激光點火系統的制作方法
【專利說明】激光點火系統 現有技術
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光點火系統，其具有至少一個用于產生脈沖式激光束的機構和 至少一個用于將產生的脈沖式激光束聚焦在聚焦區(qū)域上的機構，例如為了點燃在內燃機或 燃燒器中的可燃的氣體混合物。
[0002] 在當今的用于點火的激光應用中，一個主要的關注點是激光的最小可能的可聚焦 性。通過使用具有大的數值孔徑（DIN58629-1)的光學系統來追求該目標，即在聚焦區(qū)域中 實現具有盡可能大的強度（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，除了門限強度以外在聚焦點上的最小能量 或者說最小注量（每單位面積的能量=能量密度）對于點燃等離子體也是必需的。
[0003] 但是已經證明，盡管具有高的實現的強度，尤其是在稀薄的混合物情況下，在激光 點火情況下出現不利的效果，例如斷火，其可能導致直至發(fā)動機失靈。與此相關聯的是發(fā)動 機的運行不平穩(wěn)。與常規(guī)的電點火系統相比較，由此導致的增大的有害排放對激光點火系 統的競爭能力具有負面影響。
[0004] 本發(fā)明的優(yōu)點/本發(fā)明的公開 相應地，本發(fā)明的任務是，如此地改進開頭所述類型的激光點火系統，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火系統中該任務按照本發(fā)明如此解決，激光點火系統被 時間用于產生具有大于〇. 1的標準化的注量容積(體積）的脈沖式激光束。
[0006] 按照本發(fā)明的規(guī)定產生具有大于0. 1的標準化的注量容積的脈沖式激光束是特 別有利的，因為由此實現在相當大的容積中形成等離子體。
[0007] 本發(fā)明的擴展方案甚至規(guī)定大于0. 3或0. 5的標準化的注量容積。有利的是，實 現的注量容積非常接近最大可能的注量容積并且由此點燃幾率是近似最佳的。
[0008] 在這一點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 以適當地選擇。例如可以依據打算的點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）中產生等離子體，例如15J/mm 2的最小注 量是足夠的。依據系統和外部邊緣條件，例如較高的溫度或較高的壓力，對于一個系統所需 的最小注量也可為lOJ/mm 2或20J/mm2或25J/mm2或30J/mm2。
[0009] 本發(fā)明基于的認識是，在相對較大的容積中實現最小注量對應于激光脈沖的存在 的能量在盡可能大的容積上的比較均勻的分布。由此實現，在形成等離子體之后在聚焦區(qū) 域中以增大的可能性點燃燃料混合物。
[0010] 由此避免斷火并且改善內燃機的運行穩(wěn)定性。以這種方式，強烈稀薄的燃料混合 物，即具有高的過量空氣，可以比較更可靠地被點燃。這是有利的，因為內燃機的效率一般 隨著要點燃的氣體混合物的可稀薄程度而增大。
[0011] 相反，在較小的、但較強化的等離子體情況下，存在氣體混合物不被點燃的增大的 可能性，而是產生的等離子體的能量例如以聲波的形式損失掉。
[0012] 最小注量在其內被超過的容積被稱為注量容積。標準化的注量容積對于給定的 激光束特征在聚焦的一定的數值孔徑下由根據最大可能的注量容積進行標準化的注量 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改變數值孔徑，例如通過更換聚焦透鏡或改變 透鏡的照明，在同時保持參數最小注量和激光束特征，尤其是脈沖能量，光束質量M 2和波 長，的情況下在給定的激光點火系統中最大可達到的注量容積。
[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] 在一個有利的實施方式中規(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。相應于激光束形狀，注量容積尤其具有橢圓形形狀。對 于激光點火系統已經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 少一個因數20,其中，因數為至少40是要追求的。
[0016] 脈沖式激光束的產生通過激光源進行，例如通過固體激光器。它可選擇地通過激 光二極管或者相當的泵浦光源泵浦。固體激光器必要時具有被動的調q開關。其他的激光 源或振蕩器-放大器-系統，如在EP1888914A1中描述的，原則上也可以使用。
[0017] -個特別有利的實施方式規(guī)定，由激光源產生的激光束具有至少ImJ的脈沖能 量。力求達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)時間不小于 0. 5ns是非常有利的，其中，脈沖持續(xù)時間為至少2ns甚至是更優(yōu)選的。
[0018] 總體上已經證明有利的是，脈沖式激光束的光束質量M2小于20。特別有利的是光 束質量為最大10。例如為5。
[0019] 另一個特別有利的實施例是，在聚焦區(qū)域中的強度位于10nW/cm2至10 13W/cm2的 范圍中。
[0020] 申請人的研宄還附加地顯示，在聚焦產生的激光束時的成像失真（圖像缺陷)，尤 其是衍射效應和/或陰影效果，也稱為漸暈，在按照本發(fā)明規(guī)定的、用于聚焦產生的脈沖式 激光束的機構上，對用于點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 能產生不利的影響。
[0021] 為了避免成像失真和為了改善光學成像，要注意，用于聚焦的機構，例如聚焦透 鏡，最好最大為關于直徑或者說自由孔徑的75%或甚至僅為關于直徑的50%被照明（照射)。 由此產生的尤其是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度的比。
[0022] 通過系統地研宄可以顯示出，借助于按照本發(fā)明的激光點火系統可以點燃具有大 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準化的注量容積而向 較大的值移動。通過這樣的可能性，即在與激光點火系統組合下以具有高的稀薄極限的氣 體混合物可靠地運行內燃機，因此有害排放降低和燃燒效率升高。
[0023] 其他的有利的實施方案是從屬權利要求的內容。本發(fā)明的其他的特征，應用可能 性和優(yōu)點由下面的本發(fā)明的實施例的描述中得到，這些實施例在附圖中示出。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)明的內容，其獨立于它們在權利要 求書中的概括或者它們的回引以及獨立于它們的撰寫方式或者說說明書的說明或在附圖 中的展示。
[0024] 附圖 圖1示出按照本發(fā)明的具有擴展透鏡和聚焦透鏡的激光點火系統的一個示例。
[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)的函數示出。
[0026] 圖3示出用于一個系列的各種不同的最小注量的計算的注量容積。
[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