CN103459831B

CN103459831B - 激光点火装置

Info

Publication number: CN103459831B
Application number: CN201180069855.4A
Authority: CN
Inventors: 古谷博秀; 曾根明弘; 酒井博
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: US20140041612A1; JP2012219661A; DE112011105132T5; CN103459831A; WO2012137384A1

Abstract

激光点火装置（1）是用于对副燃烧室（85）内的混合气体点火的装置，具备配置在副燃烧室（85）内的靶部（20）、以及配置在燃烧室（85）外且出射用于照射到靶部（20）的激光（L）的激光光源（11）。激光光源（11）是微片激光器。

Description

激光点火装置

技术领域

本发明涉及一种用于对燃烧室内的混合气体点火的激光点火装置。

背景技术

作为提高气体发动机的效率的装置，使用激光对燃烧室内的混合气体点火的激光点火装置受人注目。例如，在专利文献1中，记载了使激光聚光于设置在发动机的活塞上表面的固体靶（target）来产生等离子体，并对燃烧室内的混合气体点火的靶击穿（targetbreakdown）方式的激光点火装置。另外，在专利文献2中，记载了使激光聚光于混合气体来进行点火的气体击穿（gas breakdown）方式的激光点火装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-220091号公报

专利文献2：日本特开2006-329186号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，在上述专利文献1所记载的激光点火装置中，若未将激光的聚光点位置高精度地定位于固体靶，则有不能够产生等离子体来对混合气体点火的担忧。另外，在专利文献2所记载的激光点火装置中，为了对混合气体点火，要求大的激光功率。

因此，本发明的目的在于，提供一种能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火，并且能够降低点火所需要的激光的能量的激光点火装置。

解决问题的技术手段

本发明的一个角度的激光点火装置是用于对燃烧室内的混合气体点火的激光点火装置，具备配置在燃烧室内的靶部、以及配置在燃烧室外且出射用于照射到靶部的激光的激光光源，激光光源是微片激光器（microchip laser）。

在该激光点火装置中，对于激光光源而言使用微片激光器。从微片激光器出射的激光由于每单位面积的能量大，因此可以较宽地确保能够在靶部产生用于对混合气体点火的等离子体的激光的强度范围。因此，即使激光的聚光点位置从靶部偏离，也能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火。另外，在该激光点火装置中，具备配置在燃烧室内的靶部、以及配置在燃烧室外且出射用于照射到靶部的激光的激光光源。在该激光点火装置中，通过将激光照射到配置在燃烧室内的靶部而产生等离子来对混合气体点火。根据靶击穿方式，能够由比气体击穿方式小的能量的激光来进行点火。因此，能够降低点火所需要的激光的能量。

在上述激光点火装置中，也可以还具备调整能够在靶部产生用于对混合气体点火的等离子体的激光的强度范围、以及激光的聚光点位置的光学系统。通过这样的结构，能够将激光的强度范围和聚光点位置相对于靶部调整至所期望的位置。

在上述激光点火装置中，光学系统也可以调整强度范围和聚光点位置，以使强度范围包含靶部并且聚光点位置位于靶部的跟前。通过这样调节强度范围，从而由于靶部包含于强度范围，因此能够产生等离子体来对混合气体点火。此外，通过这样调节聚光点位置，能够在聚光点位置直接对混合气体点火。因此，能够产生靶击穿和气体击穿，因而能够更可靠地对混合气体点火。

发明的效果

根据本发明，能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火，并且能够降低点火所需要的激光的能量。

附图说明

图1是用于说明具备本实施方式所涉及的激光点火装置的发动机装置的结构的图。

图2是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的作用的图。

图3是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的效果的图。

图4是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的第1实施例的图。

图5是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的第1实施例的图。

图6是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的第2实施例的图。

图7是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的第3实施例的图。

图8是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置的第4实施例的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边详细地说明本发明的激光点火装置的实施方式。再有，在附图的说明中，对相同的要素标记相同的符号，省略重复的说明。

图1是用于说明具备本实施方式所涉及的激光点火装置1的发动机装置100的结构的图。发动机装置100具备燃烧部50和激光点火装置1。

对激光点火装置1进行说明。激光点火装置1具备激光生成部10和靶部20。激光生成部10具备激光光源11、准直器（collimator）12、镜13、透镜14、透镜驱动部16、靶部20、以及激光控制部15。

激光光源11配置在燃烧部50外。激光光源11具有出射用于照射到靶部20的激光L的功能。对于激光光源11而言，使用微片激光器（microchip laser）。微片激光器是在激励光源中使用半导体激光器（LD）的固体激光器。激光光源11具备激励光源11a、激光共振器11b、以及脉冲化机构11c。对于激励光源11a而言，例如使用半导体激光器。对于激光共振器11b而言，使用例如Nd：YAG。该激光共振器11b的长度为20mm以下。脉冲化机构11c使用例如从外部强制地进行调制的外部调制器、或者通过元件自身的特性进行调制的可饱和吸收体中的任意一个。对于外部调制器而言，例如可以使用电光调制器（EOM）、声光调制器（AOM）等。对于可饱和吸收体而言，例如可以使用Cr：YAG、SESAM等。

准直器12设置在激光L的光路上。准直器12为了形成作为平行光线的激光L而使用。

镜13设置在激光L的光路上。具有控制激光L的光路，并经由激光导入部84而将激光L导光到靶部20的功能。

透镜14设置在激光L的光路上。透镜14是调整激光L的强度范围、以及激光L的聚光点位置P的位置的光学系统。所谓激光L的强度范围，是指能够在靶部20产生用于对混合气体点火的等离子体的范围。对于透镜14而言，优选使用焦点距离长的透镜。对于透镜14而言，可以使用例如焦点距离为100mm的透镜或者焦点距离为150mm的透镜。

靶部20设置在副燃烧室85内。在本实施方式中，在设置有激光导入部84的壁面的相反侧的壁面，设置有靶部20。靶部20具有通过照射激光L而产生等离子体的功能。

激光控制部15连接于控制透镜14的位置的透镜驱动部16。通过激光控制部15控制透镜驱动部16而使透镜14在沿着激光L的光路的方向上移动，从而调整激光L的强度范围和聚光点位置P。激光L的聚光点位置P被调整至副燃烧室85内。聚光点位置P也可以在副燃烧室85内被调整至靶部20的表面上，也可以被调整至靶部20的跟前，或者也可以被调整至激光L的光路上的所期望的地方。另外，调整激光L的强度范围，以使强度范围包含靶部20。此外，激光控制部15连接于激光光源11。激光控制部15控制从激光光源11照射的激光L的、例如重复周期、能量、脉冲宽度、以及波长。

接着，对燃烧部50进行说明。燃烧部50具备主燃烧部60、副燃烧部80和压力控制部91、以及气体导入控制部92。主燃烧部60具有燃烧室主体61、活塞62、盖部63、主压力调整部64、主压力计65、以及主气体导入部66。燃烧室主体61具有圆柱状的主燃烧室67。

在燃烧室主体61的一个端部61a固定有盖部63，从另一个端部61b侧插入有活塞62。活塞62构成为能够在沿着主燃烧室67的中心轴61c的方向上移动。通过使该活塞62在沿着中心轴61c的方向上移动，从而使主燃烧室67内的混合气体压缩或者膨胀。主压力计65设置在主燃烧室67的内壁面。主压力调整部64和主气体导入部66设置在燃烧室主体61的外侧面。主压力调整部64经由从燃烧室主体61的外壁面贯通至主燃烧室67的贯通孔64a而与主燃烧室67连接。主气体导入部66经由从燃烧室主体61的外壁面贯通至主燃烧室67的贯通孔66a而与主燃烧室67连接。

副燃烧部80设置在燃烧室主体61的外侧的侧面。副燃烧部80具备副燃烧室主体81、副压力调整部82、副气体导入部83、以及激光导入部84。副燃烧室主体81具有长方体状的副燃烧室85。

副燃烧室主体81具有贯通孔86。贯通孔86的一个端部设置在副燃烧室85的壁面，另一个端部设置在主燃烧室67的壁面。在与设置有贯通孔86的壁面相互相对的别的壁面，设置有激光导入部84。激光导入部84例如由石英玻璃构成。在与激光导入部84相互正交的一个壁面，设置有副气体导入部83，在另一个壁面设置有副压力调整部82。

压力控制部91连接于主压力调整部64。压力控制部91通过调整主压力调整部64所具备的阀来控制主燃烧室67的内部压力。另外，压力控制部91连接于副压力调整部82。压力控制部91通过调整副压力调整部82所具备的阀来控制副燃烧室85的内部压力。

气体导入控制部92连接于主气体导入部66。气体导入控制部92经由主气体导入部66而将所期望的混合气体导入到主燃烧室67内。另外，气体导入控制部92连接于副气体导入部83。气体导入控制部92经由副气体导入部83而将所期望的混合气体导入到副燃烧室85内。

在具备如以上所述构成的激光点火装置1的发动机装置100中，首先，激光L从激光光源11出射。从激光光源11出射的激光L通过准直器12而到达镜13。到达镜13的激光L被镜13转换光路的方向以照射到靶部20。光路的方向被转换了的激光L到达透镜14。激光L在通过透镜14时以聚光于聚光点位置P的方式被折射。通过了透镜14的激光L通过激光导入部84而被聚光到例如靶部20的表面。

此时，具有所期望的混合比的混合气体被气体导入控制部92导入到主燃烧室67内和副燃烧室85内。另外，主燃烧室67内和副燃烧室85内被压力控制部91调整到所期望的压力。在激光L被聚光了的靶部20的表面产生等离子体。通过该等离子体，导入到副燃烧室85的混合气体被点火，生成燃烧气体。燃烧气体经由贯通孔86向主燃烧室67喷出。通过该喷出的燃烧气体，被导入到主燃烧室67内的稀薄预混合气体被点火而急速地燃烧。

图2是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置1的作用的图，表示主燃烧室67和副燃烧室85的内部压力的经时变化。主燃烧室67的内部压力由主压力计65测量，副燃烧室85的内部压力由压力计87测量。图2中曲线G1表示主燃烧室67的内部压力的经时变化，曲线G2表示副燃烧室85的内部压力的经时变化。激光L在时间T1被照射。参照曲线G1，则可知在时间T1之后内部压力急剧地升高，对主燃烧室67内的混合气体点火。另外，可以预料主燃烧室67的内部压力与副燃烧室85的内部压力的压力差△P越大则越容易燃烧，燃烧效率越高。

如以上说明的那样，在本实施方式所涉及的激光点火装置1中，对于激光光源11而言使用微片激光器。参照图3，说明微片激光器所起的作用效果。图3是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置1的作用效果的图。图3的（a）部表示从现有的激光光源出射的激光LH所具有的强度范围I1，图3的（b）部表示从本实施方式所涉及的激光光源11出射的激光L所具有的强度范围I2。激光LH所具有的能量与激光L所具有的能量相同。参照图3的（a）部与图3的（b）部，则即使是具有与激光LH相同的能量的激光L，也能够使激光L的表示激光品质的M²值为1.2以下，因此能够将激光L的光径设定为例如数mm。因此，能够提高激光L的每单位面积的能量。因此，可以较宽地确保能够在靶部20产生用于对混合气体点火的等离子体的激光L的强度范围I2。因此，即使激光的聚光点位置P从靶部20偏离，也能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火。

另外，由于可以较宽地确保激光L的强度范围I2，因此，即使将靶部20配置于在沿着中心轴61c的方向上移动的活塞62的上表面62a，只要上表面62a的移动范围包含在激光L的强度范围I2，就能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火。另外，具有与在多个聚光点位置P同时地点火的方法同等的效果。另外，由于微片激光器能够使激光介质为与半导体激光同等的尺寸，因此能够容易地使激光光源11为小型。

另外，在本实施方式所涉及的激光点火装置1中，具备配置在副燃烧室85内的靶部20、以及配置在副燃烧室85外且出射用于照射到靶部20的激光L的激光光源11。在激光点火装置1中，对配置在副燃烧室85内的靶部20照射激光L而产生等离子体，由此对混合气体点火。在这样的靶击穿方式的点火方式中，与对混合气体直接地点火的气体击穿方式相比点火所需要的激光L的能量更小。因此，能够降低点火所需要的激光的能量。此外，由于能够降低透过激光导入部84的激光L的能量，因此可以降低激光导入部84损伤的可能性。另外，由于能够降低照射到靶部20的激光L的能量，因此能够降低由于产生等离子体而减少的靶部20的减少量。因此，由于可以降低更换激光导入部84和靶部20的次数，因此能够延长激光点火装置1的寿命。再有，由于激光L的能量小，因此能够容易地使控制激光L的激光控制部15为小型。另外，能够降低激光点火装置1的制造成本。

另外，由于靶部20的损耗而使聚光点位置P与靶部20的位置逐渐地产生偏差。因此，在使用现有的靶击穿方式的点火装置中，需要激光的聚光点位置的调整、或者靶部的更换。另一方面，在本实施方式所涉及的激光点火装置1中，由于能够较宽地确保激光L的强度范围I2，因此不用频繁地调整聚光点位置P或者更换靶部20，能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火。

另外，在使用现有的火花塞的点火装置中，若燃烧室内的压力变高，则放电电压升高，因而火花塞的寿命变短。另一方面，本实施方式所涉及的激光点火装置1，由将激光L照射到靶部20而产生的等离子体来对混合气体点火，因而不需要使用火花塞。因此，与使用火花塞的点火装置相比能够更延长激光点火装置1的寿命。

另外，本实施方式所涉及的激光点火装置1优选还具备调整在靶部20产生用于对混合气体点火的等离子体的激光L的强度范围I2、以及激光L的聚光点位置P的光学系统即透镜14。通过这样的结构，能够将激光L的强度范围I2和聚光点位置P相对于靶部20调整到所期望的位置。

另外，在本实施方式所涉及的激光点火装置1中，优选，通过光学系统即透镜14，调整强度范围I2和聚光点位置P，以使强度范围I2包含靶部20并且聚光点位置P位于靶部20的跟前。通过这样调整激光L的强度范围I2，从而靶部20包含于激光L的强度范围I2，因此能够可靠地产生等离子体来对混合气体点火。此外，通过将激光L的聚光点位置P调节到靶部20的跟前、即将聚光点位置P调节到副燃烧室85内的混合气体，从而能够在聚光点位置P直接对混合气体点火。因此，能够一起产生靶击穿和气体击穿，因此能够更可靠地对混合气体点火。此外，在使稀薄的预混合气体或低发热量的燃料燃烧时，向靶部20的热损失成为问题。另一方面，本实施方式所涉及的激光点火装置1，能够同时地产生靶击穿和气体击穿，因而能够解决上述的问题。特别地，在利用燃烧速度慢的沼气（biogas）等时是有用的。

<实施例1>

使用具备本实施方式所涉及的激光点火装置1的发动机装置100，确认本实施方式所涉及的激光点火装置1的效果。从微片激光器即激光光源11出射的激光L，（1）使脉冲的重复频率为数Hz以上；（2）使能量为每1脉冲0.15mJ以上；（3）使脉冲宽度为1nsec以下；（4）使光束品质为1.2以下；（5）将激光波长设定为混合气体的吸收波长区域即532nm。另外，主燃烧室67和副燃烧室85，（1）使副燃烧室容积为2.45cm³；（2）使燃烧时的主燃烧室容积为75.60cm³；（3）使压缩比为7.29；（4）将压缩前温度设定为80℃。对于燃料而言使用了甲烷。表示甲烷与空气的混合比的等量比在主燃烧室67中设定为0.6，在副燃烧室85中设定为1.25。另外，填充压在主燃烧室67中设定为0.348MPa，在副燃烧室85中设定为0.348MPa。

图4和图5是用于说明本实施方式所涉及的激光点火装置1的效果的图，表示主燃烧室67和副燃烧室85的内部压力的经时变化。图4表示将能量设定为每1脉冲0.94mJ的激光L照射到靶部20，使主燃烧室67内的混合气体燃烧时的内部压力的经时变化。此外，图4的曲线G3表示主燃烧室67的内部压力的经时变化，曲线G4表示副燃烧室85的内部压力的经时变化。如果确认曲线G3的话，则可知由于在区间Z1中内部压力急剧地升高，因此在该区间Z1中产生了主燃烧室67内的混合气体的燃烧。

图5表示将能量设定为每1脉冲0.21mJ的激光L照射到靶部20，使主燃烧室67内的混合气体燃烧时的内部压力的经时变化。此外，图5的曲线G5表示主燃烧室67的内部压力的经时变化，曲线G6表示副燃烧室85的内部压力的经时变化。如果确认曲线G5的话，则可知由于在区间Z2中内部压力急剧地升高，因此在该区间Z2中产生了主燃烧室67内的混合气体的燃烧。

<实施例2>

接着，对可点火的激光L的能量进行确认。这里，将激光L的聚光点位置P调节到所期望的位置，使激光L的能量变化并确认是否能够对主燃烧室67的混合气体点火。通过准直器12使从激光光源11出射的激光L准直，由透镜14聚光并照射到靶部20。聚光点位置P从靶部20的激光L的照射面调节到2mm跟前。

图6表示照射到靶部20的激光L的每1脉冲的能量与点火的成功与否的关系。点D1至点D8的各点表示点火成功。点D1至点D7的各点表示透镜14所具有的焦点距离为100mm的情况下的结果。点D8表示透镜14所具有的焦点距离为150mm的情况下的结果。如果确认图6的点D1至点D7的话，则可知在使用焦点距离为100mm的透镜14的情况下，每1脉冲的能量在0.21mJ至0.94mJ的范围内点火成功。此外，如果确认图6的点D8的话，则可知在使用焦点距离为150mm的透镜14的情况下，即使是在每1脉冲的能量为0.15mJ的情况下，点火也成功。这表示对于激光光源11而言使用微片激光器并且具备具有长的焦点距离的透镜14，因而即使使激光L的能量例如降低至每1脉冲0.15mJ，也可以点火。

<实施例3>

接着，确认激光L的强度范围I2的长度。这里，将激光L的每1脉冲的能量设定为所期望的量，使聚光点位置P变化并确认是否能够对主燃烧室67内的混合气体点火。在本实施例中，将激光L的每1脉冲的能量设定为0.7mJ。另外，在本实施例中，关于聚光点位置P，将靶部20的跟前侧设为正的方向，将与跟前侧相反的方向设定为负的方向。再者，将聚光点位置P在+2mm至-10mm之间阶段性地调整。图7表示聚光点位置P与点火的成功与否的关系。点M1至M10表示点火成功。参照图7的话，则可知在相对于靶部20在+2mm至-10mm之间调整聚光点位置P时，能够对主燃烧室67内的混合气体点火。因此，确认了在使本实施方式所涉及的激光点火装置1在上述的条件下动作的情况下，能够确保长度为12mm的强度范围I2。

<实施例4>

接着，确认利用气体击穿的点火的成功与否。在本实施例中，（1）使副燃烧室容积为9.6cm³；（2）使燃烧时的主燃烧室容积为168cm³；（3）使压缩比为6.28；（4）将压缩前温度设定为100℃。此外，表示甲烷与空气的混合比的等量比在主燃烧室67中设定为0.6，在副燃烧室85中设定为1.25。另外，填充压在主燃烧室67中设定为0.250MPa，在副燃烧室85中设定为0.250MPa。激光L的聚光点位置P的位置调整到靶部20的跟前10mm的位置。该聚光点位置P处于副燃烧室85的上下壁的中央。激光L的波长设定为532nm。将激光L的每1脉冲的能量设定为1.02mJ。透镜14使用焦点距离为150mm的透镜。上述的设定以产生聚光于副燃烧室85内的混合气体的气体击穿为目标。

图8表示主燃烧室67和副燃烧室85的内部压力的经时变化。曲线G7表示副燃烧室85的内部压力的经时变化，曲线G8表示主燃烧室67的内部压力的经时变化。如果参照图8的曲线G7的话，则可知在区间Z3中副燃烧室85的内部压力急剧地升高。确认了通过在上述那样的条件下使本实施方式所涉及的激光点火装置1动作，从而可以实现利用气体击穿的点火。

<变形例>

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明不限定于上述实施方式。例如，本发明所涉及的激光点火装置1不仅能够应用于汽车用发动机，也能够应用于使用在热电联产（cogeneration）系统的气体发动机。通过应用本发明所涉及的激光点火装置1，能够提高热电联产系统的热效率。另外，由于与火花塞相比能够更延长寿命，因此能够削减维护费用。

产业上的可利用性

符号的说明

1…激光点火装置、11…激光光源、20…靶部、67…主燃烧室、85…副燃烧室、L…激光。

Claims

1.一种激光点火装置，其特征在于，

是用于对燃烧室内的混合气体点火的激光点火装置，

具备：

配置在所述燃烧室内的靶部；

配置在所述燃烧室外且出射用于照射到所述靶部的激光的激光光源；

调整能够在所述靶部产生用于对所述混合气体点火的等离子体的所述激光的强度范围、以及所述激光的聚光点位置并且具有透镜的光学系统；

控制所述透镜的位置的透镜驱动部；以及

连接于所述透镜驱动部以及所述激光光源并控制所述激光的激光控制部，

所述激光光源是具备作为半导体激光器的激励光源、激光共振器以及脉冲化机构的微片激光器。

2.如权利要求1所述的激光点火装置，其特征在于，

所述光学系统调整所述强度范围和所述聚光点位置，以使所述强度范围包含所述靶部，并且所述聚光点位置位于所述靶部的跟前。