(57)【要約】  本発明は、予燃焼室（１１０）を備えたレーザ点火プラグ（１００）であって、レーザ点火プラグ（１００）内に案内されかつ／または生成されたレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に位置する互いに異なる少なくとも２つの点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）に入射させ、特に集束させるために、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている形式のものに関する。本発明によれば、少なくとも１つの第１の点火点（ＺＰ１）と、該第１の点火点（ＺＰ１）に対して隣り合う第２の点火点（ＺＰ２）との間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ２ｍｉｎ）よりも大きく設定されているようにレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に入射させるように、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている。
2013510258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予燃焼室（１１０）を備えたレーザ点火プラグ（１００）であって、レーザ点火プラグ（１００）内に案内されかつ／または生成されたレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に位置する互いに異なる少なくとも２つの点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）に入射させ、特に集束させるために、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている形式のものにおいて、
少なくとも１つの第１の点火点（ＺＰ１）と、該第１の点火点（ＺＰ１）に対して隣り合う第２の点火点（ＺＰ２）との間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ２ｍｉｎ）よりも大きく設定されているようにレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に入射させるように、レーザ点火プラグ（１００）が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】
隣り合う点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）の間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ２ｍｉｎ）の少なくとも約１２０パーセント、有利には少なくとも約１６０パーセントである、請求項１記載のレーザ点火プラグ。
【請求項３】
隣り合う全ての点火点（ＺＰ１，ＺＰ２，・・・）の間の距離が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する１点火点（ＺＰ１，ＺＰ２，・・・）の最小距離の少なくとも約１２０パーセント、有利には少なくとも約１６０パーセントである、請求項１または２記載のレーザ点火プラグ。
【請求項４】
予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）の最小距離が、予燃焼室（１１０）の内室の最大の延在長さの約１０パーセントから約４０パーセントであり、実質的に少なくとも部分的に球形または楕円体形の予燃焼室の場合、特に予燃焼室（１１０）の半径の約１０パーセントから約４０パーセントである、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項５】
予燃焼室（１１０）が、少なくとも部分的にほぼ球形状または楕円体形状を有していて、第１の点火点（ＺＰ１）と、第２の点火点（ＺＰ２）との間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ１ｍｉｎ，ｄ２ｍｉｎ）の約２倍の大きさである、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】
隣り合う点火点の互いに対する平均的な距離が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する点火点の平均的な距離よりも大きく形成されている、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】
光学素子（１３０，１３３）が設けられていて、光学素子（１３０，１３３）が、レーザビーム（２４）を種々異なる点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）に集束させる、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】
前記光学素子（１３０，１３３）が、複数の焦点距離を備える集束光学系として形成されている、請求項７項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項９】
集束光学系（１３０，１３３）が、それぞれ互いに異なる焦点距離を備えた、互いに対してほぼ同心的な、または隣り合って配置された少なくとも２つの集束領域を有している、請求項８記載のレーザ点火プラグ。
【請求項１０】
入射されたレーザビーム（２４）のレイリー長が、予燃焼室（１１０）の内室の最大の延在長さ（Ｌ）の少なくとも約１０パーセント、有利には少なくとも約３０パーセントであるようにレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に入射させるために、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、予燃焼室を備えたレーザ点火プラグであって、該レーザ点火プラグ内に案内されかつ／または生成されたレーザビームを予燃焼室内に位置する互いに異なる少なくとも２つの点火点に入射させ、特に集束させるために、レーザ点火プラグが形成されている形式のレーザ点火プラグに関する。
【０００２】
上述の形式のレーザ点火プラグは、仏国特許出願公開第２８７３７６３号明細書に記載されている。
【０００３】
発明の開示
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、予燃焼室内での改善された、特により均一でより迅速な燃焼を可能にすることである。
【０００４】
この課題を解決するための本発明による構成では、冒頭で述べた形式のレーザ点火プラグにおいて、少なくとも１つの第１の点火点と、該第１の点火点に隣り合う第２の点火点との間の距離が、予燃焼室の内側表面に対する第１および／または第２の点火点の最小距離よりも大きく設定されているようにレーザビームを予燃焼室内に入射させるために、レーザ点火プラグが形成されているようにした。
【０００５】
レーザプラグの本発明のよる構成は、有利には予燃焼室内に位置する空気／燃料混合気のより均一でより効果的な燃焼を可能にする。なぜならば、本発明による距離基準を遵守した場合、個別の点火点で発生する火炎核もしくは該火炎核から発展する火炎フロントは、該火炎フロントが予燃焼室の内側表面または隣り合った火炎フロントに衝突するまで最大限に長く、妨げられることなしに広がることができるからである。
【０００６】
本発明による原理は、有利には最大限の圧力上昇を予燃焼室内での燃焼中に可能にする。これによって、特にエネルギに満ちた点火火炎（Zuendfackeln）が予燃焼室から、主燃焼室への流体接続部を実現するオーバフロー通路を通って進出することができる。
【０００７】
本発明に係るレーザ点火プラグの特に有利な態様では、隣り合う点火点の間の距離は、予燃焼室の内側表面に対する第１の点火点および／または第２の点火点の最小距離の少なくとも約１２０パーセント、有利には少なくとも約１６０パーセントであり、これによって、本出願人の調査の結果、特に効果的な燃焼が生じた。
【０００８】
特に極めて有利には、本発明の別の態様により、隣り合う全ての点火点の間の距離が、予燃焼室の内側表面に対する１点火点の最小距離の少なくとも約１２０パーセント、有利には少なくとも約１６０パーセントであることが規定されていてよい。つまり本発明による原理は、２つよりも多くの点火点が存在する場合に、全ての点火点全体に転用される。この場合さらに、隣り合う点火点の距離および点火点の、予燃焼室の内側表面に対する距離のための本発明による限界条件をそれぞれ考慮して、予燃焼室内で点火点をできるだけ均等に分配すると特に有利である。
【０００９】
本発明に係るレーザ点火プラグの極めて有利な別の態様では、予燃焼室の内側表面に対する点火点の最小距離が、予燃焼室の内室の最大の延在長さの約１０パーセントから約４０パーセントであり、ほぼ少なくとも部分的に球形状または楕円体形状の予燃焼室の場合、予燃焼室の半径の特に約１０パーセントから約４０パーセントである。この構成は、２つから約８つの点火点を備えたシステムにとって特に適当である。
【００１０】
予燃焼室が少なくとも部分的にほぼ球形状または楕円体形状を有している、本発明の極めて有利な別の態様では、第１の点火点と第２の点火点との間の距離が、予燃焼室の内側表面に対する第１の点火点および／または第２の点火点の最小距離の約２倍大きく形成されている。
【００１１】
一般的には本発明によって、隣り合う点火点の互いに対する平均的な距離は、予燃焼室の内側表面に対するこれらの点火点の平均的な距離よりも大きく形成されていることが規定される。隣り合う点火点の互いに対する平均的な距離は、たとえば互いに隣り合う点火点のそれぞれの距離の平均値として求められ得る。同じことは、予燃焼室の内側表面に対する点火点の平均距離を求めるためにも当てはまる。この場合、有利には、内側表面に対する該当の点火点のそれぞれ唯１つの最小距離だけが考慮される。
【００１２】
レーザ点火プラグの予燃焼室内において複数の点火点を本発明によって調節することは、有利な態様によれば、光学素子により実施され得る。光学素子は、レーザビームを種々の点火点において集束させる。
【００１３】
光学素子は、本発明の別の態様によれば、たとえば複数の焦点距離を備える集束光学系として形成されている。この場合、集束光学系は、それぞれ異なる焦点距離を備えた、互いに対してほぼ同心的または隣り合って配置された少なくとも２つの集束領域を有している。このような集束光学系は、たとえば、レンズ形の光学ボディによって実現され得る。レンズ形の光学ボディの表面は、区分によって、相応の、特に互いに異なる曲率特性を有している。レンズ配置に対して択一的にまたは補完的には、本発明により規定された点火点の位置を実現するために、（中空）ミラーも使用され得る。
【００１４】
本発明によるレーザ点火プラグの極めて有利な別の態様によれば、入射されたレーザビームのレイリー長（焦点深度）が、予燃焼室の内室の最大の延在長さの少なくとも約１０パーセント、有利には少なくとも約３０パーセントであるように、レーザビームを予燃焼室内に入射させるために、レーザ点火プラグが形成されている。
【００１５】
本出願人の調査の結果、このような構成では、火花チェーンと呼ばれる、レーザ点火プラグの光学軸線に沿った複数の点火点の並び（Aneinanderreihung）が予燃焼室内に形成されてよく、この点火点の並びは、同様に迅速かつ効果的な燃焼を可能にする。このような火花チェーンを得るために、特に長い焦点距離の集束光学系が使用される。この集束光学系は、レーザビームを相応する形式で予燃焼室内で集束する。
【００１６】
本発明の別の特徴、利用可能性および利点は、以下の本発明の実施の形態の説明から明らかである。実施の形態は図面に示されている。この場合、説明されたまたは図示された全ての特徴は、特許請求の範囲におけるまとまりおよび引用に関係なく、かつ詳細な説明もしくは図面の記載もしくは図示に関係なく、それ自体でもまたは任意の組合せにおいても本発明の対象である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるレーザ点火プラグの第１の実施の形態の燃焼室寄りの端区分を示す部分的な横断面である。
【図２】本発明によるレーザ点火プラグの別の実施の形態の予燃焼室構成を示す図である。
【図３】本発明によるレーザ点火プラグのさらに別の実施の形態の予燃焼室構成を示す図である。
【図４】本発明によるレーザ点火プラグのさらに別の実施の形態の予燃焼室構成を示す図である。
【図５】本発明によるレーザ点火プラグの別の実施の形態の燃焼室寄りの端区分を示す図である。
【図６】本発明によるレーザ点火プラグのさらに別の実施の形態の燃焼室寄りの端区分を示す図である。
【図７】本発明によるレーザ点火プラグのさらに別の実施の形態の燃焼室寄りの端区分を示す図である。
【図８】本発明による点火プラグの運転サイズの経過を、レーザ点火プラグのビーム軸線との関係で示す図である。
【図９】本発明による点火プラグの別の実施の形態の部分的な断面を示す概略図である。
【図１０ａ】本発明による点火プラグ内で使用するための光学素子の実施の形態を示す図である。
【図１０ｂ】本発明による点火プラグ内で使用するための光学素子の実施の形態を示す図である。
【図１１ａ】本発明による点火プラグ内で使用するための光学素子の別の実施の形態を示す図である。
【図１１ｂ】本発明による点火プラグ内で使用するための光学素子の別の実施の形態を示す図である。
【００１８】
図１は、本発明によるレーザ点火プラグ１００の第１の実施の形態の、燃焼室に向けられた端区分を示している。レーザ点火プラグ１００は、予燃焼室１１０を有している。レーザ点火プラグ１００の、内燃機関のシリンダヘッド２００内における図１に図示された組込み位置では、レーザ点火プラグ１００の予燃焼室１１０が、内燃機関のシリンダの燃焼室３００内に突入している。内燃機関は、たとえば定置の大型ガスエンジンまたは自動車の内燃機関であってよい。
【００１９】
レーザ点火プラグ１００は、組み込まれたレーザ装置１２０を有している。このレーザ装置１２０は、たとえば、受動的なＱスイッチを有するレーザ活性な固体であってよい。このレーザ活性な固体はポンピングビームによって適当に負荷をかけると、高エネルギのレーザ点火インパルス２４を自体公知の形式で形成する。
【００２０】
レーザビーム２４は、レーザ装置１２０によって、光学素子１３０上に放射される。光学素子１３０は、特にレーザビーム２４を集束させるために、後述で詳しく説明され得る形式で働く。
【００２１】
この場合、光学素子１３０は、レーザビーム２４が、予燃焼室１１０内に配置された、互いに異なる全部で２つの点火点ＺＰ１，ＺＰ２に集束するように形成されている。
【００２２】
点火点ＺＰ１，ＺＰ２では、レーザ点火時に、自体公知の形式で、火炎核が生じる。この火炎核は、存在する空気／燃料混合気に応じて、予燃焼室１１０内の僅かではない流れ速度を無視しながらほぼ球状に拡散し、この場合に相応した火炎フロントが形成される。
【００２３】
この場合、予燃焼室１１０の内室と、燃焼室３００との間の流体接続を形成するオーバフロー通路１５０を通じて、いわゆる点火火炎（Zuendfackeln）が予燃焼室１１０から出て燃焼室３００内に押し出される。この点火火炎は、燃焼室３００内に存在する空気／燃料混合気を点火する。
【００２４】
本発明によれば、レーザ点火プラグ１００は、第１の点火点ＺＰ１と、該第１の点火点ＺＰ１に対して隣り合う第２の点火点ＺＰ２との間の距離ｄ１２が、第２の点火点ＺＰ２と、予燃焼室１１０の内側表面１１０ａとの最小距離ｄ２ｍｉｎよりも大きくなるように、レーザビーム２４を予燃焼室１１０内に入射させるように形成されている。
【００２５】
特に有利には、第１の点火点ＺＰ１の、内側表面１１０ａに対する対応する最小距離ｄ１ｍｉｎは、同様に点火点ＺＰ１，ＺＰ２の上下の距離ｄ１２よりも小さく形成されている。
【００２６】
予燃焼室１１０内における点火点ＺＰ１，ＺＰ２の本発明による配置によって、有利には、予燃焼室１１０内に存在する空気／燃料混合気の効率的かつ迅速な燃焼が行われることが保証される。これによって、予燃焼室１１０内における最大の圧力上昇が実現される。相応して、本発明によるレーザ点火の際に、予燃焼室１１０内で、高エネルギの点火火炎が生じる。この点火火炎は、燃焼室３００内に存在する混合気の確実な燃焼を可能にする。
【００２７】
予燃焼室１１０の内室は、レーザ点火プラグ１００の内室から燃焼室窓１４０によって分離されている。燃焼室窓１４０は、レーザビーム２４の一次的な拡散方向に関して、光学的に集束光学系１３０に後置されている。
【００２８】
有利にはレーザ装置１２０はレーザビーム２４を形成するために直接にレーザ点火プラグ１００内に設けられているが、予燃焼室１１０内の点火点ＺＰ１，ＺＰ２の構成の本発明による原理は、レーザ点火インパルス２４を局所的に形成するためのものではなく、むしろ離れて配置されたビーム源により形成されたレーザ点火インパルス２４を予燃焼室１１０内に入射させるレーザ点火プラグにおいても適用することができる。
【００２９】
図１に示された本発明の実施の形態では、光学素子１３０が、集束レンズの機能を有している。この場合、図１から判るように、互いに対してほぼ同心的に配置された２つの集束領域は、それぞれ互いに異なる焦点距離を有している。半径方向内側の領域では、光学素子１３０が、たとえば第１の曲率半径を有しているか、または一般的に第１の屈折特性を備える湾曲された表面を有しているのに対して、半径方向外側の領域は、第１の曲率半径とは異なる曲率半径、もしくは第１の屈折特性とは異なる第２の屈折特性を有する一般的に湾曲された表面を有している。
【００３０】
これによって、レーザ点火インパルス２４のコアビーム２４ａは、第１の点火点ＺＰ１に集束されるのに対して、レーザ点火インパルス２４の外周ビーム２４ｂは、第１の点火点ＺＰ１とは異なる第２の点火点ＺＰ２に集束される。
【００３１】
本発明の原理の機能のために必須ではないが、特に回転対称的な幾何学形状を備える予燃焼室１１０では、レーザ点火プラグ１００は、該レーザ点火プラグ１００がレーザビーム２４を点火点ＺＰ１，ＺＰ２に集束させるように形成されており、この点火点ＺＰ１，ＺＰ２は、レーザ点火プラグ１００の光学軸に、またはほぼ光学軸の領域内に位置している。
【００３２】
予燃焼室１１０の内室内における点火点ＺＰ１，ＺＰ２の、本発明による配置に基づいて、有利には、点火点ＺＰ１，ＺＰ２を起点とする火炎フロントが、レーザ点火からできるだけ長い時間にわたって予燃焼室１１０の内室内で拡散することができることが保証されている。このことは上記で既に述べたように、予燃焼室１１０内での所望の圧力上昇をもたらす。
【００３３】
別の有利な実施の形態では、両方の点火点ＺＰ１，ＺＰ２に、ほぼ同時にレーザビームが入射される。しかし、レーザ装置２６の構成に応じて、互いに異なる点火点ＺＰ１，ＺＰ２へのレーザ点火インパルスの入射の間に時間的な遅延が予定されていてもよい。
【００３４】
本発明の特別な利点は、点火点ＺＰ１，ＺＰ２を起点とする火炎フロントのうちのどちらも、不必要に早く予燃焼室１１０の内側表面１１０ａに、または隣り合う火炎フロントに接触しないことにある。この不必要に早期の接触は、従来のシステムにおいて、燃焼室容積の効果的な完全燃焼を妨げている。これに対して本発明によるレーザ点火は、予燃焼室１１０内での効果的な燃焼と、ひいては特に高エネルギの点火火炎の形成とを可能にする。この点火火炎は燃焼室３００に進出して、燃焼室内に存在する混合気を、確実に着火させる。
【００３５】
本発明によるレーザ点火プラグ１００の特に有利な実施の形態では、隣り合う点火点ＺＰ１，ＺＰ２の間の距離ｄ１２は、予燃焼室１１０の内側表面１１０ａに対する第２の点火点ＺＰ２の最小距離ｄ２ｍｉｎの少なくとも約１２０パーセント、有利には少なくとも約１６０パーセントである。
【００３６】
第１の点火点ＺＰ１は、第２の点火点ＺＰ２よりも、予燃焼室１１０の内側表面１１０ａの近傍に位置している限り、本発明による距離基準ｄ１２＞＝ｄ２ｍｉｎまたは有利にはｄ１２＞＝１．６×ｄ２ｍｉｎが、相応して、点火点距離ｄ１２と、燃焼室１１０の内側表面１１０ａに対する点火点ＺＰ１の最小距離ｄ１ｍｉｎとの関係に適用され得る。
【００３７】
図２は、本発明の別の実施の形態を示している。この実施の形態は、図１に関連して説明されたシステムと比べて異なる予燃焼室構成を有している。
【００３８】
図２に示した、実質的に少なくとも部分的にほぼ球形状または楕円体形状に形成された予燃焼室１１０は、レーザ点火プラグ１００の、図２には図示されていない残りの内室とは、燃焼室窓１４０によって分離されている。
【００３９】
本発明によれば、レーザ点火プラグ１００もしくは該レーザ点火プラグ１００の集束光学系（図２には図示せず）は、レーザ点火プラグ１００内に形成されるレーザビーム２４（図１）を、図２から看取されるように、点火点ＺＰ１，ＺＰ２に集束させるように形成されている。
【００４０】
ｄ１２≧ｄ１ｍｉｎおよび／またはｄ１２≧ｄ２ｍｉｎという、本発明による一次的な距離基準の他に、この場合、予燃焼室１１０の内側表面１１０ａに対する第１の点火点ＺＰ１の最小距離ｄ１ｍｉｎは、図２において鉛直方向に延びる、予燃焼室１１０の内室の最大の長手方向延在長さの約２５パーセントに相当するように選択されている。
【００４１】
本出願人の調査により、この本発明による構成は、特に実質的に少なくとも部分的に球形または楕円体形に形成された予燃焼室１１０において、予燃焼室１１０内における特に効果的な燃焼をもたらし、ひいては高エネルギの点火火炎１５５の形成を促進することが判った。
【００４２】
図３は、本発明の別の実施の形態を示している。この形態では、予燃焼室１１０が、主に円筒形の形状を有している。
【００４３】
このような形式の予燃焼室の幾何学形状においても、本発明による距離条件ｄ１２≧ｄ１ｍｉｎ，ｄ２ｍｉｎは、予燃焼室１１０内に位置している空気／燃料混合気の迅速かつ効果的な燃焼に関して有利である。
【００４４】
図４は、本発明のさらに別の実施の形態を示している。この形態では、予燃焼室１１０が、ほぼ楕円体形の基本形状を有している。本発明によるレーザ点火プラグの、上記で図１から３に関して説明した実施の形態とは異なり、図４に図示した構成は、全部で３つの点火点ＺＰ１，ＺＰ２，ＺＰ３を有している。これら３つの点火点のうち２つの点火点ＺＰ１，ＺＰ３は、レーザ点火プラグ１００の光学軸線の外側に、特に燃焼室１１０の内側表面１１０ａの領域に比較的に近接して位置している。
【００４５】
これは、本出願人の調査の結果、予燃焼室１１０に、燃焼室３００からオーバフロー通路１５０ａ，１５０ｂを通って流入する空気／燃料混合気が装填される場合に、渦動が生じて、この渦動が、予燃焼室１１０内に位置する混合気の互いに異なる流れ速度をもたらすことに基づいている。特に、オーバフロー通路１５０ａ、１５０ｂは有利には以下のように互いに対して配置されている。すなわち、オーバフロー通路１５０ａおよび１５０ｂを通じて流入した部分流１５１ａ，１５１ｂが、その流れ方向および流れ速度に関して、予燃焼室１１０の内壁１１０ａの領域で重畳して特に大きな流れ速度を形成するようにされる。このためには、オーバフロー通路１５０ａ，１５０ｂはその長手方向軸線で、光学軸線もしくは予燃焼室１１０の長手方向軸線に対して周方向に配置されていて、かつほぼ半径方向ではない。
【００４６】
上述した図４に示す構成のためには、少なくとも一方の、しかし有利には２つの点火点ＺＰ１，ＺＰ３が、大きな流れ速度の領域に配置されていると有利である。これによって、予燃焼室１１０内に存在する空気／燃料混合気の確実な点火を可能にすることができる。付加的には、レーザ点火プラグ１００の光学軸線の中心に配置された別の点火点ＺＰ２が、予燃焼室１１０内に位置する空気／燃料混合気の確実な点火を、流れ速度が比較的に小さな値を有している領域においても生ぜしめる。
【００４７】
図４に関して上記で説明した点火点ＺＰ１，ＺＰ２，ＺＰ３は、有利には、やはり本発明による基準ｄ１２≧ｄ１ｍｉｎ，ｄ２３≧ｄ３ｍｉｎを満たしている。この場合、関連する点火点距離ｄ１２，ｄ２３は、有利には考察される点火点ＺＰ１，ＺＰ３の関連する最小距離ｄ１ｍｉｎ、ｄ３ｍｉｎよりも、むしろ約１６０パーセント以上大きく形成されている。
【００４８】
予燃焼室１１０内で期待され得る流れ速度を考慮した、燃焼室１１０の内部における点火点ＺＰ１，ＺＰ２，ＺＰ３の配置のための本発明による距離基準の組合わせは、予燃焼室１１０内での効果的かつ迅速な燃焼に関連して特に良好な結果をもたらす。
【００４９】
図５は、本発明によるレーザ点火プラグ１００の、さらに別の実施の形態を示している。このレーザ点火プラグ１００では、ビームスプリッタが、２つのミラー１３２ａ，１３２ｂによって実現されている。２つのミラーのうち一方のミラーは、部分反射する。これによって、レーザ点火インパルス２４を２つの異なる点火点ＺＰ１，ＺＰ２に入射させることができる。
【００５０】
ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂには、集束光学系１３３が光学的に後置されている。この集束光学系１３３は、部分によって互いに異なる屈折特性を有していて、この場合、ミラー１３２ａを通過した部分ビーム２４＿１は第１の点火点ＺＰ１に、ミラー１３２ｂによって反射された部分ビーム２４＿２は、第２の点火点ＺＰ２に集束される、つまり焦点を合わせられるようにされる。
【００５１】
上述で説明した図５に示した実施の形態では、点火点ＺＰ１，ＺＰ２がレーザ点火プラグ１００の光学軸線の外側に位置しているにもかかわらず、本発明による距離基準は、点火点ＺＰ１，ＺＰ２の間の距離が、存在する両点火点ＺＰ１，ＺＰ２と、燃焼室１１０の内側表面１１０ａ（図１）の関連する区分との間の最小距離よりも著しく大きく設定されることによって満たされている。
【００５２】
図６は、本発明によるレーザ点火プラグ１００の別の実施の形態を示している。この実施の形態では、集束光学系の代わりに、回折光学系１３５が使用されている。これによって、レーザ点火インパルス２４を、複数の部分ビームに分解することができる。回折光学系１３５は、同時に、該回折光学系が両方の部分ビームを相応する点火点ＺＰ１，ＺＰ２に収束するように形成されていてよい。択一的にまたは補完的には、部分ビームの集束は、回折光学系１３５に光学的に後置された燃焼室窓１４０によって行われ得る。
【００５３】
図７は、本発明によるレーザ点火プラグのさらに別の実施の形態を示している。この実施の形態において、上記で図示されていない集束光学系は、特に長い焦点距離の集束光学系として、予燃焼室１１０内に入射されたレーザビーム２４のレイリー長が、予燃焼室１１０の内室の最大の延在長さＬの少なくとも約１０パーセント、有利には少なくとも約３０パーセントであるように形成されている。たとえばレイリー長は、約０．４ｃｍから約１．２ｃｍに選択されていてよい。
【００５４】
これによって、有利には、いわゆる火花チェーン（Funkenkette）の形成が保証される。この火花チェーンは、この場合、予燃焼室１１０内に入射されたレーザビーム２４が、予燃焼室１１０内の相応する長さ領域にわたって十分に高い電界強度もしくは光学的な出力密度を有していることによって生じる。このことは、予燃焼室１１０内に位置する空気／燃料混合気が、ほぼ全体的なレイリー長にわたって、ほぼ同時に着火され得ることを意味する。
【００５５】
上記で図７に関連して説明した本発明の実施の形態では、第１次に本発明の根底を成す距離基準を満たすことは必須ではないが、本発明により比較的大きく選択されたレイリー長によっても、予燃焼室１１０内での特に均一かつ迅速な燃焼が生じる。
【００５６】
横方向にずらされた２つの点火点を実現する本発明による別の可能性は、単純な非点収差レーザビーム２４および／または非点収差の光学素子、つまり種々異なる空間方向への異なる屈折度を有する素子を使用することにある。
【００５７】
このために、図８は、互いに対して垂直な平面ｘ，ｙでのレーザビーム２４のビーム直径の変化を、レーザビーム２４のビーム方向に一致する位置座標ｚに沿って示している。
【００５８】
この場合、符号ＳＤｘによって、レーザビーム２４の第１の平面ｘにおけるビーム直径が示されている。符号ＳＤｙでは、この場合レーザビーム２４の、第１の平面に直交する第２の平面ｙにおけるビーム直径が示されている。
【００５９】
図８から判るように、最小のビーム直径の位置ｚ１，ｚ２が、ビーム座標ｚに沿って互いに離れているので、図８のグラフに対数目盛により記入された出力密度Ｓは、相応して局所的な２つの最大値を箇所ｚ１，ｚ２において有している。
【００６０】
図８に示したグラフの箇所ｚ１，ｚ２は、予燃焼室１１０内の第１および第２の点火点ＺＰ１，ＺＰ２に一致する。
【００６１】
図９は、本発明によるレーザ点火プラグ１００の別の実施の形態を示している。この実施の形態では、たとえば非球面に形成された、フォーカシング（集束）する光学素子１３６が設けられている。
【００６２】
レーザ装置１２０によって形成されたレーザビームのビーム直径ＳＤｘ、ＳＤｙを、図８に示すように形成する本発明による第１の可能性は、円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）１３８を設けることにある。この円柱レンズ１３８は、レーザ点火プラグ１００のビーム通路に設けられ、特にレーザ装置１２０と、集束光学系１３６との間に設けられる。
【００６３】
図８に示すビーム直径ＳＤｘ、ＳＤｙの本発明による変更の別の可能性は、燃焼室窓１４０を設けることにある。燃焼室窓１４０の第１の光学的な表面は、たとえば円柱形の表面として形成されている。このことは、燃焼室窓１４０が、円柱レンズの形状を有していることを意味している。
【００６４】
同様に、図１０ａに示すような光学素子１３９の使用も可能である。この光学素子１３９は、光学的に活性な第１の面１３９ａが、球面または非球面として形成されていて、反対の側に位置する光学的な面１３９ｂが、円柱として形成されている。
【００６５】
図１０ａ，図１０ｂは、このような光学素子１３９の、それぞれｘ−ｚ軸線もしくはｙ−ｚ軸線の相応する断面を示している。
【００６６】
十分に安定している場合、この光学素子１３９は、燃焼室窓１４０の機能を引き受けることができるので、光学素子１３９によって、フォーカシング、２つもしくはそれ以上の点火点の形成および燃焼室窓の機能が同時に実現される。
【００６７】
さらに、図１１ａに示すような光学素子１３９’を使用することが可能である。この光学素子１３９’は、光学的に活性な第１の表面１３９’ａでは円柱としてまたは球面として形成されていて、かつ反対の側に位置する第２の光学的な面１３９’ｂは、第２の円柱面を有している。この第２の円柱面は、第１の光学面１３９’ａの幾何学形状とは別の焦点距離を実現している。このことは、たとえば、図１１ａおよび図１１ｂに示す該当する面１３９’ａ，１３９’ｂが、互いに異なる曲率パラメータを有している、かつ／または関連する表面の対称軸線が互いに対して垂直に位置していることによって得られる。
【００６８】
互いに異なる複数の点火点を形成するための別の可能性は、単純な非点収差のレーザビームを使用することにある。非点収差のレーザビームは、種々異なるウエスト位置を有している。このようなレーザビームは、自然に、回転対称の光学システムとの組合せによって２つの点火点を形成する。非点収差レーザビームは、たとえば、固体レーザによって放出され得る。固体レーザは、相応して非対称性を有している。この非対称性は、たとえばＱスイッチのレーザの場合、相応して非対称的なポンピングプロファイルによって形成されるか、または温度プロファイルまたは機械的な応力プロファイルを印加することによって形成され得る。これは、固体レーザに、たとえば熱源もしくはヒートシンクの非対称な連結によって印加され得る。
【００６９】
択一的にまたは補完的には、１つまたは複数の円柱面が、非点収差のレーザビームを形成するために、レーザ共振器のための共振器ミラーとして使用され得る。上記で説明したように形成された非点収差レーザビームは、有利には、上記で説明された本発明による別の手段と組み合わせられ得る。
【００７０】
一般的には、本発明による原理を、予燃焼室１１０内に生じる流れ状態を考慮して使用すると有利である。この場合、点火点は、特に有利には、点火点を起点とする全ての火炎フロントが予燃焼室容積をできるだけ迅速に充満するように選択されている。この作用は、本発明によれば、点火点が、当該点火点から拡散した火炎フロントができるだけ遅く予燃焼室壁または隣り合う火炎フロントに衝突するように配置されている場合に得られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月19日(2012.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予燃焼室（１１０）を備えたレーザ点火プラグ（１００）であって、レーザ点火プラグ（１００）内に案内されかつ／または生成されたレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に位置する互いに異なる少なくとも２つの点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）に入射させ、集束させるために、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている形式のものにおいて、
少なくとも１つの第１の点火点（ＺＰ１）と、該第１の点火点（ＺＰ１）に対して隣り合う第２の点火点（ＺＰ２）との間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ２ｍｉｎ）よりも大きく設定されているようにレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に入射させるように、レーザ点火プラグ（１００）が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】
隣り合う点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）の間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ２ｍｉｎ）の少なくとも約１２０パーセントである、請求項１記載のレーザ点火プラグ。
【請求項３】
隣り合う点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）の間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ２ｍｉｎ）の少なくとも約１６０パーセントである、請求項２記載のレーザ点火プラグ。
【請求項４】
隣り合う全ての点火点（ＺＰ１，ＺＰ２，・・・）の間の距離が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する１点火点（ＺＰ１，ＺＰ２，・・・）の最小距離の少なくとも約１２０パーセントである、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項５】
隣り合う全ての点火点（ＺＰ１，ＺＰ２，・・・）の間の距離が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する１点火点（ＺＰ１，ＺＰ２，・・・）の最小距離の少なくとも約１６０パーセントである、請求項４記載のレーザ点火プラグ。
【請求項６】
予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）の最小距離が、予燃焼室（１１０）の内室の最大の延在長さの約１０パーセントから約４０パーセントであり、実質的に少なくとも部分的に球形または楕円体形の予燃焼室の場合、予燃焼室（１１０）の半径の約１０パーセントから約４０パーセントである、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】
予燃焼室（１１０）が、少なくとも部分的にほぼ球形状または楕円体形状を有していて、第１の点火点（ＺＰ１）と、第２の点火点（ＺＰ２）との間の距離（ｄ１２）が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する第１の点火点（ＺＰ１）および／または第２の点火点（ＺＰ２）の最小距離（ｄ１ｍｉｎ，ｄ２ｍｉｎ）の約２倍の大きさである、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】
隣り合う点火点の互いに対する平均的な距離が、予燃焼室（１１０）の内側表面（１１０ａ）に対する点火点の平均的な距離よりも大きく形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項９】
光学素子（１３０，１３３）が設けられていて、光学素子（１３０，１３３）が、レーザビーム（２４）を種々異なる点火点（ＺＰ１，ＺＰ２）に集束させる、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項１０】
前記光学素子（１３０，１３３）が、複数の焦点距離を備える集束光学系として形成されている、請求項９項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項１１】
集束光学系（１３０，１３３）が、それぞれ互いに異なる焦点距離を備えた、互いに対してほぼ同心的な、または隣り合って配置された少なくとも２つの集束領域を有している、請求項１０記載のレーザ点火プラグ。
【請求項１２】
入射されたレーザビーム（２４）のレイリー長が、予燃焼室（１１０）の内室の最大の延在長さ（Ｌ）の少なくとも約１０パーセントであるようにレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に入射させるために、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のレーザ点火プラグ。
【請求項１３】
入射されたレーザビーム（２４）のレイリー長が、予燃焼室（１１０）の内室の最大の延在長さ（Ｌ）の少なくとも約３０パーセントであるようにレーザビーム（２４）を予燃焼室（１１０）内に入射させるために、レーザ点火プラグ（１００）が形成されている、請求項１２記載のレーザ点火プラグ。
【国際調査報告】
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