JP4772579B2 - レーザ多点着火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のレーザ着火装置に関し、特にガスエンジンなどのシリンダ内の混合ガスをレーザ光により複数位置で着火するように構成したレーザ多点着火装置に関する。

内燃機関については、燃費向上や排気ガス中の有害成分の抑制などを図るため、種々の開発研究が盛んに行われている。
スパークプラグを用いた着火装置は、スパークプラグを燃焼室の壁面に接触して設置するため、また焼き付きを防止するためスパークプラグ自体が放熱しやすく設計されているため、点火時の熱エネルギがプラグ金属部から流出し、特に燃焼初期に十分な着火エネルギを安定して供給することが困難である。

さらに、点火位置が壁面に近いため、燃焼室内における燃料ガスの燃焼が壁に遮られて半球状に拡大するので、燃焼効率が高まらない。
また、通常１個ないし２個のスパークプラグにより燃料点火を行うので、燃焼室内のガスが全て燃焼し尽くすまで所定の時間が必要となり、爆発効果が十分でない。さらに複数のプラグを利用するときには、同時点火が難しく、点火タイミングにずれが生じやすい。

そこで、レーザ光を熱源としてガスに着火させるレーザ着火装置が注目されている。レーザ光であれば、プラグの金属部から熱が逃げることもなく、また、必要に応じて注入するレーザのエネルギを増大することができる。さらに、レーザ光を注入するために必要な穿孔の径は、スパークプラグと比較すると格段に小さい。
また、着火用レーザ光は、半導体レーザやガスレーザを使って電気的に発光させるので点火タイミングの調整が正確にかつ容易に行える。
なお、燃焼率を向上させ燃焼速度を増大して燃費を改善したり、難燃性の希薄ガスを失火や異常燃焼が起きないように燃焼させるためには、燃焼室内に多数の着火点を設けることが好ましい。また、燃焼ムラをなくして燃焼効率を向上させるためには、着火点はできるだけ広い範囲に均等に分散していることが好ましい。

レーザ着火に関しては、たとえば、特許文献１に、燃焼室内にレーザ光を集光してプラズマを発生させて、燃焼室内に噴射された燃料に着火するようにしたレーザ着火式液体燃料エンジンが開示されている。
レーザ着火式エンジンでは、１個の高出力レーザを使用してこれを集光することによりエネルギ密度を上昇させてプラズマ化して着火するため、集光途中に存在するレーザ入射用窓におけるエネルギ密度が過多になり窓が破損する危険が生じる。
開示発明は、ビームスプリッタと反射ミラーを使ってレーザ光を複数の光束に分割してから集光レンズとレーザ入射用窓を通して燃焼室内の燃料あるいはターゲットに照射してプラズマ化させ、燃料に着火させる。すると、レーザ入射用窓を透過するときのレーザ光のエネルギ密度が小さくなるので、窓が破損しない。

ここで、特許文献１には、分割した複数のレーザ光束を互いに交差する光束にして集光し燃料室内に入射させることによって、異なった位置に集光する態様について記載がある。この態様によれば、レーザ光のプラズマ発生領域を増やすことができ、メタノール燃料等の難着火性燃料の着火確率を向上させることができる。なお、通常、燃焼室内では光束同士が交差することはない。
開示方法は、着火の確実性に注目したもので、分割されたレーザ光束の集光位置が互いに比較的近いところに設定されるので、燃料室全体の燃焼状態に基づく燃焼速度や燃焼効率などには影響しない。

また、特許文献２には、レーザ発生源から射出され光ファイバなどで導入されたレーザ光をエキスパンダーレンズで拡大し、集光レンズおよびコリメートレンズで任意の光径の平行光線に整えた後、マイクロレンズアレイを介して燃焼室に導入し集光させる。マイクロレンズアレイは小口径のレンズを集積した形状になっており、照射されたレーザ光はマイクロレンズの個数に応じた複数の光束に分割され、それぞれ燃焼室内で焦点を結んで混合燃料に着火する。
開示装置によれば、多点着火装置の部品点数が顕著に減少し、多数の焦点が生成して着火性を高めるので、ガス燃料を含めた多種類の燃料に対応することができる。

しかし、開示発明では多数の着火点における着火エネルギを１個のレーザ発生装置により賄うようになっているため、現状ではレーザ発生装置は極めて高価にならざるを得ない。
なお、マイクロレンズの焦点距離を選択することにより任意の深さで着火させることができるが、焦点は光学窓の直下に制約され、燃焼室内の広範囲に分散させることができないので、燃焼速度などの調整は困難である。

さらに、特許文献３の実施例には、集光装置を２個用いて、燃焼室内の適宜の２カ所に集光ビームの焦点を結ばせることにより、同時にあるいは適度の時間差を以て燃焼室内の混合気に確実に点火する技術が開示されている。また、この第２の集光装置として、第１の集光装置から入射される集光ビームが焦点を通過して拡大したところに反射鏡を設けて再び燃焼室内に焦点を結ぶようにしたものが記載されている。
以上説明したとおり、これらの文献にはレーザ光によって燃焼室内に複数の着火点を形成してガス燃焼を行わせる技術が記載されている。しかし、着火点の位置を特定してこれらの着火点にレーザエネルギを分配することにより効果を上げる技術事項には言及されていない。
特開平０９−３０３２４４号公報 特開２００５−１４７１０９号公報 特開昭５５−０８１２７２号公報

内燃機関における燃焼速度を上昇させ燃焼効率を向上させるためには、燃焼室内に複数の着火点を形成するだけでなく、複数の着火点の分布と着火のタイミングに配慮することが好ましい。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、レーザ装置を用いて燃焼室の空間中の適切な位置に複数の着火点が生成するようにして、燃焼の均質性や燃焼効率を向上させた内燃機関のレーザ多点着火装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明のレーザ多点着火装置は、内燃機関の燃焼室シリンダ側壁に室内に向かってレーザ光が射出されるレーザ入射端を設け、該燃焼室シリンダ側壁部分に該レーザ入射端から放射されるレーザ光を集光する複数の反射鏡を設けて、レーザ集光点においてレーザ光エネルギにより燃料ガスに着火させるようにしたレーザ多点着火装置である。

内燃機関の燃焼室内に同じ半径を有する複数の球体を充填することを想定し、シリンダ側壁に設けたレーザ入射端と充填した球体のそれぞれの中心を順に２個ずつ取って２個の焦点とする複数の回転楕円体を想定し、各回転楕円体についてレーザ光が照射する部分の反射面をシリンダの内側に形成すると共に、所期の位置にレーザ入射端を設けたことを特徴とする。ここで想定した球体は、ある時刻における燃焼領域に対応することになる。

このような配置をすることによって、各球体の中心に当たる位置にレーザ光の焦点を形成して燃料ガスに着火し、互いに接する球体の表面までの燃焼時間がほぼ等しいので、燃焼室内における燃焼速度を最速にする。レーザ光による着火は同時に行われるため、燃焼室内の燃焼状態にムラができにくい。
本発明により、レーザを効率的に利用することができ、またレーザ挿入窓は１個あれば足りるので構造が単純になり、コストが低減する。

１個のレーザ光で複数着火する場合は後になるほどレーザ出力が減衰するので、全ての着火点で安定な着火を行うためには着火点をあまり増やすことができない。
そこで、出射光の放射方向を瞬時に変化させることができる電気光学素子を用いることにより、各球体中心と出射端をそれぞれ焦点とする回転楕円体を想定してレーザ照射部分にその反射面を形成するようにしてもよい。
なお、レーザ光が平行光に近い場合は、反射鏡はレーザ光の光軸を軸とし着火点を焦点とする回転放物面とすることが好ましい。このように、レーザ光の性質に基づいて最適な反射鏡形状を選択することができる。
なお、電気光学素子による出射方向の切り替えは、現状では数ｎｍ以下で実行できるものがあるので、実質的に同時着火を達成することができる。

このように、レーザ光の放射方向を切り替える方法を採用することにより、着火点におけるレーザエネルギの低下が少なく確実に点火することができる。
また、球体同士の位置関係に関わらず、レーザ入射端と各球体焦点の位置だけを使って各反射鏡を設計することは、装置の簡便性を向上させ構造的な堅牢性を向上させる効果がある。さらに、電気光学素子を用いてレーザ光を分配することにより、多数のレーザ発生装置およびレーザ入射端を使うことを避けて経済的に装置を構成することができる。

なお、電気光学素子により分配されたレーザ光をそれぞれ単一の着火点で集光して利用するのではなく、２個以上の球体中心で集光して着火点とすることも可能である。
また、最密充填する球体は２段以上あってもよいことはいうまでもない。この場合は、レーザ入射端を段ごとに設けることが装置構成上簡単である。なお、球体の充填方法は最密充填が好ましいが、最密でなくてもそれに対応するほぼ同等の効果が得られる。

本発明のレーザ着火装置は、レーザの光路を選択することにより、単数あるいは複数の任意の位置で着火させることができる。着火点は燃焼室に充填した球体の中心位置にあるため、壁からは十分離れており互いの着火点同士もほぼ等距離にあるので燃焼速度にムラが生じたりしないで、燃焼機構は単純になる。また、着火タイミングはレーザ照射時刻で決るので、電気的手段を用いて容易に調整することができる。したがって、より効率の良い燃焼ができるようにすることが可能である。

また、本発明のレーザ着火装置は、点火プラグを用いないことから、着火部から熱が燃焼室の壁を伝って逃げて着火点における温度が低下したり、燃焼の進行が妨げられることがない。
本発明は、特に燃料の希薄な条件での運転に対して有効である。また、エンジンの主燃焼部のみならず、副室においても燃料の希薄な運転に対して有効であることはいうまでもない。

以下、図面を用いて、本発明のレーザ多点着火装置の最良の形態を実施例にしたがって詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例に係るレーザ多点着火装置の構成を模式的に示した透視図、図２は第１実施例を適用した燃焼室における着火点と反射鏡の配置関係を模式的に示した平面図、図３は第１実施例の反射鏡の機能を説明する図面、図４は本発明の第２実施例にかかるレーザ多点着火装置の着火点と反射鏡の配置関係を模式的に示した平面図、図５は本発明の第３実施例にかかるレーザ多点着火装置の着火点と反射鏡の配置関係を模式的に示した平面図である。

本発明の第１実施例にかかるレーザ多点着火装置は、図１に示すように、内燃機関のシリンダ１とピストン２により形成される燃焼室３の側壁にレーザ入射装置４を設けて、燃焼室３にレーザ光を射入して複数の着火点５を形成して、燃料室３に充填した燃料ガスに点火するレーザ多点着火装置である。
本実施例のレーザ多点着火装置は、着火時にシリンダ１とピストン２により形成される燃焼室３に内包され互いに接する複数の球体６を想定し、その球体の中心５が着火点となるようにレーザ光の光路を形成させる。
球体中心５は燃焼室３のほぼ中間の高さに相互に等間隔をおいて配置されることになる。

燃料ガスに着火した後の燃焼はあらゆる方向にほぼ等速で進行するので、燃焼部分は球形に広がる。上記想定した球体６は、ある時刻における燃焼領域を表す。球体の中心５で着火すれば燃焼領域がほぼ同じ速度で広がって、ある時刻において隣同士の燃焼領域が接触するに至る。したがって、互いに接する半径ｒの等しい球体６が充填されるような燃焼室３の空間は、多点ある着火点５ごとの燃焼領域がほぼ等しいので、均等にかつ効率的に燃焼する。

図２は、燃焼室内のレーザ光の軌跡と反射鏡と着火点の関係を示す平面図である。
シリンダＣｙの内側に向けてレーザ光を放出するレーザ入射装置Ｒが設けられ、シリンダＣｙの内壁に沿った位置に反射鏡Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が設けられる。レーザ光は、レーザ入射装置Ｒ内の１点から狭い放射角内で放射状に放出され、反射鏡Ｍ１により焦点Ｏ１に集光し、焦点を通過後に広がって次の反射鏡Ｍ２に入射し反射して２番目の焦点Ｏ２に集光し、さらに３番目の反射鏡Ｍ３で反射して３番目の焦点Ｏ３に集光する。
焦点Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３はそれぞれ着火点５となる。

このように複数の焦点を直列的に連結するレーザビームの軌跡を形成する実際の光学系として、回転楕円体の性質を応用した反射鏡を利用することができる。
回転楕円体Ｅは２個の焦点Ｆ，Ｆ’を有するが、焦点を結ぶ直線を回転軸として形成された回転楕円体の表面裏側を反射面Ｍとすると、一方の焦点Ｆから放出される光は反射面Ｍで反射して他方の焦点Ｆ’を通るという性質がある。

そこで、図３に示すように、レーザ入射装置４の位置を一方の焦点Ｆ１とし第１の着火点５を他方の焦点Ｆ１’とした楕円を２つの焦点を結ぶ直線Ｆ１−Ｆ１’の周りに回転して形成される初めの回転楕円体Ｅ１を想定する。そして、レーザ入射装置４から放射されるレーザ光が当たる回転楕円体Ｅ１の裏側表面部分に回転楕円体の表面形状通りの反射鏡を形成する。すると、レーザ入射装置Ｒから照射されたレーザ光は第１の着火点５に焦点を形成する。

さらに、第１の着火点５を一方の焦点Ｆ２、第２の着火点５’を他方の焦点Ｆ２’、直線Ｆ２−Ｆ２’を回転軸とした第２の回転楕円体Ｅ２を想定して、上記第１の着火点５’を通過したレーザ光が当たる回転楕円体表面に反射鏡Ｍ２を設けると、第１の着火点を通過したレーザ光は反射鏡Ｍ２で反射し収束して第２の着火点５’に焦点を結ぶ。
さらに多数の着火点がある場合にも、同様に回転楕円体を想定して適合する反射鏡を設けることにより、順次レーザ光の焦点を着火点に形成することができる。

なお、反射鏡７はシリンダ内壁に取り付けて固定してもよく、またシリンダ内壁を加工し磨き上げて形成してもよい。いずれにしても、反射鏡７はできるだけシリンダ側面に近い位置に配置することが好ましい。このため、入射するレーザ光の延長がシリンダの輪郭と交わる位置の近傍に回転楕円体の表面があるような回転楕円体を想定することが好ましい。
また、図面等には、３個の仮想球体６が互いに接するように配置した場合が記載されているが、球体の数に制約がないことは勿論である。また、球体は単層に配置されているが、複層に重なるように配置されていてもよいことはいうまでもない。

図４は、本発明の第２の実施例に係るレーザ多点着火装置の反射鏡と着火点の関係を説明する平面図である。
第２実施例では、電気光学素子８を用いて燃焼室３にレーザ光を入射する。ここで用いる電気光学素子８は、素子に入射したレーザ光を印加電圧に従って出射角を切り替えて放出する機能を有する。現在では、射出角を数１０ｎｓで切り替えることが可能である。
電気光学素子８を介して入射するレーザ光は、壁面に設置される複数の反射鏡９に向かうように設定された方向に順次切り替えられる。
反射鏡９は、入射レーザ光の性状に従って、回転楕円体面、回転放物体面、非線形面などの凹面鏡を選択し、光軸を適宜な方向に向けて設置される。反射鏡９に入射したレーザ光は、反射して収束し、それぞれの着火点５に焦点を結んで、燃焼室内の燃料ガスに点火する。

第１実施例に係る多点着火装置では、焦点を形成して燃料ガスに着火する度にエネルギを減じていくため、後ろの着火点では点火しにくくなる場合があるので、全ての着火点で確実に着火するようにすることが難しい。また、１本のレーザ光を順次全ての着火点に導くため高い光学的精密度を要求され、爆発現象を繰り返す燃焼室内で安定した着火現象を確保することが難しい。
これに対して、第２実施例に係る多点着火装置は、着火点ごとに独立した光学系を備えるようにして、エンジン設計を容易化し、堅牢で確実な構造にしたものである。第２実施例に係る多点着火装置は、電気光学素子を利用するため、着火点ごとに独立の光学系を使用して多点着火をさせるにもかかわらず、燃焼室３に１個のレーザ導入孔を設けることで足りる。

図５は、本発明の第３の実施例に係るレーザ多点着火装置の反射鏡と着火点の関係を説明する平面図である。
第３実施例でも、第２実施例と同様に電気光学素子８を用いて燃焼室３にレーザ光を入射するが、電気光学素子８を介して順次切り替えて壁面に設置された反射鏡９に向かうレーザ光は、それぞれ反射して収束し初めの着火点５で焦点を結んだ後に、残った光エネルギを保持するレーザ光がその着火点を通過して別の反射鏡１０に入射して反射し収束して次の着火点５’で焦点を結ぶように配置される。このように、１本のレーザ光が照射方向を順次切り替えて放射され、その照射方向ごとに複数の位置で焦点を結んで燃料ガスに着火するようになっている。

第１実施例では全ての着火点を直列に連結して単一のレーザ光で着火するのに対して、第２実施例では着火点ごとにレーザ光の出射角を切り替えて焦点を形成して着火する。第３実施例のレーザ多点着火装置は、第１実施例と第２実施例の中間的な構成で、レーザ光の出射角を切り替えて順次照射するレーザ光１本ごとに複数の着火点を形成するようにしたものである。
着火用レーザ光は着火点を順次通過するごとにエネルギを消耗するので、レーザ出力に対して着火が不安定にならない着火点の数だけ直列結合した光学系を、必要な数だけ配置して、電気光学素子によりレーザ光を切り替えて、多点着火させる。第３実施例によれば、レーザ光の分岐数をより少なく抑えることができるので、電気光学素子の構造が簡単になり、装置がより堅牢になる。

なお、上記各実施例において、燃焼室３に充填される複数の内接球体６は図１に表されたような単層に限らず、球体の径を小さくして複数の層に重畳するようにして多数の着火点５で点火するようにしてもよい。この場合、各層ごとにレーザ入射端を備えるようにする。また、球体６を最密充填するように配置すると、特に燃焼速度が上がり燃焼効率の向上を図ることができる。

本発明の１実施例に係るレーザ多点着火装置の構成を模式的に示した透視図である。 第１実施例を適用した燃焼室における着火点と反射鏡の配置関係を模式的に示した平面図である。 第１実施例の反射鏡の機能を説明する図面である。 本発明の第２実施例にかかるレーザ多点着火装置の着火点と反射鏡の配置関係を模式的に示した平面図である。 本発明の第３実施例にかかるレーザ多点着火装置の着火点と反射鏡の配置関係を模式的に示した平面図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ ピストン
３ 燃焼室
４ レーザ入射装置
５，５’ 着火点
６ 球体
７ 反射鏡
８ 電気光学素子
９ 反射鏡
１０ 反射鏡

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダとピストンにより形成される燃焼室にレーザ光を入射させて前記燃焼室に充填した燃料ガスに点火させるレーザ多点着火装置であって、
   前記燃焼室の側壁に設けられ、レーザ光を出射するレーザ入射端と、
   前記シリンダの内壁に沿った位置に設けられ、前記レーザ入射端から入射する前記レーザ光を反射して前記燃焼室内の第１着火点に集光する第１反射鏡と、
   前記シリンダの内壁に沿った位置に設けられ、前記第１着火点を通過した前記レーザ光を反射して前記燃焼室内の第２着火点に集光する第２反射鏡とを備え、
   前記第１反射鏡が、前記レーザ入射端の位置と前記第１着火点の位置を焦点とする第１の仮想回転楕円体の表面位置に配置され、
   前記第２反射鏡が、前記第１着火点の位置と前記第２着火点の位置を焦点とする第２の仮想回転楕円体の表面位置に配置される、レーザ多点着火装置。
2. 前記シリンダの内壁に沿った位置に設けられ、前記第２着火点を通過した前記レーザ光を反射して前記燃焼室内の第３着火点に集光する第３反射鏡をさらに備え、
   前記第３反射鏡が、前記第２着火点の位置と前記第３着火点の位置を焦点とする第３の仮想回転楕円体の表面位置に配置される、請求項１記載のレーザ多点着火装置。
3. 前記第１着火点と前記第２着火点と前記第３着火点とが、前記燃焼室に充填配置されるほぼ同一半径を有する３つの仮想球体それぞれの中心位置に配置される、請求項２記載のレーザ多点着火装置。

Images