JP4731952B2 - Laser ignition device and method - Google Patents
Laser ignition device and method Download PDFInfo
- Publication number
- JP4731952B2 JP4731952B2 JP2005056277A JP2005056277A JP4731952B2 JP 4731952 B2 JP4731952 B2 JP 4731952B2 JP 2005056277 A JP2005056277 A JP 2005056277A JP 2005056277 A JP2005056277 A JP 2005056277A JP 4731952 B2 JP4731952 B2 JP 4731952B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- incident
- laser
- cylinder
- plane
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Description
この発明は、ガソリンエンジンのように燃料と空気の混合気を燃焼室内で強制的に点火して燃焼させる内燃機関の点火装置及び方法に関する。詳しくは、円筒状のシリンダ、ピストン、及びシリンダヘッドで形成される燃焼室内の噴射弁より噴射された燃料と空気の混合気にレーザ発生器からのレーザビームを照射して該混合気を着火燃焼させるレーザ点火装置及び方法に関する。 The present invention relates to an ignition device and method for an internal combustion engine in which a fuel / air mixture is forcibly ignited and burnt in a combustion chamber, such as a gasoline engine. Specifically, the fuel / air mixture injected from the injection valve in the combustion chamber formed by the cylindrical cylinder, piston, and cylinder head is irradiated with the laser beam from the laser generator to ignite and burn the mixture. The present invention relates to a laser ignition device and method.
ガソリンエンジン等の予混合燃焼エンジンにおいては、一般に点火プラグの火花放電で混合気の点火を行うようになっているが、圧縮比を高めたような場合、その点火位置から離れたシリンダ内壁付近で所謂エンドガスが自己着火し、ノッキングを起こすことがある。また、点火プラグが燃焼室に直接曝されるので炭素がプラグの電極に付着して、放電が困難になることがある。さらに、プラグで点火されたフレームが燃焼室全般に広がるまでには、時間がかかり、熱効率が悪い。 In a premixed combustion engine such as a gasoline engine, generally, an air-fuel mixture is ignited by spark discharge of a spark plug. However, when the compression ratio is increased, it is near the inner wall of the cylinder far from the ignition position. The so-called end gas may self-ignite and cause knocking. In addition, since the spark plug is directly exposed to the combustion chamber, carbon may adhere to the electrode of the plug, making discharge difficult. Furthermore, it takes time and the thermal efficiency is poor until the flame ignited by the plug spreads over the entire combustion chamber.
そこで、このスパークプラグによる点火に換わる点火装置として、例えば図16に示すレーザ点火装置が開発されている(例えば、特許文献1参照)。これは、レーザ発生器51からのレーザビーム52をビームスプリッタ60a、60bと反射ミラー71a、71bで3ビームに分割し、シリンダヘッド80の通路81に設けられたレンズ90で燃焼室内の3箇所に集光して点火するものである。
Therefore, as an ignition device that replaces the ignition by the spark plug, for example, a laser ignition device shown in FIG. 16 has been developed (see, for example, Patent Document 1). This is because the laser beam 52 from the
しかしながら、シリンダヘッドの右上で3ビームに分割し、シリンダの延びる方向(ピストンの上下する方向)から3箇所に集光するレーザ点火装置は、いくつかの問題を有している。すなわち、3箇所の点火位置が燃焼室の右側に偏っており、エンドガスの自己着火によるノッキングは回避できても、燃焼室内で混合気の濃度分布が大きく変化する成層運転時には最適な点火位置での運転ができず、失火によるエミッションの悪化、燃費悪化を招く。また、3ビームに分割して集光する光学系の要素が多く且つ複雑で、連続運転で初期性能を維持することが困難である。さらに、シリンダヘッドには図示省略の吸気管、吸気バルブ、排気管、排気バルブなどが配設されており、レーザ点火装置を図のように配設するには制約が多い。したがって、エンドガスに3つの点火位置を設定することすら難しく、ノッキングの回避も確実性に欠ける問題を有していた。
本発明は、上記の従来のレーザ点火装置の問題に鑑みてなされたものであり、燃焼室内の混合気分布や混合気の濃度分布に依存しない確実な点火を可能としてロバスト性の高い燃焼を実現するレーザ点火装置及び方法を提供することを課題としている。また、燃焼時間の短縮を図り、燃費向上及びノッキングの確実な回避を可能とするレーザ点火装置及び方法を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the problems of the above-described conventional laser ignition device, and realizes highly robust combustion by enabling reliable ignition independent of the mixture distribution and mixture concentration distribution in the combustion chamber. It is an object of the present invention to provide a laser ignition device and method. Another object of the present invention is to provide a laser ignition device and method capable of shortening the combustion time, improving fuel efficiency and reliably avoiding knocking.
課題を解決するためになされた請求項1に係る発明は、円筒状のシリンダ、ピストン、及びシリンダヘッドで形成される燃焼室内の噴射弁より噴射された燃料に、レーザ発生器からレーザビームを照射して前記燃料を着火燃焼させるレーザ点火装置であって、前記レーザビームを前記シリンダの延びる方向(z軸)と直交する面内(x−y平面内)で前記燃焼室内に所定の入射角度で入射させる入射手段と、前記入射手段で入射される前記レーザビームを前記x−y平面と直交する前記シリンダの壁面で順次反射させて、入射または反射してから次に反射するまでの前記レーザビーム同士を前記x−y平面上の複数点でクロスさせるマルチパス手段と、前記入射手段で入射される前記レーザビームの強度を前記複数のクロス点でのみ前記燃料が着火燃焼する強度に制御する強度制御手段とを有することを特徴としている。
The invention according to
燃焼室内のシリンダの延びる方向と直交する面内における複数のクロス点で着火燃焼させるので、燃焼室内の混合気分布や混合気の濃度分布に左右されることなく、確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。また、燃焼時間の短縮を図り、燃費向上およびノッキング回避も可能である。 Ignition combustion is performed at multiple cross points in a plane orthogonal to the direction in which the cylinder extends in the combustion chamber, enabling reliable ignition without being affected by the mixture distribution or mixture concentration distribution in the combustion chamber. Highly combustible combustion can be realized. In addition, the combustion time can be shortened to improve fuel consumption and avoid knocking.
レーザビームをシリンダの中心を外す方向から壁面に入射させ、シリンダの壁面で多重反射させることで複数のクロス点を形成して点火させるので、複雑な光学系を付加する必要がない。 Since the laser beam is incident on the wall surface from the direction of removing the center of the cylinder and is subjected to multiple reflection on the wall surface of the cylinder to form and ignite a plurality of cross points, it is not necessary to add a complicated optical system.
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載のレーザ点火装置であって、前記マルチパス手段は、前記シリンダの壁面に沿って配設された角度制御可能なミラーを有することを特徴としている。
The invention according to
マルチパス手段は、シリンダの壁面に沿って配設されたミラーの角度を制御して複数点でクロスさせるので、任意の位置でクロスさせることができる。したがって、燃焼室内の混合気分布や混合気の濃度分布に応じてクロス点を形成することができ、より一層確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。 Since the multi-pass means controls the angle of the mirror disposed along the wall surface of the cylinder to cross at a plurality of points, it can be crossed at any position. Therefore, a cross point can be formed according to the mixture distribution and the concentration distribution of the mixture in the combustion chamber, enabling more reliable ignition and realizing highly robust combustion.
また、請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載のレーザ点火装置であって、前記ピストンが前記燃焼室を形成する面に球状キャビテイを備え、前記噴射弁から噴射される燃料がホローコーン状であることを特徴としている。
The invention according to
ピストンが球形キャビテイを備え、噴射弁が燃料をホローコーン状に噴射すると、混合気分布がシリンダの延びる方向と直交する面内で複数に分割するため、同じ面内でクロスする点が前記複数に分割する混合気分布と一致する確率が高くなり、より一層確実な点火が可能となる。 When the piston has a spherical cavity and the injection valve injects fuel in a hollow cone shape, the mixture distribution is divided into multiple parts in the plane perpendicular to the direction in which the cylinder extends. Therefore, the probability of matching with the air-fuel mixture distribution increases, and more reliable ignition becomes possible.
また、請求項4に係る発明は、請求項3に記載のレーザ点火装置であって、前記入射角度は、前記入射手段で入射されたレーザビームと前記シリンダの壁面における該レーザビームの入射点の法線とがなす角度であり、前記入射手段の前記所定の入射角度は、nを5以上の整数、すなわちn=5、6、7・・・とするとき、{90×(1−4/n)}°であることを特徴としている。
The invention according to
入射角度θを
θ={90×(1−4/n)}° (1)
にすると、クロス点を結ぶ多角形が正n角形となり、混合気分布が複数に分割してもクロス点を一致させる確率をより高くすることができる。なお、(1)式の導出は後で行う。
The incident angle θ is θ = {90 × (1−4 / n)} ° (1)
In this case, the polygon connecting the cross points becomes a regular n-gon, and the probability of matching the cross points can be further increased even when the mixture distribution is divided into a plurality. Note that derivation of equation (1) will be performed later.
課題を解決するためになされた請求項5に係る発明は、円筒状のシリンダ、ピストン、及びシリンダヘッドで形成される燃焼室内の燃料にレーザ発生器からレーザビームを照射して前記燃料を着火燃焼させるレーザ点火方法であって、前記レーザビームを前記シリンダの延びる方向(z軸)と直交する面内(x−y平面内)で前記燃焼室内に所定の入射角度で入射させる入射ステップと、前記入射ステップで入射される前記レーザビームを前記x−y平面と直交する前記シリンダの内壁面で順次反射させて、入射または反射してから次に反射するまでの前記レーザビーム同士を前記x−y平面上の複数点でクロスさせるマルチパスステップと、前記入射ステップで入射される前記レーザビームの強度を前記複数のクロス点でのみ前記燃料が着火燃焼する強度に制御する強度制御ステップとを有することを特徴としている。
Invention, cylindrical cylinder, a piston, and the laser generator or is Zabimu the irradiation shines in front Symbol fuel to the fuel in the combustion chamber formed in a cylinder head according to
また、請求項6に係る発明は、請求項5に記載のレーザ点火方法であって、前記マルチパスステップは、前記シリンダの壁面に沿って配設されたミラーの角度を制御することを含む、ことを特徴としている。
The invention according to
ここで、図9を使って上記(1)式の導出を行う。図9は後述する図8(c)を描き直したものである。すなわち、P0からP11方向に入射したレーザビームがシリンダの壁面41で多重反射して燃焼室7内をマルチパスしてクロス点Q11〜Q15が形成され、そのクロス点を結ぶ多角形が正5角形の場合を描画したものである。
Here, the above equation (1) is derived using FIG. FIG. 9 is a redraw of FIG. 8C described later. That is, the laser beam incident in the direction from P 0 to P 11 is subjected to multiple reflections on the
正n角形の頂角θ’は簡単な幾何学から
θ’=180×(n−2)/n=90×(2−4/n)
と表されることがわかる。n=5の場合、θ’=108°となる。図9で∠Q11Q12Q13をθ’、レーザビームの入射角である∠OP11P0をθ、∠P11Q12Q13をαとすると、
α=180−θ’=90×4/n
であり、
θ=90−α=90×(1−4/n)
となり、(1)式が導出されたことになる。
The apex angle θ ′ of a regular n-gon is from simple geometry θ ′ = 180 × (n−2) / n = 90 × (2−4 / n)
It can be seen that In the case of n = 5, θ ′ = 108 °. In FIG. 9, ∠Q 11 Q 12 Q 13 is θ ′, the incident angle of the laser beam is ∠OP 11 P 0 is θ, and ∠P 11 Q 12 Q 13 is α.
α = 180−θ ′ = 90 × 4 / n
And
θ = 90−α = 90 × (1−4 / n)
Thus, equation (1) is derived.
燃焼室内のシリンダの延びる方向と直交する面内における複数のクロス点で着火燃焼させるので、燃焼室内の混合気分布や混合気の濃度分布に左右されることなく、確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。また、燃焼時間の短縮を図り、燃費向上およびノッキング回避も可能である。 Ignition combustion is performed at multiple cross points in a plane orthogonal to the direction in which the cylinder extends in the combustion chamber, enabling reliable ignition without being affected by the mixture distribution or mixture concentration distribution in the combustion chamber. Highly combustible combustion can be realized. In addition, the combustion time can be shortened to improve fuel consumption and avoid knocking.
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
本発明に係るレーザ点火装置の実施形態1について、図を用いて説明する。図1は、実施形態1に係るエンジンのレーザ点火装置の概略構成図、図2及び図3は、図1のA−A断面図、図4は、入射手段を説明するための図、図5は、強度制御手段の拡大図である。
(Embodiment 1)
図1において、4は円筒状シリンダ、5はピストン、6はシリンダヘッド、7はシリンダ4の壁面41とピストン5の球形キャビテイ51を有する上面及びシリンダヘッド6の下面で形成される燃焼室、8は燃料噴射弁である。なお、図1では吸気管、吸気バルブ、排気管、排気バルブ等を省略してある。
In FIG. 1, 4 is a cylindrical cylinder, 5 is a piston, 6 is a cylinder head, 7 is a combustion chamber formed by an upper surface having a
1はレーザビームLを発生するレーザ発生器、2はレーザビームLの強度を所定の強度に制御する強度制御手段、3はレーザビームをシリンダ4の延びる方向(z軸)と直交する面内(x−y平面)で燃焼室7内に所定の入射角度で入射させる入射手段、である。
1 is a laser generator for generating a laser beam L, 2 is an intensity control means for controlling the intensity of the laser beam L to a predetermined intensity, and 3 is an in-plane orthogonal to the extending direction (z axis) of the cylinder 4 ( an incident means that is incident on the
上記のように構成されたレーザ点火装置において、レーザ発生器1から発生されたレーザビームLは、入射角がθ1又はθ2となるようにシリンダ4にあけられた穴3又は3’(図4参照)に配設された強度制御手段2に入射される。すなわち、燃焼室内に所定の入射角度で入射させる入射手段は、本実施形態では、入射角がθ1又はθ2となるようにシリンダ4にあけられた穴3又は3’ということになる。
In the laser ignition device configured as described above, the laser beam L generated from the
本発明のレーザ点火装置では、クロス点以外では着火しないでクロス点でのみ着火するようにレーザビーム強度を制御する必要がある。本実施形態の強度制御手段2は、図5に示すように、凸レンズ21、凹レンズ22及び鏡筒23からなるガリレオ型望遠鏡であり、ビーム径を倍率分小さくすることで強度を変えることができる。たとえば、熱着火の場合の着火閾値強度IthがIth=6MW/cm2とすると、クロス点でIth以上になるように制御する必要がある。本実施形態では、たとえば、ビーム径10mm、パワー25KW、レーザビーム強度32KW/cm2のレーザビームLを発生するレーザ発生器1を用いる。そして、強度制御手段2として、ビーム径を1/10にする倍率10倍のガリレオ望遠鏡を用いると、ビーム径10mm、パワー25KW、ビーム強度32KW/cm2のレーザビームLは、ビーム径1mm、パワー25KW、ビーム強度3.2MW/cm2のレーザビームL’となる。なお、たとえば、レーザ発生器1から直接ビーム径1mm、パワー25KW、ビーム強度3.2MW/cm2のレーザビームL’を発生できれば、強度制御手段2を省略することができる。その場合は、たとえば、レーザ発生器1を直接入射手段の穴3又は3’に配設すればよい。
In the laser ignition device of the present invention, it is necessary to control the laser beam intensity so that it is not ignited except at the cross point but only at the cross point. As shown in FIG. 5, the intensity control means 2 of this embodiment is a Galileo telescope comprising a
レーザビームL’の入射角θ1、θ2は、シリンダ4の中心Oと入射点P1を結ぶ線と入射レーザビームとのなす角であり、入射レーザビームがシリンダ4の中心Oを通らない場合、シリンダ4の壁面41のP1で反射したレーザビームはP2、P3、P4、あるいはP2’、P3’、P4’で順次反射され、レーザビームL’は、x−y平面内でマルチパスする。したがって、本実施形態ではマルチパス手段は、壁面41である。マルチパスがx−y平面内で行われるため、クロス点Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、あるいはQ1’、Q2’、Q3’、Q4’、Q5’を形成する。
The incident angles θ 1 and θ 2 of the laser beam L ′ are angles formed by a line connecting the center O of the
上記のように、レーザビームL’のビーム強度が3.2MW/cm2であるので、クロス点Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、あるいはQ1’、Q2’、Q3’、Q4’、Q5’で6.4MW/cm2となり、着火閾値強度Ith=6MW/cm2以上となるので、クロス点でのみ着火燃焼を開始する。 As described above, since the beam intensity of the laser beam L ′ is 3.2 MW / cm 2 , the cross points Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 , Q 5 , or Q 1 ′, Q 2 ′, Q 3 ', Q 4', Q 5 ' at 6.4 mW / cm 2, and the since the ignition threshold intensity I th = 6MW / cm 2 or more, to start the ignition combustion only at the cross point.
圧縮行程中に燃料噴射弁8から燃料を噴射し、成層運転する場合、噴射された燃料と空気の混合気はエンジン条件、燃焼室形状に起因する気流等に大きく影響されるため、常に同一の位置に最適濃度の混合気が形成される訳ではない。点火する位置は混合気の当量比が0.5〜2の領域、特に0.8〜1.2の領域が好ましい。
When fuel is injected from the
燃焼室7内のシリンダの延びる方向すなわちz軸と直交するx−y面内でクロスする5点で着火燃焼させるので、燃焼室内の混合気分布や混合気の濃度分布に左右されることなく、確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。また、燃焼時間の短縮を図り、燃費向上およびノッキング回避も可能である。
Since it is ignited and combusted at five points crossing in the xy plane perpendicular to the z-axis perpendicular to the extending direction of the cylinder in the
図2と図3を比較するとわかるように、入射角が小さいと(θ1の場合)クロス点が燃焼室の中央付近に形成され、入射角が大きいと(θ2の場合)クロス点が燃焼室の周辺部に形成される。したがって、噴射弁8から噴射される燃料形状や運転条件で変化する燃料と空気の混合気分布が、たとえば、燃焼室の中央付近に分布する場合は、入射角度をθ1とするレーザ点火装置を用いるとよい。
As can be seen by comparing FIG. 2 and FIG. 3, when the incident angle is small (in the case of θ 1 ), a cross point is formed near the center of the combustion chamber, and when the incident angle is large (in the case of θ 2 ), the cross point is burned. Formed around the chamber. Therefore, when the fuel / air mixture distribution that changes depending on the fuel shape and operating conditions injected from the
なお、本実施形態のレーザ点火装置の適用は、所謂スプレーガイドに限定されるものではなく、例えばスイトイキ燃焼に適用されてもよい。 Note that the application of the laser ignition device of the present embodiment is not limited to a so-called spray guide, and may be applied to, for example, switch-to-burn combustion.
(実施形態2)
本発明に係るレーザ点火装置の実施形態2について、図を用いて説明する。図6は、実施形態2に係るエンジンのレーザ点火装置の概略構成図、図7は、強度制御手段の拡大図、図8はピストンが球形キャビテイを備え、燃料をホローコーン状に噴射したときの混合気濃度分布パターンの挙動及び混合気濃度分布パターンとレーザビームのクロス点の対応を説明するための図、図10は、実施形態2の変形態様の概略構成図である。
(Embodiment 2)
図6において、4はたとえば内径R=50mmの円筒状シリンダ、5はたとえば半径Rc=25mmの球形キャビテイ51を有するピストン、6’はシリンダヘッド、7’はシリンダ4の壁面41とピストン5の上面及びシリンダヘッド6’の下面で形成される燃焼室、8’は燃料噴射弁である。なお、図6でも吸気管、吸気バルブ、排気管、排気バルブ等を省略してある。
In FIG. 6, 4 is a cylindrical cylinder having an inner diameter R = 50 mm, 5 is a piston having a
1’はレーザ発生器、2’はレーザビームの強度を所定の強度に制御する強度制御手段、10はレーザ発生器1’から発生されたレーザビームを強度制御手段2’まで伝搬させる光ファイバ、3’’はレーザビームL”をシリンダ4の延びる方向(z軸)と直交する面内(x−y平面)で燃焼室7’内に所定の入射角度で入射させる入射手段である。なお、入射手段3’’は実施形態1と同様にシリンダ4の壁にあけられた穴3’’で、強度制御手段2’をシリンダ4の中心Oと入射点P11を結ぶ線分と入射レーザビームとのなす角が所定の角度θになるように取り付けるものである(図8(c)参照)。すなわち、穴3’’は、方向が入射点P11の方向と一致し、z軸と直交している。
1 'is a laser generator, 2' is intensity control means for controlling the intensity of the laser beam to a predetermined intensity, 10 is an optical fiber for propagating the laser beam generated from the laser generator 1 'to intensity control means 2',
本発明のレーザ点火装置では、クロス点以外では着火しないでクロス点でのみ着火するようにレーザビーム強度を制御する必要がある。本実施形態の強度制御手段2’は、図7に示すように、コリメートレンズ21’、ファイバ10の出射端101及び鏡筒23’からなり、ビーム径を大きくすることで強度を変えることができる。たとえば、光化学着火の場合の着火閾値強度Ith’がIth’=60KW/cm2とすると、クロス点でIth’以上になるように制御する必要がある。本実施形態では、たとえば、パワー250Wのレーザビームを発生するレーザ発生器1を用い、コア径100μmの石英製ファイバ10に結合させる。そして、ビーム径をコア径の10倍にするコリメートレンズ21’を有する強度制御手段2’で、ビーム径1mm、パワー250W、ビーム強度32KW/cm2のレーザビームL’’にする。
In the laser ignition device of the present invention, it is necessary to control the laser beam intensity so that it is not ignited except at the cross point but only at the cross point. As shown in FIG. 7, the intensity control means 2 ′ according to the present embodiment includes a
図8(a)は図6の噴射弁8’とピストン5の関係を示し、(b)は(a)のA’−A’断面を示しているが、これから、燃料をホローコーン状に噴射すると、先ず円環状になり、その後気流の影響を受けて混合気が4つに分割され、点線で示す半径Rcの円形キャビテイ内側に分布することがわかる。
8A shows the relationship between the
また、図8(d)は運転条件を変えたときの混合気の挙動を示しているが、運転条件によっては混合気は分割しないで円形キャビテイ内に円環形状を保持している。 FIG. 8 (d) shows the behavior of the air-fuel mixture when the operating conditions are changed. Depending on the operating conditions, the air-fuel mixture is not divided, and an annular shape is maintained in the circular cavity.
本実施形態ではクロス点を結んでできる多角形が正5角形となりクロス点がシリンダの中心Oからrの位置になるように、入射角θ=18°={90×(1−4/5)}°となっている。すなわち、入射角18°でシリンダ4の壁面41のP11に入射したレーザビームは、P12、P13、P14で順次反射され、レーザビームは、x−y平面内でマルチパスする。マルチパスがx−y平面内で行われるため、クロス点Q11、Q12、Q13、Q14、Q15を形成する。そして、入射角θ=18°={90×(1−4/5)}°となっているので、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15を結ぶ5角形は正5角形となる。三角形OQ12P14に注目すると、∠OQ12P14=54°,∠OP14Q12=18°であるので、
r/sin18=R/sin54 (2)
の関係が成り立つことがわかる。したがって、たとえば、R=50mmのとき、r=19mmとなる。r(=19mm)<Rc(=25mm)であるので、図8(c)、(e)に示すように、クロス点の多くが半径Rcの点線で示す円内に分布する混合気分布パターンと一致し、確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。また、燃焼時間の短縮を図り、燃費向上およびノッキング回避も可能である。
In this embodiment, the incident angle θ = 18 ° = {90 × (1−4 / 5) so that the polygon formed by connecting the cross points is a regular pentagon and the cross point is located at r from the center O of the cylinder. } °. That is, the laser beam incident on P 11 of the
r / sin18 = R / sin54 (2)
It can be seen that this relationship holds. Therefore, for example, when R = 50 mm, r = 19 mm. Since r (= 19 mm) <R c (= 25 mm), as shown in FIGS. 8C and 8E, an air-fuel mixture distribution in which most of the cross points are distributed within a circle indicated by a dotted line with a radius R c. It matches the pattern, enables reliable ignition, and realizes robust combustion. In addition, the combustion time can be shortened to improve fuel consumption and avoid knocking.
上記のように、入射角θ={90×(1−4/n)}°の場合、クロス点を結ぶ多角形が正n角形になり、そのとき(2)式のような関係式が得られるので、予め混合気分布パターンを計測しておき、クロス点がそのパターンにできるだけ一致するように、入射角を決めることができる。 As described above, when the incident angle θ = {90 × (1−4 / n)} °, the polygon connecting the cross points becomes a regular n-gon, and a relational expression such as Expression (2) is obtained. Therefore, the mixture distribution pattern is measured in advance, and the incident angle can be determined so that the cross point matches the pattern as much as possible.
図10に示すように、強度制御手段2’を2つにしてz軸方向に積層配置するとよい。そうするとz軸と直交する2つの面内でレーザビームがマルチパスして、図8(c)のクロス点を結ぶ正5角形がz軸方向に2層でき、合計10点でレーザ点火されるので一層確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。なお、この場合、たとえばレーザ発生器1’’としては、パワー500Wのレーザビームを発生するものを用い、ファイバ10’としては、伝搬するレーザパワーを1/2に分割するY分岐を備えたものを用いる必要がある。
As shown in FIG. 10, two intensity control means 2 'may be stacked in the z-axis direction. Then, the laser beam multipaths in two planes orthogonal to the z axis, and a regular pentagon connecting the cross points in FIG. 8C can be formed in two layers in the z axis direction, and laser ignition is performed at a total of 10 points. A more reliable ignition is possible and combustion with high robustness can be realized. In this case, for example, as the laser generator 1 '', one that generates a laser beam having a power of 500 W is used, and as the
なお、本実施形態のレーザ点火装置の適用は、所謂スプレーガイドに限定されるものではなく、例えばスイトイキ燃焼に適用されてもよい。 Note that the application of the laser ignition device of the present embodiment is not limited to a so-called spray guide, and may be applied to, for example, switch-to-burn combustion.
(実施形態3)
本発明に係るレーザ点火装置の実施形態3について、図を用いて説明する。図11は、実施形態3に係るエンジンのレーザ点火装置の概略構成図、図12は、図11のA’−A’断面図、図13〜15は、実施形態2の変形態様の概略構成図である。
(Embodiment 3)
実施形態1ではマルチパス手段が壁面41であったが、本実施形態はマルチパス手段が壁面に沿って配設されたミラーである点だけが実施形態1と異なる。
In the first embodiment, the multipath means is the
42が壁面41に沿って配設された4個のミラーで、反射面がz軸に平行な軸の回りに回転制御できるように配設されている。すなわち、4個のミラー42は、所定の位置にクロス点を形成するようにそれぞれ角度を調節した後固定されている。43は、レーザビームを透過する窓である。
本実施形態のレーザ点火装置のマルチパス手段は、シリンダの壁面に沿って配設されたミラーの角度を制御して複数点でクロスさせるので、任意の位置でクロスさせることができる。したがって、燃焼室内の混合気分布や混合気の濃度分布に応じてクロス点を形成することができ、より一層確実な点火を可能とし、ロバスト性の高い燃焼を実現することができる。 Since the multi-pass means of the laser ignition device of the present embodiment controls the angle of the mirror disposed along the wall surface of the cylinder to cross at a plurality of points, it can be crossed at an arbitrary position. Therefore, a cross point can be formed according to the mixture distribution and the concentration distribution of the mixture in the combustion chamber, enabling more reliable ignition and realizing highly robust combustion.
図13に示すように、例えば、強度制御手段2の後に反射面がz軸に平行な軸の回りに回転制御できる角度可変ミラー(入射手段)30を配置して、窓44を介して燃焼室7へのレーザビームL’の入射角を所定の入射角で入射させるようにしてもよい。壁面に沿って配設されたミラー42がなくても角度可変ミラー30を、例えば矢印方向に回転させることで、実線で示すマルチパスを点線で示すマルチパスにすることができ、クロス点(着火点)位置を変えることができる。さらに、レーザビームが入射して反射する壁面に、実施形態3のような反射面がz軸に平行な軸の回りに回転制御できるミラー42を配設してもよい。より一層クロス点位置を任意に変えることができるようになる。
As shown in FIG. 13, for example, a variable angle mirror (incident unit) 30 whose reflection surface can be controlled to rotate around an axis parallel to the z axis is disposed after the
また、図14に示すように、図12に示す実施形態3のレーザ点火装置において、壁面に沿って配設されたミラー42を1個にしてもよい。1個のミラー42を矢印方向に回転させるだけでも、実線で示すマルチパスを点線で示すマルチパスにすることができ、クロス点(着火点)位置を変えることができる。
Moreover, as shown in FIG. 14, in the laser ignition device of
また、図15に示すように、シリンダの壁面にz軸に平行な軸の回りに回転制御できるミラー42を配設し、ミラー42を中心に強度制御手段2を矢印方向に回転させることができる回転ステージ(入射手段)30’を備えるようにしてもよい。回転ステージ30’によるレーザビームL’の入射角の制御とミラー42による反射角の制御を組み合わせることでクロス点位置を任意の位置に設定することができる。
As shown in FIG. 15, a
1、1’、1’’・・・・レーザ発生器
2、2’・・・・・・・・ 強度制御手段
3、3’、3’’・・・・シリンダ壁にあけられた穴(入射手段)
4・・・・・・・・・・ シリンダ
5・・・・・・・・・・ ピストン
6・・・・・・・・・・ シリンダヘッド
7・・・・・・・・・・ 燃焼室
8、8’・・・・・・・ 噴射弁
30・・・・・・・・・・角度可変ミラー(入射手段)
30’・・・・・・・・・回転ステージ(入射手段)
41・・・・・・・・・ 壁面(マルチパス手段)
42・・・・・・・・・ ミラー(マルチパス手段)
L、L’、L”、・・・・レーザビーム
θ、θ1、θ2・・・・・入射角
1, 1 ′, 1 ″...
4 ...
30 '... Rotary stage (incident means)
41 ..... Wall surface (multi-pass means)
42 ········· Mirror
L, L ′, L ″,... Laser beam θ, θ 1 , θ 2 .. Incident angle
Claims (6)
前記レーザビームを前記シリンダの延びる方向(z軸)と直交する面内(x−y平面内)で前記燃焼室内に所定の入射角度で入射させる入射手段と、
前記入射手段で入射される前記レーザビームを前記x−y平面と直交する前記シリンダの壁面で順次反射させて、入射または反射してから次に反射するまでの前記レーザビーム同士を前記x−y平面上の複数点でクロスさせるマルチパス手段と、
前記入射手段で入射される前記レーザビームの強度を前記複数のクロス点でのみ前記燃料が着火燃焼する強度に制御する強度制御手段と
を有することを特徴とするレーザ点火装置。 Cylindrical cylinder, a piston, and the fuel injected from the combustion chamber of the injection valve is formed in the cylinder head, a laser ignition device for igniting the combustion front Symbol fuel shines a laser generator or is Zabimu irradiation And
An incident means for causing the laser beam to enter the combustion chamber at a predetermined incident angle in a plane (in the xy plane) perpendicular to the direction in which the cylinder extends (z axis);
The laser beams incident by the incident means are sequentially reflected by the wall surface of the cylinder orthogonal to the xy plane, and the laser beams from the incident or reflected to the next reflected are xy. Multi-pass means to cross at a plurality of points on the plane;
And intensity control means for the said fuel only the intensity of the laser beam incident at an incident means by the plurality of cross point control the intensity you ignition combustion
The laser ignition device characterized in that it comprises a.
前記レーザビームを前記シリンダの延びる方向(z軸)と直交する面内(x−y平面内)で前記燃焼室内に所定の入射角度で入射させる入射ステップと、
前記入射ステップで入射される前記レーザビームを前記x−y平面と直交する前記シリンダの内壁面で順次反射させて、入射または反射してから次に反射するまでの前記レーザビーム同士を前記x−y平面上の複数点でクロスさせるマルチパスステップと、
前記入射ステップで入射される前記レーザビームの強度を前記複数のクロス点でのみ前記燃料が着火燃焼する強度に制御する強度制御ステップと
を有することを特徴とするレーザ点火方法。 Cylindrical cylinder, a piston, and a laser ignition method for igniting and burning the previous SL fuel a laser generator or is Zabimu irradiation shines the fuel in the combustion chamber formed in the cylinder head,
An incident step of causing the laser beam to enter the combustion chamber at a predetermined incident angle in a plane (in the xy plane) orthogonal to a direction in which the cylinder extends (z axis);
The laser beams incident in the incident step are sequentially reflected on the inner wall surface of the cylinder perpendicular to the xy plane, and the laser beams from the incident or reflected to the next reflected are reflected in the x−. a multi-pass step that crosses at multiple points on the y-plane;
And intensity control step of the said fuel only the intensity of the laser beam which is incident at step by the plurality of cross point control the intensity you ignition combustion
Laser ignition method characterized by having a.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005056277A JP4731952B2 (en) | 2005-03-01 | 2005-03-01 | Laser ignition device and method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005056277A JP4731952B2 (en) | 2005-03-01 | 2005-03-01 | Laser ignition device and method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006242035A JP2006242035A (en) | 2006-09-14 |
JP4731952B2 true JP4731952B2 (en) | 2011-07-27 |
Family
ID=37048696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005056277A Expired - Fee Related JP4731952B2 (en) | 2005-03-01 | 2005-03-01 | Laser ignition device and method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4731952B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120151931A1 (en) * | 2010-12-15 | 2012-06-21 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Distributed Ignition Of Fuels Using Nanoparticles |
JP2011140957A (en) * | 2011-04-14 | 2011-07-21 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Laser multipoint ignition device |
DE102013226119A1 (en) | 2013-02-11 | 2014-08-14 | Robert Bosch Gmbh | laser ignition system |
DE102014202853A1 (en) | 2014-02-17 | 2015-08-20 | Robert Bosch Gmbh | Sensor arrangement for determining at least one parameter of a fluid flowing through a channel |
-
2005
- 2005-03-01 JP JP2005056277A patent/JP4731952B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006242035A (en) | 2006-09-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Morsy | Review and recent developments of laser ignition for internal combustion engines applications | |
JP4740339B2 (en) | Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with a laser ignition device | |
Patane et al. | Multipoint laser ignition system and its applications to IC engines | |
US7036476B2 (en) | Internal combustion engine | |
JP5630765B2 (en) | Laser ignition device | |
JP4731952B2 (en) | Laser ignition device and method | |
JP2012117535A5 (en) | ||
CN101463790A (en) | Laser-ignition unit | |
JP4415269B2 (en) | Laser ignition device for internal combustion engine | |
JP4257420B2 (en) | Laser multi-point ignition system for internal combustion engines | |
JP4772579B2 (en) | Laser multi-point ignition device | |
JP4021954B2 (en) | Engine laser beam injector | |
JP2001263069A (en) | Torch ignition type engine | |
JP4772600B2 (en) | Multi-point output laser ignition system | |
Laichter et al. | Impact of mixture inhomogeneity and ignition location on early flame kernel evolution in a direct-injection hydrogen-fueled heavy-duty optical engine | |
JP3556783B2 (en) | Combustion device for low cetane number engine | |
JP4419788B2 (en) | Laser ignition device for internal combustion engine | |
JP2011256722A (en) | Laser ignition device | |
JP4877751B2 (en) | Laser ignition device | |
CN113777096A (en) | Visual flow tube combustor optics experiment platform based on laser ignition | |
JP4302016B2 (en) | Laser ignition device and laser ignition type engine equipped with the same | |
JP2007303445A (en) | Laser ignition device and laser ignition engine | |
JP2006161612A (en) | Laser ignition type engine with laser beam dividing device | |
JP4942403B2 (en) | Laser ignition device and laser ignition engine | |
JP2011140957A (en) | Laser multipoint ignition device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070403 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20071221 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090818 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091013 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091112 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100128 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20100219 |
|
A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20100312 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110420 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140428 Year of fee payment: 3 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4731952 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140428 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |