JP2007303445A - Laser ignition device and laser ignition engine - Google Patents

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Hiroyuki Kashiwabara
宏行 柏原
Yoshiro Tokunaga
佳郎 徳永
Kenji Yoshimura
健二 吉村
Minoru Yokoyama
横山  稔
Iwao Morimoto
巌 森本
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To contribute to an improvement in fuel economy of an internal combustion engine and to restraint on exhaust NOx emissions, by providing an igniter ignitable at multipoints, by irradiating a laser beam into a combustion chamber from an external part of a very small optical window, in a laser ignition device and an engine having the laser ignition device. <P>SOLUTION: This ignition device has a condensing optical system 4 in an external part of the combustion chamber 3 by optically connecting the inside and the outside of the combustion chamber 3 by arranging the optical window 2 on an upper side wall of a cylinder 1, and is formed by being connected to a YAG laser generator 6 and a ruby laser generator 7, by branching off the other end of an optical fiber 5 in a bifurcated shape, by connecting the optical fiber 5 to an upstream side, and ignites an air-fuel mixture by forming a focus at a different point in the combustion chamber 3 by the condensing optical system 4 in response to a difference in a wave length of the laser beam, by respectively shooting the laser beam from the YAG laser generator 6 and the ruby laser generator 7. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関、主としてガス燃焼エンジンにおけるレーザー着火装置およびレーザー着火装置を備えたエンジンに関する。   The present invention relates to a laser ignition device in an internal combustion engine, mainly a gas combustion engine, and an engine provided with the laser ignition device.

ガス燃焼エンジンにおいては、燃費の向上とNOx発生量の抑制のために、混合気の燃料混合比率を低下させ、燃料ガスをより希薄にして豊富な空気の中で燃焼させる要求がある。しかし、希薄混合ガスは着火性が悪く、従来のスパークプラグによる着火では十分な着火性能が得られず、失火や異常燃焼が起こるため、燃料の希薄化に限度があった。   In a gas combustion engine, in order to improve fuel efficiency and suppress NOx generation amount, there is a demand to reduce the fuel mixture ratio of the air-fuel mixture and make the fuel gas leaner and burn in abundant air. However, since the lean mixed gas has poor ignitability, ignition by the conventional spark plug does not provide sufficient ignition performance, and misfires and abnormal combustion occur, so there is a limit to the dilution of the fuel.

スパークプラグが燃焼室の壁面付近に存在せざるを得ないため、スパークプラグから燃料に点火しても、燃焼初期のエネルギーが冷たい壁面に吸収され、燃焼を継続させるエネルギーを維持できないことが失火や異常燃焼の原因になっている。また、スパークプラグの焼け付きを防止するため、スパークプラグ自体が燃焼室外に放熱する設計になっているため、スパークプラグによっても火炎が冷却され、失火を引き起こす一因になっている。   Because the spark plug must be near the wall of the combustion chamber, even if the fuel is ignited from the spark plug, the initial energy of the combustion is absorbed by the cold wall and it is not possible to maintain the energy to continue combustion. It causes abnormal combustion. In addition, since the spark plug itself is designed to dissipate heat to the outside of the combustion chamber in order to prevent the spark plug from being burned in, the flame is also cooled by the spark plug, causing a misfire.

一方、難燃性の希薄ガスを失火や異常燃焼が起きないように燃焼させ、かつ燃焼率および燃焼速度を向上させるためには燃焼室内に多数の着火点を設けることが望ましい。しかし、スパークプラグにより多点から着火する場合は、着火点の数に応じたスパークプラグを挿入しなければならず、シリンダ内の配置上の困難から着火点を増やすことは困難であった。   On the other hand, it is desirable to provide a large number of ignition points in the combustion chamber in order to burn the flame-retardant rare gas so that misfire or abnormal combustion does not occur and to improve the combustion rate and the combustion speed. However, when igniting from multiple points using a spark plug, it is necessary to insert spark plugs corresponding to the number of ignition points, and it is difficult to increase the number of ignition points due to difficulty in arrangement in the cylinder.

そこで、燃焼内の壁面から離れた複数の着火点に点火する方法として、燃焼室内に導入したレーザー光のエネルギーを燃料ガスに吸収させて着火するレーザー着火装置を応用する技術が考案されている。たとえば特許文献1にはレーザー光を燃焼室内に導入する光学窓にマイクロレンズを集積したフライアイ型のレンズを設置し、光学窓に照射されるレーザー光を複数の光束に分割して燃焼室内の複数の点に焦点を結ばせるようにしたレーザー式多点着火装置が開示されている。   Therefore, as a method of igniting a plurality of ignition points separated from the wall surface in the combustion, a technique of applying a laser ignition device that ignites by absorbing the energy of laser light introduced into the combustion chamber into the fuel gas has been devised. For example, in Patent Document 1, a fly-eye type lens in which microlenses are integrated in an optical window for introducing laser light into a combustion chamber is installed, and the laser light irradiated on the optical window is divided into a plurality of light fluxes. A laser-type multi-point ignition device that focuses on a plurality of points is disclosed.

特許文献1に開示されたレーザー式多点着火装置は、図5に示すように、レーザー発生源から照射され、光ファイバーなどで導入されたレーザー光をエキスパンダーレンズで拡大し、集光レンズおよびコリメートレンズで所定の径を持つ平行光線に整えた後、マイクロレンズアレイに照射している。マイクロレンズアレイは小口径のマイクロレンズを集積した形状になっており、照射されたレーザー光は、マイクロレンズの個数に応じた複数の光束に分割され、それぞれ燃焼室内に焦点を結び、混合気に着火する。   As shown in FIG. 5, the laser-type multipoint ignition device disclosed in Patent Document 1 expands a laser beam irradiated from a laser source and introduced by an optical fiber or the like with an expander lens, and a condensing lens and a collimating lens. Then, the microlens array is irradiated with the collimated light having a predetermined diameter. The microlens array has a shape in which small-diameter microlenses are integrated, and the irradiated laser light is divided into a plurality of light beams corresponding to the number of microlenses, and each focuses on the combustion chamber to form a mixture. Ignite.

特許文献1に開示された発明によれば、マイクロレンズの焦点距離を適宜選択することにより燃焼室内の任意の深度の点に着火させることができるため、燃焼エネルギーが燃焼室の壁面等に吸収されることが無く、燃焼を確実に維持することができる。また、一つの光学窓から多点に着火することができるため、着火性を向上させることができる。   According to the invention disclosed in Patent Document 1, a point at an arbitrary depth in the combustion chamber can be ignited by appropriately selecting the focal length of the microlens, so that the combustion energy is absorbed by the wall surface of the combustion chamber. And combustion can be reliably maintained. In addition, since it is possible to ignite multiple points from one optical window, the ignitability can be improved.

しかし、開示発明では、焦点位置が光学窓の直下に制限されるため、着火点を燃焼室内の広範囲に分散させるためには光学窓の口径を非常に大きくする必要があり、配置設計上の困難があった。
特開2005−147109号公報
However, in the disclosed invention, the focal position is limited to a position directly below the optical window. Therefore, in order to disperse the ignition point over a wide range in the combustion chamber, it is necessary to make the aperture of the optical window very large. there were.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-147109

本発明が解決しようとする課題は、レーザー着火装置およびレーザー着火装置を備えたエンジンにおいて、ごく小さい光学窓の外部から燃焼室内にレーザー光を照射して多点着火することができる着火装置を提供し、内燃機関の燃費の向上および排出NOxの抑制に寄与することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a laser ignition device and an ignition device capable of performing multi-point ignition by irradiating laser light into the combustion chamber from the outside of a very small optical window in an engine equipped with the laser ignition device. In other words, it contributes to improvement of fuel consumption of the internal combustion engine and suppression of exhaust NOx.

上記課題を解決するため、本発明のレーザー着火装置は、レーザー発生系から発射されたレーザー光を内燃機関の燃焼室内に集光して混合気に点火するレーザー着火装置であって、1組の集光レンズ系を備え、レーザー発生系が2以上の異なる波長を持つレーザー光を発射するものであり、レーザー発生系から発射されたレーザー光を集光レンズ系により波長の違いに応じて燃焼室内の異なる点に集光して混合気に点火することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a laser ignition device according to the present invention is a laser ignition device that focuses laser light emitted from a laser generation system into a combustion chamber of an internal combustion engine and ignites an air-fuel mixture. It has a condensing lens system, and the laser generation system emits laser light having two or more different wavelengths, and the laser light emitted from the laser generation system is emitted into the combustion chamber according to the wavelength difference by the condensing lens system. The light is condensed at different points and the mixture is ignited.

レーザー発生系は、例えばルビーレーザー発生装置とYAGレーザー発生装置や波長可変レーザー発生装置など、2種以上の異なる発生装置を組み合わせて構成することができる。各々のレーザー発生装置から発射されたレーザー光を光ファイバやレーザー伝送管などで導入する間に合流させ、もしくは光ファイバやレーザー伝送管の終端部をバンドルして、1本の光束として集光レンズ系に照射する。   The laser generation system can be configured by combining two or more different generation devices such as a ruby laser generation device, a YAG laser generation device, and a wavelength tunable laser generation device. The laser light emitted from each laser generator is merged while being introduced by an optical fiber or a laser transmission tube, or the end portions of the optical fiber or laser transmission tube are bundled to form a condensing lens as one light beam. Irradiate the system.

集光レンズ系は必要に応じて拡張レンズ、コリメートレンズ、集光レンズ等の光学レンズをレーザー光路に組み入れて構成し、系全体で特定の焦点を持つように形成する。集光レンズ系の上流にはレーザー発生系が設置され、下流には光学窓を介して燃焼室が位置している。集光レンズ系は、従来のスパークプラグと同様シリンダヘッドに設置してもよいし、シリンダの上部側壁などに光学窓が開口するように設置してもよい。   The condensing lens system is configured by incorporating optical lenses such as an expansion lens, a collimating lens, and a condensing lens in the laser optical path as necessary, and is formed so as to have a specific focal point in the entire system. A laser generation system is installed upstream of the condensing lens system, and a combustion chamber is located downstream through an optical window. The condensing lens system may be installed on the cylinder head in the same manner as the conventional spark plug, or may be installed so that the optical window opens on the upper side wall of the cylinder.

光学ガラスの屈折率は波長により異なり、集光レンズの焦点距離は照射光の波長に依存するため、集光レンズ系に照射された波長の異なるレーザー光はその波長に応じて燃焼室内の異なる位置に焦点を形成する。したがって、本発明のレーザー光着火装置では、2以上の波長を持つレーザー光をレーザー発生系から集光レンズ系に照射し燃焼室内に集光させることで、2以上の焦点を形成し、2以上の着火点から混合気に多点着火することを特徴とする。 Since the refractive index of optical glass varies depending on the wavelength, and the focal length of the condensing lens depends on the wavelength of the irradiating light, the laser light with different wavelengths irradiated to the condensing lens system varies depending on the wavelength in different positions in the combustion chamber. Form a focus on. Therefore, in the laser light ignition device of the present invention, two or more focal points are formed by irradiating the condensing lens system with laser light having two or more wavelengths from the laser generation system and condensing it into the combustion chamber. It is characterized by multi-point ignition to the air-fuel mixture from the ignition point.

以上のように本発明のレーザー着火装置では、多点から混合気に着火できるため、着火性の悪い燃料でも確実に燃焼させることができる。したがって、空燃比のリーン限界を改善することができ、内燃機関の燃費を向上させ、排出NOx量を低下させることができる。
なお、一例としてYAGレーザーとルビーレーザーを使用した場合、発生するレーザー光の波長がそれぞれ1064nmと600nmである。例えば基準焦点距離が100mmのある素材で形成された集光レンズを用いると、焦点距離の差が2.5mmとなる。
As described above, in the laser ignition device of the present invention, the air-fuel mixture can be ignited from multiple points, so that even fuel with poor ignitability can be reliably burned. Therefore, the lean limit of the air-fuel ratio can be improved, the fuel consumption of the internal combustion engine can be improved, and the exhausted NOx amount can be reduced.
As an example, when a YAG laser and a ruby laser are used, the wavelengths of the generated laser light are 1064 nm and 600 nm, respectively. For example, when a condensing lens formed of a material having a reference focal length of 100 mm is used, the difference in focal length is 2.5 mm.

また、本発明のレーザー着火装置では、集光レンズ系および光学窓を1組備えることで多点着火を行うことができるため、複数の着火装置を備える必要がない。さらに、集光レンズ系は照射されたレーザー光を導光、集光するために必要な径だけが確保されていればよいため、集光レンズ系や光学窓を非常に小口径にすることができる。したがって本発明のレーザー着火装置をエンジンに搭載すると、着火装置がシリンダ内で占める容積を非常に小さくすることができ、吸排気バルブ等の他の装置により多くのスペースを割くことができるようになるなど、エンジン効率を向上させることができる。   Moreover, in the laser ignition device of the present invention, it is not necessary to provide a plurality of ignition devices because multipoint ignition can be performed by providing one set of a condensing lens system and an optical window. Furthermore, since the condensing lens system only needs to have a diameter necessary for guiding and condensing the irradiated laser light, the condensing lens system and the optical window can have a very small aperture. it can. Therefore, when the laser ignition device of the present invention is mounted on an engine, the volume occupied by the ignition device in the cylinder can be made very small, and more space can be taken up by other devices such as intake and exhaust valves. The engine efficiency can be improved.

なお、本発明のレーザー着火装置では、集光レンズの焦点距離の波長依存性を利用しているため、照射レーザー光の波長の差が大きいことが望ましい。そのため、異なるレーザー発生機構を持つレーザー発生装置を複数設けてもよいが、例えば非線形結晶による波長変換系を備え、レーザー発生装置から発生した基本波を波長変換系により高調波に変換し、基本波と共に集光レンズ系に照射することもできる。   In the laser ignition device of the present invention, since the wavelength dependence of the focal length of the condenser lens is utilized, it is desirable that the difference in wavelength of the irradiation laser light is large. For this reason, a plurality of laser generators having different laser generation mechanisms may be provided. For example, a wavelength conversion system using a nonlinear crystal is provided, and the fundamental wave generated from the laser generator is converted into a harmonic by the wavelength conversion system. At the same time, the condenser lens system can be irradiated.

一例として、YAGレーザーの基本波と第3高調波を利用した場合、波長がそれぞれ1064nmと355nmと周波数差を大きくすることができ、焦点位置の差を大きくすることができる。基準焦点距離が100mmのある素材で形成された集光レンズを用いると、YAGレーザーの基本波と第3高調波を利用した場合の焦点距離の差は5.8mmとなり、YAGレーザーとルビーレーザーを利用した場合より焦点位置間の距離を大きくすることができる。したがって、多点着火の効果をより確実に確保することができる。さらに、波長変換系を備えると、1台のレーザー発生装置でレーザー発生系を構成できるため、設置コストや保守コストを軽減することができる。   As an example, when the fundamental wave and the third harmonic of a YAG laser are used, the wavelength difference can be increased to 1064 nm and 355 nm, respectively, and the difference in focal position can be increased. When using a condensing lens made of a material with a reference focal length of 100 mm, the difference in focal length when using the fundamental wave of the YAG laser and the third harmonic is 5.8 mm, and the YAG laser and the ruby laser are The distance between the focal positions can be made larger than when it is used. Therefore, the effect of multipoint ignition can be ensured more reliably. Furthermore, when a wavelength conversion system is provided, the laser generation system can be configured with a single laser generator, so that installation costs and maintenance costs can be reduced.

さらに、焦点距離の差を大きくするよう調整した非球面レンズを用いることで焦点位置間の距離をより大きくすることもできる。   Furthermore, the distance between focal positions can be further increased by using an aspheric lens adjusted to increase the difference in focal length.

以下、図面を用いて、本発明のレーザー着火装置およびレーザー着火式エンジンを詳細に説明する。   Hereinafter, a laser ignition device and a laser ignition type engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の1実施例におけるレーザー着火装置の概略図である。シリンダ1の上部側壁に光学窓2が設けられて燃焼室3の内部と外部を光学的に連絡している。光学窓2で隔たれた燃焼室3の外部には集光光学系4が備わっている。さらに、集光光学系4の上流には光ファイバ5が接続され、光ファイバ5の他端は二股に分岐してYAGレーザー発生装置6とルビーレーザー発生装置7に接続している。   FIG. 1 is a schematic view of a laser ignition device in one embodiment of the present invention. An optical window 2 is provided on the upper side wall of the cylinder 1 to optically communicate the inside and outside of the combustion chamber 3. A condensing optical system 4 is provided outside the combustion chamber 3 separated by the optical window 2. Further, an optical fiber 5 is connected upstream of the condensing optical system 4, and the other end of the optical fiber 5 is bifurcated and connected to the YAG laser generator 6 and the ruby laser generator 7.

図2は集光光学系4の拡大断面図である。光ファイバ5の終端部に拡張レンズ10が配されており、コリメートレンズ11、集光レンズ12が順に設置されている。さらに下流は光学窓2に連接している。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the condensing optical system 4. An extension lens 10 is disposed at the end portion of the optical fiber 5, and a collimating lens 11 and a condensing lens 12 are sequentially installed. Further downstream, the optical window 2 is connected.

本実施例のレーザー着火装置では、エンジンの着火タイミングに合わせてY
AGレーザー発生装置6とルビーレーザー発生装置7からそれぞれレーザー光を発生し、光ファイバ5に入射する。それぞれのレーザー光は光ファイバ5内で合流し1本の光束となって集光光学系4に照射される。集光光学系4に達したレーザー光は、拡張レンズ10により拡幅されてコリメートレンズ11に入光しほぼ平行光線に整えられ集光レンズ12に入射する。
In the laser ignition device of this embodiment, Y is set in accordance with the ignition timing of the engine.
Laser light is generated from the AG laser generator 6 and the ruby laser generator 7 and is incident on the optical fiber 5. The respective laser beams are combined in the optical fiber 5 and are irradiated onto the condensing optical system 4 as one light beam. The laser light reaching the condensing optical system 4 is widened by the expansion lens 10 and enters the collimating lens 11, is adjusted to a substantially parallel light beam, and enters the condensing lens 12.

集光レンズ12は、入射する2種のレーザー光それぞれの波長に対応した異なる焦点位置にレーザー光を集光し、光学窓2を通して燃焼室3内に2点の焦点8,8’を形成する。着火タイミングでは燃焼室3内に混合気が充満しているため、燃焼室3内に集光したレーザー光はそれぞれの集光位置で混合気にエネルギーを与えて高温を発生し、混合気を2点から燃焼させる。   The condensing lens 12 condenses the laser light at different focal positions corresponding to the wavelengths of the two types of incident laser light, and forms two focal points 8 and 8 ′ in the combustion chamber 3 through the optical window 2. . Since the air-fuel mixture is filled in the combustion chamber 3 at the ignition timing, the laser light condensed in the combustion chamber 3 gives energy to the air-fuel mixture at each condensing position to generate a high temperature, and the air-fuel mixture becomes 2 Burn from the point.

このように、本実施例のレーザー着火装置では、単一の集光光学系4と光学窓2を備えるだけで燃焼室3内の混合気に多点着火することができる。したがって、コンパクトな構造で希薄混合気を確実に着火することができる。   As described above, in the laser ignition device of the present embodiment, it is possible to perform multipoint ignition on the air-fuel mixture in the combustion chamber 3 only by providing the single condensing optical system 4 and the optical window 2. Therefore, the lean air-fuel mixture can be reliably ignited with a compact structure.

なお、YAGレーザー発生装置5で発生するYAGレーザーは波長1064nmであり、ルビーレーザー発生装置6から発生するルビーレーザーは波長600nmである。集光光学系4に備わる、ある素材で形成された集光レンズ12の焦点距離が波長633nmの光線を基準として100mmであった場合、YAGレーザーに対しては約102.4mm、ルビーレーザーに対しては約99.9mmの焦点距離を持つ。したがって、200mmφ程度のシリンダに本実施例のレーザー着火装置を適用してシリンダの中心部に着火点を設ける場合、2点の着火点間の距離が約2.5mmとなる。   The YAG laser generated by the YAG laser generator 5 has a wavelength of 1064 nm, and the ruby laser generated by the ruby laser generator 6 has a wavelength of 600 nm. When the focal length of the condensing lens 12 formed of a certain material provided in the condensing optical system 4 is 100 mm based on a light beam having a wavelength of 633 nm, it is about 102.4 mm for the YAG laser and about Ruby laser. Has a focal length of about 99.9 mm. Therefore, when the laser ignition device of the present embodiment is applied to a cylinder of about 200 mmφ to provide an ignition point at the center of the cylinder, the distance between the two ignition points is about 2.5 mm.

図3は本実施例におけるレーザー着火装置の概略図である。シリンダヘッド20に光学窓2が設けられており、光学窓2の上方に集光光学系4が配されている。集光光学系4の上流には光ファイバ5が接続されており、光ファイバ5の他端にはYAGレーザー発生装置6が備わっている。さらに、光ファイバ5に2段の非線形結晶21が挿入されている。   FIG. 3 is a schematic view of a laser ignition device in the present embodiment. An optical window 2 is provided in the cylinder head 20, and a condensing optical system 4 is disposed above the optical window 2. An optical fiber 5 is connected upstream of the condensing optical system 4, and a YAG laser generator 6 is provided at the other end of the optical fiber 5. Further, a two-stage nonlinear crystal 21 is inserted into the optical fiber 5.

図4に本実施例の非線形結晶の配置を表す概念図を示した。非線形結晶はLiB3O5(LBO)が利用され、第2高調波(SHG・Second Harmonic Generation)結晶30、第3高調波(THG・Third Harmonic Generation)結晶31それぞれについて、入出力光の波長やそれら波長に対する屈折率に応じて結晶長やカット角等を適切に調整してある。   FIG. 4 shows a conceptual diagram showing the arrangement of the nonlinear crystal of this example. LiB3O5 (LBO) is used as the non-linear crystal. For the second harmonic (SHG / Second Harmonic Generation) crystal 30 and the third harmonic (THG / Third Harmonic Generation) crystal 31, respectively, the wavelength of input / output light and those wavelengths The crystal length, cut angle, etc. are appropriately adjusted according to the refractive index.

本実施例のレーザー着火装置では、YAGレーザー発生装置6から波長1064nmのYAGレーザー基本波を発振すると、第2高調波結晶30で基本波の一部が波長532nmの第2高調波に変換され、変換されずに残った基本波と共に第3高調波結晶31に入射する。第3高調波結晶31では、基本波と第2高調波により、その和周波である波長355nmの第3高調波が発生し、変換されずに残った基本波、第2高調波と共に集光光学系4に入射する。集光光学系4に入射した3種類のレーザーは、集光光学系4によりそれぞれの波長に応じて燃焼室3内の異なる焦点位置に集光し、3点の焦点8で混合気に着火する。   In the laser ignition device of the present embodiment, when a YAG laser fundamental wave having a wavelength of 1064 nm is oscillated from the YAG laser generator 6, a part of the fundamental wave is converted into a second harmonic wave having a wavelength of 532 nm by the second harmonic crystal 30. It enters the third harmonic crystal 31 together with the fundamental wave remaining without being converted. In the third harmonic crystal 31, a third harmonic wave having a wavelength of 355 nm, which is the sum frequency, is generated by the fundamental wave and the second harmonic wave, and the condensing optics together with the fundamental wave and the second harmonic wave that remain without being converted. It enters the system 4. The three kinds of lasers incident on the condensing optical system 4 are condensed by the condensing optical system 4 at different focal positions in the combustion chamber 3 according to the respective wavelengths, and the mixture is ignited at the three focal points 8. .

したがって、本実施例のレーザー着火装置では、1台のレーザー発生装置を備えるだけで3点の着火点を形成することができる。さらに、例えばYAGレーザーとルビーレーザーを利用した場合より大きな波長の差を得られるため、焦点位置間の距離をより大きくすることができる。   Therefore, in the laser ignition device of the present embodiment, three ignition points can be formed only by providing one laser generator. Further, for example, since a larger wavelength difference can be obtained than when using a YAG laser and a ruby laser, the distance between focal positions can be further increased.

本実施例では、従来のシリンダにおいてスパークプラグが設置されていたスペースにレーザー着火装置を備える形態となっているため、燃焼室3の深さ方向にレーザー光を集光する形態になっている。ピストンが上死点にある時は燃焼室3の深さが非常に小さくなるため、集光光学系4の焦点距離を小さくしなければならず、それに比例してレーザー光の波長差に対する焦点位置の差も小さくなる。   In the present embodiment, since the laser ignition device is provided in the space where the spark plug is installed in the conventional cylinder, the laser light is condensed in the depth direction of the combustion chamber 3. When the piston is at the top dead center, the depth of the combustion chamber 3 becomes very small. Therefore, the focal length of the condensing optical system 4 has to be reduced, and the focal position relative to the wavelength difference of the laser beam is proportional to this. The difference is also reduced.

しかし、本実施例のレーザー着火装置では、高調波を利用したことにより焦点距離の差をより大きくことができるため、集光光学系4の焦点距離が小さくても、十分な焦点位置の差を確保することができ、多点着火による着火の確実性を十分担保することができる。   However, in the laser ignition device of the present embodiment, since the difference in focal length can be further increased by utilizing the harmonics, even if the focal length of the condensing optical system 4 is small, a sufficient focal position difference can be obtained. It can be ensured, and the certainty of ignition by multipoint ignition can be sufficiently secured.

以上詳細に説明した通り、本実施例のレーザー着火装置では、多点から混合気に着火できるため、着火性の悪い燃料でも確実に燃焼させることができる。したがって、空燃比のリーン限界を改善することができ、内燃機関の燃費を向上させ、排出NOx量を低下させることができる。   As described above in detail, the laser ignition device of the present embodiment can ignite the air-fuel mixture from multiple points, so that even fuel with poor ignitability can be reliably burned. Therefore, the lean limit of the air-fuel ratio can be improved, the fuel consumption of the internal combustion engine can be improved, and the exhausted NOx amount can be reduced.

また、本実施例のレーザー着火装置では、集光レンズ系および光学窓を1組備えることで多点着火を行うことができるため、複数の着火装置を備える必要がない。さらに、集光レンズ系は照射されたレーザー光を導光、集光するために必要な径だけが確保されていればよいため、集光レンズ系や光学窓を非常に小口径にすることができる。したがって本実施例のレーザー着火装置をエンジンに搭載すると、着火装置がシリンダ内で占める容積を非常に小さくすることができ、吸排気バルブ等の他の装置により多くのスペースを割くことができるようになるなど、エンジン効率を向上させることができる。   Further, in the laser ignition device of the present embodiment, it is not necessary to provide a plurality of ignition devices because multipoint ignition can be performed by providing one set of the condenser lens system and the optical window. Furthermore, since the condensing lens system only needs to have a diameter necessary for guiding and condensing the irradiated laser light, the condensing lens system and the optical window can have a very small aperture. it can. Therefore, when the laser ignition device of this embodiment is mounted on an engine, the volume occupied by the ignition device in the cylinder can be made very small, and more space can be taken up by other devices such as intake and exhaust valves. The engine efficiency can be improved.

本発明の1実施例におけるレーザー着火装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the laser ignition device in one Example of this invention. 本実施例の集光光学系4の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the condensing optical system 4 of a present Example. 本発明の第2の実施例におけるレーザー着火装置の概略図である。It is the schematic of the laser ignition apparatus in the 2nd Example of this invention. 第2の実施例における非線形結晶の配置を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing arrangement | positioning of the nonlinear crystal in a 2nd Example. 従来のレーザー着火装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the conventional laser ignition device.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリンダ
2 光学窓
3 燃焼室
4 集光光学系
5 光ファイバ
6 YAGレーザー発生装置
7 ルビーレーザー発生装置
8,8’ 焦点
10 拡張レンズ
11 コリメートレンズ
12 集光レンズ
20 シリンダヘッド
21 非線形結晶
30 第2高調波結晶
31 第3高調波結晶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder 2 Optical window 3 Combustion chamber 4 Condensing optical system 5 Optical fiber 6 YAG laser generator 7 Ruby laser generator 8, 8 'Focus 10 Expansion lens 11 Collimating lens 12 Condensing lens 20 Cylinder head 21 Non-linear crystal 30 2nd Harmonic crystal 31 Third harmonic crystal

Claims (6)

レーザー発生系から発射されたレーザー光を内燃機関の燃焼室内に集光して混合気に点火するレーザー着火装置であって、1組の集光レンズ系を備え、前記レーザー発生系が2以上の異なる波長を持つレーザー光を発射するものであり、該レーザー発生系から発射されたレーザー光を該集光レンズ系により波長の違いに応じて前記燃焼室内の異なる点に集光して混合気に点火することを特徴とするレーザー着火装置。   A laser ignition device for condensing laser light emitted from a laser generation system in a combustion chamber of an internal combustion engine and igniting an air-fuel mixture, comprising a pair of condensing lens systems, wherein the laser generation system includes two or more laser generation systems Laser light having different wavelengths is emitted, and the laser light emitted from the laser generation system is condensed to different points in the combustion chamber according to the difference in wavelength by the condensing lens system to form an air-fuel mixture Laser ignition device characterized by igniting. 前記レーザー発生系がレーザー発生装置と非線形結晶からなる波長変換素子を備え、該レーザー発生系が該レーザー発生装置から発射された基本波と該波長変換素子にて周波数が逓倍された高調波を出力するものであることを特徴とする請求項1に記載のレーザー着火装置。   The laser generation system includes a laser generator and a wavelength conversion element made of a nonlinear crystal, and the laser generation system outputs a fundamental wave emitted from the laser generation apparatus and a harmonic whose frequency is multiplied by the wavelength conversion element. The laser ignition device according to claim 1, wherein: 前記レーザー発生装置がYAGレーザーを発生するものであることを特徴とする請求項2に記載のレーザー着火装置。   The laser ignition device according to claim 2, wherein the laser generator generates a YAG laser. 前記集光レンズ系がシリンダヘッド部に備わっていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のレーザー着火装置。   4. The laser ignition device according to claim 1, wherein the condensing lens system is provided in a cylinder head portion. 前記集光レンズ系が前記燃焼室の側壁に配置されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のレーザー着火装置。   4. The laser ignition device according to claim 1, wherein the condensing lens system is disposed on a side wall of the combustion chamber. 請求項1から5のいずれかに記載のレーザー着火装置を備えることを特徴とするレーザー着火式エンジン。
A laser ignition engine comprising the laser ignition device according to any one of claims 1 to 5.
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