JP2006144726A - 内燃機関のレーザー着火装置およびレーザー着火方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー出力を低減して、確実なレーザー着火を確保し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現する内燃機関のレーザー着火装置及びレーザー着火方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、シリンダ内に照射するレーザーのパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とすることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内の予混合気又は層状混合気を強制的に着火し燃焼させる内燃機関のレーザー着火装置とレーザー着火方法に関する。

従来、内燃機関の着火方式としては、点火プラグの放電火花によって予混合気又は層状混合気に点火するものが使用されている。
また、内燃機関の着火方式として、レーザー光を燃焼室内の予混合気又は層状混合気に照射し着火させる方式が提案されている。
特表２００４−５２４４７８号公報 特表昭６３−５０２６８２号公報 -

しかしながら、点火プラグの放電火花による着火方式においては、圧縮比を高めたような場合、点火プラグの着火位置から離れたシリンダボア周辺部において、エンドガスが自己着火しノッキングが発生するという問題や、点火プラグの場合、摩耗しやすく耐久性に問題がある。
また、従来のレーザー着火方式においては、確実な着火を発生するために、レーザー出力を大きくしなければならず、そのため装置の大型化、コストの上昇という問題が発生する。

本発明は、前記課題を解決する、確実なレーザー着火を確保しつつレーザー出力を低減し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現する内燃機関のレーザー着火装置及びレーザー着火方法を提供することを目的とする。

本第１発明は、前記課題を解決するために、レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅を、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とすることを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、集光光学系を用いてシリンダ内にパルスレーザー光を収束することを特徴とする。

本第３発明は、本第１又は第２発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、レーザー光源からのパルスレーザー光が光伝送手段を介してシリンダの出射部に伝送されることを特徴とする。

本第４発明は、本第１〜第３発明のいずれかの内燃機関のレーザー着火装置において、着火に最適なパルス幅が超短にもかかわらず、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅が超短ではない場合、パルス幅短縮装置を用いることを特徴とする。

本第５発明は、本第４発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記パルス幅短縮装置を内燃機関のシリンダの出射部に配置することを特徴とする。

第６発明は、本第４発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としないことを特徴とする。

本第７発明は、本第１〜第６発明のいずれかの内燃機関のレーザー着火装置において、１つのレーザー光源と複数の内燃機関のシリンダとを光伝送手段により連結することを特徴とする。

本第８発明は、内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とすることを特徴とする。

レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とする構成により、レーザー出力を低減して確実なレーザー着火を確保し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現することができる。
レーザー照射手段が、集光光学系を用いて内燃機関のシリンダ内にパルスレーザー光を収束する構成により、内燃機関のシリンダ内の所望の位置でレーザー着火が可能であるため、熱効率の良い燃焼が可能となる。
レーザー照射手段が、レーザー光源からのパルスレーザー光を光伝送手段により内燃機関のシリンダに伝送する構成により、レーザー光源の配置を熱・振動の影響の無い位置に配置でき、設計の自由度が拡大する。
着火に最適なパルス幅が超短にもかかわらず、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅が超短ではない場合、パルス幅短縮装置を用いる構成により、通常のパルス幅のレーザー光源で超短パルス幅のパルスレーザー光とすることができる。
パルス幅短縮装置を内燃機関のシリンダの直前に配置する構成により、超短パルス幅のパルスレーザー光が光ファイバー等の光伝送手段に損傷を与えるのを防止することができる。
前記パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としない構成により、ダブルクラッド型の光ファイバーのもつパルス幅短縮機能を利用し、装置のコンパクト化を図ることができる。
１つのレーザー光源と複数の内燃機関のシリンダとを光伝送手段により連結する構成により、装置をコンパクト化することができる。
内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とするする構成により、前記内燃機関の着火装置と同様に、レーザー出力を低減して確実なレーザー着火を確保し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現することができる。

本発明の内燃機関のレーザー着火方式は、内燃機関のシリンダ内の予混合気又は層状混合気にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成したプラズマにレーザーエネルギーを吸収させ、その吸収エネルギーが燃料に応じた最小着火エネルギーを超えることにより燃料・空気の予混合気又は層状混合気に着火するものである。ブレークダウンは、レーザーの尖頭値に大きく依存していると言われている。つまり、パルスレーザー光のパルス幅を短くすると尖頭値が大きくなるためにブレークダウンしき値は小さくなる。そこで、パルスレーザー光のパルス幅の相違によるブレークダウンしき値を調査し、着火に必要なレーザーエネルギーと、ブレークダウンにより生成するプラズマに吸収されるレーザーエネルギーの関係を明らかにしていく。

図１は、本発明の内燃機関のレーザー着火のメカニズムを解明するために使用した実験装置を示す。実験装置は、レーザー光源から射出されたパルスレーザー光は、１／２波長版と偏光板によりパワーが調整された後、ビームスプリッタにより分岐され、その一部はパワーメータ（ＭＯＬＥＣＴＲＯＮ社製：Ｊ２５ＨＲ）で投入エネルギーが計測される。分岐されたパルスレーザー光のもう一方は、凸レンズにより集光され、非燃焼実験では大気中に、燃焼実験では燃焼室窓から燃焼室内に照射され、焦点で集光された後、パワーメータ（ＭＯＬＥＣＴＲＯＮ社製：Ｊ２５ＨＲ）でエネルギーが計測される。使用されたレンズは、非燃焼実験においては、ｆ＝５０，１００，１５０ｍｍの３種、燃焼実験においては、ｆ＝５０ｍｍである。非燃焼実験において、連続発信によるカーネル周囲雰囲気の温度上昇を防ぐため、乾燥空気を流した。使用したレーザーは、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーで、パルス幅（ＦＷＨＭ）が、２４ｐｓ、１５０ｐｓ、５ｎｓ、２０ｎｓの４種類である。着火実験では、燃焼室内は常温、常圧とし、メタン−空気予混合気の当量比を０．６から１．０まで変化させた。

図２は、図１の実験装置においての実験したパルスレーザー光のパルス幅とブレークダウンしき値の関係を示す。図２に示されるように、パルスレーザー光のパルス幅が、ナノ秒より短いとブレークダウンしきい値が小さく、パルス幅の変化に対して差が少ない。逆にパルスレーザー光のパルス幅がナノ秒オーダーになると、ブレークダウンしきい値の指数関数が大きくなっている。これは、ブレークダウンが、レーザーのパワー（エネルギー密度）に依存し、パルスレーザー光のパルス幅が短い方がパワーは大きくなり、ブレークダウンしきい値が小さくなるためである。

図３は、当量比を変化させた時の、最小着火投入エネルギーとパルスレーザー光のパルス幅の関係を示すものである。図３に示されるように、パルスレーザー光のパルス幅の違いによる最小着火投入エネルギーの変化は、当量比にかかわらずパルスレーザー光のパルス幅が１５０ｐｓのものが一番小さく、５ｎｓ、２４ｐｓの順となっている。パルスレーザー光のパルス幅が５ｎｓと２４ｐｓとの差は小さかった。燃料に応じた最小着火エネルギーは、レーザーに関係なく一定であるので、本実験の結果、パルスレーザー光のパルス幅が１５０ｐｓのレーザーを用いるとプラズマによるエネルギーの吸収量が一番大きく、レーザーの出力が一番小さいことを示している。

以上の実験の結果をまとめると、ブレークダウンしきい値は、パルスレーザー光のパルス幅が短いほど小さくなるが、その後の発生したプラズマへのエネルギー吸収率は小さい。着火を考えると、最小着火エネルギーが小さい条件では、パルスレーザー光のパルス幅の短いものを、最小着火エネルギーが大きい条件では、パルスレーザー光のパルス幅が長いレーザーを用いると効率が良いことが判明した。メタン−空気予混合気の着火実験の結果、最小着火投入エネルギーは、パルスレーザー光のパルス幅が、１５０ｐｓ、２４ｐｓ、５ｎｓの順に大きくなった。つまり、レーザーの着火には、サブナノ秒のパルス幅のレ
ーザーを用いる事が、射出レーザーエネルギーを一番小さくできることが判明した。

燃料の種類により最小着火エネルギーが異なることを勘案すると、パルス幅の長い通常のパルスレーザー光においては、一般的にプラズマの生成するレーザーエネルギーにおいて、着火に必要なエネルギーがプラズマに投入されるが、パルスレーザー光のパルス幅を短くなると、プラズマを生成するエネルギーが小さくなり、結果的にプラズマに蓄積されるエネルギーが小さくなるため、これが燃料に応じた最小着火エネルギーを下回ることがある。レーザー着火のためのレーザーの投入エネルギーを最小にできるのは、ブレークダウンによるプラズマの生成に必要なレーザーエネルギーが小さく、かつ、プラズマに吸収されるエネルギーが燃料に応じた最小着火エネルギーを上回るパルスレーザー光のパルス幅を選択することが重要である。

図４は、本発明を内燃機関のレーザー着火装置に適用した一実施形態を示すものである。
図４中、１は内燃機関のシリンダであり、シリンダ１内にピストン９が往復動自在に配置される。シリンダ１とピストン９との間に形成される燃焼室１０に吸込口２と排気口３が開口する。吸込口２には、吸気弁６を有する吸気管４が設置され、排気口３には、排気弁７を有する排気管５が設置される。吸気管４から燃料・空気予混合気８（ディゼルの場合は空気）が燃焼室１０に供給される。排気管５から燃焼後ガスが排気される。内燃機関のシリンダ１の燃焼室１０内の燃料・空気予混合気８中に、レーザー光源１１からの最適パルス幅とされたパルスレーザー光が照射される。レーザー光源１１の配置は、内燃機関のシリンダ１の熱及び振動の影響を受けない位置に配置することが望ましい。レーザー光源１１からのパルスレーザー光は、光ファイバー等のレーザー光伝送手段１２を介して、内燃機関のシリンダ１の燃焼室１０の所望の位置にレンズ１４を介して収束する。レーザー光源１１の配置は、内燃機関のシリンダ１に直接配置することも可能であるが、内燃機関のシリンダ１の熱及び振動の影響を受けない位置に配置することが望ましい。燃焼室１０に収束されたパルスレーザー光は、予混合気中にブレークダウンを発生させ、プラズマを生成し、その後プラズマにレーザーエネルギーを吸収させ、予混合気に着火する。パルスレーザー光の最適パルス幅が超短の場合、通常用いるパルスレーザー光のパルス幅のレーザー光源を用いて、レーザー光伝送手段にパルス幅短縮装置１３を設置する。パルスレーザー光のパルス幅が超短の場合、光ファイバー等のレーザー光伝送手段１２を損傷する恐れがあるので、パルス幅短縮装置１３は、レーザー光伝送手段１２の最終端に当たる内燃機関のシリンダ２のレーザー光照射位置に設置するのが望ましい。図示しないが、１つのレーザー光源と複数のシリンダとを光伝送手段により連結することもできる。

図５（ａ）（ｂ）は、パルス幅短縮装置の一実施形態を示すものである。
図５（ａ）は、レーザー光源からのパルスレーザー光が、ビームセパレータ１５により偏光分離され、偏光分離された直線偏光成分の一方が、１／４波長板１６、レンズ１７を介して、ジェネレータセル１８に入射し、ジェネレータセル１８内で全反射し、入射した経路を通り、ビームセパレータ１５からパルス幅が短縮されたパルスレーザー光として取り出される。図５（ｂ）は、図５（ａ）の実施例の１／４波長板１６とレンズ１７との間に増幅セル１９を配置したものである。

また、別の実施形態として、パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としない構成とすることができる。これは、ダブルクラッド型の光ファイバーが、パルス幅圧縮機能を持つことを利用したものである。シリンダーの出射部にパルス幅短縮装置を設置する必要がないにで、装置のコンパクト化を図ることができる。

内燃機関のレーザー着火方法として、内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は
層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、燃料に応じた最小着火エネルギーを上回る最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とする。

本発明において用いた実験装置を示す図である。 パルス幅とブレークダウンしきい値の関係を示す図である。 当量比と最小着火投入エネルギーの関係を示す図である。 本発明の内燃機関のレーザー着火装置の一実施形態を示す図である。 （ａ）（ｂ） 本発明に用いるパルス幅短縮装置の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１：内燃機関のシリンダ
２：吸込口
３：排出口
４：吸気管
５：排気管
６：吸気弁
７：排気弁
８：燃料・空気予混合気（ディゼルでは空気）
９：ピストン
１０：燃焼室
１１：レーザー光源
１２：レーザー光伝送手段
１３：パルス幅短縮装置
１４：レンズ
１５：ビームセパレータ
１６：１／４波長板
１７：レンズ
１８：ジェネレータセル
１９：増幅器

Claims (8)

1. レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅を、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とすることを特徴とする内燃機関のレーザー着火装置。
2. 前記レーザー照射手段は、集光光学系を用いてシリンダ内の所望の位置にパルスレーザー光を収束することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のレーザー着火装置。
3. 前記レーザー照射手段は、レーザー光源からのパルスレーザー光が光伝送手段を介してシリンダの出射部に伝送されることを特徴とする請求項１及び２に記載の内燃機関のレーザー着火装置。
4. 着火に最適なパルス幅が超短にもかかわらず、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅が超短ではない場合、パルス幅短縮装置を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のレーザー着火装置。
5. 前記パルス幅短縮装置をシリンダの出射部に配置することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のレーザー着火装置。
6. 前記パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としないことを特徴とする請求項４記載の内燃機関のレーザー着火装置。
7. １つのレーザー光源と複数の内燃機関のシリンダとを光伝送手段により連結することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関のレーザー着火装置。
8. 内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とすることを特徴とする内燃機関のレーザー着火方法。
   
   
   

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