JP2010121482A - Ignition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う点火装置に関する。 The present invention relates to an ignition device that is mounted on an internal combustion engine and ignites the internal combustion engine.
自動車エンジン等の内燃機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減やさらなる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給気化等が図られている。一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。 In an internal combustion engine such as an automobile engine, in order to reduce environmental load substances contained in combustion exhaust gas and further improve fuel efficiency, fuel dilution, high supercharging, and the like have been attempted. In general, a lean combustion engine and a high supercharged air-fuel mixture combustion engine are difficult to ignite, and therefore an ignition device with better ignitability is desired.
このような難着火性機関においても優れた着火性を発揮できる点火装置として、機関燃焼室内に高エネルギのレーザ光を燃焼室に面した集光レンズによって集光して火炎核を発生させ混合気の着火を行うレーザ点火装置について種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ところが、レーザ光を密度の低い混合気内の空間に集光させ、火炎核を発生させるレーザブレイクを引き起こすためには、例えば、数十mJというような高いエネルギを供給し、数〜数百GW/cm2程度の高いエネルギ密度に集光する必要があるとされている。このため、装置が大型化したり、レーザ光を集光する集光レンズを損傷したりする虞がある。
また、このようなレーザ光を内燃機関の点火に利用するためにはレーザ発振器に使用される集光レンズに対して高い精度、性能、耐久性が要求されている。さらに、レーザ発振器より出力されたレーザビームの集光性を示すM2値を代表とするレーザ品質への要求も高い。このような高品位のレーザ発振器を用いることにより点火装置の製造コストが増大する虞もある。
また、空間中にレーザ光を集光するため、希薄燃焼時のように集光点の周囲にエネルギを吸収する気体が少ない場合には、一旦集光したエネルギが気体に吸収されることなく集光点を通過し、機関燃焼室内で放散して、投入したエネルギが無駄となる虞もある。
However, in order to cause the laser break to focus the laser beam in the low-density air-fuel mixture and generate flame nuclei, for example, high energy such as several tens of mJ is supplied and several to several hundred GW It is said that the light needs to be condensed to a high energy density of about / cm 2 . For this reason, there exists a possibility that an apparatus may enlarge, or the condensing lens which condenses a laser beam may be damaged.
In order to use such laser light for ignition of an internal combustion engine, high accuracy, performance, and durability are required for a condenser lens used in a laser oscillator. Further, there is a high demand for laser quality represented by M 2 value indicating the condensing property of the laser beam output from the laser oscillator. Using such a high-quality laser oscillator may increase the manufacturing cost of the ignition device.
Also, since the laser beam is condensed in the space, if there is a small amount of gas that absorbs energy around the condensing point, such as during lean combustion, the collected energy is collected without being absorbed by the gas. There is also a possibility that the energy that has passed through the light spot is dissipated in the engine combustion chamber and the input energy is wasted.
そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、希薄燃焼機関や低負荷燃焼時などの難着火性機関においても優れた着火性を示し、小型化が容易で、かつ、優れた耐久性と製造容易性とを兼ね備えた点火装置の提供を目的とするものである。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention shows excellent ignitability even in a hardly ignitable engine such as a lean combustion engine or low load combustion, is easy to downsize, and has excellent durability and ease of manufacture. The purpose of the present invention is to provide an ignition device.
請求項1の発明では、内燃機関に装着され、該内燃機関の点火を行う点火装置であって、少なくとも、上記内燃機関の燃焼室内で放電を行う放電手段と、レーザ光を発振するレーザ発振手段とを具備し、上記レーザ発振手段は、レーザ光を上記放電手段の放電経路上に集光せしめる集光手段を具備する。 According to the first aspect of the present invention, there is provided an ignition device that is mounted on an internal combustion engine and ignites the internal combustion engine, and includes at least discharge means that discharges in the combustion chamber of the internal combustion engine, and laser oscillation means that oscillates laser light. The laser oscillating unit includes a condensing unit that condenses the laser beam on the discharge path of the discharging unit.
従来の内燃機関燃焼室の空間内にレーザ光を集光して行う点火を行った場合、集光点の存在する気体密度が低い場合、レーザ光のエネルギが吸収されず集光点を通過して上記燃焼室内に放散し、点火に至らない虞があるが、請求項1の発明によれば、通常の気体に比べ、レーザ光の吸収性の良いプラズマが存在することによって、上記レーザ発振手段から発振されたレーザ光のエネルギが集光点の周囲に存在するプラズマに吸収され、さらなるプラズマの発生を促し、速やかに火炎核の成長が進む。
したがって、従来より低いエネルギ密度であっても、燃焼室内に集光したレーザ光のエネルギが有効に火炎核の成長に利用され、確実に上記内燃機関の点火を行うことができる。また、点火に必要なエネルギが低くできるので、上記放電手段及び上記レーザ発振手段の体格を小さくできる。
さらに、発振されるレーザ光のエネルギが小さいので上記レーザ発振手段と上記集光手段とが発振されたレーザ光から受けるダメージも小さくなり、上記レーザ発振手段と上記集光手段の耐久性も向上する。また、従来より低いエネルギー密度で点火可能となるので、M2値等のレーザ品質に対する要求も下げることが可能となり。したがって、上記放電手段及び上記レーザ光発振手段の製造が容易となり、製造コストの削減も可能となる。
When ignition is performed by condensing laser light into the space of a conventional internal combustion engine combustion chamber, if the gas density where the condensing point exists is low, the energy of the laser light is not absorbed and passes through the condensing point. However, according to the invention of claim 1, the laser oscillation means is provided by the presence of plasma having better laser light absorption than ordinary gas. The energy of the laser beam oscillated from is absorbed by the plasma existing around the condensing point, prompting the generation of further plasma, and the growth of the flame kernel proceeds promptly.
Therefore, even if the energy density is lower than the conventional one, the energy of the laser beam condensed in the combustion chamber is effectively utilized for the growth of the flame kernel, and the internal combustion engine can be ignited with certainty. In addition, since the energy required for ignition can be reduced, the size of the discharge means and the laser oscillation means can be reduced.
Further, since the energy of the oscillated laser beam is small, the laser oscillating unit and the condensing unit receive less damage from the oscillated laser beam, and the durability of the laser oscillating unit and the condensing unit is improved. . In addition, since it is possible to ignite at a lower energy density than before, it is possible to reduce the demand for laser quality such as M 2 value. Therefore, the discharge unit and the laser beam oscillation unit can be easily manufactured, and the manufacturing cost can be reduced.
具体的には、上記放電手段は、請求項2の発明のように、放電電極と絶縁体を介して該放電電極に対向せしめた接地電極と、電源と、該電源の電圧を高電圧に昇圧し上記放電電極と上記接地電極との間に印加する高電圧印加回路とによって構成する。 Specifically, as in the invention of claim 2, the discharge means includes a discharge electrode, a ground electrode opposed to the discharge electrode via an insulator, a power supply, and a voltage of the power supply boosted to a high voltage. And a high voltage application circuit applied between the discharge electrode and the ground electrode.
請求項2の発明によれば、発明によれば、放電により発生したプラズマに、レーザ光の集光点に集光された高密度のレーザエネルギを効率的に吸収させ火炎核の速やかな発生と成長を促して、優れた着火性を示す点火装置が実現可能となる。
また、従来のアーク放電によって点火を行うスパークプラグを用いた点火装置のように火花放電によって燃焼室内の混合気に直接点火するのではなく、本発明にの放電手段では、放電経路に集光されたレーザ光のエネルギ吸収を向上させるためのプラズマを発生させるのに必要な最小限の放電を行えばよいので、必要な電源容量を小さくすることができる。したがって、上記電源及び高電圧印加回路の体格も小さくできる。
According to the invention of claim 2, according to the invention, the plasma generated by the discharge efficiently absorbs the high-density laser energy condensed at the condensing point of the laser beam, and the rapid generation of the flame kernel is achieved. An ignition device that promotes growth and exhibits excellent ignitability can be realized.
Further, instead of directly igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber by spark discharge as in the conventional ignition device using a spark plug that performs ignition by arc discharge, the discharge means according to the present invention concentrates on the discharge path. In addition, since the minimum discharge necessary for generating plasma for improving the energy absorption of the laser beam is performed, the necessary power source capacity can be reduced. Therefore, the size of the power source and the high voltage application circuit can be reduced.
また、上記レーザ発振手段は、請求項3の発明のように、電源と、該電源からの電気エネルギをレーザ光に変換して発振するレーザ発振回路とによって構成する。 Further, the laser oscillation means is constituted by a power source and a laser oscillation circuit that oscillates by converting electric energy from the power source into laser light.
請求項3の発明によれば、発明によれば、放電により発生したプラズマに、レーザ光の集光点に集光された高密度のレーザエネルギを効率的に吸収させ火炎核の速やかな発生と成長を促して、優れた着火性を示す点火装置が実現可能となる。 According to the invention of claim 3, according to the invention, the plasma generated by the discharge efficiently absorbs the high-density laser energy condensed at the condensing point of the laser beam, and the rapid generation of the flame kernel is achieved. An ignition device that promotes growth and exhibits excellent ignitability can be realized.
請求項4の発明では、上記内燃機関の運転状況に応じて上記放電手段と上記レーザ発振手段とを制御する電子制御装置を具備し、該電子制御装置は、上記レーザ発振手段からのレーザ光の発振に先んじて、上記放電手段からの放電を行うと共に、放電後所定の期間内にレーザ光を発振する制御を行う。 According to a fourth aspect of the invention, there is provided an electronic control device that controls the discharge means and the laser oscillation means in accordance with an operating condition of the internal combustion engine, and the electronic control device is configured to emit laser light from the laser oscillation means. Prior to oscillation, discharge from the discharge means is performed, and control is performed to oscillate laser light within a predetermined period after discharge.
請求項4の発明によれば、予め上記放電手段によりプラズマが発生した状態に対して高いエネルギのレーザ光を高密度で集光させることができるので、速やかに火炎核が発生、成長し、上記内燃機関が難着火性の運転状況であっても確実に点火をすることができる。したがって、優れた着火性を示す点火装置が実現可能となる。 According to the invention of claim 4, since high-energy laser light can be condensed at a high density with respect to the state in which plasma is generated in advance by the discharge means, flame nuclei are quickly generated and grown, Even when the internal combustion engine is in a difficult-to-ignite operation state, ignition can be reliably performed. Therefore, an ignition device that exhibits excellent ignitability can be realized.
本発明の点火装置は、自動車エンジン等の点火に用いられる点火装置であって、空燃比を高くした希薄燃焼機関や、低負荷による希薄燃焼時や、過給器によって空燃比及び圧縮比を高くした高過給気混合燃焼機関等の難着火性機関においても良好な着火性を示す点火装置である。
本発明の点火装置は、レーザ発振に先んじて、レーザ集光点近傍に放電によりプラズマを発生させ、レーザエネルギの吸収効率を上げ、レーザブレイクに必要なエネルギを低減しつつ、レンズの損傷を抑制すると共に、レンズ性能、レーザ品質への要求軽減による低コスト化を実現可能としたことを最大の特徴とする。
The ignition device of the present invention is an ignition device used for ignition of an automobile engine or the like, and a lean combustion engine with a high air-fuel ratio, a lean combustion with a low load, or a high air-fuel ratio and compression ratio by a supercharger. The ignition device exhibits good ignitability even in a non-ignitable engine such as a high-supercharged mixed combustion engine.
Prior to laser oscillation, the ignition device of the present invention generates plasma by discharge in the vicinity of the laser condensing point, increases the absorption efficiency of laser energy, reduces the energy required for laser break, and suppresses lens damage. At the same time, the greatest feature is that it is possible to reduce the cost by reducing the requirements for lens performance and laser quality.
図1を参照して、本発明の第1に実施形態における点火装置1の概要を説明する。点火装置1は、内燃機関60に装着され、本発明の要部である点火プラグ10と、電源20と、電源20に接続され電源20の電圧を高電圧に昇圧して点火プラグ10に印加する高電圧印加回路30と、電源20に接続され電源20からの電気エネルギをレーザ光に変換して点火プラグ10に発振するレーザ発振回路30と内燃機関60の運転状況に応じて高電圧印加回路20とレーザ発振回路30とを制御する電子制御装置ECU50とによって構成されている。
With reference to FIG. 1, the outline | summary of the ignition device 1 in the 1st embodiment of this invention is demonstrated. The ignition device 1 is attached to the
点火プラグ10は、放電部11と、レーザ発振部15と、これらを収納し、内燃機関60に固定するハウジング部14とによって構成されている。
放電部11は、高電圧印加回路30に接続される放電電極端子部112と放電電極端子部112に連なる略長軸状の放電電極中軸部111と放電電極中軸部111に連なる放電電極110と、放電電極中軸部111と放電電極110の一部とを覆いつつ、放電電極中軸部111と放電電極110とハウジング部14とを絶縁する略筒状の絶縁体120と、ハウジング部14の先端に延設した接地電極130とによって構成されている。
放電電極110と接地電極130とは、所定の放電距離を設けて対向している。接地電極130は、ハウジング部14を介して、内燃機関60のシリンダヘッド61と接地状態となっている。
なお、本実施形態においては、放電電極110と接地電極130とを一対設けた場合を示したが、放電電極110と接地電極130とを複数対設けても良い。
The
The
The
In the present embodiment, the case where a pair of the
レーザ発振部15は、レーザ発振回路40から発振されるレーザ光を伝送する光ファイバ等のレーザ光伝送手段150と、レーザ光伝送手段150に連なり、レーザ光をレーザ発振部15の軸心に対して平行光とすべく複数のレンズを組み合わせてなる群レンズ151と群レンズ151を経由してレーザ発振部15の軸心に対して平行に発振されたレーザ光のエネルギを機関燃焼室600内の集光点FPに集光する集光レンズ152と、集光レンズ152を保護する保護カバー153と、これらを収納する略筒状のレンズ収納部160とによって構成され、放電部11と共にハウジング部14内に収納されている。
なお、集光レンズ152に代えて回折格子を用いても良い。
The laser oscillation unit 15 is connected to the laser
Note that a diffraction grating may be used instead of the
高電圧印加回路30は、例えば、電源電圧20の電圧を高電圧に昇圧する点火コイルと該点火コイルを開閉するスイッチング素子を含むイグナイタとによって構成されている。
The high
レーザ発振回路40は、公知のレーザ発振回路を適宜採用することができる。例えば、レーザ発振回路40は、レーザ発振源となる半導体レーザ等のレーザ媒質と、このレーザ媒質にエネルギを与える励起源と、発振されたレーザ光を増幅するレーザ増幅部とを含んでいる。
レーザ媒質としては、半導体レーザの他、固体レーザを用いることができる。
レーザ増幅部は、シャッタ素子(Qスイッチ)と、反射鏡と、出力鏡とを具備し、励起用半導体レーザから発振されたレーザ光により、固体レーザとシャッタ素子が共に励起され、シャッタ素子内のエネルギが、そのシャッタ素子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、レーザ光が反射鏡と出力鏡と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。
As the
As the laser medium, a solid-state laser can be used in addition to a semiconductor laser.
The laser amplifying unit includes a shutter element (Q switch), a reflecting mirror, and an output mirror. Both the solid-state laser and the shutter element are excited by laser light oscillated from the pumping semiconductor laser, When the energy exceeds a certain threshold determined by the physical properties of the shutter element itself, the shutter opens and resonates and is amplified every time the laser beam reciprocates between the reflecting mirror and the output mirror. High density laser light can be extracted.
内燃機関60には、シリンダヘッド61と略筒状のシリンダ63とシリンダ63内に自在に昇降するピストン64とによって燃焼室600が区画されている。シリンダヘッド61には、吸気筒610と排気筒620とが設けられ、それぞれ吸気バルブ611と排気バルブ621とによって開閉されている。燃焼室600内に吸気筒610から導入された空気と図略の燃料噴射装置によって燃料室600内に供給された燃料とを混合し、ピストン64によって圧縮し、所定のクランク角において、本発明の点火装置1によって燃焼室600内に極めてエネルギ密度の高いレーザブレイクが発生すると、火炎核により混合気の燃焼・爆発が誘発され、燃焼室600内の圧力PCYLが一気に上昇し、その圧力によってピストン64が押下げられ内燃機関60の動力が得られる。
In the
図2を参照して、本発明の第1の実施形態における点火装置1の作用効果について説明する。本図(a)は、本実施形態における点火装置1の点火時における放電電圧VDC、放電電流IDC、レーザ発振エネルギELZR、筒内圧力PCYLの変化を模式的に示すタイムチャートであり、本図(b)は、アーク放電VARCとレーザ発振とが発生した状態を模式的に示す要部断面図である。
図2(a)に示すように、内燃機関60の運転状況に応じてECU50から点火信号が発信されると、高電圧印加回路20から点火プラグ10の放電電極110に高電圧が印加され、放電電圧VDC(kV)が放電電極110と接地電極130との間の絶縁耐圧を超える所定の要求電圧に達すると絶縁が破壊され、図2(b)に示すように、放電電極110と接地電極130との間にアーク放電VARCが起こり、微少領域にプラズマ領域APLZが形成される。
アーク放電VARCは、放電電極110と接地電極130との間に形成された放電経路を放電電流IDCが流れる1μsから数十μs程度継続する。
With reference to FIG. 2, the effect of the ignition device 1 in the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 5A is a time chart schematically showing changes in the discharge voltage V DC , the discharge current I DC , the laser oscillation energy E LZR , and the in-cylinder pressure P CYL during ignition of the ignition device 1 in the present embodiment. FIG. 4B is a cross-sectional view of the main part schematically showing a state where arc discharge VARRC and laser oscillation are generated.
As shown in FIG. 2 (a), when an ignition signal is transmitted from the
Arcing V ARC continues about several tens μs The formed discharge path from the discharge current I DC flows 1μs between the
この間、ECU50からの発振指令に従って、レーザ発振回路40からレーザ光が発振されると、0.1nsから20ns程度の極めて短い時間に、瞬間的にレーザ発振回路40から発振されたエネルギELZRが集光点FPに集中する。集光点FPは、放電電極110と接地電極130との間に形成される放電経路上に位置している。
なお、集光点FPのスポット径はφ10μm程度であり、アーク放電VARCの放電径路はφ数十μm程度あり、発生するプラズマ領域APLZの大きさは放電経路の周囲φ1mm程度の範囲となるので放電位置が変動しても集光点FPは必ず放電経路上に位置することとなる。
プラズマ状態となった気体は、通常の空気に比べてレーザエネルギの吸収が良く、集光点FPに集光された極めてエネルギ密度の高いレーザ光がプラズマ状態となった気体に効率よく吸収され、極めて高いエネルギ状態の火炎核が生成されるレーザブレイクが発生する。
なお、本実発明において、放電電極110の端縁とハウジング部14との間で放電を回避し、確実に放電電極110と接地電極130との間で放電が発生するよう、図2(b)に示すように、放電電極110の端縁から接地電極130の端縁までの距離DGPは、放電電極110とハウジング部14の端縁との距離DHよりも短く設定するのが望ましい。
During this time, when laser light is oscillated from the
Incidentally, the spot diameter of the focal point FP is about Fai10myuemu, there several tens μm about the discharge path φ of the arc discharge V ARC, the size of the generated plasma region A PLZ the range of about ambient φ1mm discharge path Therefore, even if the discharge position varies, the condensing point FP is always located on the discharge path.
The gas in the plasma state absorbs laser energy better than normal air, and the laser beam with extremely high energy density collected at the condensing point FP is efficiently absorbed by the gas in the plasma state. A laser break occurs in which very high energy flame nuclei are generated.
In the present invention, the discharge is avoided between the edge of the
図3を参照して、本発明の効果について説明する。
従来のレーザ点火装置においては、レーザの照射対象が気体であるため、集光点FPに、レーザエネルギを吸収するだけの十分な気体が存在しないと、レーザブレイクが発生せず、レーザ光が集光点FPを通過し、燃焼室600内に放散されて無駄となってしまう虞がある。
また、比較例1として示す従来の放電無しでレーザ発振を行った場合のレーザブレイクに必要なエネルギEBRK2とし、実施例1として示す本発明の点火装置1を用いて、レーザ発振に先んじて放電を行った場合のレーザブレイクに必要なエネルギEBRK1としたとき、従来と同等のエネルギを入射すれば、その差(ΔEBRK=EBRK2−EBRK1)が、レーザブレイク後の火炎核の成長に利用可能となる。
したがって、本発明によれば、集光点FP近傍にプラズマが発生することにより、レーザエネルギを吸収し易くし、確実にレーザブレイクによる火炎核を発生させることができる。加えて、レーザブレイク後の火炎核の成長に入射エネルギの一部を利用できるので速やかに火炎核が成長し、さらに混合気の点火が容易となる。
The effects of the present invention will be described with reference to FIG.
In the conventional laser ignition device, since the laser irradiation target is a gas, if there is not enough gas to absorb the laser energy at the condensing point FP, the laser break does not occur and the laser light is collected. There is a possibility that the light passes through the light spot FP and is dissipated in the
Further, the energy E BRK 2 necessary for laser break when laser oscillation is performed without conventional discharge shown as Comparative Example 1 is used, and the ignition device 1 of the present invention shown as Example 1 is used prior to laser oscillation. If the energy E BRK 1 required for laser break in the case of discharge is set to be equal to the conventional energy, the difference (ΔE BRK = E BRK 2−E BRK 1) is the flame after the laser break. It can be used for nuclear growth.
Therefore, according to the present invention, plasma is generated in the vicinity of the condensing point FP, so that laser energy can be easily absorbed and flame nuclei due to laser break can be reliably generated. In addition, since a part of the incident energy can be used for the growth of the flame kernel after the laser break, the flame kernel grows quickly and the mixture is easily ignited.
本発明者等の鋭意試験により、従来のレーザ発振のみによりレーザブレイクを発生させようとした場合、4.6GW/cm2程度のエネルギ密度が必要であったが、本発明の点火装置1によれば、従来よりも24%程度低い、3.5GW/cm2程度のエネルギ密度でレーザブレイクを発生させることができることが判明した。
したがって、レーザ発振回路40に用いられるレンズ精度、性能、耐久性、M2値を初めとするレーザ品質等への要求が軽減でき、低コスト化を図ることが可能となる。
また、従来のレーザ発振のみによる点火装置では、集光点FPの集光径をできるだけ小さくしてエネルギ密度を高くするため、集光レンズに高価な非球面レンズを用いる必要があったが、本発明の点火装置1では、集光点FP近傍に発生させたプラズマに低いエネルギ密度でも効率よく吸収させることができるので、より安価な球面レンズを用いることも可能となる。
さらに、レーザ強度を小さくできるので、集光レンズ152のレンズ表面へのコーティングを省いたり、保護カバー153が設けられている場合には、集光レンズ152として耐熱性の低いレンズを使用したり、レーザのビーム平行度、強度分布性能の低いものを用いたりすることもできると期待される。
According to the inventors' diligent tests, an energy density of about 4.6 GW / cm 2 was required when a laser break was generated only by conventional laser oscillation. For example, it has been found that a laser break can be generated at an energy density of about 3.5 GW / cm 2, which is about 24% lower than in the past.
Accordingly, it is possible to reduce the requirements for the laser quality such as the lens accuracy, performance, durability, and M 2 value used in the
Further, in the conventional ignition device using only laser oscillation, it is necessary to use an expensive aspherical lens as the condensing lens in order to reduce the condensing diameter of the condensing point FP as much as possible to increase the energy density. In the ignition device 1 of the invention, the plasma generated in the vicinity of the condensing point FP can be efficiently absorbed even at a low energy density. Therefore, it is possible to use a cheaper spherical lens.
Furthermore, since the laser intensity can be reduced, the coating on the lens surface of the
特に、希薄燃焼時や低負荷燃焼時には、集光点FPの周辺の気体密度が低く、レーザ光の吸収がさらに悪くなる。したがって、本発明の点火装置1によれば、このような難着火性の内燃機関においても、集光点FP周囲の気体をプラズマ領域APLZとしてレーザエネルギの吸収性を高めることにより、確実に点火することができる。 In particular, at the time of lean combustion or low load combustion, the gas density around the condensing point FP is low, and the absorption of the laser beam is further deteriorated. Therefore, according to the ignition device 1 of the present invention, even in such an inflammable internal combustion engine, the gas around the condensing point FP is used as the plasma region A PLZ to improve the laser energy absorbability, thereby reliably igniting. can do.
また、従来のスパークプラグを用いた点火装置では、中心電極と接地電極との間に発生するアーク放電によって火炎核を発生させ混合気の着火を行うので、放電経路ができるだけ太く、寿命の長いアーク放電が必要とされている。
このため、従来のスパークプラグを用いた点火装置では、30mJ程度の高いエネルギを必要とし、放電時間を長くすべく、印加電圧を昇圧する点火コイルには大きなインダクタンスを有するコイルが用いられている。
一方、本発明の点火装置に用いられる高電圧回路30及び放電部11では、アーク放電VARCにより直接混合気の点火を行うのではなく、レーザ発振部15から発振され燃焼室600内に集光されるレーザ光を吸収するきっかけとなるプラズマを集光点FP近傍に発生させるだけでよいので、従来のスパークプラグによる点火のような高いエネルギを供給する必要はない。
したがって、高電圧印加回路30を、例えば点火コイルを用いた回路で形成する場合には、インダクタンスの小さいコイルを用いることができるので、高電圧印加回路30の体格も小さくできる。
さらに、放電部11に印加される高電圧もエネルギ量が小さいので、放電時における放電電極110や接地電極130のスパッタリングによる消耗も抑制され、耐久性の高い点火装置1が実現できる。
In addition, in a conventional ignition device using a spark plug, a flame kernel is generated by arc discharge generated between the center electrode and the ground electrode to ignite the mixture, so that the discharge path is as thick as possible and the arc has a long life. Discharge is required.
For this reason, a conventional ignition device using a spark plug requires a high energy of about 30 mJ, and a coil having a large inductance is used as an ignition coil for boosting the applied voltage in order to lengthen the discharge time.
On the other hand, in the
Therefore, when the high
Furthermore, since the high voltage applied to the
図4を参照して、本発明の第2の実施形態における点火装置1aについて説明する。なお、上記実施形態と同様な部分については、同一の符号を付したので説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分についてのみ説明する。
本実施形態においてレーザ発振部15aを集光距離の長い群レンズ151a、集光レンズ152aを用い、さらに、ピストン64aの頂面に鏡面641を設け、鏡面641で反射されたレーザ光が、放電電極110と接地電極130との間に位置する集光点FPで集光する構成となっている。
このような構成であっても上記実施形態と同様にレーザ発振に先んじて、放電電極110と接地電極130との間に高電圧が印加され、放電電極110と接地電極130との間にアーク放電VARCが発生し、集光点FP近傍の気体をプラズマ化し、レーザエネルギが吸収され易くなった状態でレーザ発振がなされ、より低いエネルギでレーザブレイクを発生させることができる。
なお、鏡面641は、本図に示すように、平面状に形成してもよいし、ピストン64aの頂面を窪ませて凹面状に形成しても良い。この場合、集光点FPの位置は、鏡面641により近い位置となる。
With reference to FIG. 4, the
In the present embodiment, the
Even in such a configuration, a high voltage is applied between the
The
図5を参照して、本発明の第3の実施形態における点火装置1bについて説明する。上記実施形態においては、放電部とレーザ発振部とが一体的にハウジング部内に収納されている場合を示したが、本実施形態においては、放電部11bとレーザ発振部15bとを別体に設けた点が異なる。
放電部とレーザ発振部とを別体に設けた場合には、放電部をシリンダヘッドに装着するために、放電電極を放電部の外径よりも短く形成する必要がある。このため、放電部の中心軸とレーザ発振部の中心軸とが平行になるように配設すると、放電電極と接地電極との距離が長くなり、接地電極と等電位のハウジング部やシリンダヘッドと放電電極との間でアーク放電がおきて、集光点近傍の気体がプラズマ化されない虞がある。
したがって、本実施形態においては、放電電極110bの先端と接地電極130bとの距離を可及的に短くし、かつ、集光点FPが、放電経路上に位置するように、放電電極110bを放電部11bの軸心に対して、直角ではなく、鈍角となるように、燃焼室600側に向かって傾けて屈曲させて設けてある。
このような構成においても上記実施形態と同様にレーザ発振に先んじて、放電電極110と接地電極130との間に高電圧が印加され、放電電極110と接地電極130との間にアーク放電VARCが発生し、集光点FP近傍の気体をプラズマ化し、レーザエネルギが吸収され易くなった状態でレーザ発振がなされ、より低いエネルギでレーザブレイクを発生させることができる。
An
When the discharge part and the laser oscillation part are provided separately, the discharge electrode needs to be formed shorter than the outer diameter of the discharge part in order to mount the discharge part on the cylinder head. For this reason, if the central axis of the discharge part and the central axis of the laser oscillation part are arranged parallel to each other, the distance between the discharge electrode and the ground electrode becomes longer, and the ground electrode and the equipotential housing part or cylinder head There is a risk that arc discharge will occur between the discharge electrodes and the gas in the vicinity of the focal point will not be converted into plasma.
Therefore, in the present embodiment, the
Even in such a configuration, a high voltage is applied between the
なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、例えば上記実施形態においては、集光レンズ又は回折格子を保護すべく、保護カバーが設けられた構成を示したが、耐熱性の高い集光レンズ又は回折格子を使用した場合には、保護カバーを設けない構成としても良い。
また、本発明の点火装置は、適用する内燃機関に噴射される燃料の種類、燃料噴射方式を限定するものではない。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, a configuration in which a protective cover is provided to protect the condenser lens or the diffraction grating is shown. When an optical lens or a diffraction grating is used, a configuration without a protective cover may be employed.
Further, the ignition device of the present invention does not limit the type of fuel injected to the internal combustion engine to be applied and the fuel injection method.
1 点火装置
10 点火プラグ
11 放電部
110 放電電極
111 放電電極中軸部
112 放電電極端子部
120 絶縁体
130 接地電極
140 ハウジング
141 ハウジング六角部
142 ハウジングネジ部
15 レーザ発振部
150 レーザ光伝送手段
151 群レンズ
152 集光レンズ
153 保護カバー
160 レンズ収納部
20 電源
30 高電圧印加回路
40 レーザ発振回路
50 電子制御装置(ECU)
60 内燃機関
600 燃焼室
61 シリンダヘッド
610 吸気筒
611 吸気バルブ
620 排気筒
621 排気バルブ
63 シリンダ
64 ピストン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
60
Claims (4)
少なくとも、上記内燃機関の燃焼室内で放電を行う放電手段と、
レーザ光を発振するレーザ発振手段とを具備し、
上記レーザ発振手段は、レーザ光を上記放電手段の放電経路上に集光せしめる集光手段を具備することを特徴とする点火装置。 An ignition device mounted on an internal combustion engine for igniting the internal combustion engine,
At least discharge means for discharging in the combustion chamber of the internal combustion engine;
Laser oscillation means for oscillating laser light,
The ignition device according to claim 1, wherein the laser oscillating means includes a condensing means for condensing the laser light on a discharge path of the discharging means.
該電子制御装置は、上記レーザ発振手段からのレーザ光の発振に先んじて、上記放電手段からの放電を行うと共に、放電後所定の期間内にレーザ光を発振する制御を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の点火装置。 Comprising an electronic control device for controlling the discharge means and the laser oscillation means in accordance with the operating status of the internal combustion engine;
The electronic control unit performs discharge from the discharge unit prior to oscillation of the laser beam from the laser oscillation unit, and performs control to oscillate the laser beam within a predetermined period after discharge. The ignition device according to any one of claims 1 to 3.
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN102287349A (en) * | 2011-06-03 | 2011-12-21 | 哈尔滨工业大学 | Method for raising stable combustion limit of gas hydrocarbon fuels by femtosecond laser induced plasmas and device realizing same |
JP2016507903A (en) * | 2013-02-11 | 2016-03-10 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | Laser ignition system |
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-
2008
- 2008-11-18 JP JP2008294064A patent/JP2010121482A/en not_active Withdrawn
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