JP2009121247A - Laser ignition device, internal combustion engine and laser ignition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いて燃料に点火するレーザ点火装置、内燃機関、及びレーザ点火方法に関する。 The present invention relates to a laser ignition device that ignites fuel using laser light, an internal combustion engine, and a laser ignition method.
レーザ光を用いて内燃機関の燃焼室内の燃料に点火する技術が知られている(例えば、特許文献1〜4参照)。特許文献1には、レーザ光を空間的に複数に分割してピストンに向けて照射する技術が記載されている。特許文献2には、エネルギが等値である複数パルスのレーザ光を、正常着火を可能とする時間間隔で発振する技術が記載されている。特許文献件3には、ウェッジ基板を用いてレーザ光をピストン上面の広い範囲に照射させる技術が記載されている。特許文献件4には、レーザパルス幅を着火に要する最小エネルギとなるように制御する3技術が記載されている。また、エネルギ及びパルス幅が等しい2パルスのレーザをピコ秒オーダーの間隔で照射することでブレークダウンを増強する技術が知られている(非特許文献1参照)。
しかしながら、ピストンにレーザ光を照射する所謂ターゲットブレークダウンでは、ピストンの温度上昇(顕熱)にレーザエネルギが消費されてしまう問題があった。また、燃焼室のガス中にレーザ光を直接照射する吸収式レーザ着火においては、プラズマが発生するまでにレーザ光が点火位置を透過してしまうことに起因してエネルギ損失が大きくなりやすい問題があった。 However, in the so-called target breakdown in which the piston is irradiated with laser light, there is a problem that laser energy is consumed for the temperature rise (sensible heat) of the piston. In addition, in absorption laser ignition in which laser light is directly irradiated into the gas in the combustion chamber, there is a problem that energy loss tends to increase due to the laser light passing through the ignition position before plasma is generated. there were.
本発明は、上記事実を考慮して、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができるレーザ点火装置、該点火装置が適用された内燃機関、及び低エネルギで燃料に点火することができるレーザ点火方法を得ることが目的である。 In consideration of the above facts, the present invention provides a laser ignition device capable of igniting fuel in a combustion chamber with low energy, an internal combustion engine to which the ignition device is applied, and a laser capable of igniting fuel with low energy. The purpose is to obtain an ignition method.
請求項1記載の発明に係るレーザ点火装置は、出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能とされ、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第1レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第1のレーザパルスよりもピークパワーの低い第2レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、を備えている。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a laser ignition device capable of adjusting a power and a pulse width of an output laser pulse and outputting a laser pulse toward fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine, and an ignition At a timing, after a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma in the combustion chamber is output from the laser device, a second laser pulse having a lower peak power than the first laser pulse is output from the laser device. And a control device for controlling the laser device so as to be output toward the plasma generated in the combustion chamber.
請求項1記載のレーザ点火装置では、点火タイミングに制御手段による制御を受けたレーザ装置から、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けて第1レーザパルスが出力される。これにより、内燃機関の燃焼室内にはプラズマが生じる。次いで、このレーザ装置から上記のプラズマに向けて第2レーザパルスが出力される。これにより、燃料は着火される。 In the laser ignition device according to the first aspect, the first laser pulse is output toward the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine from the laser device that is controlled by the control means at the ignition timing. Thereby, plasma is generated in the combustion chamber of the internal combustion engine. Next, a second laser pulse is output from the laser device toward the plasma. Thereby, the fuel is ignited.
ここで、本レーザ点火装置では、ピークパワーの大きい第1レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第2レーザパルスが出力されるので、プラズマの発生前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。 Here, in this laser ignition device, after the plasma is generated by the first laser pulse having a large peak power, the second laser pulse is output toward the plasma in which the laser energy is easily absorbed. In addition, it is possible to prevent the laser light from passing through the fuel.
このように、請求項1記載のレーザ点火装置では、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができる。 Thus, in the laser ignition device according to the first aspect, the fuel in the combustion chamber can be ignited with low energy.
請求項2記載の発明に係るレーザ点火装置は、請求項1記載のレーザ点火装置において、前記制御装置は、前記第1レーザパルスのパルス幅よりも前記第2レーザパルスのパルス幅が大きくなるように、前記レーザ装置を制御する。 A laser ignition device according to a second aspect of the present invention is the laser ignition device according to the first aspect, wherein the control device has a pulse width of the second laser pulse larger than a pulse width of the first laser pulse. In addition, the laser device is controlled.
請求項2記載のレーザ点火装置では、第2レーザパルスのパルス幅が第1レーザパルスのパルス幅よりも広いので、該第2レーザパルスのパルス幅が第1レーザパルスのパルス幅と同じである場合と比較して、第1レーザパルスの出力によって生じたプラズマに対し、大きなエネルギを吸収させることができ、安定した点火に寄与する。
In the laser ignition device according to
請求項3記載の発明に係るレーザ点火装置は、請求項2記載のレーザ点火装置において、前記制御装置は、前記第1レーザパルスのエネルギよりも前記第2レーザパルスのエネルギが大きくなるように、前記レーザ装置を制御する。 The laser ignition device according to a third aspect of the present invention is the laser ignition device according to the second aspect, wherein the control device is configured such that the energy of the second laser pulse is larger than the energy of the first laser pulse. Control the laser device.
請求項3記載のレーザ点火装置では、第2レーザパルスのエネルギが第1レーザパルスのエネルギよりも大きいので、第1レーザパルスの出力によって生じたプラズマに、より大きなエネルギを吸収させることができ、より安定した点火に寄与する。 In the laser ignition device according to claim 3, since the energy of the second laser pulse is larger than the energy of the first laser pulse, the plasma generated by the output of the first laser pulse can absorb larger energy, Contributes to more stable ignition.
請求項4記載の発明に係るレーザ点火装置は、出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能とされ、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第1レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第1のレーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第2レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、を備えている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a laser ignition device capable of adjusting a power and a pulse width of a laser pulse to be output, and outputting a laser pulse toward fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine; After a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma in the combustion chamber at the timing is output from the laser device, a second laser pulse having a larger energy and pulse width than the first laser pulse is emitted from the laser. And a control device that controls the laser device so that it is output from the device toward the plasma generated in the combustion chamber.
請求項4記載のレーザ点火装置では、点火タイミングに制御手段による制御を受けたレーザ装置から、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けて第1レーザパルスが出力される。これにより、内燃機関の燃焼室内にはプラズマが生じる。次いで、このレーザ装置から上記のプラズマに向けて第2レーザパルスが出力される。これにより、燃料は着火される。 In the laser ignition device according to the fourth aspect, the first laser pulse is output from the laser device, which is controlled by the control means at the ignition timing, toward the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine. Thereby, plasma is generated in the combustion chamber of the internal combustion engine. Next, a second laser pulse is output from the laser device toward the plasma. Thereby, the fuel is ignited.
ここで、本レーザ点火装置では、比較的エネルギの小さい第1レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第2レーザパルスが出力されるので、プラズマの生成前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。そして、上記したプラズマの生成後に第2レーザパルスの大きなエネルギを吸収させることができる。 Here, in this laser ignition device, the plasma is generated by the first laser pulse having relatively low energy, and then the second laser pulse is output toward the plasma in which the laser energy is easily absorbed. The laser beam is prevented from passing through the fuel before. And the big energy of a 2nd laser pulse can be absorbed after the above-mentioned plasma production | generation.
このように、請求項4記載のレーザ点火装置では、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができる。また、第2レーザパルスのパルス幅が第1レーザパルスのパルス幅よりも大きいので、瞬間的に過大なピークパワーが生じることが抑制され、装置が保護される。 Thus, in the laser ignition device according to the fourth aspect, the fuel in the combustion chamber can be ignited with low energy. Moreover, since the pulse width of the second laser pulse is larger than the pulse width of the first laser pulse, instantaneously excessive peak power is suppressed and the apparatus is protected.
請求項5記載の発明に係るレーザ点火装置は、請求項1〜請求項4の何れか1項記載のレーザ点火装置において、前記制御装置は、前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルスのパルス間隔が200ns以下となるように、前記レーザ装置を制御する。 The laser ignition device according to a fifth aspect of the present invention is the laser ignition device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the control device is configured to control the pulses of the first laser pulse and the second laser pulse. The laser device is controlled so that the interval is 200 ns or less.
請求項5記載のレーザ点火装置では、第1レーザパルスと第2レーザパルスとのパルス間隔が200nsであるため、プラズマが膨張してプラズマ密度が減少してしまう前に第2レーザパルスのエネルギを吸収させることができる。なお、第1レーザパルスと第2レーザパルスとのパルス間隔は、20ns以下とすることが一層望ましい。 In the laser ignition device according to claim 5, since the pulse interval between the first laser pulse and the second laser pulse is 200 ns, the energy of the second laser pulse is increased before the plasma expands and the plasma density decreases. Can be absorbed. Note that the pulse interval between the first laser pulse and the second laser pulse is more preferably 20 ns or less.
請求項6記載の発明に係る内燃機関は、燃焼室内の燃料に点火する点火装置として、請求項1〜請求項5の何れか1項記載のレーザ点火装置を備えている。 An internal combustion engine according to a sixth aspect of the invention includes the laser ignition device according to any one of the first to fifth aspects as an ignition device for igniting the fuel in the combustion chamber.
請求項6記載の内燃機関では、請求項1〜請求項5の何れか1項記載のレーザ点火装置によって、燃焼室内の混合気が安定的に着火される。 In the internal combustion engine according to claim 6, the air-fuel mixture in the combustion chamber is stably ignited by the laser ignition device according to any one of claims 1 to 5.
請求項7記載の発明に係るレーザ点火方法は、燃料と空気との混合気に向けて、プラズマを生成し得るピークパワーの第1レーザパルスを照射する第1パルス照射ステップと、前記第1パルス照射ステップで前記第1レーザパルスが照射された位置に向けて、該第1レーザパルスよりもピークパワーが低い第2パルスを照射する第2パルス照射ステップと、を含む。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a laser ignition method for irradiating a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma toward an air-fuel mixture of fuel and air, and the first pulse. And a second pulse irradiation step of irradiating a second pulse having a peak power lower than that of the first laser pulse toward a position where the first laser pulse is irradiated in the irradiation step.
請求項7記載のレーザ点火方法では、第1パルス照射ステップにて第1レーザパルスが照射されると、該第1レーザパルスが照射された空間ではプラズマが生じる。次いで、第2レーザパルス照射ステップにて、上記のプラズマに向けて第2レーザパルスが出力される。この点火方法により燃料は着火される。 In the laser ignition method according to claim 7, when the first laser pulse is irradiated in the first pulse irradiation step, plasma is generated in the space irradiated with the first laser pulse. Next, in the second laser pulse irradiation step, a second laser pulse is output toward the plasma. The fuel is ignited by this ignition method.
ここで、本レーザ点火方法では、ピークパワーの大きい第1レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第2レーザパルスを出力させるので、プラズマの発生前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。 Here, in this laser ignition method, after the plasma is generated by the first laser pulse having a large peak power, the second laser pulse is output toward the plasma in which the laser energy is easily absorbed. Laser light is prevented from passing through the fuel.
このように、請求項7記載のレーザ点火方法では、低エネルギで燃料に点火することができる。 Thus, in the laser ignition method according to the seventh aspect, the fuel can be ignited with low energy.
請求項8記載の発明に係るレーザ点火方法は、請求項7記載のレーザ点火方法において、前記第2パルス照射ステップで、前記第1レーザパルス照射ステップで照射される前記第1レーザパルスよりもパルス幅が大きい第2レーザパルスを照射する。 The laser ignition method according to an eighth aspect of the present invention is the laser ignition method according to the seventh aspect, wherein the second pulse irradiation step is more pulsed than the first laser pulse irradiated in the first laser pulse irradiation step. A second laser pulse having a large width is irradiated.
請求項8記載のレーザ点火方法では、第2レーザパルスのパルス幅が第1レーザパルスのパルス幅よりも広いので、該第2レーザパルスのパルス幅が第1レーザパルスのパルス幅と同じである場合と比較して、第1レーザパルスの出力によって生じたプラズマに、大きなエネルギを吸収させることができ、安定した点火に寄与する。 In the laser ignition method according to claim 8, since the pulse width of the second laser pulse is wider than the pulse width of the first laser pulse, the pulse width of the second laser pulse is the same as the pulse width of the first laser pulse. Compared to the case, the plasma generated by the output of the first laser pulse can absorb a large amount of energy, contributing to stable ignition.
請求項9記載の発明に係るレーザ点火方法は、請求項8記載のレーザ点火方法において、前記第2パルス照射ステップで、前記第1レーザパルス照射ステップで照射される前記第1レーザパルスよりもエネルギが大きい第2レーザパルスを照射する。 A laser ignition method according to a ninth aspect of the present invention is the laser ignition method according to the eighth aspect, wherein, in the second pulse irradiation step, energy is higher than that of the first laser pulse irradiated in the first laser pulse irradiation step. Is irradiated with a second laser pulse.
請求項9記載のレーザ点火方法では、第2レーザパルスのエネルギが第1レーザパルスのエネルギよりも大きいので、第1レーザパルスの出力によって生じたプラズマに、より大きなエネルギを吸収させることができ、より安定した点火に寄与する。 In the laser ignition method according to claim 9, since the energy of the second laser pulse is larger than the energy of the first laser pulse, the plasma generated by the output of the first laser pulse can absorb a larger energy, Contributes to more stable ignition.
請求項10記載の発明に係るレーザ点火方法は、燃料と空気との混合気に向けて、プラズマを生成し得るピークパワーの第1レーザパルスを照射する第1パルス照射ステップと、前記第1パルス照射ステップで前記第1レーザパルスが照射された位置に向けて、該第1レーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第2パルスを照射する第2パルス照射ステップと、を含む。 A laser ignition method according to a tenth aspect of the present invention is a first pulse irradiation step of irradiating a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma toward an air-fuel mixture of fuel and air, and the first pulse. And a second pulse irradiation step of irradiating a second pulse having energy and a pulse width larger than those of the first laser pulse toward the position irradiated with the first laser pulse in the irradiation step.
請求項10記載のレーザ点火方法では、第1パルス照射ステップにて第1レーザパルスが照射されると、該第1レーザパルスが照射された空間ではプラズマが生じる。次いで、第2レーザパルス照射ステップにて、上記のプラズマに向けて第2レーザパルスが出力される。この点火方法により燃料は着火される。
In the laser ignition method according to
ここで、本レーザ点火方法では、ピークパワーの大きい第1レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第2レーザパルスを出力させるので、プラズマの発生前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。そして、上記したプラズマの生成後に第2レーザパルスの大きなエネルギを吸収させることができる。 Here, in this laser ignition method, after the plasma is generated by the first laser pulse having a large peak power, the second laser pulse is output toward the plasma in which the laser energy is easily absorbed. Laser light is prevented from passing through the fuel. And the big energy of a 2nd laser pulse can be absorbed after the above-mentioned plasma production | generation.
このように、請求項10記載のレーザ点火方法では、低エネルギで燃料に点火することができる。また、第2レーザパルスのパルス幅が第1レーザパルスのパルス幅よりも大きいので、瞬間的に過大なピークパワーが生じることが抑制され、例えばレーザパルスの出力経路を構成する部品等が保護される。
Thus, in the laser ignition method according to
請求項11記載の発明に係るレーザ点火方法は、請求項7〜請求項10の何れか1項記載のレーザ点火方法において、前記第2レーザパルス照射ステップで、前記第1レーザパルス照射ステップで前記第1レーザパルスが照射されてから、200ns以内に第2レーザパルスを照射する。 The laser ignition method according to an eleventh aspect of the present invention is the laser ignition method according to any one of the seventh to tenth aspects, wherein the second laser pulse irradiation step includes the first laser pulse irradiation step. The second laser pulse is irradiated within 200 ns after the first laser pulse is irradiated.
請求項11記載のレーザ点火方法では、第1レーザパルスと第2レーザパルスとのパルス間隔が200nsであるため、プラズマが膨張してプラズマ密度が減少してしまう前に第2レーザパルスのエネルギを吸収させることができる。なお、第1レーザパルスと第2レーザパルスとのパルス間隔は、20ns以下とすることが一層望ましい。 In the laser ignition method according to claim 11, since the pulse interval between the first laser pulse and the second laser pulse is 200 ns, the energy of the second laser pulse is reduced before the plasma expands and the plasma density decreases. Can be absorbed. Note that the pulse interval between the first laser pulse and the second laser pulse is more preferably 20 ns or less.
以上説明したように本発明に係るレーザ点火装置、内燃機関は、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができる。 As described above, the laser ignition device and the internal combustion engine according to the present invention can ignite the fuel in the combustion chamber with low energy.
また、本発明に係るレーザ点火方法は、低エネルギで燃料に点火することができるという優れた効果を有する。 The laser ignition method according to the present invention has an excellent effect that the fuel can be ignited with low energy.
本発明の第1の実施形態に係るレーザ点火装置10、内燃機関であるエンジン12について、図1〜図5に基づいて説明する。
A
図1には、レーザ点火装置10及び該レーザ点火装置10が適用されたエンジン12が模式図にて示されている。この図に示される如く、レーザ点火装置10は、エンジン12の燃焼室14内に噴射された燃料混合気Mに向けてレーザ光を出射させ、このレーザ光により燃料に着火させるための点火装置とされている。
FIG. 1 schematically shows a
具体的には、エンジン12は、シリンダ16と、該シリンダ16の内面に沿ってスライド可能に設けられたピストン18と、シリンダ16の開口端を封止するシリンダヘッド20とを有する。燃焼室14は、シリンダ16内におけるピストン18とシリンダヘッド20との間の空間とされている。また、エンジン12は、シリンダヘッド20に設けられた燃料噴射弁22を有する。
Specifically, the
燃料噴射弁22は、エンジンコントローラ24に制御されて圧縮行程の終期に燃焼室14に燃料を噴霧(噴射)する構成とされている。これにより、燃焼室14では、圧縮行程の終期に燃料と空気との混合気Mが生成されるようになっている。そして、レーザ点火装置10は、この混合気Mをレーザ光により着火させる構成とされている。なお、エンジン12は、燃料直接噴射式のものに代えて、空気と予混合された混合気Mが吸入行程でエンジン12の燃焼室14に供給される予混合式のものであっても良い。
The
レーザ点火装置10は、レーザ光を出力するレーザ装置26と、レーザ装置26のレーザ光をエンジン12の燃焼室14に出射させるレーザ出射部28と、レーザ装置26を制御する制御装置(制御手段)としてのレーザ制御回路30とを主要構成要素として構成されている。レーザ装置26としては、例えばYAGレーザ等の固体レーザ装置が用いられる。
The
レーザ装置26とレーザ出射部28とは、光伝送手段としての光ファイバ32に接続されており、レーザ出射部28が出力したレーザ光が光ファイバ32を介してレーザ制御回路30に導かれるようになっている。この実施形態では、レーザ制御回路30は、シリンダヘッド20に固定された略筒状のハウジング34と、レーザ制御回路30の両端をレーザ光の透過可能に閉止する窓ガラス35、36と、ハウジング34内に設けられた凹レンズ38及び一対の凸レンズ40、42とを含んで構成されている。
The laser device 26 and the
このレーザ出射部28は、光ファイバ32によって導かれたレーザ光を、エンジン12の燃焼室14内における所定位置である点火位置IPにレーザ光を照射させる構成とされている。この点火位置IPは、燃料噴射弁22によって燃料が噴霧される領域の一点とされている。すなわち、レーザ出射部28は、レンズ42によってレーザ光を点火位置IPに向け絞り込んで照射する構成とされている。
The
レーザ制御回路30は、レーザ装置26にパルス状のレーザ光(以下、レーザパルスという)を出力させるように、該レーザ装置26を制御するようになっている。この実施形態においては、レーザ制御回路30は、エンジンコントローラ24からの制御信号に基づいて、エンジン12の1点火行程(燃料噴霧)当たりに、複数のレーザパルスをレーザ装置26に出力させるように、該レーザ装置26を制御する構成とされている。
The
具体的には、レーザ制御回路30は、図2に示される如き2つのレーザパルスLP1、LP2をレーザ装置26から出力させる構成とされている。レーザ制御回路30は、時間的に先に出力される第1レーザパルスとしてのレーザパルスLP1のレーザパワーのピーク(以下、ピークパワーという)P1が、燃焼室14内でブレークダウンを生じるのに足る大きさとなるように、レーザ装置26を制御するようになっている。また、レーザ制御回路30は、レーザパルスLP1のエネルギ(レーザパワーの時間積分)が、単独のレーザパルスで混合気Mに点火するのに要するエネルギと比較して十分に小さくなるように、レーザ装置26を制御するようになっている。
Specifically, the
具体的には、レーザ制御回路30は、レーザパルスLP1のパルス幅Wp1が半値幅(ピークP1の半分のレーザパワーでのパルス幅)で50ns以下になるようにレーザ装置26を制御する構成とされている。この実施形態では、レーザパルスLP1のパルス幅は、半値幅で略5ns以下に設定されるようになっている。
Specifically, the
また、レーザ制御回路30は、時間的にレーザパルスLP1の後に出力される第2レーザパルスとしてのレーザパルスLP2のピークパワーP2が、燃焼室14内でブレークダウンを生じるのに足る大きさよりも小さくなるように、レーザ装置26を制御するようになっている。すなわち、レーザパルスLP2のピークパワーP2は、レーザパルスLP1のピークパワーP1と比較して小さく設定されるようになっている。
Further, the
一方、レーザ制御回路30は、レーザパルスLP2のWp2がレーザパルスLP1のパルス幅Wp1よりも大でかつ半値幅で略200ns以下になるように、レーザ装置26を制御する構成とされている。この実施形態では、レーザ制御回路30は、レーザパルスLP2のエネルギがレーザパルスLP1のエネルギよりも大となるように、レーザ装置26を制御する構成とされている。
On the other hand, the
さらに、レーザ制御回路30は、レーザパルスLP1とレーザパルスLP2とのパルス間隔τが所定間隔以下になるように、レーザ装置26を制御する構成とされている。具体的には、レーザ制御回路30は、パルス間隔τが200ns以下になるように、レーザ装置26を制御する構成とされている。この実施形態では、パルス間隔τは、20ns以下として設定されるようになっている。なお、この実施形態では、パルス間隔τは、レーザ制御回路30からレーザ装置26へのレーザパルスLP1の出力指令の出力から、該レーザ制御回路30からレーザ装置26へのレーザパルスLP2の出力指令の出力までの間隔として定義される。
Further, the
レーザ点火装置10では、以上説明したレーザパルスLP1、レーザパルスLP2を点火位置IPに照射させることで、燃焼室14内の混合気Mに点火する(着火させる)ようになっている。
In the
次に、第1の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
上記構成のレーザ点火装置10が適用されたエンジン12では、シリンダ16内で吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がこの順で繰り返されることで、ピストン18の往復直線運動が図示しないクランクシャフトの回転運動に変換され、動力が発生する。補足すると、圧縮行程の終期には、燃料噴射弁22によって燃焼室14内に燃料が噴霧されて混合気Mが生成され、この混合気Mに向けてレーザ点火装置10がレーザパルスLP1、LP2を続けて照射することで、該混合気Mが着火される。この混合気M中の燃料の燃焼によって、膨張行程が行われる。
In the
レーザ点火装置10による点火について詳細に説明する。レーザ制御回路30がエンジンコントローラ24からの信号に基づいて点火タイミングであると判断した場合に、該該レーザ制御回路30によって制御されたレーザ装置26からレーザパルスLP1が出力されると、このレーザパルスLP1は、光ファイバ32を経由してレーザ出射部28に導かれ、窓ガラス35、凹レンズ38、一対の凸レンズ40、42、窓ガラス36を通じて燃焼室14内の点火位置IPに照射される(第1パルス照射ステップ)。
Ignition by the
このようにレーザパルスLP1が混合気Mに向けて照射されると、レーザパルスLP1のピークパワーP1がブレークダウンを生じるのに足るパワーを上回るため、点火位置IPでブレークダウンが発生する。このため、燃焼室14内の点火位置IPにはプラズマが生成される。
When the laser pulse LP1 is irradiated toward the air-fuel mixture M in this way, the peak power P1 of the laser pulse LP1 exceeds the power sufficient to cause breakdown, and therefore breakdown occurs at the ignition position IP. For this reason, plasma is generated at the ignition position IP in the
また、該レーザ制御回路30によって制御されたレーザ装置26からレーザパルスLP2が出力されると、このレーザパルスLP2は、光ファイバ32を経由してレーザ出射部28に導かれ、窓ガラス35、凹レンズ38、一対の凸レンズ40、42、窓ガラス36を通じて燃焼室14内の点火位置IPに照射される(第2パルス照射ステップ)。すなわち、レーザパルスLP2は、レーザパルスLP1の照射によって生成されたプラズマに照射される。
Further, when the laser pulse LP2 is output from the laser device 26 controlled by the
これにより、レーザ点火装置10では、レーザパルスLP2のエネルギの一部がプラズマに吸収されて該プラズマをさらに発達させる。そして、このプラズマのエネルギが燃料の最小点火エネルギに至ると、燃料の着火(点火)が成される。
Thereby, in the
以上説明したように、レーザ点火装置10では、ピークパワーP1が大きいレーザパルスLP1の照射によって生成させたプラズマにレーザパルスLP2を照射させるため、レーザパルスLP2のエネルギが効率的にプラズマに吸収される。このため、レーザパルスLP1、レーザパルスLP2を合わせて小さいエネルギで燃料に点火することができる。
As described above, in the
また、レーザ点火装置10では、レーザパルスLP1のパルス幅Wp1が小さいので、換言すれば、レーザパルスLP1のエネルギが小さいため、ピークパワーP1を大きくしてもレーザ出射部28の光学部品に損傷を生じることが防止される。一方、レーザ点火装置10では、レーザパルスLP2のパルス幅Wp2が大きいため、すなわちピークパワーP2を低く抑えつつエネルギが大きくされたレーザパルスLP2を照射するため、レーザパルスLP1の照射によって生成されたプラズマに大きなエネルギを吸収させることができる。
Further, in the
そして、レーザ点火装置10では、レーザパルスLP1よりもレーザパルスLP2のエネルギが大きいため、換言すれば、エネルギの小さいレーザパルスLP1で先ずプラズマを生成させ、このプラズマにレーザパルスLP2の大きなエネルギを吸収させるため、1つのレーザパルスで点火する構成と比較して、小さいエネルギで燃料への点火を行うことができる。
In the
以上のレーザパルスLP1、LP2の照射による点火エネルギの低下効果について、図3、4、7に示す実験結果を参照しつつ補足する。先ず、図5に示す実験装置を説明する。実験装置100は、レーザ装置101から出射されたレーザ光を分割するハーフミラー102、ハーフミラー102で分割されたレーザ光のエネルギ検出するためのレーザエネルギメータ104、ハーフミラー102で分割された残余のレーザ光の一部を反射する石英板106、石英板106を透過したレーザ光を集光部Cに集光させるレンズ108、集光部Cを透過したレーザ光を平行光に戻すレンズ110、レンズ110で平行光に戻されたレーザ光の一部を反射する石英板112、石英板106で反射されたレーザ光を減光させる減光フィルタ114、減光フィルタ114で減光されたレーザ光を受光する受光素子(Pinフォトダイオード)116、石英板112で反射されたレーザ光を減光させる減光フィルタ118、減光フィルタ118で減光されたレーザ光を受光する受光素子(Pinフォトダイオード)120、集光部Cの光を集光するレンズ122、レンズ122で集光された光のうちレーザ光の波長をカットするフィルタ124、フィルタ124を通過した光を受光する受光素子(Pinフォトダイオード)126、受光素子116、120、126の出力信号の時間変化を記録する図示しないギガオシロスコープ(サンプリング周波数20GHz)を含んで構成されている。各受光素子116、120、126の立ち上がり時間(ステップ応答)は、175psとされている。
The effect of reducing the ignition energy by the irradiation of the laser pulses LP1 and LP2 will be supplemented with reference to the experimental results shown in FIGS. First, the experimental apparatus shown in FIG. 5 will be described. The
この実験装置100による実験は、レーザ装置101からレーザパルスを出力させ、石英板106で集光部Cに至る前のレーザパルスが反射されて受光素子116で入射光を検出される。また、集光部Cを透過したレーザパルスが石英板112で反射されて受光素子120で検出される。さらに、集光部Cでプラズマの生成に伴うプラズマ発光(自発光)が生じた場合には、その光が受光素子126にて検出される。
In the experiment by the
図7(B)は、ピークパワーがブレークダウンを生じるのに足るパワーを下回る単一のレーザパルスがレーザ装置101から発生された場合の実験結果を示している。この図から、受光素子116で検出される入射光と、受光素子120で検出される透過光とがほぼ一致していることが解る。すなわち、この場合、レーザエネルギは、集光部Cで吸収されることなく、ほぼ全て透過してしまっている。図7(A)は、ピークパワーがブレークダウンを生じるのに足るパワー以上である単一のレーザパルスがレーザ装置101から発生された場合の実験結果を示している。ブレークダウンの発生前においては、図7(B)の場合と同様に入射光と透過光とがほぼ一致することが解る。一方、ブレークダウンの発生後は、入射光に対し透過光が減少していることが解る。すなわち、ブレークダウンの発生によるプラズマの生成後は、集光部Cでレーザパルスのエネルギ(ハッチングを施した部分の面積の相当するエネルギ)がプラズマに吸収されることが解る。
FIG. 7B shows an experimental result when the
また、図3には、レーザ装置101が2つのレーザパルスを出力する場合の実験結果が示されている。図3(B)は、各レーザパルスのピークパワーがブレークダウンを生じるのに足るパワーを下回る場合の実験結果を示している。この図から、受光素子116で検出される入射光と、受光素子120で検出される透過光とがほぼ一致していることが解る。すなわち、この場合、レーザエネルギは、集光部Cで吸収されることなく、ほぼ全て透過してしまっている。
FIG. 3 shows the experimental results when the
一方、図3(A)は、先に照射されるレーザパルスLP1のピークパワーP1がブレークダウンを生じるのに足るパワー以上であり、かつレーザパルスLP2のピークパワーP2は図3(B)と同等のブレークダウンを生じるのに足るパワーを下回る場合の実験結果を示している。この図から、ブレークダウンの発生直後からレーザパルスLP2が照射されている期間にかけて、入射光に対し透過光が減じられていることが解る。すなわち、レーザパルスLP1によりブレークダウンが生じると、それ自体ではブレークダウンを生じることができない弱いエネルギ(パワー)のレーザパルスLP2でもレーザ照射直後よりレーザパルスLP1で生じたプラズマに効率的に吸収されていることが解る。また、この実験では、図3(B)の実験で観察されなかったプラズマ発光が観察された。プラズマ発光は、ブレークダウンの発生直後から生じていることが解る。また、レーザパルスLP2の入射のタイミングと同期してプラズマ発光が強化されていることが解る。すなわち、レーザパルスLP1の照射によるブレークダウンの発生後において、該レーザパルスLP1のエネルギ及びレーザパルスLP2のエネルギ(ハッチングを施した部分の面積の相当するエネルギ)が、上記ブレークダウンの発生より生じたプラズマに吸収されプラズマ発光が強化されていることが解る。なお、図3(B)は、パルス間隔τが略8.7nsである場合の結果を示している。また、図3(B)は、レーザパルスLP2のエネルギがレーザパルスLP1のエネルギと同等以下である場合の実験結果を示している。 On the other hand, FIG. 3A shows that the peak power P1 of the laser pulse LP1 irradiated earlier is higher than the power sufficient to cause breakdown, and the peak power P2 of the laser pulse LP2 is equivalent to FIG. 3B. The experimental results are shown when the power is less than sufficient to cause the breakdown. From this figure, it can be seen that the transmitted light is reduced with respect to the incident light from immediately after the occurrence of breakdown to the period in which the laser pulse LP2 is irradiated. That is, when breakdown occurs due to the laser pulse LP1, even a weak energy (power) laser pulse LP2 that cannot generate breakdown by itself is efficiently absorbed by the plasma generated by the laser pulse LP1 immediately after laser irradiation. I understand that In this experiment, plasma emission that was not observed in the experiment of FIG. 3B was observed. It can be seen that plasma light emission occurs immediately after breakdown occurs. It can also be seen that the plasma emission is enhanced in synchronism with the timing of incidence of the laser pulse LP2. That is, after the breakdown caused by the irradiation of the laser pulse LP1, the energy of the laser pulse LP1 and the energy of the laser pulse LP2 (the energy corresponding to the area of the hatched portion) are generated from the occurrence of the breakdown. It can be seen that plasma emission is enhanced by absorption by plasma. FIG. 3B shows the result when the pulse interval τ is approximately 8.7 ns. FIG. 3B shows an experimental result when the energy of the laser pulse LP2 is equal to or less than the energy of the laser pulse LP1.
また、図4は、レーザパルスLP1とレーザパルスLP2とのパルス間隔τを変化させた場合のプラズマ発光を示している。パルス間隔τが小さいほど、レーザパルスLP2の照射によるプラズマ発光の強化の程度が大きいことが解る。なお、パルス間隔τが大きいほど、レーザパルスLP2の照射によるプラズマ発光の強化の程度が小さくなるのは、レーザパルスLP1の照射により生成されたプラズマが時間と共に膨張し、プラズマ密度が低下するためであると考えられる。図示は省略するが、パルス間隔τを200ns以上にすると、レーザパルスLP2の照射によるプラズマ発光が観察されなくなることが確かめられている。より高エネルギのレーザパルスLP2を照射した場合も同様であった。そして、第1の実施形態に係るレーザ点火装置10では、パルス間隔τを20ns以下としているので、レーザパルスLP2の照射によるプラズマ発光の強化の程度が大きい。
FIG. 4 shows plasma emission when the pulse interval τ between the laser pulse LP1 and the laser pulse LP2 is changed. It can be seen that the smaller the pulse interval τ, the greater the degree of enhancement of plasma emission by irradiation with the laser pulse LP2. Note that the greater the pulse interval τ, the smaller the degree of enhancement of plasma emission by irradiation with the laser pulse LP2, because the plasma generated by irradiation with the laser pulse LP1 expands with time and the plasma density decreases. It is believed that there is. Although illustration is omitted, it has been confirmed that when the pulse interval τ is 200 ns or more, plasma emission due to irradiation with the laser pulse LP2 is not observed. The same was true when a higher energy laser pulse LP2 was irradiated. In the
以上により、ブレークダウンの発生前に照射されたエネルギはほぼ全て透過されて点火エネルギとして利用されることがない。そして、1つのレーザパルスで点火を行う構成では、該レーザパルスのエネルギが大きいので、ブレークダウンの発生前に透過されてしまうエネルギが大きくなってしまう。これに対してレーザ点火装置10では、レーザパルスLP1はブレークダウンを発生させるピークパワーを有すれば足りるので、エネルギを小さくしてブレークダウンの発生前に透過されるエネルギを小さく抑えることができる。そして、レーザパルスLP1の照射によって発生したブレークダウンに伴って生じたプラズマにレーザパルスLP2を照射することで、該プラズマに点火に要するエネルギを吸収させることができる。すなわち、点火位置IPに点火に要するエネルギを蓄えることができる。
As described above, almost all of the energy irradiated before the breakdown is transmitted is not used as ignition energy. In the configuration in which ignition is performed with one laser pulse, the energy of the laser pulse is large, so that the energy that is transmitted before the breakdown occurs is large. On the other hand, in the
したがって、レーザ点火装置10では、1つのレーザパルスで点火させる構成と比較して、レーザパルスLP1、レーザパルスLP2のトータルのエネルギを小さく抑えながら、点火を果たすことができる。また、レーザ装置26が発生するエネルギの絶対値が小さくなるので、レーザ点火装置10の消費電力を少なくすることができる。さらに、レーザ装置26を構成するレーザ励起用の光源(例えばフラッシュランプ、半導体レーザ等)を小さくすることができる。しかも、冷却系を簡素に構成することが可能になり、レーザ点火装置10を全体として小型化することができる。
Therefore, the
また、上記の通りレーザパルスLP2のパルス幅Wp2が大きいので、該レーザパルスLP2のエネルギを大きくしつつピークパワーP2を抑えることができ、レーザ出射部28を構成する光学部品を保護することができる。
In addition, since the pulse width Wp2 of the laser pulse LP2 is large as described above, the peak power P2 can be suppressed while increasing the energy of the laser pulse LP2, and the optical components constituting the
さらに、エンジン12は、上記構成のレーザ点火装置10を備えるので、小さなエネルギで安定的に燃焼室14内の混合気Mへの点火が果たされる。
Furthermore, since the
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態と基本的に同一の部品・部分には、上記第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. Note that components / portions that are basically the same as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof may be omitted, and illustration may be omitted.
図6には、本発明の第2の実施形態に係るレーザ点火装置50、及び該レーザ点火装置50が適用されたエンジン52が模式図にて示されている。この図に示される如く、レーザ点火装置50は、ハウジング34内にレーザ装置としてのQスイッチ式固体レーザ54が配置されている点で、レーザ装置26がエンジン12の外部に設けられているレーザ点火装置10とは異なる。
FIG. 6 schematically shows a
このレーザ点火装置50では、光源としてのLD(レーザダイオード)レーザ56がエンジン52の外部に設けられており、LDレーザ56からのレーザ光が光ファイバ32、レンズ58を介してQスイッチ式固体レーザ54に導かれるようになっている。レンズ58は、光ファイバ32内に配置されている。
In this
また、レーザ点火装置50は、LDレーザ制御回路60を備えている。LDレーザ制御回路60は、エンジンコントローラ24からの制御信号に基づいて、エンジン52の圧縮行程で燃料噴射弁22から燃料が噴射された後、Qスイッチ式固体レーザ54から点火位置IPに向けてレーザパルスLP1、レーザパルスLP2が出射されるように、LDレーザ56を制御する構成とされている。
Further, the
この実施形態では、Qスイッチ式固体レーザ54及びLDレーザ56が本発明におけるレーザ装置に相当し、LDレーザ制御回路60が本発明における制御装置に相当する。レーザ点火装置50の他の構成は、レーザ点火装置10の対応する構成と同じである。
In this embodiment, the Q-switched solid-
したがって、第2の実施形態に係るレーザ点火装置50によっても、レーザ点火装置10の同様の作用によって同様の効果を得ることができる。すなわち、ピークパワーの大きいレーザパルスLP1の照射によってブレークダウンを発生させてプラズマを生成させ、このプラズマにレーザパルスLP2を照射することで、小さいトータルエネルギで燃焼室14内の混合気Mに点火することができる。
Therefore, also with the
なお、上記した各実施形態では、2つのレーザパルスLP1、LP2を照射する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、エンジン12の1点火行程(燃料噴霧)当たりに3つ以上のレーザパルスを点火位置IPに向けて照射するようにしても良い。
In each of the above-described embodiments, the example in which the two laser pulses LP1 and LP2 are irradiated is shown. However, the present invention is not limited to this, and for example, three laser pulses per one ignition stroke (fuel spray) of the
また、上記した実施形態では、燃焼室14内に点火位置IPが1つである例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、複数の点火位置IPにそれぞれ複数のレーザパルス(レーザパルスLP1、LP2等)を照射するようにしても良い。
In the above-described embodiment, an example in which the number of ignition positions IP is one in the
さらに、上記した実施形態では、光ファイバ32を用いて、レーザ装置26からレーザ出射部28にレーザパルスを導き又はLDレーザ56からQスイッチ式固体レーザ54にレーザ光を導く例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ミラー等を用いて、レーザ装置26からレーザ出射部28にレーザパルスを導いたり、又はLDレーザ56からQスイッチ式固体レーザ54にレーザ光を導くようにしても良い。
Furthermore, in the above-described embodiment, an example is shown in which the
またさらに、本発明は、上記した各実施形態の構成、方法に限定されることはなく、レーザパルスLP1、LP2をこの順に所定の点火位置IPに照射することが可能である構成であれば足り、各種変形した構成を取り得ることはいうまでもない。 Furthermore, the present invention is not limited to the configuration and method of each embodiment described above, and any configuration that can irradiate the predetermined ignition position IP with the laser pulses LP1 and LP2 in this order is sufficient. Needless to say, various modified configurations are possible.
さらに、上記した実施形態では、レーザパルスLP2がレーザパルスLP1に対しパルス幅及びエネルギ共に大である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、レーザパルスLP2のエネルギがレーザパルスLP1のエネルギと同等である構成としても良い。また例えば、レーザパルスLP2のピークパワーP2は、単独でブレークダウンを発生させ得る大きさであっても良い。 Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which the laser pulse LP2 has a larger pulse width and energy than the laser pulse LP1 has been shown. However, the present invention is not limited to this. For example, the energy of the laser pulse LP2 is the laser pulse. It is good also as a structure equivalent to the energy of LP1. Further, for example, the peak power P2 of the laser pulse LP2 may be large enough to cause breakdown alone.
10 レーザ点火装置
12 エンジン(内燃機関)
14 燃焼室
26 レーザ装置
30 レーザ制御回路(制御装置)
50 レーザ点火装置
52 エンジン(内燃機関)
54 Qスイッチ式固体レーザ(レーザ装置)
56 LDレーザ(レーザ装置)
60 LDレーザ制御回路(制御装置)
LP1 レーザパルス(第1レーザパルス)
LP2 レーザパルス(第2レーザパルス)
10
14 Combustion chamber 26
50
54 Q-switched solid-state laser (laser device)
56 LD laser (laser device)
60 LD laser control circuit (control device)
LP1 laser pulse (first laser pulse)
LP2 laser pulse (second laser pulse)
Claims (11)
点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第1レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第1のレーザパルスよりもピークパワーの低い第2レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、
を備えたレーザ点火装置。 A laser device capable of adjusting power and pulse width of a laser pulse to be output, and outputting a laser pulse toward fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine;
After a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma in the combustion chamber is output from the laser device at the ignition timing, a second laser pulse having a peak power lower than the first laser pulse is output from the laser device. A control device for controlling the laser device so as to be output toward the plasma generated in the combustion chamber from
A laser ignition device comprising:
点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第1レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第1のレーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第2レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、
を備えたレーザ点火装置。 A laser device capable of adjusting power and pulse width of a laser pulse to be output, and outputting a laser pulse toward fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine;
After the first laser pulse having a peak power capable of generating plasma in the combustion chamber is output from the laser device at the ignition timing, the second laser pulse having energy and pulse width larger than those of the first laser pulse is A control device for controlling the laser device such that the laser device is output toward the plasma generated in the combustion chamber;
A laser ignition device comprising:
前記第1パルス照射ステップで前記第1レーザパルスが照射された位置に向けて、該第1レーザパルスよりもピークパワーが低い第2パルスを照射する第2パルス照射ステップと、
を含むレーザ点火方法。 A first pulse irradiation step of irradiating the fuel with a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma;
A second pulse irradiation step of irradiating a second pulse having a peak power lower than that of the first laser pulse toward the position irradiated with the first laser pulse in the first pulse irradiation step;
Including a laser ignition method.
前記第1パルス照射ステップで前記第1レーザパルスが照射された位置に向けて、該第1レーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第2パルスを照射する第2パルス照射ステップと、
を含むレーザ点火方法。 A first pulse irradiation step of irradiating the fuel with a first laser pulse having a peak power capable of generating plasma;
A second pulse irradiation step of irradiating a second pulse having energy and a pulse width larger than those of the first laser pulse toward the position irradiated with the first laser pulse in the first pulse irradiation step;
Including a laser ignition method.
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