JP2009127584A - レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関燃焼室内に複数回レーザ発振して点火を行うレーザ点火装置において、優れた着火性と高い信頼性とを有すると共に、電力消費が少なく、小型化が容易で、搭載性に優れたレーザ点火装置を提供することを目的とする。
【解決手段】機関燃焼室３４０内にレーザを発振するレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０の発振制御を行う発振制御装置ＰＣＵ２０とを具備し、機関燃焼室３４０内に複数回レーザ発振して点火を行うレーザ点火装置１において、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを１０μｓより長く３００μｓより短い範囲に設定する。本発明によれば、電流量の増加やレーザ発振器を増やすことなく、一つのレーザ発振器１０によって、必要な複数パルスの発振が可能となり、レーザ点火装置１の小型化が実現できる。加えて、火炎核の成長による燃焼の促進効果と火炎核の乱れによる消炎効果とがバランスし、早期に安定した燃焼を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置の着火性の向上と小型化とに関するものである。

近年、自動車等の内燃機関においては、燃焼排気中に含まれる、窒素酸化物、一酸化炭素等の環境荷物質の更なる低減を図るため、更なる燃費の向上、希薄化が望まれている。
機関の燃焼効率の向上と環境負荷の低減とを同時に実現可能な機関として、機関燃焼室内にレーザ光を照射して、従来の点火プラグでは火炎伝播できない希薄な混合気を効率的に燃焼させる方法が注目されている。

このような機関として、特許文献１には、圧縮工程終期にシリンダ内の高温予混合気中に紫外線を照射して期間内の予混合気中に直接ラジカルを発生させ、着火を誘起制御する予混合圧縮着火機関が開示されている。

又、特許文献２には、レーザ発信装置からのレーザ光をレーザ集光装置に伝送し燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記レーザ発信装置に、前記燃焼室内におけるレーザ正常着火を可能とするパルス時間間隔にて複数パルスのレーザ光を発信せしめるレーザ光発信制御手段を備えたことを特徴とするレーザ着火式エンジン及びその運転方法に関する技術が開示されている。

特開２００２−２９５２５６号公報 特開２００５−４２５９１号公報

ところが、特許文献１の方法では、特許文献１の図２に示されるように、３５ｍＪの高いエネルギを必要としており、装置の大型化、高コスト化を招く虞がある。
又、特許文献２の方法では、レーザ光を複数パルスで分割して照射することにより１パルスあたりのエネルギを数ｍＪから１０数ｍＪに低減できるが、パルス間隔が１０μｓ又は８μｓ以下という極めて短い時間間隔でレーザ光を発振する必要がある。しかし、このような短い時間間隔でレーザ発信源にエネルギを蓄積し、レーザ光を発振可能にするためには、１つのレーザ発信源に極めて大きな電流を供給するか、複数のレーザ発信源を設けるかが必要となり、レーザ点火装置の大電流化、大型化を招く虞がある。
従って、従来のレーザ点火装置では、近年の極めて高度に集約された自動車等のエンジンルームへの搭載が困難となる虞がある。

そこで、本願発明はかかる実情に鑑み、機関の燃焼室内に複数回レーザ発振して点火を行うレーザ点火装置において、優れた着火性と高い信頼性とを有すると共に、電力消費が少なく、小型化が容易で、搭載性に優れたレーザ点火装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、少なくとも、機関の燃焼室内にレーザを発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器の発振制御を行う発振制御装置とを具備し、上記燃焼室内に複数回のレーザ発振を行って機関の点火を行うレーザ点火装置において、該レーザ発振のレーザ発振間隔を１０μｓより長く３００μｓより短い範囲に設定する。

請求項１の発明によれば、レーザ発振に必要なエネルギの蓄積時間よりも充分長いレーザ発振間隔であるので、電流量の増加やレーザ発振器を増やすことなく、一つのレーザ発振器によって、必要な複数パルスの発振が可能となり、レーザ点火装置の小型化が実現できる。
又、レーザ発振によって混合気中に火炎核が発生し、該火炎核の成長により機関の燃焼が誘発されるが、複数パルスにより火炎核の成長途中に更にレーザ発振を加えると、火炎核の成長だけでなく火炎核に乱れが発生する。
この火炎核の乱れは、レーザ発振間隔を長くするほど大きくなる。火炎核の乱れは、火炎核の成長を促進させる反面、火炎核の表面積を拡大させ、該表面積の拡大に伴い、火炎核は混合気により冷却され易くなる。従って火炎核の乱れの増加は、燃焼の促進と消炎との二律背反する効果がある。
本発明のレーザ発振間隔によれば、燃焼の促進と消炎とがバランスし、早期に安定した燃焼を実現できる。従って、極めて着火性に優れ、信頼性の高いレーザ点火装置が実現できる。

請求項２の発明では、上記レーザ発振間隔を２０μｓ以上１００μｓ以下の範囲に設定する。

請求項２の発明によれば、更に初期燃焼時間が短縮され、機関の応答性が向上するので、レーザ点火装置の点火装置としての信頼性が更に向上する。

具体的には、請求項３の発明のように、上記レーザ発振器は、レーザ発振部と該レーザ発振部から発振されたレーザ光を上記機関の燃焼室内に集光する集光部とを具備し、少なくとも上記集光部を上記機関に載置する。

請求項３の発明のように、少なくとも上記集光部が上記機関に載置されていれば、発振されるレーザ光のエネルギ損失を少なくし、請求項１又は２の発明に記載された特定のレーザ発振間隔でレーザ発振することにより早期に機関の点火を行う本発明の効果を有するレーザ点火装置が容易に実現できる。尚、本発明において、上記レーザ発振部と上記集光部とを一体に設けて、上記レーザ発振器全体を機関に載置しても良いし、上記レーザ発振部と上記集光部とを別体に設けて、上記レーザ発振部と上記集光部との間にレーザ光を伝送する伝送線を介装して上記集光部のみを機関に載置しても良い。

より具体的には、請求項４の発明のように、上記発振部は、半導体レーザを具備し、該半導体レーザから直接レーザ光を発振する構成としても良い。

更に、請求項５の発明のように、上記発振部は、半導体レーザによって励起される固体レーザを具備し、該固体レーザからレーザ光を発振する構成としても良い。

請求項６の発明では、上記発振制御装置は、機関の運転状況を検知する運転状況検知手段と、該検知手段によって検知された運転状況に応じて、レーザ発振間隔を変更するレーザ発振間隔変更手段を具備する。

請求項６の発明によれば、実際の機関の運転状況に応じて、レーザ発振間隔を最も着火性を良好とするレーザ発振間隔に制御できる。従って、レーザ点火装置の信頼性が更に向上する。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１について、図１を参照して説明する。
レーザ点火装置１は、内燃機関３０と、レーザ発振器１０と、レーザ発振器１０の発振制御を行う発振制御装置ＰＣＵ２０と、ＰＣＵ２０の制御及び機関の燃焼制御を行う電子制御装置ＥＣＵ２１とによって構成されている。

内燃機関３０は、シリンダヘッド３１０とシリンダ３２０とピストン３３０とによって構成され、シリンダヘッド３１０の内壁とシリンダ３２０の内周壁とピストン３３０の上面とによって区画される燃焼室３４０が形成されている。
シリンダヘッド３１０には、吸気筒３１１と排気筒３１３とが形成され、それぞれの気筒３１１、３１３と燃焼室３４０とは、吸気バルブ３１２、排気バルブ３１４によって開閉されている。

レーザ発振器１０は、レーザ発振部１００と集光部１１０とによって構成されている。
集光部１１０は、レーザ発振部１００から発振されたレーザ光を燃焼室３４０の集光点ＦＰに集光している。
本発明の要部であるレーザ発振器１０のレーザ発振間隔Ｔ_ＬＰは、機関３０の運転状況に応じて、ＰＣＵ２０によって１０μｓより長く３００μｓより短い範囲に設定されている。

図２に、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１に適用できるレーザ発振器１０の具体例を示す。本実施形態においては、レーザ発振部１００には、例えば、カンタイプの半導体レーザ１０１が設けられ、集光部１１０は、コリメートレンズ（群レンズ）１１１と集光レンズ１１２とによって構成され、半導体レーザ１０１から発振されたレーザ光を直接燃焼室３４０内の集光点ＦＰに集光する。
本実施形態において、半導体レーザ１０１から発振されるレーザ光のレーザ発振間隔Ｔ_ＬＰ及び発振エネルギは、半導体レーザ１０１に供給される電流によって制御することができる。
尚、本実施形態において、半導体レーザ１０１とコリメートレンズ１１１との間に光ファイバー等のレーザ光を伝送する伝送線を介装して、発振部１００と集光部１１０とを別体に設けた構成としても良い。

図３に、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１に適用できるレーザ発振器の別の具体例としてレーザ発振器１０ｂを示す。本実施形態においては、レーザ発振部１００ｂは、例えば、バータイプの励起用半導体レーザ１０１ｂと、励起用半導体レーザ１０１ｂから発振されるレーザ光によって励起される固体レーザ１０２ｂと、シャッタ素子１０３ｂ（Ｑスイッチ）と、反射鏡１０４ｂと、出力鏡１０６ｂとを具備する。
励起用半導体レーザ１０１ｂから発振されたレーザ光により、固体レーザ１０２ｂとシャッタ素子１０３ｂがともに励起され、シャッタ素子１０３ｂ内のエネルギが、そのシャッタ素子１０３ｂ自身の物性によって決定されるある閾値を超えた瞬間にシャッタが開き、すなわちシャッタ素子１０３ｂが固体レーザ１０２ｂから発振されるレーザ光に対して透明になり、レーザ光が反射鏡１０４ｂと出力鏡１０６ｂの間を往復する毎に共振し、増幅され瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光を取り出すことができる。
集光部１１０ｂは、集光レンズ１１２ｂを具備し、出力鏡１０６ｂから発振されたレーザ光を燃焼室３４０内の集光点ＦＰに集光する。
本実施形態において、固体レーザ１０２ｂから発振されるレーザ光のレーザ発振間隔及び発振エネルギは、励起用半導体レーザ１０１ｂに供給される電流又は、固体レーザ１０２ｂを構成する発光素子の特性、若しくは、シャッタ素子１０３ｂの特性によって制御することができる。
尚、本実施形態においては、固体レーザ１０２ｂの側面から励起用レーザ光を照射する構造のレーザ発振器１００ｂを示したが、固体レーザの端面に励起用レーザ光を照射する構造のレーザ発振器でも良い。

図４を参照して、本発明の効果について説明する。
本発明者等の鋭意試験調査により、レーザ光のレーザ発振間隔と火炎核の断面積及び火炎核の乱れとの間には、本図（ａ）に示す関係があることを見出した。
本試験は、ガソリンエンジンを模したプロパンと空気とを所定の割合（等量比０．９）で封入した所定容量を持つ容器内の所定位置の集光点に、レーザ光を集光させることによって点火を行った。本試験は、１発振当たり７ｍＪのエネルギを持つレーザ光を４パルスずつ発振する場合について、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを変化させ、火炎核の変化を調査した。
レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを１０μｓから３００μｓまで変化させたところ、火炎核の断面積は、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰが長くなるにつれて徐々に増加し、数１０μｓでピークを迎え、更にレーザ発振間隔Ｔ_ＬＰが長くなると徐々に減少することが判明した。
一方、火炎核の乱れ、即ち、火炎核の表面積は、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰが長くなるにつれて増加することが判明した。

又、本図（ｂ）には、本試験において、レーザ点火から燃焼割合１０％に達する間での時間（初期燃焼）を示す。比較の為に同一空燃比で通常のスパークプラグによる点火を試みたところ、極めてリーンであるため燃焼に至らなかった。
本図（ｂ）に示すように、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰが１０μｓより長く３００μｓより短い範囲で、極めて希薄な燃焼機関の点火が可能であることが判明した。
１つのレーザ発振器のみでは、１０μｓ以下のレーザ発振間隔Ｔ_ＬＰとすることは困難であるだけでなく、初期燃焼時間もかえって長くなることが判明した。又、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを３００μｓ以上にすると、火炎核の乱れによる消炎効果が、火炎核の成長による燃焼促進効果を上まわり、点火に至らないことが判明した。
レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを２０μｓから１００μｓの間に設定することにより、初期燃焼が特に早くなり、火炎核断面積が最も大きくなるレーザ発振間隔Ｔ_ＬＰにおいて、初期燃焼が最も早くなることが判明した。

かかる試験結果から、本発明者等は、以下の知見を得た。
（１）レーザ発振によって混合気中に火炎核が発生し、該火炎核の成長により機関の燃焼が誘発されるが、複数パルスにより火炎核の成長途中に更にレーザ発振を加えると、火炎核の成長だけでなく火炎核に乱れが発生する。
（２）この火炎核の乱れは、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを長くするほど大きくなる。
（３）一方、火炎核の乱れは、火炎核の成長を促進させる反面、火炎核の表面積を拡大され、火炎核は、表面積の拡大に伴い、混合気により冷却され易くなる。
（４）即ち、火炎核の乱れの増加は、燃焼の促進と消炎との二律背反する効果がある。
（５）従って、特定のレーザ発振間隔Ｔ_ＬＰ（１０μｓより長く３００μｓより短い範囲）において、燃焼の促進と消炎とがバランスし、早期に安定した燃焼に達するレーザ点火装置を実現できる。

図５に本発明を実際のガソリンエンジンに適用した結果を示す。
本試験において、実施例として本発明のレーザ点火装置を用いた点火は、レーザ発振間隔を５０μｓに固定して、複数回発振を行った。比較例として、通常のスパークプラグによる点火を行った。
本図（ａ）に示すように、実施例は比較例よりも筒内圧力Ｐ_ＣＹＬの立ち上がりが早く、燃焼割合の変化速度も速い、
又、本図（ｂ）に示すように、点火から燃焼割合１０％に到達するまでのクランク角で定義される初期燃焼および燃焼割合１０％から９０％までのクランク角で定義される主燃焼のいずれも、本発明の実施例が比較例よりも短くなり、早期に安定することが確認できた。

更に、図６に、図示平均有効圧（ｋＰａ）と、（図示平均有効圧の標準偏差）／（図示平均有効圧の平均値）で定義される燃焼変動（％）とを示す。
本図（ａ）は、比較例における連続５００サイクルでの図示平均有効圧を示し、本図（ｂ）は、実施例における連続５００サイクルでの図示平均有効圧を示し、本図（ｃ）は、燃焼変動に対する本発明の効果を実施例と比較例と共に示す。
本発明によれば、図示平均有効圧のバラツキが小さくなり、燃焼変動も従来に比べ大幅に低減され、安定した点火が実現できることが確認された。

図７に、本発明の第１の実施形態に適用し得る発振制御装置ＰＣＵ２０における制御フローの一例を示す。
例えば、発振制御装置ＰＣＵ２０は、機関３０の運転状況を検知する運転状況検知手段として、例えば、筒内圧力Ｐ_ＣＹＬを検出する圧力センサ、排気温度Ｔ_ＥＸを検出する排気温度センサ、出力トルクＴ_ＲＱを検出するトルクセンサ等を設け、これらの検知手段によって検知された物理量（Ｐ_ＣＹＬ、Ｔ_ＥＸ、Ｔ_ＲＱ等）をモニタし、平均物理量を算出、標準偏差を平均値で除した値を変化量（ΔＰ_ＣＹＬ、ΔＴ_ＥＸ、ΔＴ_ＲＱ等）として算出する。
一方、機関制御用ＥＣＵ２１から、エンジン回転数Ｎ_Ｅ、空気量Ｑ_Ａ、燃料噴射量Ｑ_Ｆ等の情報から得られる制御変化量から推定される物理量の変化量（ΔＰ_Ｓ、ΔＴ_ＥＳ、ΔＴ_ＲＳ等）と上記変化量（ΔＰ_ＣＹＬ、ΔＴ_ＥＸ、ΔＴ_ＲＱ等）とを比較して、燃焼状態を把握し、運転状況に応じて、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを変更するレーザ発振間隔変更手段を具備する構成としても良い。この際、レーザ発振間隔ＴＬＰは、１０μｓより長く３００μｓよりも短い範囲で、機関の燃焼状態がより良好となるように決定される。
このような構成とすることにより、実際の機関の運転状況に応じて、レーザ発振間隔Ｔ_ＬＰを、最も着火性が良好となる間隔に制御できる。従って、レーザ点火装置１の信頼性が更に向上する。

尚、上記試験においては、１発振当たりのエネルギが７ｍＪのレーザ光を４パルス発振するレーザ点火装置を用いたが、本発明は、かかる発振エネルギ及び発振パルスに限定するものではなく、所定のレーザ発振間隔でレーザ発振をする本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適用する機関の大きさ、燃料の種類、機関の運転状況に応じて、適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の構成を示す全体図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置に適用可能なレーザ発振器の構成例を示す模式図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置に適用可能なレーザ発信機の構成例を示す模式図。 （ａ）は、レーザ発振間隔と火炎核断面積及び火炎核との関係を示す特性図、（ｂ）は、本発明の効果を示す特性図。 本発明の効果を比較例と共に示す特性図、（ａ）は、クランク角と筒内圧力、燃焼割合の関係を示す特性図、（ｂ）は、初期燃焼及び主燃焼に対する効果を示す特性図。 （ａ）は、比較例における図示平均有効圧を示す特性図、（ｂ）は、本発明の実施例における図示平均有効圧を示す特性図、（ｃ）は、燃焼変動に対する本発明の効果を比較例と共に示す特性図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置に適用できる発振制御装置の構成例を示すフローチャート。

符号の説明

１ レーザ点火装置
１０ レーザ発振器
１００ レーザ発振部
１１０ 集光部
２０ 発振制御装置（ＰＣＵ）
３４０ 機関燃焼室
３０ 機関
ＦＰ 集光点
Ｔ_ＬＰ レーザ発振間隔

Claims (6)

1. 少なくとも、機関の燃焼室内にレーザを発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器の発振制御を行う発振制御装置とを具備し、上記燃焼室内に複数回のレーザ発振を行って機関の点火を行うレーザ点火装置において、
   該レーザ発振の発振間隔を１０μｓより長く３００μｓより短い範囲に設定したことを特徴とするレーザ点火装置。
2. 上記レーザ発振間隔を２０μｓ以上１００μｓ以下の範囲に設定する請求項１に記載にレーザ点火装置。
3. 上記レーザ発振器は、レーザ発振部と該レーザ発振部から発振されたレーザ光を上記機関の燃焼室内に集光する集光部とを具備し、少なくとも上記集光部を上記機関に載置する請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
4. 上記発振部は、半導体レーザを具備し、該半導体レーザから直接レーザ光を発振する請求項２に記載のレーザ点火装置。
5. 上記発振部は、半導体レーザによって励起される固体レーザを具備し、該固体レーザからレーザ光を発振する請求項２に記載のレーザ点火装置。
6. 上記発振制御装置は、機関の運転状況を検知する運転状況検知手段と、該検知手段によって検知された運転状況に応じて、レーザ発振間隔を変更する発振間隔変更手段を具備する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。

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