JP2008025378A - Laser ignition device - Google Patents

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Masaaki Ueki
正聡 上木
Takaharu Inoue
隆治 井上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser ignition device having a structure wherein flexibility in a lens-mounting position is high and a laser beam-emitting window is hard to damage. <P>SOLUTION: The laser ignition device includes a laser light-source 11 for emitting the laser beam 20, a lens-barrel 12 having one end connected to the laser light-source 11 and the other end connected to a combustion chamber 9 of an engine, a laser emitting window 13 provided at one end of the combustion chamber 9 side of the lens-barrel 12, a lens 14 arranged in the lens-barrel 12 so as to condense the laser beam 20 in the combustion chamber 7. The lens 14 is composed of an optically isotropic ceramic. The lens 14 has improved translucency and improved thermal resistance, thus the lens 14 can be mounted in the vicinity of the combustion chamber exposed to high temperature. Further, the window for emission of the laser beam is effectively prevented from being damaged, because concentration of high-density energy to the laser-emission window can be avoided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関に適用されるレーザ着火装置に関し、具体的には、自動車用、発電用等の内燃機関に用いられるレーザ着火装置に関するものである。   The present invention relates to a laser ignition device applied to an internal combustion engine, and more specifically to a laser ignition device used for an internal combustion engine for automobiles, power generation and the like.

従来から、代表的な内燃機関としてガソリンエンジンとディーゼルエンジンが知られているが、前者は排気ガスがクリーンであるが燃費に劣り、後者は燃費に優れるがNOxや粒子状物質(PM)等の有害物質排出量が多いという問題があった。そこで、地球環境の保護、温暖化防止という観点から、低燃費で排気ガスがクリーンなエンジンを実現するものとして、混合気を高圧縮して自発着火させる「予混合圧縮着火技術」が注目されている。しかしながら、予混合圧縮着火式エンジンは、着火が不安定であるという欠点があるため、着火燃焼を促進する着火手段が種々提案されている。   Conventionally, gasoline engines and diesel engines are known as typical internal combustion engines, but the former has a clean exhaust gas but is inferior in fuel efficiency, and the latter is excellent in fuel efficiency, but NOx, particulate matter (PM), etc. There was a problem of a large amount of harmful substance emissions. Therefore, from the viewpoint of protecting the global environment and preventing global warming, “premixed compression ignition technology”, which achieves a low fuel consumption and clean exhaust gas engine, is highly focused on self-ignition by highly compressing the air-fuel mixture. Yes. However, since the premixed compression ignition type engine has the disadvantage that the ignition is unstable, various ignition means for promoting ignition combustion have been proposed.

その一つであるレーザ着火は、高出力レーザパルスをレンズにより焦点に集光し、その焦点に発生するプラズマを起点として着火するものである。レーザ着火は、従来からガソリンエンジンに採用されているスパークプラグに比べ、高圧縮比でも着火性が悪化しない、焦点位置調節により燃焼室内の任意の位置での着火が可能であるといった利点を有する。さらに、電気的ノイズの発生源にならない、付着した汚れによる短絡がないといった利点もある。そこで近年、レーザ着火に関する技術開発が進んでいる。   Laser ignition, which is one of them, focuses high-power laser pulses at a focal point by a lens and ignites them using plasma generated at the focal point as a starting point. Compared with a spark plug conventionally used in a gasoline engine, laser ignition has advantages that ignition performance is not deteriorated even at a high compression ratio, and that ignition can be performed at an arbitrary position in the combustion chamber by adjusting the focal position. Furthermore, there is an advantage that it is not a source of electrical noise and there is no short circuit due to attached dirt. Therefore, in recent years, technological development relating to laser ignition has been advanced.

レーザ着火に用いるレーザ装置は精密機器であるため、高温と振動を避けるためにできるだけエンジンから離れた位置に設置し、ファイバー伝送されたレーザ光を燃焼室内に照射することが望ましい。しかしながら、着火に必要なパルスパワーはmJ(ミリジュール)以上という高エネルギーであるため、実際にはファイバー伝送することは困難である。そこで、エンジンに直接装着するタイプのレーザ着火装置が知られている。(例えば、特許文献1参照)。
特開平9−303244号公報
Since the laser device used for laser ignition is a precision instrument, it is desirable to install it at a position as far away from the engine as possible so as to avoid high temperature and vibration, and irradiate the combustion chamber with laser light transmitted through a fiber. However, since the pulse power required for ignition is high energy of mJ (millijoule) or more, it is actually difficult to transmit the fiber. Thus, a type of laser ignition device that is directly attached to the engine is known. (For example, refer to Patent Document 1).
JP-A-9-303244

しかしながら、従来のレーザ着火装置で用いられている光学ガラスレンズは耐熱性が低いため、非常に高温となる燃焼室近傍ではなく、温度が比較的低い位置に設置される。すなわち、燃焼室内の実際に着火させたい部分から十分離して設置する必要があり、レンズ設置位置の自由度は比較的小さい。また、レンズが燃焼室内で発生する燃焼ガス等により汚れるのを防止するために、レンズが設置されている空間と燃焼室とを隔離するとともに、レーザ光源から発せられたレーザ光を燃焼室内へ透過させる窓が設けられている。この窓自体は、レーザ光透過率の低下を防ぐため、付着した汚れが焼失するように、高温に曝される位置に設ける必要がある。その結果、レンズと窓との間に距離が生じ、レンズと燃焼室内の焦点(着火点)との間の、焦点に比較的近い位置に窓が設置されることとなる。よって、窓を透過する時点のレーザ光のスポット径は、レンズで集光される時点のスポット径よりも小さくなる。換言すれば、窓を透過する時点のレーザ光のエネルギー密度が高くなり、窓が損傷する虞がある。また、レーザ光の特性が同じ場合、焦点でのレーザ光の径(焦点径)は焦点距離とレンズに入射したレーザ光の径に反比例する関係がある。そこで、上記問題点を解決するために焦点距離の長いレンズを使用することも考えられるが、焦点距離の長いレンズを使用すると、焦点におけるエネルギー密度を高めることができず、プラズマの発生性、ひいては着火性の低下を招く。また、焦点距離の長いレンズを使用して焦点径を小さくするには、他のレンズを用いて予めレーザ光の径を広げておく必要があるため、部品点数の増加、ひいてはコスト増につながる。   However, since the optical glass lens used in the conventional laser ignition device has low heat resistance, it is installed not at the vicinity of the combustion chamber where the temperature is very high but at a relatively low temperature. In other words, it is necessary to install the combustion chamber so as to be separated from the portion that is actually ignited, and the degree of freedom of the lens installation position is relatively small. In addition, in order to prevent the lens from being contaminated by the combustion gas generated in the combustion chamber, the space where the lens is installed is separated from the combustion chamber, and the laser light emitted from the laser light source is transmitted into the combustion chamber. A window is provided. The window itself needs to be provided at a position exposed to a high temperature so that the attached dirt is burned out in order to prevent a decrease in laser light transmittance. As a result, a distance is generated between the lens and the window, and the window is installed at a position relatively close to the focal point between the lens and the focal point (ignition point) in the combustion chamber. Therefore, the spot diameter of the laser beam when passing through the window is smaller than the spot diameter when being focused by the lens. In other words, there is a possibility that the energy density of the laser light at the time of passing through the window becomes high and the window is damaged. When the characteristics of the laser light are the same, the diameter of the laser light at the focal point (focal diameter) is inversely proportional to the focal length and the diameter of the laser light incident on the lens. In order to solve the above problems, it is conceivable to use a lens having a long focal length. However, if a lens having a long focal length is used, the energy density at the focal point cannot be increased, and the plasma generation property, and consequently Decreases ignitability. Further, in order to reduce the focal diameter using a lens having a long focal length, it is necessary to widen the diameter of the laser beam in advance using another lens, which leads to an increase in the number of parts and, consequently, an increase in cost.

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、レンズの設置位置の自由度が高く、レーザ光照射窓の損傷が生じにくい構造を有するレーザ着火装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser ignition device having a structure in which the degree of freedom of the lens installation position is high and the laser light irradiation window is hardly damaged. To do.

上記目的を達成するために、請求項1に係るレーザ着火装置は、レーザ光を発するレーザ発生機構と、前記レーザ発生機構と内燃機関の燃焼室との間に設けられ、前記燃焼室と外気とを隔離するとともに、前記レーザ光を前記燃焼室内に射出するためのレーザ光照射窓と、前記レーザ発生機構と前記レーザ光照射窓との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記レーザ光を前記燃焼室内の焦点に集光させるレンズとを備え、前記レンズが光学的に等方性のセラミックスから構成されている。   In order to achieve the above object, a laser ignition device according to claim 1 is provided between a laser generating mechanism that emits laser light, the laser generating mechanism and a combustion chamber of an internal combustion engine, and the combustion chamber and the outside air. A laser beam irradiation window for emitting the laser beam into the combustion chamber, and an optical path of the laser beam between the laser generation mechanism and the laser beam irradiation window, and the laser beam And a lens that collects the light at the focal point in the combustion chamber, and the lens is made of an optically isotropic ceramic.

また、請求項2に係るレーザ着火装置は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記レンズが前記レーザ光照射窓を兼用することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, the lens also serves as the laser light irradiation window.

さらに、請求項3に係るレーザ着火装置は、請求項1または2に記載の発明の構成に加え、前記レンズがYAG(イットリウムアルミニウムガーネット)から構成されたことを特徴とする。   Furthermore, a laser ignition device according to claim 3 is characterized in that, in addition to the configuration of the invention according to claim 1 or 2, the lens is made of YAG (yttrium aluminum garnet).

請求項1に係るレーザ着火装置では、レーザ光を集光し、燃焼室内の混合気に着火させるためのレンズを、光学的に等方性のセラミックスで構成している。光学的に等方性の材料は透明度が高いため、レンズ材料として望ましい。また、レンズがセラミックスで構成されているため耐熱性に優れており、一般的な光学レンズよりも燃焼室近傍に設置することが可能となる。すなわち、レンズ設置位置の自由度、ひいてはレーザ着火装置の設計自由度を向上することができる。さらに、レンズを燃焼室方向、すなわちレーザ光照射窓に近づけることができるため、レーザ光がレンズで集光されても、レーザ光照射窓に入射する時点のスポット径はそれほど縮小されない。よって、高密度のエネルギーがレーザ光照射窓に集中することが回避でき、レーザ光照射窓が損傷するのを効果的に抑制することができる。   In the laser ignition device according to the first aspect, the lens for condensing the laser beam and igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber is made of an optically isotropic ceramic. Optically isotropic materials are desirable as lens materials because of their high transparency. In addition, since the lens is made of ceramics, it has excellent heat resistance and can be installed near the combustion chamber rather than a general optical lens. That is, the degree of freedom of the lens installation position, and thus the degree of freedom of design of the laser ignition device can be improved. Further, since the lens can be brought closer to the combustion chamber, that is, the laser light irradiation window, even when the laser light is collected by the lens, the spot diameter at the time of entering the laser light irradiation window is not reduced so much. Therefore, it is possible to avoid high-density energy from being concentrated on the laser light irradiation window, and it is possible to effectively suppress damage to the laser light irradiation window.

また、レンズをセラミックスで構成すれば、単結晶バルク体を材料とした場合よりも材料コストが低く抑えられる。さらに、セラミックスの成形加工時にレンズに近い形状とすることにより、研磨コストを抑えることも可能である。   Further, if the lens is made of ceramics, the material cost can be kept lower than when a single crystal bulk material is used as a material. Furthermore, it is possible to reduce the polishing cost by making the shape close to the lens during the molding of the ceramic.

また、請求項2に係る発明では、レンズがレーザ照射窓を兼用している。これにより、構成をさらに簡略化できるとともに、部品点数の削減により、組立て工数やコストを低減することができる。   In the invention according to claim 2, the lens also serves as the laser irradiation window. As a result, the configuration can be further simplified, and the number of assembly steps and costs can be reduced by reducing the number of parts.

近年、様々な透明セラミックス材料の開発が進んでいる。このうち、セラミックYAG(イットリウムアルミニウムガーネット)は、立方晶系であるYAGの微結晶の集合体であるため、光学的に等方性の材料であり、光透過率が高い。一般的に、レンズ材料は、光透過率が高いことの他、屈折率が高く、屈折率の波長依存性が小さいことが要求される。YAGの屈折率は1.82と、実用に供されている高屈折率の光学ガラスレンズと同程度である。また、本発明においては、レンズは単色光のレーザ光を集光するのに用いられるため、レンズ材料の屈折率の波長依存性について考慮する必要はない。これらに加えて、YAGは光学ガラスに比して耐熱性に優れており、YAGはレーザ着火装置用のレンズ材料として好適である。従来、品質の面では、セラミックスは単結晶に劣っていたが、現在では、製造プロセスの確立により、単結晶バルク体に匹敵する高品質な透明YAGセラミックスの製造が可能となっている。よって、請求項3に係る発明のように集光レンズを透明YAGセラミックスで構成することにより、製造コストを抑えつつ、高品質なレンズを備えたレーザ着火装置を設計することができる。   In recent years, various transparent ceramic materials have been developed. Of these, ceramic YAG (yttrium aluminum garnet) is an aggregate of cubic YAG microcrystals, and therefore is an optically isotropic material and has high light transmittance. In general, a lens material is required to have a high refractive index and a small wavelength dependency of the refractive index in addition to a high light transmittance. The refractive index of YAG is 1.82, which is about the same as that of a high-refractive-index optical glass lens used for practical use. In the present invention, since the lens is used for condensing monochromatic laser light, it is not necessary to consider the wavelength dependence of the refractive index of the lens material. In addition to these, YAG is superior in heat resistance compared to optical glass, and YAG is suitable as a lens material for a laser ignition device. Conventionally, ceramics are inferior to single crystals in terms of quality, but now, with the establishment of a production process, it is possible to produce high-quality transparent YAG ceramics comparable to single crystal bulk bodies. Therefore, by forming the condensing lens with transparent YAG ceramics as in the invention according to claim 3, it is possible to design a laser ignition device including a high-quality lens while suppressing the manufacturing cost.

以下、本発明を具体化したレーザ着火装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。   Embodiments of a laser ignition device embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.

<第1の実施形態>
以下、図1および図2を参照して、本発明に係るレーザ着火装置の第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係るレーザ着火装置10を、ポート噴射型エンジン1に装着した場合の、概略構成を示す断面図である。また、図2は、レーザ着火装置10の光軸に沿った断面図である。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of the laser ignition device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration when the laser ignition device 10 according to the first embodiment is mounted on a port injection type engine 1. FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser ignition device 10 along the optical axis.

図1に示すように、エンジン1は、シリンダヘッド2、シリンダブロック3、シリンダブロック3内を往復運動するピストン4を構成の主体とする。そしてこれらシリンダヘッド2、シリンダブロック3、ピストン4とで囲まれる空間が燃焼室9である。また、シリンダヘッド2は、吸気の流路である吸気ポート5、吸気ポート5を開閉する吸気弁6、排気の流路である排気ポート7、排気ポート7を開閉する排気弁8等を備えている。なお、吸気ポート5内には、燃料を噴射する燃料噴射弁(図示しない)が設けられている。また、レーザ着火装置10は、エンジン1のシリンダヘッド2に設置されている。   As shown in FIG. 1, the engine 1 mainly includes a cylinder head 2, a cylinder block 3, and a piston 4 that reciprocates in the cylinder block 3. A space surrounded by the cylinder head 2, the cylinder block 3, and the piston 4 is a combustion chamber 9. The cylinder head 2 includes an intake port 5 that is an intake flow path, an intake valve 6 that opens and closes the intake port 5, an exhaust port 7 that is an exhaust flow path, an exhaust valve 8 that opens and closes the exhaust port 7, and the like. Yes. A fuel injection valve (not shown) for injecting fuel is provided in the intake port 5. The laser ignition device 10 is installed in the cylinder head 2 of the engine 1.

図2に示すように、レーザ着火装置10は、レーザ光源11、鏡筒12、レーザ光照射窓13およびレンズ14から構成されている。   As shown in FIG. 2, the laser ignition device 10 includes a laser light source 11, a lens barrel 12, a laser light irradiation window 13, and a lens 14.

レーザ光を発するレーザ光源11には特に限定はないが、効率と出力の観点から、レーザダイオード励起固体レーザが好適に用いられる。レーザ媒質としては、安定性、耐久性に優れるNd:YAGやYb:YAGなどの材料が好ましい。また、レーザパルスの射出タイミングは、能動Qスイッチの制御により行われるか、あるいは励起光制御と受動Qスイッチを組み合わせることにより行われることが好ましい。なお、レーザ光源11が「レーザ発生機構」に相当する。   The laser light source 11 that emits laser light is not particularly limited, but a laser diode-excited solid laser is preferably used from the viewpoint of efficiency and output. As the laser medium, a material such as Nd: YAG or Yb: YAG which is excellent in stability and durability is preferable. Moreover, it is preferable that the laser pulse emission timing is controlled by the control of the active Q switch or by combining the excitation light control and the passive Q switch. The laser light source 11 corresponds to a “laser generation mechanism”.

鏡筒12は、一端がレーザ光源11に、他端が燃焼室9に連結された円筒形のハウジングで、レンズ14を筒内に支持するとともに、レーザ光20がその内部を貫通してレーザ光源11から燃焼室9へ達するよう設けられている。鏡筒の材質には特に限定はないが、燃焼室近傍に設置されることを考慮し、SUS304などの耐熱性に優れた金属を用いることが好ましい。   The lens barrel 12 is a cylindrical housing having one end connected to the laser light source 11 and the other end connected to the combustion chamber 9. The lens barrel 12 supports the lens 14 in the cylinder, and the laser beam 20 penetrates through the inside thereof. 11 to reach the combustion chamber 9. Although the material of the lens barrel is not particularly limited, it is preferable to use a metal having excellent heat resistance such as SUS304 in consideration of being installed in the vicinity of the combustion chamber.

鏡筒12の燃焼室9側の一端は燃焼室9に面して開口しており、その開口部に、燃焼室9を鏡筒内の外気からシールするとともに、鏡筒12を貫通したレーザ光20を燃焼室9に射出するためのレーザ光照射窓13が設けられている。また、レーザ光照射窓13の燃焼室9側の表面は燃焼雰囲気に直に曝されるため、燃焼ガスなどで汚れが付着しやすい。よって、レーザ光照射窓13は、汚れが焼失するよう十分に高温の部位に設けられるため、耐熱性が要求される。そこで、レーザ光照射窓13の材料としては、透光性を有し、耐熱性に優れる材料が好ましい。好適な材料の例として、透光性アルミナやサファイア、透明YAGなどのイオン結晶性材料が挙げられる。   One end of the barrel 12 on the combustion chamber 9 side is open facing the combustion chamber 9, and the laser beam penetrating the barrel 12 is sealed at the opening from the outside air in the barrel. A laser beam irradiation window 13 for injecting 20 into the combustion chamber 9 is provided. Further, since the surface of the laser beam irradiation window 13 on the combustion chamber 9 side is directly exposed to the combustion atmosphere, dirt easily adheres with combustion gas or the like. Therefore, since the laser beam irradiation window 13 is provided at a sufficiently high temperature so that the dirt is burned out, heat resistance is required. Therefore, the material for the laser light irradiation window 13 is preferably a material having translucency and excellent heat resistance. Examples of suitable materials include ion crystalline materials such as translucent alumina, sapphire, and transparent YAG.

レンズ14は、レーザ光源11から鏡筒12を貫通するレーザ光20を、レーザ光照射窓13を通して燃焼室9内の所望の位置に集光するように、鏡筒12内のレーザ光20の光路上に設置されている。また、レンズ14は、光学的に等方性のセラミックスから構成されている。光学的に等方性の材料は透明度が高く、セラミックスは耐熱性に優れているため、レンズ材料として好適である。より好ましくは、透光性、耐熱性の両面で特に優れた透明YAGセラミックスから構成される。   The lens 14 irradiates the laser light 20 in the lens barrel 12 so that the laser light 20 penetrating the lens barrel 12 from the laser light source 11 is condensed at a desired position in the combustion chamber 9 through the laser light irradiation window 13. It is installed on the street. The lens 14 is made of an optically isotropic ceramic. Optically isotropic materials have high transparency, and ceramics are excellent in heat resistance, and therefore are suitable as lens materials. More preferably, it is composed of transparent YAG ceramics that are particularly excellent in both translucency and heat resistance.

次に、上記のように構成された本実施形態に係るレーザ着火装置10の動作について説明する。図2に示すように、レーザ光源11がレーザ光20を所望のパルスタイミングで射出すると、レーザ光20は、レーザ光源11に連結された鏡筒12内部を通り、鏡筒12内に支持されたレンズ14に入射する。レンズ14は、鏡筒12の燃焼室9側の一端に設けられたレーザ光照射窓13を通して、入射したレーザ光20を燃焼室9内の焦点30に集光させる。一方、図1に示すように、燃焼室9内には、吸気ポート5内で燃料噴射弁から噴射された燃料と吸気とを混合して形成された混合気が、吸気弁6を介して供給されている。燃焼室9内の焦点において、集光されたレーザ光20が混合気の一部にプラズマを発生させることにより、この混合気を着火、燃焼させることができる。   Next, the operation of the laser ignition device 10 according to the present embodiment configured as described above will be described. As shown in FIG. 2, when the laser light source 11 emits the laser light 20 at a desired pulse timing, the laser light 20 passes through the inside of the lens barrel 12 connected to the laser light source 11 and is supported in the lens barrel 12. The light enters the lens 14. The lens 14 focuses the incident laser beam 20 on the focal point 30 in the combustion chamber 9 through the laser beam irradiation window 13 provided at one end of the barrel 12 on the combustion chamber 9 side. On the other hand, as shown in FIG. 1, the air-fuel mixture formed by mixing the fuel injected from the fuel injection valve in the intake port 5 and the intake air is supplied into the combustion chamber 9 via the intake valve 6. Has been. At the focal point in the combustion chamber 9, the condensed laser beam 20 generates plasma in a part of the air-fuel mixture, whereby the air-fuel mixture can be ignited and burned.

以上説明したように、本実施形態のレーザ着火装置10では、レンズ14を光学的に等方性のセラミックスで構成することにより、レンズ14の耐熱性が向上する。これにより、高温に曝されるレーザ光照射窓13とレンズ14との距離を短縮することが可能となる。すなわち、レンズ14の設置位置の自由度が向上する。さらに、レーザ光照射窓13への入射時点のレーザ光20のエネルギー密度増大が抑えられるため、レーザ光照射窓13が損傷する危険性を低下させることができる。   As described above, in the laser ignition device 10 of this embodiment, the heat resistance of the lens 14 is improved by configuring the lens 14 with an optically isotropic ceramic. As a result, the distance between the laser light irradiation window 13 and the lens 14 exposed to a high temperature can be shortened. That is, the degree of freedom of the installation position of the lens 14 is improved. Furthermore, since the increase in the energy density of the laser beam 20 at the time of incidence on the laser beam irradiation window 13 can be suppressed, the risk of damage to the laser beam irradiation window 13 can be reduced.

また、レンズ14をセラミックスで構成したことにより、単結晶バルク体を材料とした場合よりも、コストを低減することができる。特に、レンズ14を透明YAGセラミックスで構成した場合には、コストを抑えながら、透光性、耐熱性に優れる高品質なレンズを備えた装置を得ることができる。   Further, since the lens 14 is made of ceramics, the cost can be reduced as compared with a case where a single crystal bulk body is used as a material. In particular, when the lens 14 is made of transparent YAG ceramics, it is possible to obtain an apparatus including a high-quality lens having excellent translucency and heat resistance while suppressing cost.

<第2の実施形態>
次に、図3を参照して、本発明の第2の実施形態に係るレーザ着火装置40について説明する。図3は、レーザ着火装置40の光軸に沿った断面図である。以下、図3を参照して、本実施形態について、第1の実施形態と異なる構成を主として説明する。なお、本実施形態のレーザ着火装置40をポート噴射型エンジン1に装着した場合の概略断面図は、図1と同様である。
<Second Embodiment>
Next, a laser ignition device 40 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the laser ignition device 40 along the optical axis. Hereinafter, with reference to FIG. 3, a configuration different from the first embodiment will be mainly described in the present embodiment. The schematic cross-sectional view when the laser ignition device 40 of this embodiment is mounted on the port injection type engine 1 is the same as FIG.

図3に示すように、レーザ着火装置40は、第1の実施形態と同様に、レーザ光源11、鏡筒12を有する。一方、第1の実施形態とは異なり、レンズ14がレーザ光照射窓13を兼用している。すなわち、鏡筒12の燃焼室9側の開口部に、レンズ14のみが設けられた構成となっている。   As shown in FIG. 3, the laser ignition device 40 includes a laser light source 11 and a lens barrel 12 as in the first embodiment. On the other hand, unlike the first embodiment, the lens 14 also serves as the laser light irradiation window 13. That is, only the lens 14 is provided in the opening of the barrel 12 on the combustion chamber 9 side.

レンズ14は、第1の実施形態と同様、光学的に等方性のセラミックスから構成されている。より好ましくは、透光性、耐熱性の高い透明YAGセラミックスから構成される。本実施形態の構成では、レンズ14の燃焼室9側の表面は非常な高温に曝されることになるが、透明YAGセラミックスは十分な耐熱性を有している。   The lens 14 is made of an optically isotropic ceramic, as in the first embodiment. More preferably, it is made of transparent YAG ceramics having high translucency and heat resistance. In the configuration of the present embodiment, the surface of the lens 14 on the combustion chamber 9 side is exposed to an extremely high temperature, but the transparent YAG ceramic has sufficient heat resistance.

上記のように構成された第2の実施形態に係るレーザ着火装置40の動作について説明する。   The operation of the laser ignition device 40 according to the second embodiment configured as described above will be described.

図3に示すように、レーザ光源11がレーザ光20を所望のパルスタイミングで射出すると、レーザ光20は、レーザ光源11に連結された鏡筒12内部を通り、鏡筒12の燃焼室9側の一端に設けられたレンズ14に入射する。レンズ14は、入射したレーザ光20を燃焼室9内の焦点30に集光させ、混合気の一部にプラズマを発生させる。このプラズマにより、燃焼室9内に供給された混合気を着火、燃焼させることができる。   As shown in FIG. 3, when the laser light source 11 emits the laser light 20 at a desired pulse timing, the laser light 20 passes through the inside of the lens barrel 12 connected to the laser light source 11 and is on the combustion chamber 9 side of the lens barrel 12. Is incident on a lens 14 provided at one end of the lens. The lens 14 focuses the incident laser beam 20 on the focal point 30 in the combustion chamber 9 and generates plasma in a part of the air-fuel mixture. With this plasma, the air-fuel mixture supplied into the combustion chamber 9 can be ignited and burned.

以上説明したように、第2の実施形態のレーザ着火装置40では、レンズ14が、燃焼室9と外気とを隔離し、レーザ光20を透過させる窓の役割を果たすとともに、レーザ光20を燃焼室9内に集光させる役割を果たしている。すなわち、第1の実施形態のレーザ光照射窓13を省略した構成となっている。したがって、構成をさらに簡略化できるとともに、部品点数の削減により、組立て工数やコストを低減することができる。特に、レンズ14を透明YAGセラミックスで構成した場合には、コストを抑えながら、透光性、耐熱性に優れる高品質なレンズを備えた装置を得ることができる。   As described above, in the laser ignition device 40 of the second embodiment, the lens 14 functions as a window that separates the combustion chamber 9 from the outside air and transmits the laser light 20 and also burns the laser light 20. It plays a role of collecting light in the chamber 9. That is, the laser beam irradiation window 13 of the first embodiment is omitted. Therefore, the configuration can be further simplified and the number of assembling steps and costs can be reduced by reducing the number of parts. In particular, when the lens 14 is made of transparent YAG ceramics, it is possible to obtain an apparatus including a high-quality lens having excellent translucency and heat resistance while suppressing cost.

なお、上記第1および第2の実施形態に示されるレーザ着火装置の構成は例示であり、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。   The configurations of the laser ignition devices shown in the first and second embodiments are examples, and it goes without saying that the present invention can be modified in various ways.

例えば、第1および第2の実施形態では、本発明に係るレーザ着火装置をポート噴射型のエンジンに装着しているが、筒内噴射式のエンジンなど、他のエンジンにも適用可能である。また、第1および第2の実施形態では、本発明に係るレーザ着火装置は燃焼室頂部近傍に設けられているが、上記構成は一例であり、燃焼室を臨む他の位置に配置することも可能である。   For example, in the first and second embodiments, the laser ignition device according to the present invention is mounted on a port injection type engine, but the present invention can also be applied to other engines such as an in-cylinder injection type engine. In the first and second embodiments, the laser ignition device according to the present invention is provided in the vicinity of the top of the combustion chamber. However, the above configuration is an example, and the laser ignition device may be arranged at another position facing the combustion chamber. Is possible.

また、上記第1および第2の実施形態では、レーザ光源11と燃焼室9の間に鏡筒12を設けたが、レーザ光20がレンズ14により燃焼室9内で集光される構成となっていればよい。よって、例えば、光伝送管や光ファイバーを用いてレーザ光20を伝送する構成とすることができる。   In the first and second embodiments, the lens barrel 12 is provided between the laser light source 11 and the combustion chamber 9. However, the laser light 20 is condensed in the combustion chamber 9 by the lens 14. It only has to be. Thus, for example, the laser light 20 can be transmitted using an optical transmission tube or an optical fiber.

第1の実施形態に係るレーザ着火装置10を、ポート噴射式エンジン1に装着した場合の、概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure at the time of mounting the laser ignition apparatus 10 which concerns on 1st Embodiment to the port injection type engine. 第1の実施形態に係るレーザ着火装置10の光軸に沿った断面図である。It is sectional drawing along the optical axis of the laser ignition apparatus 10 which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係るレーザ着火装置40の光軸に沿った断面図である。It is sectional drawing along the optical axis of the laser ignition apparatus 40 which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 エンジン
2 シリンダヘッド
3 シリンダブロック
4 ピストン
5 吸気ポート
6 吸気弁
7 排気ポート
8 排気弁
9 燃焼室
10 レーザ着火装置
11 レーザ光源
12 鏡筒
13 レーザ光照射窓
14 レンズ
20 レーザ光
30 焦点
40 レーザ着火装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine 2 Cylinder head 3 Cylinder block 4 Piston 5 Intake port 6 Intake valve 7 Exhaust port 8 Exhaust valve 9 Combustion chamber 10 Laser ignition device 11 Laser light source 12 Lens tube 13 Laser beam irradiation window 14 Lens 20 Laser beam 30 Focus 40 Laser ignition apparatus

Claims (3)

レーザ光を発するレーザ発生機構と、
前記レーザ発生機構と内燃機関の燃焼室との間に設けられ、前記燃焼室と外気とを隔離するとともに、前記レーザ光を前記燃焼室内に射出するためのレーザ光照射窓と、
前記レーザ発生機構と前記レーザ光照射窓との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記レーザ光を前記燃焼室内の焦点に集光させるレンズと、
を備えたレーザ着火装置であって、
前記レンズが光学的に等方性のセラミックスから構成されたことを特徴とするレーザ着火装置。
A laser generating mechanism for emitting laser light;
A laser beam irradiation window provided between the laser generating mechanism and a combustion chamber of the internal combustion engine, isolating the combustion chamber and outside air, and emitting the laser beam into the combustion chamber;
A lens provided on an optical path of the laser light between the laser generating mechanism and the laser light irradiation window, and condensing the laser light at a focal point in the combustion chamber;
A laser ignition device comprising:
A laser ignition device, wherein the lens is made of an optically isotropic ceramic.
前記レンズが前記レーザ光照射窓を兼用することを特徴とする請求項1に記載のレーザ着火装置。   The laser ignition device according to claim 1, wherein the lens also serves as the laser light irradiation window. 前記レンズがYAG(イットリウムアルミニウムガーネット)から構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ着火装置。

3. The laser ignition device according to claim 1, wherein the lens is made of YAG (yttrium aluminum garnet).

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