアは、約４０Ｗ／ｍＫの比較的高い熱伝導性を有する。
【００４１】
半径方向で外側の領域８４では、燃焼室窓５８が、たとえば水晶、ＹＡＧまたは酸化ジルコニアのような別の透明材料から作製されている。前記材料は単なる例であり、限定列挙として理解すべきではない。これらの材料はすべて共通して、結晶サファイアより格段に低い熱伝導性を有する。したがって燃焼室窓５８を本発明にしたがって、２つの異なる材料から作製することにより、燃焼室窓５８への放熱または熱伝導をさらなる限界内で制御することができる。
【００４２】
このような燃焼室窓を作製するには、サファイア窓の上に熱伝導性の低い水晶リングを溶接することもできる。別の原材料と互いに組み合わせることも、もちろん可能である。本発明との関連で、一般的概念「水晶」は、石英ガラス、シリカガラス、ならびに非結晶形態のＳｉＯ２を含む。
【００４３】
図２から４に例として示し、説明したすべての実施形態は、共通して個別にも任意の組合せでも点火レーザ２６で実現することができる。これにより、大量生産された点火レーザ２６を、本発明の個々の特徴または複数の特徴と、運転温度および燃焼室窓５８の加熱速度に関連して組み合わせることにより、さらなる範囲で使用条件に適合することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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