专利名称：用于给在内燃机的燃烧室内的燃料/空气混合物点火的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于给在内燃机的燃烧室内的燃料/空气混合物点 火的装置，其中燃烧室具有至少一个进气阀和至少一个排气阀，其中另 外设置一个用于发出激光的激光产生装置和一个用于将激光输入到内燃 机的燃烧室内的燃烧室窗。另外本发明涉及一种方法，用于在采用激光 产生装置的情况下运行内燃机尤其是燃气发动机，该激光产生装置将激 光送入到内燃机的燃烧室内，其中激光产生装置具有一个燃烧室窗，通 过该燃烧室窗激光送入到燃烧室内。最后本发明涉及一种具有上面提到 的方式的装置的内燃机。
背景技术：
激光点火是一种用于汽油机式运行的内燃机的、处于发展中的点火 系统，该点火系统基于如下原理，即在内燃机的燃烧室内的强烈的激光 脉冲集中到一个焦点上，其中通过激光射束的在焦点中产生的极其高的 场强而电离气体并且结果加热到等离子温度(几千开尔文)。通过激光 射束聚焦到焦点上，在那里形成点火火花。在此产生的等离子火花按与 在传统的火花点火中类似的方式点燃燃料/空气混合物，在后者中中火花 通过在两个电极之间的电击穿产生。
为了产生激光脉冲，有不同的构思。 一种优选的构思在于，通过抽 运光源(例如半导体激光)，产生点火脉沖的点火激光通过光纤纵向泵 送，直到激活能量到达一个水平，其对于点火激光脉沖的起振和穿过是 必要的。脉沖激光的射束通过一个适合的光学件导入到燃烧室内，该光 学件包括一个聚焦装置和一个过渡窗(燃烧时窗)。将激光脉冲输入到 发动机的燃烧室内的输入光学件由适合的透镜系统以及所谓的燃烧室窗 构成，该燃烧室窗构成到燃烧室内的射束入口之前的最后的光学元件。
4另外相对于传统的火花点火，激光点火的优点在于，点火火花可以 自由地置于燃烧室的深处，在那里存在优化的燃烧条件。与此相反地， 燃烧引导在传统的火花点火的情况下在直接的燃烧室壁附近实现，其中 面状的限定点火火花的电极防止火焰核心形成。激光火花的能量可以通 过提高激光系统的功率而明显上升，而不会因此产生提高的摩损，该摩 损例如在火花点火时鉴于电极摩损得到。
激光点火的另 一优点在于，随着增大的发动机功率而降低必要的最 低脉冲能量(该最低脉冲能量是等离子点火的、对于燃料空气混合物的 点火最小必需的能量)。与此对应地，传统的火花点火系统在将来计划 的发动机功率中明显地达到系统边界。尤其是在固定的大型发送机优选 燃气发动机中，必须允许不仅发动机而且具有长寿命的点火装置的持续 使用，所述大型发动机在当前的情况中表示优选的使用领域，以便尽可 能短地保持例如用于更换点火装置的维护时间。
另外在内燃机的寿命中保证和保持燃烧室窗的光学特性属于实现和 批量转化激光点火装置的主要问题。具体地在燃烧室窗的燃烧室侧的边 界面中，高的热化学的载荷和来自燃烧的固体的残留物的沉积可以导致 表面的混浊，因此不仅减弱即部分吸收而且散射射束，这或者导致等离 子火花的能量的明显降低，或者也导致等离子火花的消失。
该问题通常如下解决，即通过高的脉冲能量一方面实现用于由寿命 引起的衰减和损耗的储备，并且另一方面通过高的脉冲功率力求窗表面 的无燃烧效果。这个过程方式的缺点在于对于为此必要的高的激光功率 的显著的更多成本并且在于无燃烧进行所在的表面的高的单位载荷。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种按开头所述类型的装置以及一种 按开头所述类型的方法，用它们减少现有技术的缺点。尤其减少在燃烧 室窗的燃烧室侧的区域内的沉积。
上述目的通过权利要求1的特征或者通过权利要求12的方法解决。 即设定一种用于给在内燃机的燃烧室内的燃料/空气混合物点火的装置，燃烧室具有至少一个进气阀和至少一个排气阀，另外设置一个用于发出激光的激光产生装置和一个用于将激光输入到内燃机的燃烧室内的燃烧室窗，其特征在于，设置至少一个与进气阀分开的流体输送装置，用该流体输送装置流体至少可以流动到燃烧室窗的表面的区域上或者可以流动到燃烧室窗与激光的焦点之间。除此之外设置一种用于在采用激光产生装置的情况下运行内燃机、尤其是燃气发动机的方法，该激光产生装置将激光送入到内燃机的燃烧室内，其中激光产生装置具有一个燃烧室窗，通过该燃烧室窗，激光进入到燃烧室内，其中在运行内燃机时与燃料分开的流体引导到燃烧室窗上或者在燃烧室窗与激光的焦点之间引导。
通过按本发明的装置可能的是，流体可以持续地流动到燃烧室窗上，而且流动到燃烧室窗的燃烧室侧的边界面上或者可以在焦点与燃烧室窗之间流动，使得通过燃烧燃料/空气混合物形成的沉积物不会沉积在燃烧室窗上。因此燃烧室窗在燃烧室侧没有沉积物并且激光能够以较小的功率运行，因为没有通过在燃烧室窗上的沉积物的干扰吸收。也不必要的
是，以这样的功率运行激光，使得在燃烧室窗上的沉积物又^L冲走或者自由燃烧。总体上这种措施在高的程度上提高了整个装置的寿命。按本发明的方法允许，流体可以流动到燃烧室窗上(而且到燃烧室窗的燃烧室侧的边界面上)或者可以流动到燃烧室窗与激光的焦点之间的区域上。有利地设置，流体不与激光相互作用或者仅最小地与激光相互作用，使得流体在优选的情况中是气体尤其优选是空气或者惰性气体。在当前的情况中惰性气体就足够了 ，如果其与激光的相互作用不导致化学反应的话。在按正确的混合比例的燃料/空气混合物中，相互作用导致点火，使得这种流体是不合适的，而在传统的意义中由于高的氧含量而不能看作惰性气体的空气在当前的情况中完全可以是惰性气体，因为空气通常不与激光反应，或者仅按小的非干扰性的程度与激光反应。总体上这在激光方面例如与光强度、波长和脉沖持续时间有关，使得普通技术人员能够选出适合的流体。作为惰性气体例如考虑co2、氮气、稀有气体或者由它们构成的混合物。可以考虑通过流体的少的激光吸收。由于在燃烧室内的高的压力优选地设置，流体(优选气体)用位于燃烧室的进气压力或者充气压力之上的压力流入。在理想情况中该过压超过进气压力至少1巴。通过压力的这种选择，可以反作用于在燃烧室内的高的压力，使得很大程度上降低燃烧残留物朝燃烧室窗的扩散。
有利地设定，流体输送装置具有至少一个流体出口。因此允许，通过一个或多个有目的的流体出口可以引导流体流动到期望的区域内。
另外可以设定，流体输送装置具有一个用于流体计量的阀。借助于阀可以优化地计量流体的量。在阀构成为止回阀的情况中，来自燃烧室的气体的回流中断。在阀构成为计量阀的情况中，可以优化地调节流体的量和压力。
尤其优选地设定，装置具有一个前腔，该前腔至少部分地设置在燃烧室窗与激光的焦点之间。通过这个措施，在燃烧室窗与焦点之间流动流体的区域在空间上优化地调节。此外，由燃烧室朝燃烧室窗的气流由于空间上的限定而降低。在此有利地设定，前腔设置在燃烧室窗与激光的焦点之间，因此可以清楚确定流过气体流体的区域。已经显示，这种前腔降低必需的流体量，必要时也可以在运行中暂时中断流体输送。
在一个实施例中设定，装置具有一个另外的前腔，该另外的前腔至少部分地包围第一前腔。在此又可以区别两种有利的变形方案。在第一种情况中，第二前腔用于更好地使第一前腔屏蔽于燃烧室的气流并且降低涡流。在第二种情况中可以设定，流体可以进入到第二前腔内。在这种情况中在另 一 实施例中可以设定，可进入到第二前腔内的流体是空气/
燃料混合物，该空气/燃料混合物优选具有比在燃烧室内的x更低的入
(空气与燃料之比)。具有较高的燃料含量的第二前腔区域用于预点火，该预点火紧接着启动在燃烧室内的稀薄的混合物的真正的点火。在此可以设定，激光的焦点设置在第二前腔的边缘区域内或者中心区域内。
按本发明的解决建议尤其基于，燃烧室窗不是直接经受燃烧气体，而是通过一个流体垫(在最简单的情况中是一个空气垫)与燃烧气体分开。在此激光射束在穿过燃烧室窗之后可以引导通过一个例如圆柱形的用流体(例如空气)冲扫的前腔。光路的焦点在前腔至主燃烧室的过渡区域之前或之中或者已经直接在主燃烧室内。前腔可以在气缸的换气阶段期间用流体例如(压力)空气或者用其他的适合的惰性气体冲扫。
因此有利的是，冲扫气体的供给压力明显在发动机的进气压力或者充气压力之上(例如超过进气压力大于1巴)。
通过这种措施， 一方面在各工作冲程之间自由喷吹和冷却燃烧室窗，另一方面通过空气垫的前置而防止燃烧室窗受到火焰的作用或者热的燃烧气体。从而燃烧残留物不再或者仅还以很小的程度沉积在窗的表面上。
由附图和对附图的说明给出本发明的其他的优点和详情。其中以横
截面图的形式
图l显示关于内燃机的气缸的概况图，包括激光产生装置；图2显示装置的第一实施例，包括简单的前腔；图3显示装置的另一实施例，包括简单的、但不同几何形状的前腔；图4显示装置的第一实施例，包括两个前腔；图5显示第二实施，包括两个前腔，其中第二前腔进行预点火，用于给在燃烧室内的空气/燃料混合物点火。
具体实施例方式
在图1中描述关于内燃机的气缸30的粗略示意的概况，该气缸具有按已知的结构方式的活塞31。活塞压缩在气缸30的燃烧室11内的通过入口 36和进气阀34进入的燃料。激光产生装置1产生能点火的激光射束，该激光射束在焦点4上产生点火火花。激光产生装置1由一个抽运光源32并且通过一个光导体33泵送，直到发出相应的激光脉沖，用于给进入到燃烧室11内的燃料/空气混合物点火。在给燃料/空气混合物点火之后，燃烧的气体通过燃料出口 37和排气阀35由燃烧室11分离出。
在图2中描述装置的实施例的前部段的横截面图，在那里激光产生装置(激光火花塞)1安装、优选拧入到前腔套筒2内。激光产生装置如本身已知的那样构成，使得在此仅简短地论述已知的部分。由未显示的
8抽运光源供给的谐振器21 (在图2中下面描述)具有一个输出镜23，通过输出镜，激光8 (以外部的边界射束的形式描述)由谐振器21输出至聚焦装置22。聚焦装置22 (在此简化地通过光轴表示)可以是一个透镜或者一个透镜系统并且将激光8聚焦到焦点4上，该焦点在此与构成等离子火花所在的点火点重合。
前腔套筒2包围激光火花塞l,除了激光脉冲的光路8之外。取代单独的前腔套筒2也可考虑的是，在激光入口的位置上将内燃机的缸盖构成为前腔。在激光8的光路中的自由横截面是在此沿燃烧室11的方向变窄的前腔5。前腔5在此也是平截头棱锥体，其中焦点4在此紧挨着位于前腔5的外部。前腔5在当前的情况中也在前腔套筒2与激光产生装置1之间大致缝形地延伸直至流体输送装置6。这构成了一个侧面的通道24。流体(例如压力空气)通过输送孔6 (在附图中从侧面的右上方向左下方)导入到前腔5内。通过阀7例如止回阀(在此显示的)或者有节拍的电磁阀设置在输送孔内，在压缩冲程和工作冲程期间中断回流。流体流在本实施例中沿着通道24或者在激光产生装置1与前腔套筒之间的缝隙进行，而且是按如下方式进行，即流体流可以在燃烧室窗3的燃烧室侧的边界面3a与焦点4之间流入。
在焦点4中构成等离子火花，在此在本实施例中等离子火花画在圆锥形的前腔5之外，但是原则上等离子火花也可以在圆锥体的内部进行等离子点火，因为前腔5在前面的区域内尤其是在燃烧室侧的区域内(与通过活塞的压缩行程的压力有关地)部分地用燃料/空气混合物填充。
与前腔5的特定造型有关地等离子火花在前腔5之外定位的优点在于，高能原子团通过气缸沖量的流动组成部分(例如螺旋面流和/挤压面流)漂离前腔5并且从而不能再到达燃烧室窗3，该高能原子团通过激光
脉冲在等离子中产生。
在图3中描述图2的方案的修改，其中前腔5的形状旋转了 180° 。因为图2至5的部件一定程度上是相同的，所以不是详细地探讨已经借助于图l解释的特征，而是参阅图2。在图3的例子中，前腔5从内部(即从燃烧室窗3出发沿主燃烧室方向)扩展，沿相反的方向构成一个平截头棱锥体，即平截头棱锥体的小的边界面朝燃烧室窗3定向。在本实施形式中焦点4并且从而等离子火花在没有对于火焰传播的缺点的情况下向内移动即向前腔5移动。该结构的优点在如下激光方案中考虑，在那里多个空间上分开的等离子火花或者焦点4通过一个且同一个输入光学件22产生。
在图4中描述具有两个前腔5、 9的实施例。内腔5相应于图2或3的方案的前腔5。该内腔基本上使得燃烧室窗3或者燃烧室窗3的燃烧室侧的边界面3a与火焰前峰或者燃烧气体屏蔽，其中设置在内部的前腔5上的流体沖扫。外腔9用于优化混合物燃烧和火焰推进。其中通过关于在该部分中的温度和流动状况的确定的条件得到前腔作用。等离子火花可以有目的地设置到优化的位置上(在内部的或外部的前腔之外、开口上或之外)。
最后在图5中显示一种较复杂的变形方案，其中除了前腔5之外(与在图4的变形方案中一样)又设置一个外部的第二前腔9。内部的前腔5为了保护燃烧室窗5用流体沖扫，外部的前腔9用于优化混合物燃烧，该外部的前腔区别于变形方案3在此用燃料或者燃料/空气混合物10沖扫，以便实现燃烧室部分的涂脂。在外前腔9上的流体输送通过一个单独的入口 25实现。在外前腔9中的冲扫不必意味着，整个腔容积用燃料、燃料/空气混合物或者燃料-惰性气体混合物灌注或者沖扫，而是从而也可以填充外前腔9的较小的容积。沖扫的前腔9优选使用在大容积的稀薄燃烧发动机中，因为通过在前腔9内的理想的燃烧条件以及通过强烈的点火射束(点火火焰)，非常稀薄的混合物能够以高的安点火安全性以及相对较高的能量转化率燃烧，该点火射束在前腔容积燃烧之后导入到主燃烧室11内。但是也可考虑的是，外部的燃烧腔9用流体这样冲扫，使得实现流体在燃烧室窗3与焦点4之间的流动。在这种情况中焦点4必须相应远地移动到燃烧室11内。
图5的结构的优点在于，在焦点4中借助于等离子火花可以给按几乎化学计量的(st6chiometrisch )混合物的形式的燃料/空气混合物点火。相对于非常稀薄的混合物(例如在入=1.7的情况中)在化学计量的混合
10物中仅必需最小的对于混合物燃烧必要的脉冲能量的 一部分(例如
10%)。例如在此可以用小于lmJ的脉冲能量工作，这不仅允许非常廉 价的脉冲系统，而且因此也不可能再出现"激光涂层效应"。(通过在 确定的阈强度之上且在自由燃烧强度之下的激光的作用，燃烧室窗的燃 烧室侧的表面的强烈的污染称为激光涂层效应)。
在按图5的实施方案中可以设定，焦点或等离子火花在前腔的区域 内点火，那里燃料空气混合物具有几乎化学计量的燃烧空气比例。
在显示的实施例中流体输送通过流体输送装置6或25实现。它们与 流体源连接(未显示)。流体输送装置6与进气阀或排气阀分开。在传 统的意义中尤其用于燃料的进气阀在其他位置设置燃烧室内。燃料有利 地引导至焦点4或者导入到燃烧室11内，但是不引导到燃烧室窗3上。
对于所有的实施例可以设定，激光脉冲具有0.5-1.5mJ的能量。从 而激光点燃系统可以针对这个脉沖能量设计。
权利要求
1. 用于给在内燃机的燃烧室(11)内的燃料/空气混合物点火的装置(10)，其中燃烧室具有至少一个进气阀(34)和至少一个排气阀(35)，其中另外设置一个用于发出激光的激光产生装置(1)和一个用于将激光输入到内燃机的燃烧室(11)内的燃烧室窗(3)，其特征在于设置至少一个与进气阀(34)分开的流体输送装置(6)，流体至少能通过该流体输送装置流动到燃烧室窗(3)的表面的区域上或者能流动到燃烧室窗(3)与激光的焦点(4)之间。
2. 按权利要求l所述的装置，其特征在于流体输送装置(6)具有 至少一个流体出口 (13)。
3. 按权利要求1和2所述的装置，其特征在于流体输送装置(6) 具有一个用于计量流体的阀(7)。
4. 按权利要求3所述的装置，其特征在于阀(7)构成为止回阀。
5，按权利要求3或4所述的装置，其特征在于阀(7)构成为计量阀。
6. 按权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于设有一个前 腔(5)，该前腔至少部分地设置在燃烧室窗(3)与激光的焦点(4)之 间。
7. 按权利要求6所述的装置，其特征在于前腔(5)设置在燃烧室 窗(3)与激光的焦点(4)之间。
8. 按权利要求6或7所述的装置，其特征在于设有一个另外的前 腔(9)，该另外的前腔至少部分地包围第一前腔(5)。
9. 按权利要求8所述的装置，其特征在于流体能进入到第二前腔 (9)内。
10. 按权利要求9所述的装置，其特征在于能进入到第二前腔(9 ) 内的流体是空气/燃料混合物。
11. 按权利要求1至10任一项所述的装置，其特征在于设有一个 压力产生装置，用于提高流体的压力。
12. 用于在采用激光产生装置(1)的情况下运行内燃机、尤其是燃 气发动机的方法，该激光产生装置将激光送入到内燃机的燃烧室(11) 内，其中激光产生装置(1)具有一个燃烧室窗(3)，通过该燃烧室窗， 激光进入到燃烧室(11)内，其特征在于在运行内燃机时与燃料分开 的流体引导到燃烧室窗(3)上或者在燃烧室窗(3)与激光的焦点之间 引导。
13. 按权利要求12所述的方法，其特征在于流体是气体。
14. 按权利要求13所述的方法，其特征在于气体是空气。
15. 按权利要求13所述的方法，其特征在于气体是惰性气体。
16. 按权利要求12至15任一项所述的方法，其特征在于流体处于 压力下。
17. 按权利要求12至16任一项所述的方法，采用按权利要求1至 ll任一项所述的装置(10)。
18. 按权利要求12至16任一项所述的方法，采用按权利要求8至 12任一项所述的装置(10)，其特征在于具有不同于在燃烧室(1)内 的入i的入2的空气/燃料混合物进入到第二前腔(9)内。
19. 按权利要求18所述的方法，其特征在于在前腔(9)内的空气 /燃料之比入2比在燃烧室(11)内的空气/燃料之比？w低。
20. 按权利要求19所述的方法，其特征在于在前腔(9)内的空气 /燃料混合物通过激光进行预点火，该预点火然后给在燃烧室(4)内的 空气/燃料混合物点火。
21. 内燃机，包括按权利要求1至12任一项所述的装置(10 )。
全文摘要
本发明涉及一种用于给在内燃机的燃烧室(11)内的燃料/空气混合物点火的装置(10)，其中燃烧室具有至少一个进气阀(34)和至少一个排气阀(35)，其中另外设置一个用于发出激光的激光产生装置(1)和一个用于将激光输入到内燃机的燃烧室(11)内的燃烧室窗(3)。设置至少一个与进气阀(34)分开的流体输送装置(6)，流体至少可以通过该流体输送装置流动到燃烧室窗(3)的表面的区域上或者可以流动到燃烧室窗(3)与激光的焦点(4)之间。
文档编号F02P23/04GK101463791SQ200810186399
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者F·格鲁贝尔 申请人:Ge延巴赫两合无限公司