激光点火系统的制作方法
【专利说明】激光点火系统 现有技术
[0001] 本发明涉及一种激光点火系统，其具有至少一个用于产生脉冲式激光束的机构和 至少一个用于将产生的脉冲式激光束聚焦在聚焦区域上的机构，例如为了点燃在内燃机或 燃烧器中的可燃的气体混合物。
[0002] 在当今的用于点火的激光应用中，一个主要的关注点是激光的最小可能的可聚焦 性。通过使用具有大的数值孔径（DIN58629-1)的光学系统来追求该目标，即在聚焦区域中 实现具有尽可能大的强度（每单位面积的功率=功率密度）的尽可能小的光束直径。Koga 等人（物理杂志D43 (2010)，025204)可以展示，除了门限强度以外在聚焦点上的最小能量 或者说最小注量（每单位面积的能量=能量密度）对于点燃等离子体也是必需的。
[0003] 但是已经证明，尽管具有高的实现的强度，尤其是在稀薄的混合物情况下，在激光 点火情况下出现不利的效果，例如断火，其可能导致直至发动机失灵。与此相关联的是发动 机的运行不平稳。与常规的电点火系统相比较，由此导致的增大的有害排放对激光点火系 统的竞争能力具有负面影响。
[0004] 本发明的优点/本发明的公开 相应地，本发明的任务是，如此地改进开头所述类型的激光点火系统，使得前述缺陷被 克服或者被减少。
[0005] 在开头所述类型的激光点火系统中该任务按照本发明如此解决，激光点火系统被 时间用于产生具有大于〇. 1的标准化的注量容积(体积）的脉冲式激光束。
[0006] 按照本发明的规定产生具有大于0. 1的标准化的注量容积的脉冲式激光束是特 别有利的，因为由此实现在相当大的容积中形成等离子体。
[0007] 本发明的扩展方案甚至规定大于0. 3或0. 5的标准化的注量容积。有利的是，实 现的注量容积非常接近最大可能的注量容积并且由此点燃几率是近似最佳的。
[0008] 在这一点上为了定义注量容积，使用最小能量密度，也称为最小注量，它原则上可 以适当地选择。例如可以依据打算的点火混合物来合适地确定最小注量。例如可以从20J/ mm2的最小注量出发，它尤其是对于在3bar下的空气-甲烷-混合物证明是合适的。为了 在室温和正常的大气压力下在空气（空气击穿）中产生等离子体，例如15J/mm 2的最小注 量是足够的。依据系统和外部边缘条件，例如较高的温度或较高的压力，对于一个系统所需 的最小注量也可为lOJ/mm 2或20J/mm2或25J/mm2或30J/mm2。
[0009] 本发明基于的认识是，在相对较大的容积中实现最小注量对应于激光脉冲的存在 的能量在尽可能大的容积上的比较均匀的分布。由此实现，在形成等离子体之后在聚焦区 域中以增大的可能性点燃燃料混合物。
[0010] 由此避免断火并且改善内燃机的运行稳定性。以这种方式，强烈稀薄的燃料混合 物，即具有高的过量空气，可以比较更可靠地被点燃。这是有利的，因为内燃机的效率一般 随着要点燃的气体混合物的可稀薄程度而增大。
[0011] 相反，在较小的、但较强化的等离子体情况下，存在气体混合物不被点燃的增大的 可能性，而是产生的等离子体的能量例如以声波的形式损失掉。
[0012] 最小注量在其内被超过的容积被称为注量容积。标准化的注量容积对于给定的 激光束特征在聚焦的一定的数值孔径下由根据最大可能的注量容积进行标准化的注量 容积得出。用语激光束特征在此处尤其是被概括为脉冲能量和光束质量M 2 (DIN EN ISO 11146-1)〇
[0013] 最大可能的注量容积是理论上通过改变数值孔径，例如通过更换聚焦透镜或改变 透镜的照明，在同时保持参数最小注量和激光束特征，尤其是脉冲能量，光束质量M 2和波 长，的情况下在给定的激光点火系统中最大可达到的注量容积。
[0014] 如上所述，在最小注量处划分用于确定注量容积的界限。通常最小注量为最大注 量的1/10至1/2的值。最大注量是在产生的激光束的聚焦区域中的最高的注量。最大注 量的值应该不小于l〇J/mm 2。更好的是，最大注量为至少50J/mm2。在这些情况下保证了可 靠地开始形成等离子体。
[0015] 在一个有利的实施方式中规定，注量容积具有1*10_ 5_3的最小尺寸。至少10 _ 4_3的较大的注量容积是希望的。相应于激光束形状，注量容积尤其具有椭圆形形状。对 于激光点火系统已经证明是特别有利的是，注量容积的纵向伸展Z与横向伸展R的比为至 少一个因数20,其中，因数为至少40是要追求的。
[0016] 脉冲式激光束的产生通过激光源进行，例如通过固体激光器。它可选择地通过激 光二极管或者相当的泵浦光源泵浦。固体激光器必要时具有被动的调q开关。其他的激光 源或振荡器-放大器-系统，如在EP1888914A1中描述的，原则上也可以使用。
[0017] -个特别有利的实施方式规定，由激光源产生的激光束具有至少ImJ的脉冲能 量。力求达到的是用于激光束的最小能量为3mJ。在此，激光束的脉冲持续时间不小于 0. 5ns是非常有利的，其中，脉冲持续时间为至少2ns甚至是更优选的。
[0018] 总体上已经证明有利的是，脉冲式激光束的光束质量M2小于20。特别有利的是光 束质量为最大10。例如为5。
[0019] 另一个特别有利的实施例是，在聚焦区域中的强度位于10nW/cm2至10 13W/cm2的 范围中。
[0020] 申请人的研宄还附加地显示，在聚焦产生的激光束时的成像失真（图像缺陷)，尤 其是衍射效应和/或阴影效果，也称为渐晕，在按照本发明规定的、用于聚焦产生的脉冲式 激光束的机构上，对用于点燃可燃的气体混合物的被聚焦的激光束的能力在一些情况下可 能产生不利的影响。
[0021] 为了避免成像失真和为了改善光学成像，要注意，用于聚焦的机构，例如聚焦透 镜，最好最大为关于直径或者说自由孔径的75%或甚至仅为关于直径的50%被照明（照射)。 由此产生的尤其是Strehl比（DIN EN ISO 14880-3)在0. 8至1的范围中。Strehl比用作 在衍射的光束情况下成像失真的自由度的一种尺度（比例)，尤其是衍射的光束与非衍射的 光束的最大注量或最大强度的比。
[0022] 通过系统地研宄可以显示出，借助于按照本发明的激光点火系统可以点燃具有大 于λ =1.5的稀薄燃烧能力的燃料混合物并且稀薄极限随着变大的标准化的注量容积而向 较大的值移动。通过这样的可能性，即在与激光点火系统组合下以具有高的稀薄极限的气 体混合物可靠地运行内燃机，因此有害排放降低和燃烧效率升高。
[0023] 其他的有利的实施方案是从属权利要求的内容。本发明的其他的特征，应用可能 性和优点由下面的本发明的实施例的描述中得到，这些实施例在附图中示出。在此，全部描 述的或者示出的特征本身或者在任意的组合下形成本发明的内容，其独立于它们在权利要 求书中的概括或者它们的回引以及独立于它们的撰写方式或者说说明书的说明或在附图 中的展示。
[0024] 附图 图1示出按照本发明的具有扩展透镜和聚焦透镜的激光点火系统的一个示例。
[0025] 图2示出用于聚焦透镜的各种不同的照明的一系列的模拟的光束焦散面(线)。具 有最小注量lOJ/mm 2和15J/mm2的注量容积的极限被画出。径向的延伸（单位为mm的R) 作为与聚焦区域的距离（单位为mm的Z)的函数示出。
[0026] 图3示出用于一个系列的各种不同的最小注量的计算的注量容积。
[0027] 图4示出稀薄极限（λ)，作为用于各种不同的脉冲能量（3mJ，5mJ，7mJ，9mJ)的