JP2008002280A - 光学窓洗浄容易なレーザ着火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学窓が容易に洗浄できて、ガスエンジンにも適用できるようなレーザ着火装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関の燃焼室１内に光学窓２３を介してレーザ光を照射することにより着火させるものであって、燃焼室１に２個以上のレーザ照射孔３を備え、各レーザ照射孔３に開閉可能なシャッタ１０を設け、光学窓２３と収束光学系２２を備えるレーザ収束ユニット２０を２個以上のシャッタ１０それぞれに着脱可能に装着し、レーザ収束ユニット２０に着脱可能に連結される光ファイバーケーブル３０がレーザ伝送手段４１に接続されたレーザ切替素子４０に連結されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー光により内燃機関の着火を行うレーザー着火装置に関する。

内燃機関の効率のよい運転方法として、希薄混合気を使うリーンな燃焼が注目されている。しかし、リーンな運転においては失火やノッキングが起こりやすいので、着火位置や着火タイミングを選択して燃焼を比較的自由に制御できるレーザ着火装置の開発が進んでいる。

内燃機関のシリンダ内の混合気にレーザ光を照射して着火させるレーザ着火装置は、シリンダ内における激しい圧力変化の影響を受けないようにするため、石英ガラスやサファイヤの透明保護板でシリンダ内の燃焼室と仕切っている。この透明保護板で形成された光学窓は運転を繰り返す間に燃焼残滓やすすが次第に付着して汚れ、光学窓を透過するレーザ光が減衰してやがてレーザ着火が行えなくなる。

特許文献１には、有機溶剤でもある液体燃料を噴射ノズルから噴射して霧状にし、光学窓を透過したレーザ光を照射して着火するようにしたレーザ着火式内燃機関において、液体燃料の一部を分岐して各サイクル毎に圧縮行程開始直後に液体燃料を光学窓に直接吹き付けて洗浄し、光学窓のレーザ透過率を維持するようにした技術が開示されている。

文献開示の方法は、液体燃料を溶剤として使用して光学窓を洗浄するうえ、蒸発後は噴霧された燃料に同化するので、燃焼に悪い影響を与えない。なお、圧縮行程が始まる時点で光学窓に噴射するようにしたので、燃焼室内が低圧のため噴射しやすく、またレーザ光を照射するまでの時間が長いため窓ガラスに付着した燃料は完全に蒸発して光学窓を透過するレーザ光に悪い影響を与えることがない。

しかし、開示の方法は、燃料を溶剤として利用するので、ガス燃料を使うガスエンジン等には適用できない。また液体燃料を光学窓で蒸発させる方法を希薄混合ガスに対して適用すると、ガス濃度に影響を及ぼすため正常なリーン燃焼をさせることができない。
特開平６−２４９１２３号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、光学窓が容易に洗浄できて、ガスエンジンにも適用できるようなレーザ着火装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明のレーザ着火装置は、内燃機関の燃焼室内に光学窓を介してレーザ光を照射することにより着火させるものであって、燃焼室に２個以上のレーザ照射孔を備え、各レーザ照射孔に開閉可能なシャッタを設け、光学窓と収束光学系を備えるレーザ収束ユニットを２個以上のシャッタそれぞれに着脱可能に装着し、レーザ収束ユニットに着脱可能に連結される光ファイバーケーブルがレーザ伝送手段に接続されたレーザ切替素子に連結されていることを特徴とする。

レーザ収束ユニットは、光ファイバで供給されるレーザを収束光学系により収束光に変え光学窓を介して照射する機能を備えた筒状ユニットである。光学窓側の端側にはシャッタに着脱可能に装着するためたとえばネジなどのジョイント機構を備え、他端にはレーザを供給する光ファイバケーブルをジョイントする機構を備える。

レーザ切替素子は、反射面の向きを変化させることにより光路を切り替える可動鏡や、電気光学素子などを利用して構成することができる。電気光学素子は、切替時間が短く電気信号で制御できるので、自動的な操作を採用する場合にも利用しやすい。
シャッタは、ボールバルブであることが好ましい。ガスエンジンでは、シリンダ内最高圧力が高いが、ボール型弁ならば構造的に耐圧性能が高く、容易にこの程度の圧力振動に耐えるようにできるからである。

内燃機関を運転するときには、レーザ光源から伝送されたレーザは、レーザ切替素子を通って、選択された第１のレーザ収束ユニットに供給され、ユニット内部の光学系で収束光となって光学窓を透過し、開いたシャッタの開口を通りレーザ照射孔を通って燃焼室に入射し、焦点付近にエネルギーを集中して混合気に点火する。
なお通常は、レーザが供給されないレーザ照射孔のシャッタは閉止されている。

光学窓が汚れてレーザの透過率が低下したときには、閉止していたシャッタを開けてから、適当なタイミングを選んでレーザ切替素子を切り替えて、レーザ供給先を汚れた第１レーザ収束ユニットから新しい第２レーザ収束ユニットの側に切り替えてレーザ着火をするようにする。
効率的な燃焼のため、着火点の位置は燃料の濃度分布などに合わせて慎重に特定されるため、第１レーザ収束ユニットによる着火点と、第２レーザ収束ユニットによる着火点は同じ位置であることが好ましい。

切替が終わったら、第１レーザ収束ユニットが設けられた方のシャッタを閉止し第１レーザ収束ユニットから光ファイバケーブルを取り外してから、汚れた第１レーザ収束ユニットを取り外し、光学窓の汚れを適宜除去してから、元の位置に戻しておく。

レーザ収束ユニットを切り替えるときは、切替によって失火しないようにする。
失火が起こると、次の着火時における燃料濃度が過剰になって燃焼室内の圧力が極めて高くなるので、たとえば、切替を燃焼サイクルの排気行程で行うなど、レーザの切替が着火のタイミングと重ならないようにする。このために、レーザの切替が常に排気弁の開弁動作と同期するようにインターロックを組んでもよい。
また、レーザ切替が着火のタイミングと重ならないようにするため、切替時間を十分短くする。エンジンサイクルは短いので、レーザ切替素子をたとえばポッケルス・セルを使った電気光学素子で構成する。

本発明のレーザ着火装置では、代替のレーザ収束ユニットに切り替え、シャッタを操作して燃焼室と遮断すれば、内燃機関の運転中でも簡単にレーザ収束ユニットを着脱することができ、取り外したレーザ収束ユニットの光学窓を任意の方法で清浄化することができる。

以下、図面を用いて、本発明の光学窓洗浄容易なレーザ着火装置を詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例におけるレーザ着火装置の概略断面図、図２は本実施例の作動方法を説明する構成図、図３は本実施例の作動手順を説明する工程図である。

本実施例におけるレーザ着火装置は、燃焼室１の壁２に２個以上のレーザ照射孔３，３’を備え、このレーザ照射孔３，３’のそれぞれにボール弁１１などで形成されたシャッタ１０，１０’を取り付けて、このシャッタ１０，１０’にレーザ収束ユニット２０，２０’をネジなどのジョイント２４を用いて着脱可能に装着して、このレーザ収束ユニット２０，２０’に光ファイバケーブル３０，３０’を繋ぎ、光ファイバケーブル３０，３０’の他端はレーザ切替素子４０に繋ぐ。レーザ切替素子４０にはレーザ発生装置５０と繋がれた光ファイバケーブル４１によってレーザが供給される。

レーザ発生装置５０は、レーザ着火を行うタイミングでレーザを供給する。
レーザ発生装置５０から供給されたレーザは、レーザ切替素子４０により、稼働中のレーザ収束ユニット２０に分配される。
レーザ切替素子４０は、電気光学素子で構成したもので、入射したレーザを２個以上の経路に振り分ける機能を有する。電気光学素子は、切替時間が短く電気信号で制御できるので、自動的な操作を採用する場合にも利用しやすい。
なお、レーザ切替素子４０は、可動鏡で構成してもよい。可動鏡でも、反射面の向きを機械的に変えることにより光路を切り替えることができる。

レーザ収束ユニット２０，２０’は、光ファイバケーブル３０，３０’をレーザ収束ユニットに固定するストッパ３１を備えて、光ファイバケーブルを着脱できるようにすると共に、光ファイバケーブルから放出される光の位置を再現性よく確定する。
レーザ収束ユニット２０，２０’は、内部に拡大光学系２１と収束光学系２２を備え、端部に設けた石英ガラスやサファイアガラスでできた厚い光学窓２３で内部の機器が燃焼室の高圧を遮断して影響を受けないようにする。

拡大光学系２１は、光ファイバ３０，３０’から放出されるレーザ光を一旦平行光線にするもので、集光レンズとコリメートレンズで形成してもよい。
また、収束光学系２２は、凸レンズで構成し、レーザ光４を収束させて焦点５に集める作用を有する。
レーザ収束ユニット２０，２０’とシャッタ１０，１０’はジョイント機構２４により着脱可能に固定できるようになっている。

ジョイント機構２４は、レーザ収束ユニット２０，２０’のシャッタ１０，１０’側の端部外側に設けた雄ネジと、シャッタ１０，１０’に設けた雌ネジで構成され、互いに嵌合して着脱可能に固定できるものであってもよい。また、燃焼室内圧力が低い場合は、セージロックなどの着脱が容易な機構を用いることも可能である。

シャッタ１０，１０’は、ボール弁１１，１１’とボール弁を駆動するソレノイド１２を備えている。ボール弁１１，１１’は、シャッタ１０，１０’の開口と同じ径の孔が貫通した球形の弁体で、回転軸にソレノイド１２により進退するステム１３が係合している。
ソレノイド１２を駆動することによりステム１３が伸び縮みして、ボール弁１１が９０度回転し、ボール弁１１の貫通孔がシャッタ１０の開口軸と平行な開状態と垂直方向を向いた閉状態を選択できるようになっている。

図中右側に表した閉状態のときは、シャッタ１０’のボール弁１１’は貫通孔を開口軸に対して垂直の方向に倒して球体の表面壁で開口をふさいで、レーザ収束ユニット２０’をエンジンの燃焼室１から絶縁する。
また、図中左側に示した開状態では、シャッタ１０のボール弁１１は、その貫通孔の中心軸が開口軸と一致する方向に立つようにして、レーザ収束ユニット２０から放射される収束レーザ光４がシャッタ１０の開口を通過して燃焼室１内の焦点５に集光して室内の燃料ガスに着火するようにする。

本実施例のレーザ着火装置は、使用している第１のレーザ収束ユニット２０の光学窓２３にすすなどが付いて表面が汚れレーザの透過率が低下したときには、たとえば図３に表した手順で光学窓２３の浄化を行うことができる。

すなわち、閉止していた第２のシャッタ１０’に整備済みの第２のレーザ収束ユニット２０’が装着されていることを確認し、第２シャッタ１０’を開けて第２レーザ収束ユニット２０’が稼働できるようにしてから（Ｓ０１）、適当なタイミングを待って（Ｓ０２）、レーザ切替素子４０を駆動しレーザ供給先を第１レーザ収束ユニット２０から第２レーザ収束ユニット２０’の側に切り替え（Ｓ０３）、第２レーザ収束ユニット２０’でレーザ着火をさせる。

レーザ収束ユニットを切り替えるときは、切替によって失火しないようにしなければならない。
失火が起こると、燃焼し残った燃料ガスが通常の燃料に加わるため、次の着火時における燃料濃度が過剰になって燃焼室１内の圧力が極めて大きくなることがある。

したがって、エンジンや着火装置を保護するため、レーザの切替が着火のタイミングと重ならないようにする必要がある。そこで、レーザの切替が常に、着火時期と重ならないようにするインターロックを組んでもよい。たとえば、切替を燃焼サイクルの排気行程で行えば、着火タイミングと重なることがないのでレーザ切替を原因とする失火の心配がない。

また、レーザ切替が着火のタイミングと重ならないようにするためには、切替の所要時間が着火の継続時間に対して十分短い必要がある。
エンジンの回転数は高いため、機械的に反射鏡を駆動して光路を切り替える機構を手動で駆動する場合は、切替時間が超過するおそれがある。したがって、機械的機構を利用する場合にも、電気信号で自動的に駆動するようにすることが好ましい。
さらに、たとえばポッケルス効果を使った電気光学素子は数ｎｓで作動するので、電気光学素子でレーザ切り替え装置を構成し、電気的な起動信号で駆動すれば、切替時間が問題にならない。
このため、本実施例では、レーザ切替素子４０を電気光学素子で構成する。

第２レーザ収束ユニット２０’による着火点の位置は、第１レーザ収束ユニット２０による着火点５と、同じ位置になるように調整されている。
レーザ着火を切り替えが済んだ後に、第１レーザ収束ユニット２０が設けられた第１シャッタ１０を閉止し、第１レーザ収束ユニット２０から光ファイバケーブル３０を取り外す（Ｓ０４）。その後、第１レーザ収束ユニットを第１シャッタ１０から取り外す（Ｓ０５）。

取り外した第１レーザ収束ユニット２０の光学窓２３は、溶剤を使用したり柔らかい布でぬぐい取ったり、適宜の方法で汚れを除去する（Ｓ０６）。光学窓２３を洗浄した第１レーザ収束ユニット２０は、再び第１シャッタ１０に取り付け光ファイバケーブル３０を取り付けて、いつでも稼働できるようにしておく（Ｓ０７）。

なお、第１レーザ収束ユニット２０を取り外したあとに、別に準備された清浄なレーザ収束ユニットを装着してもよい。
エンジン作動が続いて、今度は第２レーザ収束ユニット２０’の光学窓２３’が汚れたときには、同様の手順で第１レーザ収束ユニット２０と切り替えた上で第２収束ユニット２０’を取り外して、光学窓２３’を洗浄すればよい。

本発明のレーザ着火装置では、上記説明した通り、レーザ収束ユニットの切替を円滑に行うため、レーザ収束ユニットが切り替わったときにも、レーザの焦点位置が変動しないようにすることが好ましい。また、切替動作がレーザ着火のタイミングと重なるのを防止するため、高速切替ができるレーザ切替素子を採用し、またレーザ着火と重なることがないエンジンサイクル中の排気行程で切替を行う制御回路を装備することが好ましい。

本発明のレーザ着火装置は、エンジンに複数のレーザ収束ユニットを装着して運転し、稼働中でも運転を休止することなくレーザ収束ユニットを着脱することができるので、光学窓を洗浄するときにはユニットを外して、任意の方法で容易に処理することができる。

本発明の１実施例におけるレーザ着火装置の要部概略断面図である。 本実施例のレーザ着火装置の概略構成図である。 本実施例における切替手順を示した流れ図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 燃焼室の壁
３，３’ レーザ照射孔
４ レーザ光
５ 焦点
１０，１０’ シャッタ
１１，１１’ ボール弁
１２ ソレノイド
１３ ステム
２０，２０’ レーザ収束ユニット
２１ 拡大光学系
２２ 収束光学系
２３，２３’ 光学窓
２４ ジョイント機構
３０，３０’ 光ファイバケーブル
３１ ストッパ
４０ レーザ切替素子
４１ 光ファイバケーブル
５０ レーザ発生装置

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室内に光学窓を介してレーザ光を照射することにより着火させるものであって、該燃焼室に２個以上のレーザ照射孔を備え、該レーザ照射孔のおのおのに開閉可能なシャッタを設け、光学窓と収束光学系を備えて収束するレーザ光を該光学窓を介して前記燃焼室内に照射するレーザ収束ユニットを前記シャッタそれぞれに着脱可能に装着し、該レーザ収束ユニットに着脱可能に光ファイバーケーブルを連結し、該光ファイバーケーブルがレーザ切替素子に連結され、該レーザ切替素子にレーザ伝送手段に接続されているレーザ着火装置。
2. 前記シャッタは、ボールバルブであることを特徴とする請求項１記載のレーザ着火装置。
3. 前記２個以上のレーザ照射孔を通って前記燃焼室内に照射するレーザは同じ位置に焦点を有することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ着火装置。
4. 前記レーザ切替素子は、電気光学素子を用いて構成された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着火装置。
5. 前記レーザの切替が着火時期に重ならないように組まれたインターロック回路を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ着火装置。
   

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