(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の内燃機関に用いられるレーザ点火プラグ（１００）であって、燃焼室寄りの端範囲（１００ａ）に配置された燃焼室窓（１２０）が設けられている形式のレーザ点火プラグ（１００）において、
燃焼室窓（１２０）の範囲に位置する容積範囲（２１０）および／または該容積範囲（２１０）に存在する媒体を冷却するための冷却手段（１３０）が設けられており、
前記冷却手段（１３０）が少なくとも１つの冷却体を有しており、
前記少なくとも１つの冷却体（１３１）が、レーザ点火プラグ（１００）の光軸（ＯＡ）を取り囲んでおり、
冷却体（１３１）の燃焼室寄りの端面（１３１ａ）の範囲における冷却体（１３１）の内径（Ｄ１）が、冷却体（１３１）の、燃焼室とは反対の側の端面の範囲における冷却体（１３１）の内径（Ｄ２）よりも小さく形成されていることを特徴とするレーザ点火プラグ。
【請求項２】
前記冷却体（１３１）が、室温で９０ワット／メートルケルビンまたはそれよりも高い熱伝導率を有する材料を有している、請求項１記載のレーザ点火プラグ。
【請求項３】
冷却体（１３１）が、ニッケルまたはニッケル合金を有している、請求項２記載のレーザ点火プラグ。
【請求項４】
冷却体（１３１）が、完全にニッケルまたはニッケル合金から形成されている、請求項３記載のレーザ点火プラグ。
【請求項５】
冷却手段（１３０）の少なくとも１つの冷却体（１３１）が、前記レーザ点火プラグ（１００）の光軸（ＯＡ）を同心的に取り囲んでいる、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項６】
冷却体（１３１）が、円環状に形成されており、冷却体（１３１）の燃焼室寄りの端面（１３１ａ）の範囲における冷却体（１３１）の内径（Ｄ１）が、当該レーザ点火プラグ（１００）によって放射されたレーザ放射線（２０）のビーム直径（ＤＳ）の最大１０５％〜２００％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。
【請求項７】
前記レーザ点火プラグ（１００）の燃焼室寄りの端範囲（１００ａ）から燃焼室とは反対の側の端範囲（１００ｂ）の方向への熱の導出を可能にする熱伝導手段（１４０）が設けられており、該熱伝導手段（１４０）が、前記レーザ点火プラグ（１００）の内室に配置されており、かつ／または前記レーザ点火プラグ（１００）のハウジング（１０１）の少なくとも１つの壁区分に直接に組み込まれている、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。
【請求項８】
冷却手段（１３０）が、熱伝導手段（１４０）に対して熱伝達状態にある、請求項７記載のレーザ点火プラグ。
【請求項９】
請求項１から８までの何れか１項記載の、自動車の内燃機関に用いられるレーザ点火プラグ（１００）であって、燃焼室寄りの端範囲（１００ａ）に配置された燃焼室窓（１２０）が設けられている形式のレーザ点火プラグ（１００）を作動させるための方法において、
燃焼室窓（１２０）の範囲に位置する容積範囲（２１０）および／または該容積範囲（２１０）に存在する媒体を、３５０℃よりも下の温度に冷却することを特徴とする、レーザ点火プラグを作動させるための方法。
【請求項１０】
燃焼室窓（１２０）の範囲に位置する容積範囲（２１０）および／または該容積範囲（２１０）に存在する媒体を、３００℃よりも下の温度に冷却する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
レーザ点火プラグ（１００）の燃焼室寄りの端範囲（１００ａ）に配置された冷却手段（１３０）を使用する、請求項９または１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、特に自動車の内燃機関に用いられるレーザ点火プラグであって、燃焼室寄りの端範囲に配置された燃焼室窓が設けられている形式のレーザ点火プラグに関する。
【０００２】
さらに本発明は、このような形式のレーザ点火プラグのための作動方法に関する。
【０００３】
レーザ放射線は燃焼室窓を通じてレーザ点火プラグに対応配置された燃焼室内へ放射されるが、このようなレーザ点火プラグを作動させる際、燃焼室窓の燃焼室に面した表面には付着物もしくは沈着物が形成される。燃焼生成物から成るこれらの沈着物は、レーザ点火プラグの信頼性の良い作動を損ない、特にレーザ点火プラグの耐用年数を減少させる。
【０００４】
発明の開示
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のレーザ点火プラグを改良して、向上された信頼性および耐用年数が達成されるようなレーザ点火プラグを提供することである。さらに本発明の課題は、このようなレーザ点火プラグのための作動方法を提供することである。
【０００５】
この課題は本発明によれば、冒頭で述べた形式のレーザ点火プラグにおいて、燃焼室窓の範囲に位置する容積範囲および／または該容積範囲に存在する媒体を冷却するための冷却手段が設けられていることにより解決される。
【０００６】
本発明によれば、レーザ点火プラグの作動中に生じた数種の燃焼生成物、特に炭素および炭素化合物を、燃焼室窓の燃焼室寄りの表面に沈着させることが、高い出力密度もしくは高いエネルギ密度のレーザ放射線による負荷下に、この表面の（自体公知の）有効なクリーニングもしくは沈着物除去を促進することが判った。
【０００７】
さらに本発明によれば、燃焼室窓の当該表面を取り囲む容積範囲もしくはこの容積範囲に存在する媒体の冷却が、燃焼室窓表面における、融蝕クリーニング（ablative Reinigung）を助成する燃焼生成物の形成および沈着を促進することが判った。
【０００８】
したがって、本発明における冷却手段は、燃焼室窓の表面へのこのような燃焼生成物の意図的な形成および導入を可能にするので有利である。このような燃焼生成物は高い出力密度もしくは高いエネルギ密度のレーザパルスによって燃焼室窓を負荷することにより、効果的なクリーニングを促進する。
【０００９】
本発明によるレーザ点火プラグの、あまり複雑ではないという理由から特に有利である実施態様では、冷却手段が、冷却体を有しており、該冷却体が、比較的大きな熱伝導率、特に室温で約９０ワット／メートルケルビン（Watt je Kelvin und Meter）またはそれよりも高い熱伝導率を有する材料を有している。冷却体が、ニッケルまたはニッケル合金を有していると有利である。さらに、冷却体全体を完全にニッケルまたはニッケル合金から形成することも可能である。
【００１０】
冷却体は、レーザ点火プラグのハウジングに解離可能に、たとえば溶接によって結合されると有利である。
【００１１】
本発明のさらに別の有利な実施態様では、冷却手段、特に少なくとも１つの冷却体が、当該レーザ点火プラグの光軸を取り囲んでおり、特に光軸を同心的に取り囲んでいると、当該容積範囲の特に効果的でかつ均一な冷却が得られる。
【００１２】
本発明において目標とされる冷却に対して付加的に、本発明によるレーザ点火プラグのさらに別の極めて有利な実施態様では、冷却体が、ほぼ円環状に形成されており、冷却体の燃焼室寄りの端面の範囲における冷却体の内径が、当該レーザ点火プラグによって放射されたレーザ放射線のビーム直径の最大約１０５％〜約２００％であると、燃焼室窓の燃焼室寄りの表面の、有害粒子に対する有効なシールドが得られる。
【００１３】
さらに、本発明の別の変化形では、冷却体の燃焼室寄りの端面の範囲における冷却体の内径が、冷却体の、燃焼室とは反対の側の端面の範囲における冷却体の内径よりも小さく形成されていることが有利である。これにより、冷却体を通って貫通するレーザ放射線を損なうことなしに、最大可能な冷却作用を得ることができるので有利である。なぜならば、本発明における冷却体により取り囲まれた容積範囲は、レーザ点火プラグにより放射された、収束されたレーザ放射線に対して最適に形状適合されているからである。
【００１４】
本発明のさらに別の極めて有利な変化形では、当該レーザ点火プラグの燃焼室寄りの端範囲から燃焼室とは反対の側の端範囲の方向への熱の導出を可能にする熱伝導手段が設けられており、該熱伝導率が、有利には当該レーザ点火プラグの内室に配置されており、かつ／または当該レーザ点火プラグのハウジングの少なくとも１つの壁区分に直接に組み込まれていることが提案されている。
【００１５】
本発明における冷却手段が、熱伝導手段に対して良好な熱接触状態もしくは熱コンタクト状態にあると極めて特に有利である。これにより、燃焼室窓の燃焼室寄りの表面の範囲からレーザ点火プラグの、燃焼室とは反対の側の範囲への熱の効果的な導出が可能になる。
【００１６】
この熱伝導手段は、たとえばレーザ点火プラグのさらに燃焼室から離反された側の範囲に、複数のコンタクト範囲を有していてよい。これらのコンタクト範囲は、内燃機関、たとえば据置式の大型ガスエンジンのシリンダヘッド内へのレーザ点火プラグの組込み時に、シリンダヘッドとの良好な熱コンタクトを形成する。
【００１７】
本発明における冷却手段は、１つまたは複数の冷却体の他に、とりわけ流体を主体とした冷却系を有していてもよい。このような流体を主体とした冷却系では、燃焼室窓の燃焼室寄りの表面の熱エネルギが、流体を使用して搬出される。
【００１８】
１つもしくは複数の冷却体に対して択一的または補足的に、当該容積範囲を冷却するためにヒートパイプ（「heatpipes」）または別の熱伝導手段を使用することもできる。ヒートパイプは有利にはレーザ点火プラグのハウジング内に直接に組み込まれ得る。
【００１９】
本発明の上記課題の別の解決手段として、請求項９に記載の方法が提案されている。本発明による方法では、燃焼室窓の範囲に位置する容積範囲および／または該容積範囲に存在する媒体を、有利には約３５０℃よりも下の温度〜約３００℃よりも下の温度に冷却するようにした。
【００２０】
本出願人の実験によれば、本発明によるレーザ点火プラグをこのように作動させると、高い出力密度もしくは高いエネルギ密度のレーザ放射線による負荷下に燃焼室窓のクリーニングを促進するような燃焼生成物の特に有利な形成およびこのような燃焼生成物による燃焼室窓の燃焼室寄りの表面の特に有利な負荷が得られる。
【００２１】
本発明によれば、特に炭素沈着物がクリーニングを促進することが判った。レーザ点火プラグの燃焼室寄りの端範囲、特に燃焼室窓を取り囲む容積範囲の本発明における冷却は、この範囲への半燃焼および未燃焼の炭化水素（たとえば煤の形の）の導入を可能にするので有利である。これにより、レーザ放射線を用いた燃焼室窓のクリーニングの最適な助成が可能になる。
【００２２】
本出願人の実験によれば、本発明により促進された、燃焼室窓の表面における炭素沈着物は、レーザ点火プラグの作動中に燃焼室窓の燃焼室寄りの表面に沈着するその他の無機燃焼残分の一層容易な除去を生ぜしめる。
【００２３】
たとえば、レーザ点火プラグの端範囲の冷却の途中での本発明における炭素化合物の導入により、レーザ放射線の使用下に硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）−被膜を除去することができる。この場合、レーザ放射線のビーム密度は、燃焼室窓の燃焼室寄りの表面に本発明において導入された炭素化合物もしくは煤が存在していない慣用のクリーニング過程に比べて、最大１オーダだけ低く形成されていてよい。
【００２４】
以下に、本発明の種々の実施形態を図面につき詳しく説明する。以下の説明からは、本発明のさらに別の利点、特徴および詳細が判る。特許請求の範囲および発明の詳細な説明に記載されている特徴はそれぞれ単独の形でも任意に組み合わされた形でも、本発明にとって重要である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるレーザ点火プラグの部分的な横断面図である。
【図２ａ】本発明における冷却手段を用いた使用のための冷却体の１実施形態を示す概略図である。
【図２ｂ】本発明における冷却手段を用いた使用のための冷却体の別の実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明による方法を実施するための簡略化されたフローチャートである。
【００２６】
図１には、本発明によるレーザ点火プラグ１００の第１実施形態が部分的な横断面図で図示されている。レーザ点火プラグ１００は、たとえば自動車の内燃機関において、あるいはまた据置式の大型ガスエンジンにおいて、内燃機関の燃焼室２００内に配置された所定の着火点ＺＰにレーザ放射線２０を集束させて放射し、これにより燃焼室２００内に存在する空気/燃料混合物を着火させるために使用される。
【００２７】
レーザ放射線２０は自体公知の手段でレーザ点火プラグ１００内において局所的に、たとえばレーザ装置１１０を使用して発生させることができる。このレーザ装置１１０は、特にレーザアクティブな固体（図示しない）と、受動Ｑスイッチとを有している。
【００２８】
これに対して択一的には、遠ざけられて配置されたレーザ源からレーザ点火プラグ１００に供給されたレーザ放射線を、レーザ点火プラグ１００によって集束させて、着火点ＺＰへ放射することができる。
【００２９】
レーザ点火プラグ１００の作動中、レーザ点火プラグ１００の燃焼室窓１２０の、燃焼室２００に面した表面１２０ａには、種々の燃焼生成物、特に、とりわけ内燃機関のエンジンオイルの添加剤からの無機成分が沈着する。
【００３０】
このような無機被膜を燃焼室窓１２０から除去するために、燃焼室窓１２０を高い出力密度もしくは高いエネルギ密度のレーザパルスで負荷（照射）することが既に知られている。
【００３１】
本発明によれば、燃焼室窓１２０の表面１２０ａに炭素もしくは炭素化合物が存在していると、無機被膜の除去を促進することが判った。本出願人の実験の結果、炭素の存在時に前記被膜を除去するためには、レーザ放射線２０の、最大で約１オーダだけ低いビーム密度しか必要とならない。
【００３２】
それに比べて、慣用の除去方法では、燃焼室窓１２０の材料の破壊閾値のオーダにあるビーム密度が必要とされる。
【００３３】
本発明によればさらに、燃焼室窓１２０の範囲に位置する容積範囲２１０もしくはこの容積範囲２１０内に存在する流体の温度を、レーザ点火プラグ１００の作動時に低下させることにより、燃焼室窓１２０の表面１２０ａの範囲における炭素もしくは炭素化合物の沈着が促進されることが判った。こうして、効果的な除去のために必要となる炭素化合物を、レーザ着火時に生じる燃焼生成物から取得することができるので特に有利である。
【００３４】
したがって、本発明によるレーザ点火プラグ１００は、燃焼室寄りの端範囲１００ａに存在する容積範囲２１０および／またはこの容積範囲２１０に存在する媒体、たとえば燃焼排ガスを冷却するための冷却手段１３０を有している。
【００３５】
特に有利な実施形態では、冷却手段１３０が少なくとも１つの冷却体１３１を有している。この冷却体１３１は図１から判るように、本実施形態ではほぼ円環状に形成されていて、有利にはレーザ点火プラグ１００のハウジング１０１の燃焼室寄りの端範囲１００ａにおいてレーザ点火プラグ１００のハウジング１０１に解離不能に結合されている。
【００３６】
冷却体１３１は有利には、比較的大きな熱伝導率、特に室温で約９０ワット／メートルケビン（Watt je Kelvin und Meter）またはそれよりも高い熱伝導率を有する材料を有している。たとえばこのためにはニッケルまたはニッケル合金が使用され得る。
【００３７】
本発明によれば有利には、冷却体１３１がレーザ点火プラグ１００の光軸ＯＡを取り囲む、特に光軸ＯＡを同心的に取り囲むことにより、端範囲１００ａもしくは容積範囲２１０に存在する媒体の特に均一な冷却が与えられている。
【００３８】
前記の有利な冷却作用の他に、本発明の別の変化形では、本発明における冷却体１３１が、それと同時に燃焼室窓１２０の表面１２０ａを、着火点ＺＰの範囲に生じる燃焼粒子に対してシールドするために働く。このような燃焼粒子が表面１２０ａに衝突すると、燃焼室窓１２０を損傷させる恐れがある。このようなシールド機能のためには、冷却体１３１がほぼ円環状に形成されており、冷却体１３１の燃焼室寄りの端面１３１ａの範囲の内径Ｄ１が、レーザ点火プラグ１００によって放射されたレーザ放射線２０のビーム直径ＤＳ（図２ａ）の最大で約１０５％〜約２００％である。
【００３９】
冷却体１３１に持ち込まれた熱エネルギを効果的に導出するためには、レーザ点火プラグ１００のハウジング１０１に熱伝導手段１４０が設けられていてよい。この熱伝導手段１４０はレーザ点火プラグ１００の燃焼室寄りの端範囲１００ａから、燃焼室とは反対の側の端範囲１００ｂの方向へ熱を導出することを可能にする。有利には熱伝導手段１４０はニッケル封入物および／または銅封入物および／または銀封入物１４２もしくは相応する合金から成る封入物を有しており、これらの封入物は直接にレーザ点火プラグ１００の内室に配置されているか、または直接にレーザ点火プラグ１００のハウジング１０１の少なくとも１つの壁区分に組み込まれていてもよい。
【００４０】
熱伝導手段１４０は流体ベースの系、特に１つまたは複数のヒートパイプまたはこれに類するものを有していてもよい。
【００４１】
冷却体１３１は有利には解離可能に、特に材料接続式にレーザ点火プラグ１００のハウジング１０１に結合されており、この場合、冷却体１３１は熱伝導手段１４０もしくは封入物１４２と良好な熱コンタクト状態（熱伝達状態）にある。
【００４２】
熱伝導手段１４０はコンタクト範囲１４１を有している。このコンタクト範囲１４１は、レーザ点火プラグ１００が内燃機関のシリンダヘッド（図示しない）内に取り付けられた状態において、このシリンダヘッドと良好な熱コンタクトを形成するので、レーザ点火プラグ１００に、特に冷却体１３１に持ち込まれた熱の効果的な導出が可能となる。
【００４３】
図２ａには、冷却体１３１の燃焼室寄りの端面１３１ａ（図１）の平面図が示されている。図２ａから判るように、冷却体１３１の端面１３１ａの範囲における内径Ｄ１はレーザ放射線２０のビーム直径ＤＳよりもほんの僅かにしか大きく形成されていないので、着火点ＺＰまたは燃焼室２００のその他の範囲を起点とし得る粒子に対する燃焼室窓１２０の表面１２０ａの効果的な保護が得られる。内径Ｄ１は１実施形態ではビーム直径ＤＳの最大約１０５％〜約２００％である。
【００４４】
特に有利には、冷却体１３１の燃焼室寄りの端面１３１ａ（図１）の範囲における内径Ｄ１が、冷却体１３１の燃焼室とは反対の側の端面の範囲における冷却体１３１の内径Ｄ２よりも小さく形成されているので、容積範囲２１０の効果的な冷却およびレーザ点火プラグ１００により放射されたレーザ放射線２０に対する冷却体１３１の内側範囲の有利な形状適合が得られる。
【００４５】
図２ｂには、本発明における冷却体１３１の別の変化形が平面図で示されている。この冷却体１３１では、半径方向に延びる合計４つのスリット付け部１３１′が設けられている。これらのスリット付け部１３１′は、燃焼室２００（図１）と、冷却体１３１により取り囲まれた容積範囲２１０との間の改善された流体連通を可能にするので、新ガスによる容積範囲２１０の効果的な掃気が可能となる。これにより、有利には燃焼室窓１２０の表面１２０ａの範囲における残留ガスクッションの形成を阻止することができる。このことは、燃焼室窓１２０の表面１２０ａが、火炎の早期の消滅によって煤けないようにするために役立つ。
【００４６】
スリット付け部１３１′に対して択一的には、冷却体１３１に１つまたは複数の孔（図示しない）が設けられていてもよい。これにより、燃焼室２００と容積範囲２１０との間の改善された流体交換が可能となる。
【００４７】
図３には、本発明による方法の１実施形態のフローチャートが示されている。
【００４８】
第１のステップ３００において、容積範囲２１０もしくはこの容積範囲２１０に存在する媒体が冷却され、有利には約３５０℃よりも下の温度〜約３００℃よりも下の温度にまで冷却される。これにより、有利には、燃焼室窓１２０の表面１２０ａの範囲において炭素もしくは炭素化合物の沈着が生ぜしめられる。
【００４９】
これらの炭素沈着物は、燃焼室窓１２０の一層容易なクリーニングもしくは被膜除去を可能にする。このクリーニングは別の第２のステップ３１０において、燃焼室窓１２０の表面１２０ａを高い出力密度もしくは高いエネルギ密度のレーザパルスで負荷することにより実現される。
【００５０】
クリーニングもしくは被膜除去のために必要とされるレーザビーム密度は、一般に被膜材料に関連している。とりわけエンジンオイルの添加剤等からの特に無機被膜は、慣用のクリーニング方法では燃焼室窓１２０の材料の破壊閾値付近にある極めて高いビーム密度を用いてしか除去され得ない。本発明により可能にされた、燃焼室窓１２０の寄生被膜への炭素の導入は、有利にはクリーニング除去のために必要となるビーム密度を低減させることを可能にする。特にＣａＳＯ４含有の被膜は、本発明において炭素化合物を加えることによって状態調節され、この場合、有利にはクリーニングのために使用されるレーザ放射線の、最大約１オーダだけ低いビーム密度しか必要とならなくなる。
【００５１】
一般に本発明の思想を使用して、レーザ点火プラグ１００の燃焼室寄りの端範囲１００ａの構造を、容積範囲２１０の効果的な冷却が可能となって、これにより焼室窓１２０の範囲に半燃焼または未燃焼の炭化水素化合物が形成すされるように最適化することができる。このときに生じた、表面１２０に形成された無機燃焼残分の被膜内の炭素含量は、燃焼室窓１２０が破壊されてしまうことなしにレーザ放射線２０を用いた効果的なクリーニングもしくは被膜除去を可能にするので有利である。
【００５２】
特に約３００℃〜約３５０℃の温度範囲では、燃焼室窓１２０の表面１２０ａにおける炭素もしくは炭素化合物の特に効果的な付着が可能となる。
【００５３】
本発明における冷却手段１３０は燃焼室窓１２０の手前の容積範囲２１０における温度の効果的な低減を可能にするので、レーザ着火時における燃焼室窓１２０の手前の火炎のコントロールされた消炎が達成される。さらに、燃焼室窓１２０の手前に残留ガスクッションが生じないようにし、これにより火炎の早期の消滅により燃焼室窓１２０が煤けることを阻止するために、十分な量の新混合物を燃焼室窓１２０へ搬送することが重要となる。
【００５４】
残留ガスクッションの形成は、本発明において冷却体１３１に設けられたスリット付け部１３１′（図２ｂ）および／または冷却体１３１に設けられた別の孔により阻止され得る。
【００５５】
しかしそれと同時に、燃焼室窓１２０に燃焼プロセスからの粒子が付着しないようにするために、燃焼室２００からの流体によって燃焼室窓１２０が過度に強力に流過されることが回避されるように注意しなければならない。このことは、図１に例示的に図示された冷却体１３１の幾何学的形状により可能となる。
【００５６】
レーザ点火プラグ１００内の燃焼室窓１２０の、冷却体１３１の端面１３１ａ（図１）に対して引き込まれた組込み位置により、燃焼室窓１２０の範囲における温度の低減が特に簡単に可能となる。
【００５７】
本発明によるレーザ点火プラグ１００は、自動車の内燃機関および据置き式の（大型）ガスエンジンあるいはまた（ガス）タービンにおいて使用されると有利である。
【図１】
0005436693.tif 000002
【図２Ａ】
0005436693.tif 000003
【図２Ｂ】
0005436693.tif 000004
【図３】
0005436693.tif 000005