[發(fā)明專利]激光點(diǎn)火系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201480008222.6
• 申請(qǐng)日: 2014-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN104968928B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J.奧斯特林斯基;H.里德布施
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號(hào): F02P23/04
• 分類號(hào): F02P23/04;H01S3/00
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 李永波,宣力偉

現(xiàn)有技術(shù)

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。

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。通過使用具有大的數(shù)值孔徑(DIN58629-1)的光學(xué)系統(tǒng)來追求該目標(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。

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。

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。

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0.1的標(biāo)準(zhǔn)化的注量容積（體積）的脈沖式激光束。

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。

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。

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/mm²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10J/mm²或20J/mm²或25J/mm²或30J/mm²。

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。

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。

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。

最小注量在其內(nèi)被超過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M²(DIN EN ISO 11146-1)。

最大可能的注量容積是理論上通過改變數(shù)值孔徑，例如通過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M²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。

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10J/mm²。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。

在一個(gè)有利的實(shí)施方式中規(guī)定，注量容積具有1*10^－5mm³的最小尺寸。至少10^－4mm³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。