MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA CON UN DISPOSITIVO DE GENERACIÓN DE LUZ LÁSER.

Motor de combustión interna con un dispositivo de generación de luz láser,

caracterizado porque el dispositivo de generación d e luz láser (1) está config urado de tal form a que es a decuado par a e mitir luz láser (16) con u na estructura de modos transversal variable en el tiempo

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna con un dispositivo de generación de luz láser.

Los dispositivos convencionales de generación de luz láser, que se emplean en el campo del encendido por láser de motores de combustión interna, presentan, en general, un resonador láser, que está configurado de tal forma que la luz láser emiti da por el dis positivo de generación de lu z láser pr esenta u n p erfil de Gauss (estruct ura de m odos TEM00), es decir, que l a distribución de la intensidad cae transversalmente con un desarrollo exponencial. Además, en particular en láser d e impulsos, se uti lizan con frec uencia también dispositivos de generación de luz láser c on resonador lás er inesta ble. T ambién e n este conce pto de resonador, se produce una d istribución de l a inte nsidad variable transversalmente sobre la sección transversal del haz.

Un inconveniente esencial para el empleo de alta capacidad de motores de combustión interna encendidos por láser consiste en l a eficienc ia re ducida, con l a que l a l uz lá ser es intro ducida e n el v olumen d e pl asma qu e de be calentarse para el encendido seguro de la mezcla de combustible yaire. Estas pérdidas resultan, por una parte, a partir de las pérdidas de transmisión de la radiación láser, que pasa por el volumen de encendido antes de la rotura del plasma inducida por láser y, por otra parte, a partir de pérdidas, que se producen a través del paso lateral de la radiación láser del volumen de plasma en virtud del tamaño demasiado reducido del plasma o lateralmente en virtud de la geometría del foco muy dilatada.

El pro blema de la i nvención es d esarrollar un m otor de combustión interna de l tip o indicado al pr incipio, d e tal manera que se eleva la eficiencia, con la que se utiliza la luz láser para el encendido.

Este problema se soluciona por medio de un motor de combustión interna con las características de la reivindicación

1.

En un motor de combustión interna de este tipo, es posible introducir la energía mínima necesaria para la generación de un núcleo de plasma a través de radiación láser, que presenta una estructura de modos TEM00, en la cámara de combustión. Esta radiación láser presenta propiedades de enfoque ideales.

Por lo demás, la energía total necesaria para la generación de un núcleo de llama inflamable es introducida en forma de una luz láser rica en energía, que se configura posteriormente, con una estructura de modos de orden transversal superior en la cámar a d e c ombustión. Es to se r ealiza ya d urante l a confi guración de un vol umen de plasma suficientemente grande, de modo que se reducen al mínimo las pérdidas a partir de radiación que pasa lateralmente por el plasma con anterioridad en el tiempo o en el espacio.

En el sentido de esta publicación, por una estructura demodos transversal se entiende el patrón de intensidadde una haz electromagnético en un plano perpendicular (es decir, transversal) a la dirección de propagación del haz. Las estructur as de mod os, que p ueden ser gen eradas a través de u n reso nador de láser, son de l tipo electromagnético transversal (TEM).

De acuerdo con la simetría del resonador láser, la estructura de los modos TEM es diferente.

El modo TEM00 es el modo básico con perfil de Gauss.

Con pr eferencia, tanto la luz láser co n estructura de mo dos T EM00 como tambié n la l uz láser, qu e presenta un a estructura de modos de orden transversal superior, son emitidas en forma de impulsos.

Con pr eferencia, tanto la luz láser co n estructura de mo dos T EM00 como tambié n la l uz láser, qu e presenta un a estructura de modos de orden transversal superior son generadas con el mismo dispositivo de generación de luz láser. A ta l fin debe preverse que el dispositivo de generación de luz láser presente un resonador láser, que está configurado de tal forma que pued e ser ac cionado d e m anera estab le con rel ación a al menos d os modos de diferente orden transversal de la luz láser emisible.

Con preferencia, en la invención se emplea un resonador láser del tipo Fabry-Perot.

La designación “transversal” se refiere a cualquier dirección en ángulo recto al eje óptico del resonador láser.

Se conoce a p artir de la liter atura que en s istemas láser con circuit o pasivo de ca lidad a través de absorbedores saturables puede aparecer una serie secuencial de la configuración de diferentes estructuras de modos (R. Wu, T. L. Chen, J. D. Myers, M. J. Myers, C. Ardí, Multipulses Behavior in a Erbium Glass Laser Q Switched by Cobalt Spinal, AeroSense 2003, SPIE Vol. 5086, Orlando, Florida, 21 – 25 de Abril de 2003).

No obstante, en este caso se trata de efectos no planificados que se producen en diferentes estructuras de modos y con secuencia temporal imprevista, cuya impresión no está optimizada, además, sobre los plasmas inflamables para la generación y para el recalentamiento de un plasma inflamable inducido por láser.

Para la forma de realización preferida de la invención se propone un dispositivo de g eneración de l uz láser, cu ya configuración del resonador láser posibilita a través de una configuración adecuada de las su perficies ópticas una variabilidad de la condición de la estabilidad del resonador láser. A este respecto, está previsto que las superficies ópticas del resonador láser estén configuradas y dispuestas entre sí de tal manera que el diámetro de un rayo de luz introducido e n el res onador láser s ea v ariable. T al res onador láser se con oce t ambién b ajo la desi gnación “resonador telescópico”.

En el resonador láser de un dispositivo de generación de luz láser de este tipo están dispuestos un medio láser y un absorbedor pa sivo satura ble, estando co nfigurada y dispuesta con pr eferencia en ca da caso u na superfic ie de l medio láser ydel absorbedor de tal manera que forma un espejo del resonador láser. Muyen general, puede estar previsto q ue l as superfic ies ópticas d el r esonador láse r se formen p or las sup erficies de l med io láser y d el absorbedor.

De ma nera alternativa, tambi én p uede esta r prevista, n aturalmente, u na óptica s eparada, en particular un espejo separado.

La co nfiguración d e las s uperficies d el m edio lás er acti vo y/o del ab sorbedor p asivo satura ble en la forma d e realización pre ferida tie ne e n este caso, po r una parte, la función d e de terminar la v ariabilidad g eométrica de l a configuración de los modos, que es necesaria para la estabilidad a ajustar del resonador láser.

Por otra parte, debe garantizarse una variabilidad transversal del absorbedor pasivo saturable con e l propósito de que s e pu eda realiz ar u na c onfiguración s egura de un modo T EM00 e n un a prim era etapa. C on un retard o, qu e corresponde al desarrollo temporal del núcleo de plasma, se puede generar entonces una radiación rica en energía con una estructura de modos de orden transversal superior con el objetivo de garantizar a través de un acoplamiento más eficie nte de la l uz lás er y de l a prev ención de p érdidas de paso t emporales o espaciales u na calefacción incrementada del plasma a las temperaturas necesarias para un encendido seguro de una mezcla de combustible y aire.

La configuración de impulsos secuenciales a trav és de la estabilización de difere ntes modos y el comportamiento temporal d iferente res ultante de ello d el ab sorbedor s aturable tie ne esp ecialmente el objetivo de e xcitar el mo do TEM00 necesario para la capacidad de enfoque ideal en el medio láser de una manera electiva en primer lugar para la configuración, para garantizar la formación de plasma en el foco láser. A continuación, deben excitarse de manera selectiva mo dos de orden s uperior p ara la configuración, para pos ibilitar una calefacción adic ional d el plasma ya formado. La configuración de modos de órdenes transversales superiores posibilita en este caso adicionalmente un aprovechamiento más eficiente de todo el volumen del medio láser activo.

Para el a provechamiento óptimo de la e nergía láser d e l os impuls os si guientes, el i ntervalo de tiem po (retraso), calculado entre el final d el impulso precedente y el comienzo del impulso siguiente, entre los impu lsos es 10 ns – 200 ns (nanosegundos), con preferencia 30 ns – 70 ns. Dentro de este retraso, la radiación de impulsos... [Seguir leyendo]

1. Motor de combustión interna con un dispositivo de generación de luz láser, caracterizado porque el dispositivo de generación d e luz láser (1) está config urado de tal form a que es a decuado par a e mitir luz láser (16) con u na estructura de modos transversal variable en el tiempo.

2. Motor d e combustión interna de acuerdo con la r eivindicación 1 con una cámara de combustión, en l a que se puede introducir una mezcla de combustible y aire, caracterizado porque el dispositivo de generación de luz láser (1) está configurado de tal forma que es adecuado para emitir luz láser (16), que presenta en secuencia temporal una estructura de modos TEM00 y una estructura de modos de orden transversal superior, en el que la luz láser (16) que presenta una estructura de modos TEM00 está configurada para la generación de un plasma inducido por láser en la mezcla d e co mbustible y ai re y en e l qu e la l uz lás er (16), que presenta u na estr uctura d e mo dos d e ord en transversal superior, está configurada para el recalentamiento del plasma.

3. Motor de c ombustión i nterna d e acu erdo con la re ivindicación 1 ó 2, caracteriza do porq ue e l d ispositivo d e generación d e luz láser (1) presenta un r esonador láser (2), que está configur ado d e tal forma qu e pue de ser accionado c on rel ación a al menos d os m odos d e d iferente or den tra nsversal de l a l uz l áser emisible (16), co n preferencia estable.

4. Motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque las superficies ópticas del resonador láser (2) están configuradas ydispuestas de tal manera que el diámetro de un rayo de luz introducido en el resonador láser (2) es variable.

5. Motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque en el resonador láser

(2) están dispuestos un medio láser (4) y un absorbedor pasivo saturable (5).

6. Motor d e combustión interna de acuerdo con la reivindicación 5, car acterizado porque una superficie (6, 7) del medio láser (4) ydel absorbedor (5), respectivamente, está configurada y dispuesta de tal manera que forma un espejo del resonador láser (2).

7. Motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque las superficies ópticas del resonador láser (2) se forman por las superficies (6, 7, 8, 9) del medio láser (4) y del absorbedor (5).

8. Motor de combustión i nterna d e acu erdo con una de la s reiv indicaciones 5 a 7, caracterizad o porq ue e l absorbedor (5) saturable está configurado de tal forma que presenta en dirección transversal (r) una i ntensidad de saturación variable.

9. Motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el absorbedor (5) saturable está configurado de tal forma que presenta en dirección transversal (r) al menos dos zonas de diferente intensidad de saturación.

10. Motor de combustión i nterna de acu erdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el absor bedor (5) saturable presenta en dirección transversal (r) una longitud de trayectoria óptica variable.

11. Motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 8 ó 10, caracterizado porque el a bsorbedor (5) saturable presenta en dirección transversal (r) una dotación variable.

12. Motor d e combusti ón i nterna de ac uerdo c on u na de l as reivindicaciones 3 a 11, caracter izado p orque e l dispositivo de generación de luz láser es adecuado, con preferencia por medio de una óptica de corrección, para acoplar ra diación l áser de bomba ( 25) c on un a d istribución de la i ntensidad no ho mogénea tran sversal en el resonador láser (2).

13. Motor d e combusti ón i nterna de ac uerdo c on u na de l as reivindicaciones 3 a 11, caracter izado p orque e l resonador láser (23) presenta un espejo (6, 7), con preferencia un espeso de desacoplamiento (7), con capacidad de reflexión no homogénea transversal.

14. Motor d e combusti ón i nterna de ac uerdo c on u na de l as reivindicaciones 3 a 13, caracter izado p orque e l dispositivo de generación de luz láser (1) es adecuado para emitir al menos dos impulsos de luz láser con diferente estructura tran sversal de mo dos, en el que entre dos impulsos de luz láser s ucesivos, con pr eferencia entre e l primero y el s egundo im pulsos d e l uz láser, está previsto un int ervalo de tiemp o entre 2 0 ns y 200 ns, c on preferencia entre 30 ns y 70 ns.

15. Proce dimiento p ara e l e ncendido d e u na mezcl a de combustible y aire q ue se encuentra en la cámara d e combustión de un motor de combustión interna de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14, a través de la luz láser emiti da desd e un disp ositivo de generación de luz láser, c aracterizado p orque la estruct ura tr ansversal de modos de la luz láser (16) es variable en el tiempo.

16. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque en primer lugar para la generación de un plasma en la mezcla de combustible y aire se introduce luz láser (16) con una estructura de modos TEM00 en la cámara de combustión (21) y a continuación para el recalentamiento del plasma se introduce luz láser (16) con una estructura de modos de orden transversal superior en la cámara de combustión (21).