[发明专利]高效激光点火装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光点火装置，用于对车辆等中的内燃机点火，且更具体地说，涉及一种对泵浦光源、激光介质、可饱和吸收体、发射截面等进行改进的激光点火装置，以使其实现低成本、小型化、高效率。

背景技术

电火花点火装置是使用了最长时间的发动机点火装置。在电火花点火装置中，以合适的间隔安装正电极和负电极并且产生高压放电脉冲来点燃发动机中的燃料。由于这种火花点火电极装置具有由其设计导致的在发动机的整体内部空间中难以最大程度地均匀地点火的缺陷，因此火花点火电极装置的燃料效率略低，介于16％到18％之间。自20世纪90年代以来，已经提出各种类型的激光点火装置来实现均匀放电并且提升点火效率这一火花点火装置的问题。虽然英国和日本研究团队提出一种激光点火系统并证明其发动机效率可以实现介于22％到24％之间，这相较于放电方法提升了约6％，但是所述激光点火系统仍具有低效率或缺乏实际上应用于车辆发动机所需的专一性和经济可行性，因此仍尚未实现商业化。对于此的主要原因在于使用了高成本泵浦激光二极管，因此实际应用几乎是不可能的。作为特定实例，对于传统激光点火装置，已经进行了一种方法的研究和开发，在其中使用主要添加了钕(Nd)的激光介质，但是作为核心激光技术的Nd基激光介质具有其最佳泵浦时间介于200μs到300μs或更小的范围内的缺点，并且因此仅可使用对应于每一脉冲最大300μs的泵浦激光二极管脉冲的能量。在这种情况下，可用的泵浦波段为800nm，并且所需的平均输出为100W或更多的泵浦激光二极管的成本是四千到五千美元或更多，因此泵浦激光二极管是几乎不可能降低成本的光学组件。同时，在2012年，日本研究团队提出了一种新的激光点火系统，通过具有808nm泵浦波长的激光二极管内的脉冲泵浦Nd基激光介质产生的具有1064nm波长的激光脉冲输出光通过透镜以高强度聚焦于极小直径上从而产生光发射脉冲来点燃燃料。然而，即使使用大批量生产类型的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)估计也几乎不可能以低成本实现此类系统的商业化。

由于使用此类Nd基激光的激光放电系统具有Nd离子，所述Nd离子具有170μs的较短高能态使用寿命，因此具有类似脉冲宽度的泵浦激光二极管的泵浦脉冲宽度也必须保持介于约200μs到300μs范围内，并且即使当使用高成本的120W泵浦激光二极管时，也仅可将每一脉冲介于24mJ到36mJ范围内的泵浦脉冲能量输入到激光介质。如上文所描述，使用Nd激光的激光放电系统存在以下问题：(1)必须使用高成本的808nm泵浦激光二极管，(2)由于Nd离子的高能态使用寿命是170μs，当泵浦脉冲宽度为最大值约300μs时其效率实现最大化，因此最大限度可用的泵浦脉冲能量较少且效率低下，(3)由于泵浦激光二极管的峰值功率高，并且将高电流用作输入功率，因此驱动电路复杂，(4)相应地，整体系统变得昂贵，因此存在着实际应用变为几乎不可能的问题。(5)另外，由于在系统实际应用并且在燃料燃烧期间产生的燃烧副产物很有可能粘附到激光束发射窗口，并且燃烧腔室内部的窗口不包括自动清洁功能，因此实际应用几乎是不可能的。(6)虽然存在其中具有高折射率的光学组件应用于多焦点燃烧的设计，但是当多个激光谐振器的输出激光束的振荡方向根据脉冲细微改变或激光束发散角改变时，通过聚焦透镜传输到燃烧腔室中的焦点的激光束的输出能量很有可能改变，并且因此有可能发生不完全点火或点火失败。

同时，在发动机中的爆炸冲程(膨胀冲程)期间在点火点周围产生约2,000℃高温的热量。因此，值得关注的是不利地影响激光点火装置的热量会因发射光谱而传递到激光点火装置，并且因此也存在与在传统技术的点火装置中对应的准备不充分的问题。

发明内容

【技术问题】

本发明旨在提供一种实现低成本和小型封装的高效激光点火装置，到目前为止，这是很困难的。

另外，本发明还提供一种高效激光点火装置，增加了最大可用泵浦脉冲能量、采用低电流作为输入功率，并且简化了驱动电路。

本发明还提供一种高效激光点火装置，能够防止燃料燃烧期间所产生的副产物粘附到激光束发射窗口。

本发明还提供一种能够稳定地运行的高效激光点火装置，防止出现不完全点火或点火失败，甚至防止在针对大容量燃烧室中的燃烧所需的多焦点燃烧执行多焦点聚焦时出现不完全点火或点火失败。

本发明还提供一种高效激光点火装置，能够阻隔在发动机中的爆炸冲程(膨胀冲程)期间在点火点周围产生并且朝向激光点火装置反向移动的高温热。

【技术方案】