JP4294603B2 - 内燃機関用レーザ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用レーザ点火装置に関するものである。

内燃機関用点火装置として、レーザ光を使用した内燃機関用レーザ点火装置が例えば特許文献１に開示されている。当該内燃機関用レーザ点火装置は、レーザ発振器から照射されたレーザ光をレンズにより内燃機関の燃焼室内で集光し、燃焼室内の混合気を活性化させて着火燃焼させる装置である。
特開平５−３３７５５号公報

ここで、内燃機関用レーザ点火装置は、混合気を燃焼させるために非常に大きなエネルギーのレーザ光を発生させる必要がある。一方、このように大きなエネルギーのレーザ光を発生させるということは、エネルギーの効率的利用が求められる。

ところで、内燃機関の燃焼室内において混合気が燃焼することにより、中間生成物や最終生成物が生成される。そして、燃焼室内にて混合気を燃焼させる場合に、中間生成物の濃度によってはレーザ光により中間生成物の燃焼反応が進行しないおそれがある。その結果、エミッションが悪化するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、レーザエネルギーの効率的利用を図りつつ、エミッションの低減を図ることができるレーザ点火装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の内燃機関用レーザ点火装置は、内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して前記混合気を活性化させる点火用レーザ光照射手段と、前記燃焼室内に濃度計測用レーザ光を照射して該濃度計測用レーザ光の強度に基づき前記混合気が燃焼することにより生成される燃焼生成物の濃度を計測する濃度計測用レーザ光照射手段と、前記燃焼生成物の濃度に基づき前記混合気の当量比を変更する当量比変更制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃焼室内の燃焼生成物、特に中間生成物の濃度を計測して、その濃度に応じて当量比を変更することができる。つまり、燃焼室内の混合気を確実に燃焼させることができるようにすることができる。さらに、燃焼生成物の濃度の計測に濃度計測用レーザ光を使用している。すなわち、レーザエネルギーを混合気の点火用および燃焼生成物の濃度計測用に用いることで、レーザエネルギーの効率的利用を図ることができる。

なお、前記濃度計測用レーザ光の波長は、前記燃焼生成物の吸収波長付近とするとよい。すなわち、燃焼生成物の吸収波長付近の波長からなる濃度計測用レーザ光が燃焼室内に照射されると、燃焼生成物の濃度が高い領域の濃度計測用レーザ光の強度が弱くなり、燃焼生成物の濃度が低い領域の濃度計測用レーザ光の強度が強くなる。これにより、燃焼室内に存在する燃焼生成物の濃度を確実に計測することができる。

また、本発明の内燃機関用レーザ点火装置は、さらに、前記点火用レーザ光および前記濃度計測用レーザ光を発生させるレーザ光発生手段を備えるようにしてもよい。つまり、１つのレーザ光発生手段により、点火用レーザ光および濃度計測用レーザ光を発生させている。なお、レーザ光発生手段により発生したレーザ光は、例えば、ミラーなどにより分光することで、点火用と濃度計測用とに用いることができる。このように、１つのレーザ光発生手段により発生したレーザ光を点火用と濃度計測用とに用いることにより、レーザエネルギーの効率的利用を確実に図ることができる。

なお、前記当量比変更制御手段は、前記燃焼生成物の濃度が所定値より大きい場合には前記当量比を低減するようにするとよい。また、前記当量比変更制御手段は、前記燃焼生成物の濃度の最大値または平均値の何れかが所定値より大きい場合に前記当量比を低減するようにしてもよい。つまり、燃焼生成物の濃度が所定値より大きい場合や、燃焼生成物の濃度の最大値または平均値が所定値より大きい場合に、当量比を低減することで、過剰な燃焼生成物の生成を抑制することができる。すなわち、中間生成物の燃焼反応を進行させるように作用させる。これにより、エミッションが悪化することを抑制することができる。

なお、前記当量比変更制御手段は、当量比を変更することとして、例えば、燃料噴射量、吸入空気量、ＥＧＲ率の少なくとも何れかを変更するようにすればよい。例えば、燃焼生成物の濃度が所定値より大きい場合に、燃料噴射量を低減させたり、吸入空気量を増加させたり、ＥＧＲ率を下げたりする。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

（１）筒内直接噴射式内燃機関の構成
本発明の内燃機関用レーザ点火装置を適用した筒内直接噴射式内燃機関について説明する。本実施形態における筒内直接噴射式内燃機関（以下、「エンジン」という）については、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態のエンジンの構成を示す図である。図２は、レーザ光発生装置２０および制御装置３０を示すブロック図である。

図１に示すように、エンジンは、シリンダブロック１と、シリンダヘッド（図示せず）と、吸気弁２と、排気弁３と、燃料噴射弁４と、点火用レーザ光照射装置５と、ピストン６と、計測用レーザ光照射装置７と、エネルギー強度検出センサ８と、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）４０と、レーザ光発生装置２０と、制御装置３０とから構成される。なお、シリンダブロック１の内周壁、ピストン６の頂面、およびシリンダヘッドの天井内壁により、エンジンの燃焼室１０を区画している。

シリンダヘッドは、吸入空気が流れる通路を形成する吸気管に接続し吸入空気が導かれる吸気ポート９ａと、燃焼ガス等が流れる通路を形成する排気管に接続し排気を排出する排気ポート９ｂとを備えている。そして、吸気ポート９ａには吸気弁２が開閉可能に配置され、排気ポート９ｂには排気弁３が開閉可能に配置されている。すなわち、吸気弁２は、吸気管から吸気ポート９ａに導かれた吸入空気の燃焼室１０への流れを遮断および許容する。排気弁９ｂは、燃焼室１０内に生成された燃焼ガスの排気ポート３へ流れを遮断および許容する。

燃料噴射弁４は、シリンダヘッドに設けられ、燃料を燃焼室１０内に直接噴射する。具体的には、燃料噴射弁４は、燃焼室１０内のうちピストン６の頂面に形成されるキャビティに向けて燃料を噴射供給する。

点火用レーザ光照射装置５は、後述するレーザ光発生装置２０のうち点火用レーザ光発生部２１により発生された点火用レーザ光を燃焼室１０内に照射する。この点火用レーザ光照射装置５は、シリンダヘッドのうち吸気弁２と排気弁３との間に配置されている。そして、この点火用レーザ光照射装置５は、点火用レーザ光を照射口から光発散あるいは光集光させるための光学的装置と、点火用レーザ光を点火用レーザ光発生部２１から光学的装置まで比較的伝送損失なく伝送可能な光ファイバとを有する。光学的装置は、照射口から出射する点火用レーザ光を発散あるいは集光させるようなレンズまたはレンズ群が設けられている。そして、光学的装置は、点火用レーザ光の焦点位置が燃焼室１０内に合うようにされている。なお、この光学的装置は、点火用レーザ光発生部２１から点火用レーザ光を導くためにミラー等のビームスプリッタを設けていてもよい。なお、光ファイバの照射口が燃焼室１０に向けてられている。

計測用レーザ光照射装置７は、後述するレーザ光発生装置２０のうち計測用レーザ光発生部２２により発生された計測用レーザ光を燃焼室１０内に照射する。この計測用レーザ光照射装置７は、シリンダブロック１の上端側にシリンダの軸方向に対して垂直方向に向かって配置されている。そして、この計測用レーザ光照射装置７は、シリンドリカルレンズと光ファイバとを備えている。シリンドリカルレンズは、ハウジングの先端側（図１の左側）に固定されており、計測用レーザ光発生部２２から発生された計測用レーザ光を燃焼室１０内に照射している。具体的には、シリンドリカルレンズは、燃焼室１０内における計測用レーザがシリンダの軸方向に垂直方向の面状９ａとなるようにしている。光ファイバは、計測用レーザ光発生部２２からシリンドリカルレンズまで比較的伝送損失なく伝送可能である。

エネルギー強度検出センサ８は、計測用レーザ光照射装置７から照射された計測用レーザ光のエネルギー強度を検出する。このエネルギー強度検出センサ８は、点火用レーザ光照射装置５のハウジング内に配置されている。つまり、エネルギー強度検出センサ８は、シリンダヘッドのうち吸気弁２と排気弁３との間に配置されている。なお、エネルギー強度検出センサ８は、図１の破線８ａにて示すように、燃焼室１０内の広範囲なエネルギー強度を検出することができる。

排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）４０は、排気の一部を吸気系に戻す装置である。排気ガス再循環装置４０は、排気を吸気系に戻す割合（ＥＧＲ率）を適宜変更することができる。

レーザ光発生装置２０は、図２に示すように、制御装置３０に接続されており、点火用レーザ光発生部２１と計測用レーザ光発生部２２とから構成される。レーザ光発生装置２０は、１つのレーザ光を発生させる装置であり、制御装置３０から出力される制御信号および計測信号に基づき、点火用レーザ光または計測用レーザ光を発生させる。つまり、１つのレーザ光発生装置により発生させたレーザ光を点火用レーザ光および計測用レーザ光の何れもに用いる。なお、本実施形態において、便宜上、点火用レーザ光を発生させる部分を点火用レーザ光発生部２１といい、計測用レーザ光を発生させる部分を計測用レーザ光発生部２２という。ここで、点火用レーザ光発生部により発生される点火用レーザ光は、燃料を加熱して蒸発気化可能な熱エネルギーを有している。また、計測用レーザ光発生部２２により発生される計測用レーザ光は、燃焼生成物、特に中間生成物の吸収波長付近の波長からなるレーザ光としている。

制御装置３０は、図２に示すように、各種信号入力部３１と、計測信号出力部３２と、エネルギー強度計測部３３と、燃焼生成物濃度計測部３４と、制御部３５とから構成される。各種信号入力部３１は、例えば、エンジン回転数、スロットル開度、エンジン冷却水の水温、燃焼室１０に吸入される吸入空気の温度などの各種信号を入力する。

計測信号出力部３２は、燃焼室１０内の燃焼生成物の濃度を計測する際に計測信号をレーザ光発生装置２０の計測用レーザ光発生部２２に出力する。この計測信号出力３２が計測信号を出力するタイミングは、内燃機関がどの状態であってもよい。当該タイミングは、具体的には、混合気が燃焼開始した直後、混合気が燃焼終了した後、混合気が燃焼している途中、混合気が燃焼開始する前などの何れの状態であってもよい。

エネルギー強度計測部３３は、計測信号出力部３２から計測信号を入力する。さらに、エネルギー強度計測部３３は、エネルギー強度検出センサ８により検出したエネルギー強度を入力して、燃焼室１０内のエネルギー強度を計測する。このエネルギー強度計測部３３は、具体的には、計測用レーザ光照射装置７により燃焼室１０内に照射された計測用レーザ光のエネルギー強度を計測している。ここで、計測用レーザ光は燃焼生成物、特に中間生成物により吸収される波長成分からなるので、燃焼室１０内の燃焼生成物の濃度に応じて計測用レーザ光のエネルギー強度が異なる。つまり、燃焼室１０内の燃焼生成物の濃度が高いほど、計測用レーザ光は吸収され、計測用レーザ光のエネルギー強度が小さくなる。一方、燃焼室１０内の燃焼生成物の濃度が低いほど、計測用レーザ光は吸収されず、計測用レーザ光のエネルギー強度は大きい。

燃焼生成物濃度計測部３４は、エネルギー強度計測部３３により計測された燃焼室１０内の計測用レーザ光のエネルギー強度に基づき、燃焼室１０内の燃焼生成物の濃度を計測する。この燃焼生成物の濃度とは、例えば、燃焼生成物の最大濃度、燃焼生成物の平均濃度などである。

制御部３５は、各種信号入力部３１に入力された各種信号および燃焼生成物濃度計測部３４により計測された燃焼生成物の濃度に基づき、吸気弁２、排気弁３、燃料噴射弁４、点火用レーザ光発生部２１および排気ガス再循環装置４０を制御する。例えば、制御部３５は、燃料噴射弁５のコイルへの通電開始および通電停止を行うことで、燃料噴射弁５への通電期間を制御する。そして、ＥＣＵ６による燃料噴射弁５への通電期間の制御により、燃焼室１０内へ噴射供給される燃料の量を制御している。また、制御部３５は、吸気弁２の開閉、および、排気弁２の開閉の制御を行っている。このように、制御部３５による吸気弁２の開閉の制御により、燃焼室１０内に吸入される吸入空気量を制御している。制御部３５による排気弁２の開閉の制御により、燃焼室１０から排気ポート９ｂへ排気ガスを排気する制御を行っている。さらに、制御部３５は、点火用レーザ光発生部２１へ点火用レーザ光の発生を制御している。具体的には、制御部３５は、点火用レーザ光発生部２１により発生される点火用レーザ光の発生タイミングおよび点火用レーザ光の強度を制御している。さらに、制御部３５は、排気ガス再循環装置４０のＥＧＲ率を制御している。

ここで、制御部３５は、燃焼生成物濃度計測部３４により計測された燃焼生成物の濃度に基づき、吸気弁２、排気弁３、燃料噴射弁４および点火用レーザ光発生部２１を制御することは上記したとおりである。具体的には、燃焼精製物の最大濃度または平均濃度に応じて、当量比を変更する制御を行う。例えば、燃焼生成物の最大濃度または平均濃度が所定値より大きい場合に当量比を低減するように制御する。一方、燃焼生成物の最大濃度または平均濃度が所定値以下の場合に当量比を増加させるように制御する。なお、当量比とは、混合気の実空燃比に対する混合気の理論空燃比である。また、燃焼生成物の最大濃度または平均濃度を比較する所定値は、エネルギー強度検出センサ８により計測用レーザ光のエネルギー強度を計測するタイミングに応じて異なる。もちろん、当該所定値は、燃焼生成物の最大濃度の場合と燃焼生成物の平均濃度の場合とに応じて異なる。

そして、当量比を低減するように行う制御とは、燃料噴射弁４により噴射される燃料噴射量を低減させる制御、吸入空気量を増加させる制御、および、ＥＧＲ率を下げる制御などである。このように当量比を低減することにより、燃焼室１０内の中間生成物の燃焼反応を進行させるように作用させることができる。その結果、エミッションを向上させることができる。なお、当量比を低減するために、上記の制御を全て実行してもよいし、上記の制御のうち選択した何れかであってもよい。

本実施形態のエンジンの構成を示す図である。 レーザ光発生装置２０および制御装置３０を示すブロック図である。

符号の説明

１：シリンダブロック、 ２：吸気弁、 ３：排気弁、 ４：燃料噴射弁、 ５：点火用レーザ光照射装置、 ６：ピストン、 ７：計測用レーザ光照射装置、 ８：エネルギー強度検出センサ、 ９ａ：吸気ポート、 ９ｂ：排気ポート、 １０：燃焼室、 ２０：レーザ光発生装置、 ２１：点火用レーザ光発生部、 ２２：計測用レーザ光発生部、 ３０：制御装置、 ４０：排気ガス再循環装置

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して前記混合気を活性化させる点火用レーザ光照射手段と、
   前記燃焼室内に濃度計測用レーザ光を照射して該濃度計測用レーザ光の強度に基づき前記混合気が燃焼することにより生成される燃焼生成物の濃度を計測する濃度計測用レーザ光照射手段と、
   前記燃焼生成物の濃度に基づき前記混合気の当量比を変更する当量比変更制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関用レーザ点火装置。
2. 前記濃度計測用レーザ光の波長は、前記燃焼生成物の吸収波長付近である請求項２記載の内燃機関用レーザ点火装置。
3. 前記点火用レーザ光および前記濃度計測用レーザ光を発生させるレーザ光発生手段を備える請求項１または２に記載の内燃機関用レーザ点火装置。
4. 前記当量比変更制御手段は、前記燃焼生成物の濃度が所定値より大きい場合には前記当量比を低減する請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関用レーザ点火装置。
5. 前記当量比変更制御手段は、前記燃焼生成物の濃度の最大値または平均値の何れかが所定値より大きい場合に前記当量比を低減する請求項４記載の内燃機関用レーザ点火装置。
6. 前記当量比変更制御手段は、燃料噴射量、吸入空気量、ＥＧＲ率の少なくとも何れかを変更する請求項１〜５の何れかに記載の内燃機関用レーザ点火装置。
   

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