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高效激光点火装置

阅读：134发布：2020-05-15

专利汇可以提供高效激光点火装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开一种高效激光点火装置。本发明的所述高效激光点火装置基本上包括：采用多片单发射器封装的光纤输出激光二极管的泵浦光源；添加镱的激光介质；以及作为被动Q 开关介质的饱和吸收体，其中可以获取100到999ps的脉冲作为所述被动Q开关激光输出。根据本发明，可以解决用激光点火装置替代使用电火花的点火装置引起的高成本/低效率/低可靠性/不一致性这些缺点问题。，下面是高效激光点火装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高效激光点火装置，其包括：
(a)泵浦光源，其包括多片单发射器封装的光纤输出激光二极管；
(b)添加镱(Yb)的激光介质；以及
(c)用作被动Q 开关介质的可饱和吸收体，
其中获取100到999皮秒脉冲作为所述被动Q开关介质的激光输出。
2.根据权利要求1所述的高效激光点火装置，其中：
所述激光二极管具有900nm到990nm的波段；并且
所述可饱和吸收体包括掺铬钇铝石榴石(Cr:YAG)可饱和吸收体。
3.根据权利要求1所述的高效激光点火装置，其包括多个组，每个组包括所述组件(a)到(c)，并且在每一组的所述可饱和吸收体的下一阶段进一步包括多聚焦点火点产生单元。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的高效激光点火装置，其进一步包括逆流热阻隔单元。

说明书全文

高效激光点火装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 【技术问题】

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 【技术方案】

[0012] 本发明的一个方面提供一种高效激光点火装置，其包括：(a)泵浦光源，其包括多片单发射器封装的光纤输出激光二极管；(b)添加镱(Yb)的激光介质；以及(c)用作被动Q 开关介质的可饱和吸收体，其中获取100到999皮秒脉冲作为被动Q开关激光输出。

[0013] 在此，激光二极管可具有900nm到990nm的波段，并且可饱和吸收体可以是掺铬钇铝石榴石(Cr:YAG)可饱和吸收体。

[0014] 另外，所述高效激光点火装置还可包括多个组，每个组包括组件(a)到(c)，并且在每一组的可饱和吸收体的下一阶段进一步包括多聚焦点火点产生单元。

[0015] 此外，上述高效激光点火装置可以进一步优选地包括逆流热阻隔单元。

[0016] 【有益效果】

[0017] 根据本发明，存在如下效果。

[0018] (1)能够输出数百皮秒脉冲并且被动地Q切换的高效率激光通过包括具有多片单发射器封装光纤输出类型的层状二极管(这是最新技术)作为泵浦光源、添加镱(Yb)的激光介质(例如，掺Yb钇铝石榴石(Yb:YAG))和可饱和吸收体来实现，并且该高效率激光应用于内燃机等中发动机点火的激光点火装置，并且因此可以使得激光点火系统实现低成本、小型化且高效。

[0019] (2)此时，由于使用了用于点火的激光输出所需的重复率两倍或三倍的脉冲重复率，因此点火脉冲之间的脉冲可以用于自动地去除会粘附到激光束发射窗口的副产物，并且因此使得高效激光点火系统可以实现实际使用。

[0020] (3)当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，由于使用其发射截面具有倾斜表面的光纤而非使用简单高折射率光学组件来传输激光脉冲能量，因此即使在激光输出脉冲的输出方向发生细微改变时和在激光束发散角发生改变时，激光脉冲能量也可以稳定地传输到点火点。

[0021] (4)由于可以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，因此高效激光点火装置能可靠地运行。附图说明

[0022] 图1是根据本发明用于在车辆等的内燃机中点火的高效激光点火装置中的泵浦光源的示意图。

[0023] 图2是根据本发明的第一实施例的高效激光点火装置的示意图。

[0024] 图3是根据本发明的第二实施例的高效激光点火装置(202)的示意图。

[0025] 【参考标号】

[0026] 10：多片单发射器

[0027] 12：第一聚焦透镜

[0028] 14：泵浦光纤输入端

[0029] 16：泵浦光纤传送

[0030] 18、18-1、18-2：泵浦光纤输出端

[0031] 20：激光二极管输出光

[0032] 22、22-1、22-2：第二聚焦透镜

[0033] 24、24-1、24-2：添加镱的激光介质

[0034] 24A：激光介质的全反射涂层

[0035] 24B：激光介质发射表面的抗反射涂层

[0036] 26、26-1、26-2：可饱和吸收体

[0037] 26A：可饱和吸收体的抗反射涂层

[0038] 26B：可饱和吸收体的输出玻璃涂层

[0039] 28、28-1、28-2：第三聚焦透镜

[0040] 30、30-1、30-2：入射窗口

[0041] 30B：入射窗口的全反射涂层，用于防止逆向移动

[0042] 34：热阻隔块

[0043] 36、36-1、36-2：聚焦点火点

[0044] 42-1、42-2：信号传输光纤

具体实施方式

[0045] 在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

[0046] 图1是根据本发明用于在车辆等的内燃机中点火的高效激光点火装置中的泵浦光源100的示意图。参考图1，由多片单发射器10发出的光通过第一聚焦透镜12聚焦并输入至泵浦光源100中的泵浦光纤输入端14，且接着所述光移动穿过泵浦光纤传送16并通过泵浦光纤输出端18输出作为激光二极管输出光20。虽然图1中使用一个透镜作为第一聚焦透镜12，但是根据需要可以使用两个或更多透镜。图1中示出的泵浦光源100的一个合适实例是多片单发射器封装光纤输出激光二极管，其具有900nm到990nm的波段，具有以低成本制造整个高效激光点火装置的优点，并且具有与传统技术的808nm泵浦激光二极管相比更低的成本和更小的封装。采用此类泵浦光源100的原因在于：由于Yb离子的高能态使用寿命是1,
000μs，其比Nd离子的高能态使用寿命长约六倍，因此当在高效激光点火装置中使用镱(Yb)基激光介质而不是钕(Nd)基激光介质时，泵浦脉冲宽度可长达1,200μs到2,000μs，即使使用20W泵浦激光二极管时也可以将每脉冲中在24mJ到40mJ范围内的泵浦脉冲能量输入到激光介质，这在下文将详细描述。

[0047] 图2是根据本发明的第一实施例的高效激光点火装置200的示意图。为方便说明，在图2中，仅示出了图1中的泵浦光源100中用于输出泵浦光的泵浦光纤输出端18，并且省略了所述泵浦光源的其它组件。参考图2，本发明的高效激光点火装置200采用添加Yb的激光介质24，例如掺Yb钇铝石榴石(Yb:YAG)，作为激光谐振器的组件。需要数百皮秒的短脉冲来获得用于点火所需的高强度激光束。在本发明的高效激光点火装置200中，激光谐振器包括添加Yb的激光介质24，其中用于1030nm波段的全反射涂层24a涂覆在泵浦光入射表面侧(泵浦光位于左侧并且从左到右行进)，用于1030nm波段的抗反射涂层24b涂覆在其发射表面侧，并且作为被动Q开关介质的可饱和吸收体26与添加Yb的激光介质24相邻。例如，掺铬YAG(Cr:YAG)可饱和吸收体(对于1030nm波段，抗反射涂层26a涂覆在激光介质的一侧上并且输出玻璃涂层26b涂覆在其另一侧上)设置为集成型或分立型，并且因此获取数百皮秒脉冲作为被动Q开关激光输出。此时，当需要调节谐振器的长度时，输出玻璃涂层26b还可以由单独的输出玻璃镜面来实施。在图2中，参考标号22和28分别表示用于聚焦光的第二聚焦透镜和第三聚焦透镜，参考标号30表示入射窗口，激光点火装置输出的光通过所述入射窗口传输到发动机中，和参考标号36表示点火点，所述光通过第三透镜聚焦到所述点火点。同时，存在如下问题：在发动机中的爆炸冲程(膨胀冲程)期间，在点火点周围产生的高温热；高温热由于发射光谱的原因朝向激光点火装置200反向移动，所以应用以下两个逆流热阻隔单元来防止此类热传递。

[0048] (1)针对波长在300nm到900nm范围内的全反射涂层30b用于防止点火燃料的发射光谱的逆向移动，最后一个激光点火装置输出的光通过入射窗口传输到发动机中，全反射涂层30b涂覆在入射窗口30的右侧表面上，以阻隔因点火燃料的发射光谱或辐射热导致的热量。

[0049] (2)热阻隔块34安装在位于激光点火装置的发动机汽缸的一侧处的耦合器与所述发动机汽缸之间，或以单件或分离型式安装在位于激光点火装置的发动机汽缸的所述侧处的耦合器处。在热阻隔块34中使用具有极佳热阻、低热导率以及与高温下与金属的热膨胀率类似的热膨胀率的氧化锆陶瓷或其类似的陶瓷来防止辐射热量通过发动机汽缸40的壁传递。在图2中，热阻隔块34由于二维图示的原因看起来阻隔了光路，但是，由于热阻隔块34呈圆柱形制造和安装，该圆柱形的中心部分被移除以防止光路与其干扰，因此热阻隔块34不干扰光路。

[0050] 图3是根据本发明的第二实施例的高效激光点火装置202的示意图。与第一实施例相比，第二实施例的特征包括独立的组，分别是：包括在具有多片单发射器封装光纤输出激光二极管的泵浦光源100中的泵浦光纤输出端18-1和18-2、添加Yb的激光介质24-1和24-2、作为被动Q开关介质的可饱和吸收体26-1和26-2、第二聚焦透镜22-1和22-2以及第三聚焦透镜28-1和28-2。由于各组中的每一个在发动机中产生一个聚焦点火点，因此多个组最后产生多聚焦点火点36-1和36-2，并且因此可以同时执行多焦点和多点点火，这是在大容量燃烧中的优势。第二实施例的另一个特征在于：信号传输光纤42-1和42-2安装在可饱和吸收体26-1和26-2与第三聚焦透镜28-1和28-2之间。其中，信号传输光纤的入射截面与入射光方向成90°角且发射截面倾斜。信号传输光纤42-1和42-2作为多聚焦点火点的产生单元而非简单的高折射率光学组件，并且因此即使当激光输出脉冲的输出方向发生细微改变或激光束发散角发生改变时，激光脉冲能量也可以稳定地传输到点火点。为方便说明，在图3中未示出组件中所包括的全反射涂层、抗反射涂层等，但是这些涂层可类似于图2添加到组件上，因此高效激光点火装置相应地运转。第一实施例和第二实施例中相同的组件起到相同的作用，在第一实施例中使用添加Yb的激光介质24-1和24-2中的一个，在第二实施例中使用24-1和24-2这两个激光介质，但是只要激光输出不存在问题，在第二实施例中通常也可以使用激光介质24-1和24-2中的一个。另外，其设计和制造可以扩展到三组或四组，并且其在实施时还可以具有更多优点。

[0051] 如上文所描述，根据本发明的实施例的高效激光点火装置具有如下可操作特征和优点。

[0052] (1)可以使用低成本的900nm到990nm泵浦激光二极管。(2)由于Yb的高能态使用寿命是1000μs，泵浦脉冲宽度在最大值时长达约2000μs，因此最大可用泵浦脉冲能量得以增加且高效激光点火装置为有效的。(3)由于泵浦激光二极管的峰值功率低，并且将低电流用作输入功率，因此驱动电路变得简单。(4)因此，具有总系统价格不贵且可以实际应用的优点。(5)另外，由于使用了用于点火的激光输出所需的重复率两倍或三倍的重复率，因此点火脉冲之间的脉冲可以用于自动地去除可能粘附到激光束发射窗口的燃烧副产物，高效激光点火装置具有可能实际应用的优点。当吸收的副产物的量增加时，激光束被副产物吸收，传输到聚焦点(其是点火点)的激光能量减少，点火可能变得不稳定或不可能，因此这种自动去除是特别起作用的。(6)另外，当针对用于大容量燃烧室燃烧所需的多焦点燃烧执行多焦点聚焦时，使用具有倾斜发射截面的光纤而非简单高折射率光学组件来传输光，因此具有如下优点：即使在激光输出脉冲的输出方向发生细微改变时和激光束发散角发生改变时，激光脉冲能量也可以传输到点火点。(7)另外，由于使用发射光谱全反射涂层涂覆到其上的窗口以及设计为防止干扰光路的热阻隔块，因此存在防止因点火燃料发射光谱和通过发动机汽缸内壁的热传递而导致辐射热逆向移动的优点。

[0053] 【工业实用性】

[0054] 由于本发明解决了因用激光点火装置替代使用电火花的点火装置引起的高成本/低效率/低可靠性/不一致性这些缺点，因此本发明在点火装置领域中具有很高的工业实用性。

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