JP2006242043A - 着火時期制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の単純な予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法および装置を提供すること。
【解決手段】予混合圧縮着火エンジン１０の着火時期を制御する着火時期制御装置であって、所定のレーザビーム２、２’を発生するレーザ発生器１、１’と、該レーザ発生器１，１’から発生された該所定のレーザビーム２、２’を該予混合圧縮着火エンジン１０の燃焼室７に集光照射する集光照射手段３と、を有し、該所定のレーザビーム２、２’を該集光照射手段３で該燃焼室７に集光照射することで酸素ラジカル（Ｏ^*）を生成させることを特徴としている。
燃焼室に所定のレーザビームを集光照射するだけであるので、従来の予混合圧縮着火エンジンに所定のレーザビームを発生するレーザ光源とそのレーザビームを集光照射する集光照射手段を備えるだけでよく、構造を極めて単純化することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、予混合圧縮着火（HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition）エンジンの着火時期を制御する方法および装置に関する。

ＨＣＣＩエンジンの作動について説明する。燃料噴射弁から燃焼室に噴射された燃料が空気と混合され燃焼室内に可燃混合気を形成する。その可燃混合気はピストンの往復運動により圧縮され、着火温度を越えた時点で着火に至る。このような作動を行うＨＣＣＩエンジンは、スパークイグニッションエンジンとディーゼルエンジンの長所を併せ持つエンジンとして注目されている。すなわち、ＨＣＣＩエンジンは、希薄で且つ低温な燃焼が可能であるため、ＮＯｘとスート（Soot）の同時低減が達成されるという長所を持っている。一方、上記作動の説明から明らかなように、着火が予混合気の圧縮による自己着火であるため、着火時期の制御が困難であるという短所を有している。

そこで、着火時期を制御する方法として、１）エンジン自体の構造を変更することで圧縮比を変更して燃焼室内の温度を変化させ着火時期を制御する方法（例えば、特許文献１参照）、或いは、２）異なる特性の燃料を混合することで着火時期を制御する方法（例えば、特許文献２参照）、が提案された。

しかしながら、上記従来の方法は、以下のような問題を有していた。すなわち、１）の方法は、エンジン運転条件ごとに最適な圧縮比にするためには可変圧縮比エンジンが必要で、構造が複雑になる問題点があった。また、２）の方法は、エンジン運転条件ごとに最適な燃料混合にするために、多種燃料のタンクと他種燃料の混合器を必要とし、構造が複雑になる問題点があった。
特開２００４−３６０６８３号公報 特開２００４−１９７１０３号公報

本発明は、上記の従来の着火時期制御方法の問題に鑑みてなされたものであり、構造の単純な予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法および装置を提供することを課題としている。

課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、予混合圧縮着火エンジンの着火時期を制御する着火時期制御方法であって、燃焼室に所定のレーザビームを集光照射して酸素ラジカル（Ｏ^*）を生成させる酸素ラジカル生成ステップと、該酸素ラジカル生成ステップで生成された酸素ラジカル（Ｏ^*）と水蒸気が反応してヒドロキシラジカル（ＯＨ^*）を生成するヒドロキシラジカル生成ステップと、該ヒドロキシラジカル生成ステップで生成したヒドロキシラジカル（ＯＨ^*）と炭化水素（ＲＨ）が反応してアルキルラジカル（Ｒ^*）を生成するラジカル連鎖反応開始ステップと、を有し、低温酸化反応を促進して自己着火時期を制御することを特徴としている。

燃焼室に所定のレーザビームを集光照射するだけであるので、従来のＨＣＣＩエンジンに所定のレーザビームを発生するレーザ光源とそのレーザビームを集光照射する集光照射手段を備えるだけでよく、構造が極めて単純である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の着火時期制御方法であって、前記所定のレーザビームの波長が紫外線領域にあることを特徴としている。

波長が紫外線領域のレーザビームを集光照射することで、予混合気中の酸素分子（Ｏ₂）を酸素ラジカル（Ｏ^*）にする確率が増すので、着火時期制御を精度よく行うことができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の着火時期制御方法であって、前記紫外線領域にある前記所定のレーザビームの波長が０．２４〜０．２５μｍであることを特徴としている。

０．２４〜０．２５μｍは、酸素分子（Ｏ₂）の共鳴吸収波長と一致するので、予混合気中の酸素分子（Ｏ₂）を酸素ラジカル（Ｏ^*）にする確率がさらに増し、着火時期制御をさらに精度よく行うことができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載の着火時期制御方法であって、前記所定のレーザビームのパルス幅が、１０ｆｓ〜２０ｐｓであることを特徴としている。

パルス幅が、１０ｆｓ〜２０ｐｓの超短光パルスレーザを集光照射すると、多光子吸収が起こり、酸素分子の共鳴吸収波長より長い波長のレーザビームでも予混合気中の酸素分子（Ｏ₂）を酸素ラジカル（Ｏ^*）にすることができる。波長の長いレーザビームを発生するレーザ発生器は、波長の短いレーザビームを発生させるレーザ発生器に比べ高効率、低コストであるので、本方法による着火時期制御装置は、低コスト化できる。

課題を解決するためになされた請求項５に係る発明は、予混合圧縮着火エンジンの着火時期を制御する着火時期制御装置であって、所定のレーザビームを発生するレーザ発生器と、該レーザ発生器から発生された該所定のレーザビームを該予混合圧縮着火エンジンの燃焼室に集光照射する集光照射手段と、を有し、該所定のレーザビームを該集光照射手段で該燃焼室に集光照射することで酸素ラジカル（Ｏ^*）を生成させることを特徴としている。

また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載の着火時期制御装置であって、前記所定のレーザビームの波長が紫外線領域にあることを特徴としている。

また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載の着火時期制御装置であって、前記紫外線領域にある前記所定のレーザビームの波長が０．２４〜０．２５μｍであることを特徴としている。

また、請求項８に係る発明は、請求項５又は６に記載の着火時期制御装置であって、前記所定のレーザビームのパルス幅が、１０ｆｓ〜２０ｐｓであることを特徴としている。

燃焼室に所定のレーザビームを集光照射するだけであるので、従来のＨＣＣＩエンジンに所定のレーザビームを発生するレーザ光源とそのレーザビームを集光照射する集光照射手段を備えるだけでよく、構造を極めて単純化することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御装置の概略構成図、図２は、図１のレーザ発生器１の概略構成図、図３は、別の実施態様のレーザ発生器の構成図である。

図１において、１０が予混合圧縮着火エンジンであって、シリンダ４、ピストン５、シリンダヘッド６、燃焼室７、燃料噴射弁８を備えている。なお、図１では吸気管、吸気バルブ、排気管、排気バルブ等を省略してある。

１はレーザビーム２を発生するレーザ発生器、３はレーザビーム２を燃焼室７に集光照射する集光照射手段としての集光レンズ、９は、窓である。

レーザ発生器１には、例えば、図２に示すようなＹＡＧレーザの第４高調波を発生する構成の発生器を用いることができる。このレーザ発生器は、ＹＡＧレーザ１１とＳＨＧ（第２高調波発生）結晶１２ａ、１２ｂを備えている。ＹＡＧレーザ１１は、ＹＡＧレーザ共振器１１１中のＹＡＧロッド（不図示）が例えば波長０．９μｍのレーザを発生する半導体レーザスタック１１２ａ、１１２ｂでポンプされて、波長１．０６μｍのレーザビームを発生する。ＹＡＧレーザ１１から発生された波長１．０６μｍのレーザビームは、例えばLiNbO₃製のＳＨＧ結晶１１２ａに入射すると波長０．５０３μｍのレーザビームに変換される。波長０．５０３μｍのレーザビームがさらにLiNbO₃製のＳＨＧ結晶１１２ｂに入射すると、波長０．２５２μｍのレーザビームに変換される。したがって、このレーザ発生器１からは、波長０．２５２μｍのレーザビーム２が発生されることになる。

レーザ発生器１から発生された波長０．２５２μｍのレーザビーム２は、集光レンズ３によって燃焼室７内で例えば、直径１００μｍのスポットに集光される。

酸素分子（Ｏ₂）の解離熱は、１１７．３ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、これを光量子エネルギｈｃ／λに換算すると、波長λが０．２４４μｍの光量子になる。ここで，ｈはプランクの常数、ｃは光速度である。したがって、レーザ発生器１から発生された波長０．２５２μｍのレーザビーム２は、酸素分子の共鳴吸収波長に近く、直径１００μｍのスポット中の酸素分子は次式のようにレーザビームを効率よく吸収して酸素ラジカルを生成する。

Ｏ₂＋（ｈｃ／λ）Ｎ→２Ｏ^* （１）
ここで、Ｎは，アボガドロ数である。（１）式の反応によって生成された酸素ラジカル（Ｏ^*）は、燃焼室７内の水蒸気と次式のように反応してオキシラジカルを生成する。水蒸気は、空気中に自然に含まれているが、この反応の確率を高めるためには、燃料に水を加えて噴射弁８から噴射するとよい。水噴射用の噴射弁を別途設けて噴射してもよい。

Ｏ^*＋Ｈ₂Ｏ→２ＯＨ^* （２）
（２）式の反応によって生成されたオキシラジカル（ＯＨ^*）は、燃焼室７内の炭化水素（ＲＨ）と次式のように反応して、アルキルラジカルを生成する。

ＯＨ^*＋ＲＨ→Ｈ₂Ｏ＋Ｒ^* （３）
この（３）式の反応が開始すると、ラジカル連鎖反応が開始し、燃焼室７内の予混合気は着火燃焼する。

最良の実施形態では、上記のように図２に示すレーザ発生器１を用いたが、これに限定されることはない。例えば、ＹＡＧレーザ１１の代わりにＫｒＦエキシマレーザを用いることで、ＳＨＧ結晶１２ａ、１２ｂなしで、波長０．２５μｍのレーザビーム２を発生させることができる。また、ＹＡＧレーザ１１の代わりに半導体レーザを用いてもよい。例えばＺｎＳ、ＧａＮ半導体レーザは、波長０．３３〜０．３７μｍのレーザビームを発生するので、酸素分子の共鳴吸収波長より長いために（１）式の反応確率が低くなるだけである。

図３に示すレーザ発生器１’を用いてもよい。１１’は、例えば、波長１．０μｍ，パルス幅５０ｐｓのパルスレーザビームを発生するモードロックファイバレーザで、モードロックファイバレーザ１１’から発生されたパルスレーザビームのパルス幅は、例えば回折格子対を用いた圧縮器１３で５００ｆｓに圧縮され２’となる。

図１のレーザ発生器１の代わりに図３のレーザ発生器１’を用いても、（１）式の反応をさせることができる。すなわち、波長が１．０μｍでもパルス幅が５００ｆｓと極端に短くなると、多光子吸収が起こり、酸素分子の場合、４光子（１．０μｍ＝０．２５μｍ×４）吸収で（１）式の反応が起きる。波長の長いレーザビームを発生するレーザ発生器は波長の短いレーザビームを発生させるレーザ発生器に比べ高効率、低コストであるので、図３の超短光パルスレーザビーム２’を発生するレーザ発生器１’を用いると、着火時期制御装置は、低コスト化できる。

最良の実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御装置の概略構成図である。 図１のレーザ発生器１の概略構成図である。 別の実施態様のレーザ発生器の構成図である。

符号の説明

１、１’・・・・レーザ発生器
２、２’・・・・ レーザビーム
３・・・・・・・集光照射手段（集光レンズ）
７・・・・・・ 燃焼室
１０・・・・・ 予混合圧縮着火エンジン

Claims (8)

1. 予混合圧縮着火エンジンの着火時期を制御する着火時期制御方法であって、
   燃焼室に所定のレーザビームを集光照射して酸素ラジカル（Ｏ^*）を生成させる酸素ラジカル生成ステップと、
   該酸素ラジカル生成ステップで生成された酸素ラジカル（Ｏ^*）と水蒸気が反応してヒドロキシラジカル（ＯＨ^*）を生成するヒドロキシラジカル生成ステップと、
   該ヒドロキシラジカル生成ステップで生成したヒドロキシラジカル（ＯＨ^*）と炭化水素（ＲＨ）が反応してアルキルラジカル（Ｒ^*）を生成するラジカル連鎖反応開始ステップと、
   を有し、低温酸化反応を促進して自己着火時期を制御することを特徴とする着火時期制御方法。
2. 前記所定のレーザビームの波長が紫外線領域にあることを特徴とする請求項１に記載の着火時期制御方法。
3. 前記紫外線領域にある前記所定のレーザビームの波長が０．２４〜０．２５μｍであることを特徴とする請求項２に記載の着火時期制御方法。
4. 前記所定のレーザビームのパルス幅が、１０ｆｓ〜２０ｐｓであることを特徴とする請求項１又は２に記載の着火時期制御方法。
5. 予混合圧縮着火エンジンの着火時期を制御する着火時期制御装置であって、
   所定のレーザビームを発生するレーザ発生器と、
   該レーザ発生器から発生された該所定のレーザビームを該予混合圧縮着火エンジンの燃焼室に集光照射する集光照射手段と、
   を有し、該所定のレーザビームを該集光照射手段で該燃焼室に集光照射することで酸素ラジカル（Ｏ^*）を生成させることを特徴とする着火時期制御装置。
6. 前記所定のレーザビームの波長が紫外線領域にあることを特徴とする請求項５に記載の着火時期制御装置。
7. 前記紫外線領域にある前記所定のレーザビームの波長が０．２４〜０．２５μｍであることを特徴とする請求項６に記載の着火時期制御装置。
8. 前記所定のレーザビームのパルス幅が、１０ｆｓ〜２０ｐｓであることを特徴とする請求項５又は６に記載の着火時期制御装置。

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