激光點(diǎn)火系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】激光點(diǎn)火系統(tǒng) 現(xiàn)有技術(shù)
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光點(diǎn)火系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)用于產(chǎn)生脈沖式激光束的機(jī)構(gòu)和 至少一個(gè)用于將產(chǎn)生的脈沖式激光束聚焦在聚焦區(qū)域上的機(jī)構(gòu)，例如為了點(diǎn)燃在內(nèi)燃機(jī)或 燃燒器中的可燃的氣體混合物。
[0002] 在當(dāng)今的用于點(diǎn)火的激光應(yīng)用中，一個(gè)主要的關(guān)注點(diǎn)是激光的最小可能的可聚焦 性。通過(guò)使用具有大的數(shù)值孔徑（DIN58629-1)的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)追求該目標(biāo)，即在聚焦區(qū)域中 實(shí)現(xiàn)具有盡可能大的強(qiáng)度（每單位面積的功率=功率密度）的盡可能小的光束直徑。Koga 等人（物理雜志D43 (2010)，025204)可以展示，除了門限強(qiáng)度以外在聚焦點(diǎn)上的最小能量 或者說(shuō)最小注量（每單位面積的能量=能量密度）對(duì)于點(diǎn)燃等離子體也是必需的。
[0003] 但是已經(jīng)證明，盡管具有高的實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度，尤其是在稀薄的混合物情況下，在激光 點(diǎn)火情況下出現(xiàn)不利的效果，例如斷火，其可能導(dǎo)致直至發(fā)動(dòng)機(jī)失靈。與此相關(guān)聯(lián)的是發(fā)動(dòng) 機(jī)的運(yùn)行不平穩(wěn)。與常規(guī)的電點(diǎn)火系統(tǒng)相比較，由此導(dǎo)致的增大的有害排放對(duì)激光點(diǎn)火系 統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)能力具有負(fù)面影響。
[0004] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)/本發(fā)明的公開 相應(yīng)地，本發(fā)明的任務(wù)是，如此地改進(jìn)開頭所述類型的激光點(diǎn)火系統(tǒng)，使得前述缺陷被 克服或者被減少。
[0005] 在開頭所述類型的激光點(diǎn)火系統(tǒng)中該任務(wù)按照本發(fā)明如此解決，激光點(diǎn)火系統(tǒng)被 時(shí)間用于產(chǎn)生具有大于〇. 1的標(biāo)準(zhǔn)化的注量容積(體積）的脈沖式激光束。
[0006] 按照本發(fā)明的規(guī)定產(chǎn)生具有大于0. 1的標(biāo)準(zhǔn)化的注量容積的脈沖式激光束是特 別有利的，因?yàn)橛纱藢?shí)現(xiàn)在相當(dāng)大的容積中形成等離子體。
[0007] 本發(fā)明的擴(kuò)展方案甚至規(guī)定大于0. 3或0. 5的標(biāo)準(zhǔn)化的注量容積。有利的是，實(shí) 現(xiàn)的注量容積非常接近最大可能的注量容積并且由此點(diǎn)燃幾率是近似最佳的。
[0008] 在這一點(diǎn)上為了定義注量容積，使用最小能量密度，也稱為最小注量，它原則上可 以適當(dāng)?shù)剡x擇。例如可以依據(jù)打算的點(diǎn)火混合物來(lái)合適地確定最小注量。例如可以從20J/ mm2的最小注量出發(fā)，它尤其是對(duì)于在3bar下的空氣-甲烷-混合物證明是合適的。為了 在室溫和正常的大氣壓力下在空氣（空氣擊穿）中產(chǎn)生等離子體，例如15J/mm 2的最小注 量是足夠的。依據(jù)系統(tǒng)和外部邊緣條件，例如較高的溫度或較高的壓力，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)所需 的最小注量也可為lOJ/mm 2或20J/mm2或25J/mm2或30J/mm2。
[0009] 本發(fā)明基于的認(rèn)識(shí)是，在相對(duì)較大的容積中實(shí)現(xiàn)最小注量對(duì)應(yīng)于激光脈沖的存在 的能量在盡可能大的容積上的比較均勻的分布。由此實(shí)現(xiàn)，在形成等離子體之后在聚焦區(qū) 域中以增大的可能性點(diǎn)燃燃料混合物。
[0010] 由此避免斷火并且改善內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。以這種方式，強(qiáng)烈稀薄的燃料混合 物，即具有高的過(guò)量空氣，可以比較更可靠地被點(diǎn)燃。這是有利的，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的效率一般 隨著要點(diǎn)燃的氣體混合物的可稀薄程度而增大。
[0011] 相反，在較小的、但較強(qiáng)化的等離子體情況下，存在氣體混合物不被點(diǎn)燃的增大的 可能性，而是產(chǎn)生的等離子體的能量例如以聲波的形式損失掉。
[0012] 最小注量在其內(nèi)被超過(guò)的容積被稱為注量容積。標(biāo)準(zhǔn)化的注量容積對(duì)于給定的 激光束特征在聚焦的一定的數(shù)值孔徑下由根據(jù)最大可能的注量容積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的注量 容積得出。用語(yǔ)激光束特征在此處尤其是被概括為脈沖能量和光束質(zhì)量M 2 (DIN EN ISO 11146-1)〇
[0013] 最大可能的注量容積是理論上通過(guò)改變數(shù)值孔徑，例如通過(guò)更換聚焦透鏡或改變 透鏡的照明，在同時(shí)保持參數(shù)最小注量和激光束特征，尤其是脈沖能量，光束質(zhì)量M 2和波 長(zhǎng)，的情況下在給定的激光點(diǎn)火系統(tǒng)中最大可達(dá)到的注量容積。
[0014] 如上所述，在最小注量處劃分用于確定注量容積的界限。通常最小注量為最大注 量的1/10至1/2的值。最大注量是在產(chǎn)生的激光束的聚焦區(qū)域中的最高的注量。最大注 量的值應(yīng)該不小于l〇J/mm 2。更好的是，最大注量為至少50J/mm2。在這些情況下保證了可 靠地開始形成等離子體。
[0015] 在一個(gè)有利的實(shí)施方式中規(guī)定，注量容積具有1*10_ 5_3的最小尺寸。至少10 _ 4_3的較大的注量容積是希望的。相應(yīng)于激光束形狀，注量容積尤其具有橢圓形形狀。對(duì) 于激光點(diǎn)火系統(tǒng)已經(jīng)證明是特別有利的是，注量容積的縱向伸展Z與橫向伸展R的比為至 少一個(gè)因數(shù)20,其中，因數(shù)為至少40是要追求的。
[0016] 脈沖式激光束的產(chǎn)生通過(guò)激光源進(jìn)行，例如通過(guò)固體激光器。它可選擇地通過(guò)激 光二極管或者相當(dāng)?shù)谋闷止庠幢闷?。固體激光器必要時(shí)具有被動(dòng)的調(diào)q開關(guān)。其他的激光 源或振蕩器-放大器-系統(tǒng)，如在EP1888914A1中描述的，原則上也可以使用。
[0017] -個(gè)特別有利的實(shí)施方式規(guī)定，由激光源產(chǎn)生的激光束具有至少ImJ的脈沖能 量。力求達(dá)到的是用于激光束的最小能量為3mJ。在此，激光束的脈沖持續(xù)時(shí)間不小于 0. 5ns是非常有利的，其中，脈沖持續(xù)時(shí)間為至少2ns甚至是更優(yōu)選的。
[0018] 總體上已經(jīng)證明有利的是，脈沖式激光束的光束質(zhì)量M2小于20。特別有利的是光 束質(zhì)量為最大10。例如為5。
[0019] 另一個(gè)特別有利的實(shí)施例是，在聚焦區(qū)域中的強(qiáng)度位于10nW/cm2至10 13W/cm2的 范圍中。
[0020] 申請(qǐng)人的研宄還附加地顯示，在聚焦產(chǎn)生的激光束時(shí)的成像失真（圖像缺陷)，尤 其是衍射效應(yīng)和/或陰影效果，也稱為漸暈，在按照本發(fā)明規(guī)定的、用于聚焦產(chǎn)生的脈沖式 激光束的機(jī)構(gòu)上，對(duì)用于點(diǎn)燃可燃的氣體混合物的被聚焦的激光束的能力在一些情況下可 能產(chǎn)生不利的影響。
[0021] 為了避免成像失真和為了改善光學(xué)成像，要注意，用于聚焦的機(jī)構(gòu)，例如聚焦透 鏡，最好最大為關(guān)于直徑或者說(shuō)自由孔徑的75%或甚至僅為關(guān)于直徑的50%被照明（照射)。 由此產(chǎn)生的尤其是Strehl比（DIN EN ISO 14880-3)在0. 8至1的范圍中。Strehl比用作 在衍射的光束情況下成像失真的自由度的一種尺度（比例)，尤其是衍射的光束與非衍射的 光束的最大注量或最大強(qiáng)度的比。
[0022] 通過(guò)系統(tǒng)地研宄可以顯示出，借助于按照本發(fā)明的激光點(diǎn)火系統(tǒng)可以點(diǎn)燃具有大 于λ =1.5的稀薄燃燒能力的燃料混合物并且稀薄極限隨著變大的標(biāo)準(zhǔn)化的注量容積而向 較大的值移動(dòng)。通過(guò)這樣的可能性，即在與激光點(diǎn)火系統(tǒng)組合下以具有高的稀薄極限的氣 體混合物可靠地運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)，因此有害排放降低和燃燒效率升高。
[0023] 其他的有利的實(shí)施方案是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。本發(fā)明的其他的特征，應(yīng)用可能 性和優(yōu)點(diǎn)由下面的本發(fā)明的實(shí)施例的描述中得到，這些實(shí)施例在附圖中示出。在此，全部描 述的或者示出的特征本身或者在任意的組合下形成本發(fā)明的內(nèi)容，其獨(dú)立于它們?cè)跈?quán)利要 求書中的概括或者它們的回引以及獨(dú)立于它們的撰寫方式或者說(shuō)說(shuō)明書的說(shuō)明或在附圖 中的展示。
[0024] 附圖 圖1示出按照本發(fā)明的具有擴(kuò)展透鏡和聚焦透鏡的激光點(diǎn)火系統(tǒng)的一個(gè)示例。
[0025] 圖2示出用于聚焦透鏡的各種不同的照明的一系列的模擬的光束焦散面(線)。具 有最小注量lOJ/mm 2和15J/mm2的注量容積的極限被畫出。徑向的延伸（單位為mm的R) 作為與聚焦區(qū)域的距離（單位為mm的Z)的函數(shù)示出。
[0026] 圖3示出用于一個(gè)系列的各種不同的最小注量的計(jì)算的注量容積。
[0027] 圖4示出稀薄極限（λ)，作為用于各種不同的脈沖能量（3mJ，5mJ，7mJ，9mJ)的