JP4772600B2 - Multi-point output laser ignition system - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光により内燃機関、主としてガス燃焼エンジンの多点着火を行うために使用する多点出力レーザ着火装置に関する。   The present invention relates to a multipoint output laser ignition device used for performing multipoint ignition of an internal combustion engine, mainly a gas combustion engine, with a laser beam.

ガス燃焼エンジンにおいては、燃費の向上とNOx発生量の抑制のために、混合燃料の燃料混合比率を低下させ、燃料ガスをより希薄にして豊富な空気の中で燃焼させる要求がある。しかし、希薄混合ガスは着火性が悪く、従来のスパークプラグによる着火では十分な着火性能が得られず、失火やノッキングなどの異常燃焼が起こるため、燃料の希薄化に限度があった。   In a gas combustion engine, in order to improve fuel consumption and suppress NOx generation amount, there is a demand to reduce the fuel mixture ratio of the mixed fuel and make the fuel gas more lean and burn in abundant air. However, the lean mixed gas has poor ignitability, and the ignition by the conventional spark plug does not provide sufficient ignition performance, and abnormal combustion such as misfiring and knocking occurs, which limits the dilution of fuel.

スパークプラグが燃焼室の壁面付近に存在せざるを得ないため、スパークプラグから燃料に点火しても、燃焼初期のエネルギーが冷たい壁面に吸収され、燃焼を継続させるエネルギーを維持できないことが失火や異常燃焼の原因になっている。また、スパークプラグの焼け付きを防止するため、スパークプラグ自体が燃焼室外に放熱する設計になっているため、スパークプラグによっても火炎が冷却され、失火を引き起こす一因になっている。   Because the spark plug must be near the wall of the combustion chamber, even if the fuel is ignited from the spark plug, the initial energy of the combustion is absorbed by the cold wall and it is not possible to maintain the energy to continue combustion. It causes abnormal combustion. In addition, since the spark plug itself is designed to dissipate heat to the outside of the combustion chamber in order to prevent the spark plug from being burned in, the flame is also cooled by the spark plug, causing a misfire.

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、かつ燃焼率および燃焼速度を向上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望ましい。しかし、スパークプラグによる着火では、スパークプラグの配置位置に制限があるため、着火点が1点もしくは2点に限られ、多点から同時に燃焼を開始させることができなかった。   In order to burn a flame-retardant rare gas so that misfire or abnormal combustion does not occur, and to improve the combustion rate and combustion speed, it is desirable to provide a large number of ignition points in the combustion chamber. However, in the ignition by the spark plug, since the arrangement position of the spark plug is limited, the ignition point is limited to one point or two points, and combustion cannot be started simultaneously from multiple points.

そこで、燃焼内の壁面から離れた複数の着火点に点火する方法として、燃焼室内に導入したレーザ光のエネルギーを燃料ガスに吸収させて着火するレーザ着火装置を応用する技術が考えられる。しかし、実用化するためには、高出力レーザを伝搬させる方法やエンジン付近で多数に分配する方法などの技術開発が必要とされる。   Therefore, as a method of igniting a plurality of ignition points distant from the wall surface in the combustion, a technique of applying a laser ignition device that ignites by absorbing the energy of laser light introduced into the combustion chamber into the fuel gas can be considered. However, in order to put it into practical use, it is necessary to develop technologies such as a method of propagating a high-power laser and a method of distributing a large number near the engine.

たとえば特許文献1には、レーザ光を燃焼室内に導入する光学窓にマイクロレンズを集積したフライアイ型のレンズを設置し、光学窓に照射されるレーザ光を複数の光束に分割して燃焼室内の複数の点に焦点を結ばせるようにしたレーザ式多点着火装置が開示されている。   For example, in Patent Document 1, a fly-eye type lens in which microlenses are integrated in an optical window that introduces laser light into a combustion chamber is installed, and the laser light irradiated to the optical window is divided into a plurality of light beams. A laser-type multi-point ignition device is disclosed in which a plurality of points are focused.

特許文献1に開示されたレーザ式多点着火装置は、図6に示すように、1個のレーザ発生源から光ファイバーで導光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タレンズで所定の径を持つ平行光線に整えた後、マイクロレンズアレイに照射している。マイクロレンズアレイは小口径のマイクロ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、それぞれ燃焼室内に焦点を結び、混合燃料に多点着火する。   As shown in FIG. 6, the laser-type multipoint ignition device disclosed in Patent Document 1 expands a laser beam guided by an optical fiber from one laser generation source with an expander lens, and collects a condensing lens and a collimator lens. Then, the microlens array is irradiated with the collimated light having a predetermined diameter. The microlens array has a shape in which small-diameter microlenses are integrated, and the irradiated laser light is divided into a plurality of light beams corresponding to the number of microlenses, and each focuses on the combustion chamber to produce mixed fuel. Multipoint ignition.

特許文献1に開示された発明によれば、マイクロレンズの焦点距離を適宜選択することにより燃焼室内の任意の深度の点に着火させることができるため、燃焼エネルギーが燃焼室の壁面等に吸収されることが無く、燃焼を確実に維持することができる。さらに、一つの光学窓から多点に着火することができるため、着火性を向上させることができる。   According to the invention disclosed in Patent Document 1, a point at an arbitrary depth in the combustion chamber can be ignited by appropriately selecting the focal length of the microlens, so that the combustion energy is absorbed by the wall surface of the combustion chamber. And combustion can be reliably maintained. Furthermore, since multiple points can be ignited from one optical window, the ignitability can be improved.

しかし、開示発明では、高出力レーザを光ファイバで導き、コリメートした上でマイクロレンズアレイで複数の光束に分割してそれぞれ収束させて焦点を形成させる。したがって、高い品質を備えた光学素子が必要となり、システム全体としても精密で高価な装置になる問題があった。
また、1個の高出力レーザを分割する代わりに、多数のレーザ光源を設けてそれぞれ独立に着火するようにしてもよいが、この場合には多数のシステムを必要とし設備価額も高価になり、実用化には困難がある。
特開2005−147109号公報
However, in the disclosed invention, a high-power laser is guided by an optical fiber, collimated, divided into a plurality of light beams by a microlens array, and converged to form a focal point. Therefore, an optical element having high quality is required, and there is a problem that the entire system becomes a precise and expensive device.
In addition, instead of dividing one high-power laser, a plurality of laser light sources may be provided to ignite each independently. In this case, a large number of systems are required, and the equipment cost is also expensive. There are difficulties in practical application.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-147109

そこで、本発明が解決しようとする課題は、単体のレーザ共振器を用いて構成されレーザ分割装置を用いない新しい多点出力レーザ着火装置を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a new multi-point output laser ignition device that is configured using a single laser resonator and does not use a laser splitting device.

上記課題を解決するため、本発明の多点出力レーザ着火装置は、反射鏡と複数の出力孔を設けた出力鏡でなる1対の共振鏡でレーザ媒質を挟んで形成したレーザ共振器と、このレーザ共振器から出力される複数の出力レーザごとに収束光学系を備えたことを特徴とする。
出力孔は出力鏡の一部に設けた反射率の小さな部分をいう。出力レーザはこの出力孔を透過して出力してくる。
In order to solve the above problems, a multipoint output laser ignition device of the present invention includes a laser resonator formed by sandwiching a laser medium with a pair of resonance mirrors including a reflection mirror and an output mirror provided with a plurality of output holes, A convergence optical system is provided for each of a plurality of output lasers output from the laser resonator.
The output hole is a portion having a small reflectance provided in a part of the output mirror. The output laser is transmitted through this output hole.

本発明の多点出力レーザ着火装置は、レーザ共振器の出力鏡に出力孔が複数設けられていて、同時に複数のレーザ光が放出される。このレーザ光はマイクロレンズなどの収束光学系により1本ずつ収束して、エンジンの燃焼室内のそれぞれ異なる適当な位置に集光する。それぞれ異なる位置に集光したレーザ光は集光点で燃焼室内に充満した混合気にエネルギーを渡して高温を発生し、混合気に多点着火する。複数のレーザ光が燃焼室内に分布した多点で燃料ガスに着火させるので、燃焼が一挙に進行し燃焼室における燃焼時間は短縮してエンジンの出力は向上する。
本発明の多点出力レーザ着火装置では、単体のレーザ発生装置から多数のレーザ光が直接に出力されるため、精密で製作と取り扱いが難しいレーザ分割装置を使う必要がない。また、複数のレーザ発生装置を同期運転させる必要もない。
In the multipoint output laser ignition device of the present invention, a plurality of output holes are provided in the output mirror of the laser resonator, and a plurality of laser beams are emitted simultaneously. The laser beams are converged one by one by a converging optical system such as a microlens and condensed at different appropriate positions in the combustion chamber of the engine. The laser beams condensed at different positions pass energy to the air-fuel mixture filled in the combustion chamber at the condensing point to generate a high temperature and ignite the air-fuel mixture at multiple points. Since the fuel gas is ignited at multiple points where a plurality of laser beams are distributed in the combustion chamber, the combustion proceeds at once, the combustion time in the combustion chamber is shortened, and the output of the engine is improved.
In the multipoint output laser ignition device of the present invention, since a large number of laser beams are directly output from a single laser generator, it is not necessary to use a laser dividing device that is difficult to manufacture and handle precisely. In addition, there is no need to operate a plurality of laser generators synchronously.

出力鏡における光の強度分布がガウス分布を呈する場合では、出力孔は出力鏡の中心を中心とする同心円上に配置されることが好ましい。
凹面鏡と凹面鏡を組み合わせた通常の共振器は、発振を安定化するため、反射鏡と出力鏡における光強度分布を中心軸を頂点とする正規分布になるように構成される。このような光強度分布を有するときは、出力孔の中心軸からの距離が等しければ出力光の強度も等しくなるので、中心軸を中心とする同心円上に出力孔を配置することがよい。
When the intensity distribution of light in the output mirror exhibits a Gaussian distribution, the output holes are preferably arranged on concentric circles centered on the center of the output mirror.
A normal resonator combining a concave mirror and a concave mirror is configured so that the light intensity distribution in the reflecting mirror and the output mirror has a normal distribution with the central axis as a vertex in order to stabilize oscillation. When having such a light intensity distribution, if the distance from the central axis of the output hole is equal, the intensity of the output light will be equal. Therefore, it is preferable to arrange the output hole on a concentric circle centered on the central axis.

レーザ共振器から出力される複数の出力レーザの光軸を互いに平行になるようにするコリメータレンズを備えてもよい。
レーザ共振器から出力される出力レーザの光軸同士を平行にするコリメータレンズは、たとえば平凸レンズを用いて構成することができる。コリメータレンズにより、複数の出力レーザの光軸を平行化すると、レーザ共振器と収束光学系の距離が変化しても同じ収束光学系で集光することができるので、適用対象のエンジンに合わせて容易に着火装置の寸法を調整することができる。
You may provide the collimator lens which makes the optical axis of the some output laser output from a laser resonator become mutually parallel.
The collimator lens that parallels the optical axes of the output lasers output from the laser resonator can be configured using, for example, a plano-convex lens. By collimating the optical axes of multiple output lasers with a collimator lens, the same converging optical system can be focused even if the distance between the laser resonator and the converging optical system changes. The size of the ignition device can be easily adjusted.

また、レーザ共振器は、反射鏡と出力鏡が凸面鏡と凸面鏡の組み合わせになる不安定共振器であってもよい。この場合は、出力鏡面における光強度が均一化するので、複数の出力孔から得られる出力レーザの強度がほぼ等しくなる。また、不安定共振器では、中心軸から外れた位置に設けられた出力孔から放出されるレーザ光も、中心軸にほぼ平行な光軸を有するので、レーザ光軸を平行化するコリメータレンズを省略してより小型・簡便なレーザ着火装置を得ることができる。   The laser resonator may be an unstable resonator in which the reflecting mirror and the output mirror are a combination of a convex mirror and a convex mirror. In this case, since the light intensity on the output mirror surface becomes uniform, the intensity of the output laser obtained from the plurality of output holes becomes substantially equal. In an unstable resonator, the laser light emitted from the output hole provided at a position off the central axis also has an optical axis substantially parallel to the central axis. Therefore, a collimator lens for collimating the laser optical axis is used. By omitting, a more compact and simple laser ignition device can be obtained.

収束光学系はマイクロレンズで形成することが好ましい。
各出力レーザ毎に必要な収束光学系は径が数mm以下のマイクロレンズで形成することができる。マイクロレンズは、1枚の基板上に必要な数の必要な形状のレンズを形成することができ、このようなマイクロレンズ板を用いれば、レーザ着火装置は極めてコンパクトに製作することができる。
The converging optical system is preferably formed of a microlens.
The converging optical system required for each output laser can be formed by a microlens having a diameter of several millimeters or less. The microlens can form a necessary number of lenses having a required shape on a single substrate. By using such a microlens plate, the laser ignition device can be manufactured extremely compactly.

また、収束光となった出力レーザの出力面に透明保護板を設けて、エンジンに装着して使用するときに、爆発圧力が着火装置内部の光学系を破損しないように、また、燃焼残滓が収束光学系を汚さないように保護することが好ましい。透明保護板は、たとえば石英ガラスの厚板などを利用することができる。
本発明の多点出力レーザ着火装置は、レーザ発生装置とマイクロレンズなどの光学系を一体化した小型のユニットの形で構成させることができる。
In addition, a transparent protective plate is provided on the output surface of the output laser that has become the convergent light so that the explosion pressure does not damage the optical system inside the ignition device when it is mounted on an engine and the combustion residue remains. It is preferable to protect the converging optical system from being contaminated. As the transparent protective plate, for example, a thick plate of quartz glass can be used.
The multipoint output laser ignition device of the present invention can be configured in the form of a small unit in which a laser generator and an optical system such as a microlens are integrated.

本発明の多点出力レーザ着火装置をエンジンに適用すれば、レーザ発生装置から直接複数のレーザビームを発生させて燃焼室内の多点から混合気に着火することができるため、燃焼効率が良く失火や異常燃焼が少ない運転ができる。
また、本発明の多点出力レーザ着火装置を備えたレーザ多点着火式エンジンでは、着火性の悪い希薄混合気でも確実に燃焼させることができるため、低燃費、低NOx排出量のエンジンを提供することができる。
If the multipoint output laser ignition device of the present invention is applied to an engine, a plurality of laser beams can be directly generated from the laser generator and the mixture can be ignited from multiple points in the combustion chamber. And operation with less abnormal combustion.
Further, the laser multipoint ignition type engine equipped with the multipoint output laser ignition device of the present invention can reliably burn even a lean air-fuel mixture with poor ignitability, thus providing an engine with low fuel consumption and low NOx emissions. can do.

以下、図面を用いて、本発明の多点出力レーザ着火装置およびレーザ多点着火式エンジンを詳細に説明する。   Hereinafter, the multipoint output laser ignition device and the laser multipoint ignition engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の1実施例における多点出力レーザ着火装置の概略断面図、図2は出力鏡における出力孔の配置例を示す概念図、図3はレーザ共振器以降の光学系を簡略化できる構成を説明する概念図、図4はレーザ共振器の別例を示す概念図、図5は多点出力レーザ着火装置をエンジンの燃焼室に取り付けたところを示す概念的な斜視図である。
なお、図6は従来技術を説明する断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a multi-point output laser ignition device in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of arrangement of output holes in an output mirror, and FIG. 3 is a simplified optical system after a laser resonator. FIG. 4 is a conceptual diagram showing another example of a laser resonator, and FIG. 5 is a conceptual perspective view showing a multi-point output laser ignition device attached to an engine combustion chamber.
FIG. 6 is a sectional view for explaining the prior art.

多点出力レーザ着火装置1は、レーザ媒質11を挟んで対向する出力鏡12と反射鏡13と平凸レンズ15、凸レンズのマイクロレンズ16、保護用の透明板17とから構成され、エンジンシリンダの燃焼室3の壁に取り付けて使用する。   The multipoint output laser ignition device 1 includes an output mirror 12, a reflecting mirror 13, a planoconvex lens 15, a convex microlens 16, and a protective transparent plate 17 that are opposed to each other with a laser medium 11 interposed therebetween. Used by attaching to the wall of the chamber 3.

レーザ媒質11は誘導放出によって光を増幅する物質である。出力鏡12と反射鏡13はファブリペロー共振器を構成し、光を帰還して発振の電力条件と周波数条件を満足させるように調整されている。
出力鏡12には、複数の出力孔14が設けられている。出力孔14は、光透過率が高い部分で、レーザ光が出射する孔である。レーザ光は、出力鏡の反射面に対して垂直の方向に放出される。
The laser medium 11 is a substance that amplifies light by stimulated emission. The output mirror 12 and the reflecting mirror 13 constitute a Fabry-Perot resonator, and are adjusted so that light is fed back and the oscillation power condition and frequency condition are satisfied.
The output mirror 12 is provided with a plurality of output holes 14. The output hole 14 is a part where the light transmittance is high, and is a hole through which laser light is emitted. The laser light is emitted in a direction perpendicular to the reflecting surface of the output mirror.

そこで、平凸レンズ15を設けて出力レーザを平行化した後にマイクロレンズ16で収束させる。収束光は、透明保護板17を透過して、所定距離の位置で焦点31を形成する。
出力レーザが平凸レンズ15を透過した後に平行になると、レーザ共振器の出力鏡12とマイクロレンズ16の距離を適当に調整することができるので、多点出力レーザ着火装置1を適用するエンジンに合わせて装置の長さを調整することができる。
Therefore, the plano-convex lens 15 is provided to collimate the output laser, and then converged by the microlens 16. The convergent light passes through the transparent protective plate 17 and forms a focal point 31 at a predetermined distance.
When the output laser passes through the plano-convex lens 15 and becomes parallel, the distance between the output mirror 12 of the laser resonator and the microlens 16 can be adjusted appropriately, so that it matches the engine to which the multipoint output laser ignition device 1 is applied. The length of the device can be adjusted.

マイクロレンズ16は、径が数mm以下の凸レンズとして形成されたもので、1枚の基板上に出力レーザの数だけ形成したマイクロレンズ板を用いることができる。
また、保護用の透明板17は収束するレーザ光をよく透過する材質で、燃焼室3における圧力変化に耐えられるように設計された、たとえば石英ガラス製の厚板などが利用される。
The microlens 16 is formed as a convex lens having a diameter of several millimeters or less, and a microlens plate formed by the number of output lasers on a single substrate can be used.
Further, the protective transparent plate 17 is made of a material that transmits a convergent laser beam well, and a thick plate made of, for example, quartz glass designed to withstand pressure changes in the combustion chamber 3 is used.

焦点31は、多点出力レーザ着火装置1を燃焼室3の壁に取り付けたときに、壁から適当に離れて燃料ガスに効率的に着火するような位置に形成される。
また、多数の出力レーザ毎に結ばれる焦点31同士は適度に離れていて、着火後にそれぞれ独立的に燃焼が進行するようにすることが好ましい。好ましくは、燃焼室3内の容積を出力レーザの数と同じ数の互いに接する球体に分割して、その球体の中心位置に焦点を分配するように配置する。このような配置を取ることにより、燃焼室3内における燃焼速度が最も短縮されることになる。
The focal point 31 is formed at a position where when the multipoint output laser ignition device 1 is attached to the wall of the combustion chamber 3, the fuel gas is effectively ignited at an appropriate distance from the wall.
Further, it is preferable that the focal points 31 connected for each of a large number of output lasers are appropriately separated from each other so that combustion proceeds independently after ignition. Preferably, the volume in the combustion chamber 3 is divided into the same number of spheres that are in contact with each other as many as the number of output lasers, and the focal point is distributed to the center position of the spheres. By taking such an arrangement, the combustion speed in the combustion chamber 3 is most shortened.

なお、レーザ着火装置の径が小さいときは、焦点を適当な広い範囲に配置するために、マイクロレンズ16の後にプリズムなど屈折によって個々のレーザ光の光路を外側に向ける光屈折素子を設けてもよい。
また、光屈折素子を出力レーザの数だけ形成した1枚の基板として提供することができる。
When the diameter of the laser ignition device is small, in order to place the focal point in an appropriate wide range, a photorefractive element that directs the optical path of each laser beam to the outside by refraction, such as a prism, may be provided after the microlens 16. Good.
In addition, the photorefractive element can be provided as a single substrate formed by the number of output lasers.

ファブリペロー共振器の反射鏡と出力鏡の組み合わせは、凹面−凹面、平面−平面、平面−凹面、凸面−凹面、凸面−凸面のいずれも選択することができる。
図1に表示した凹面−凹面の構成では、共振器内の光18が中心で細く両端で広がるようになり、軸に垂直な面内での光の強度がガウス分布をするので、安定な共振を比較的に容易に実現することができる。また、出力鏡12における光強度がガウス分布になるので、出力孔14が出力鏡の中心に近いほど出力レーザの強度が大きい。
As the combination of the reflecting mirror and the output mirror of the Fabry-Perot resonator, any of concave-concave, planar-planar, planar-concave, convex-concave, convex-convex can be selected.
In the concave-concave configuration shown in FIG. 1, the light 18 in the resonator is thin at the center and spreads at both ends, and the intensity of the light in the plane perpendicular to the axis has a Gaussian distribution. Can be realized relatively easily. Further, since the light intensity at the output mirror 12 has a Gaussian distribution, the closer the output hole 14 is to the center of the output mirror, the greater the intensity of the output laser.

燃料ガスの点火エネルギーはガス成分、ガス濃度、酸素濃度などにしたがって決まるので、多点着火をするときには、点毎にほぼ同じエネルギーになることが要求される。このため、出力孔14は、図2に示したように、出力鏡12の中心Oを中心とする同心円C上に配置することが好ましい。   Since the ignition energy of the fuel gas is determined according to the gas component, gas concentration, oxygen concentration, etc., when performing multi-point ignition, it is required that the energy is substantially the same for each point. For this reason, the output hole 14 is preferably disposed on a concentric circle C centered on the center O of the output mirror 12 as shown in FIG.

なお、図3は、レーザ光の光軸を平行化しないで、出力レーザの放出方向が凹面鏡の法線方向になることを利用して、その方向を保存したまま光軸上にマイクロレンズ16を設けた構成を示した略図である。
このような構成では、レーザ共振器の出力鏡12をエンジンの燃焼室3に極めて近付けることになるが、コリメータレンズ15を要せず低コストのレーザ着火装置となる。
Note that FIG. 3 shows that the output direction of the output laser is the normal direction of the concave mirror without parallelizing the optical axis of the laser beam, and the microlens 16 is placed on the optical axis while preserving the direction. It is the schematic which showed the provided structure.
In such a configuration, the output mirror 12 of the laser resonator is very close to the combustion chamber 3 of the engine, but the collimator lens 15 is not required and a low-cost laser ignition device is obtained.

また、図4に示すように、ファブリペロー共振器に凸面−凸面構成の不安定共振器を採用することができる。出力鏡19と反射鏡20がいずれも凸面で構成される不安定共振器は、共振器内の光の広がり21が大きく、励起された分子を有効に誘導放出に利用できるので利得が大きく、大出力を得るのに使われる。この不安定共振器では、出力鏡19における光の強度分布が比較的平坦であるため出力孔14の位置は比較的自由に決めることができる。   Also, as shown in FIG. 4, an unstable resonator having a convex-convex configuration can be adopted as the Fabry-Perot resonator. An unstable resonator in which both the output mirror 19 and the reflecting mirror 20 are convex surfaces has a large light spread 21 in the resonator, and the excited molecules can be effectively used for stimulated emission, so that the gain is large and large. Used to get output. In this unstable resonator, since the light intensity distribution in the output mirror 19 is relatively flat, the position of the output hole 14 can be determined relatively freely.

また、出力鏡19から放出される出力レーザの光軸は共振器の中心軸とほぼ並行になるので、図1に示した構成のようにコリメータレンズ15を設ける必要がない。
なお、本実施例の多点出力レーザ着火装置1における出力レーザの数、焦点の位置などは、エンジンの規模や混合気の組成などに応じて柔軟に設計することができる。
Further, since the optical axis of the output laser emitted from the output mirror 19 is substantially parallel to the central axis of the resonator, it is not necessary to provide the collimator lens 15 as in the configuration shown in FIG.
Note that the number of output lasers, the position of the focal point, and the like in the multipoint output laser ignition device 1 of this embodiment can be designed flexibly according to the scale of the engine, the composition of the air-fuel mixture, and the like.

本実施例の多点出力レーザ着火装置1は、たとえば図5に示すように、ガス燃焼エンジンのシリンダ燃焼室3に設備して使用する。エンジンは、多点出力レーザ着火装置1を装備することによって、レーザ多点着火式エンジンとなる。
図では、燃料ガスの導入をする吸気管32と排ガスを排出する排気管33を設備したヘッドに燃焼室3までの貫通孔を穿って、この貫通孔に多点出力レーザ着火装置1を取り付ける。多点出力レーザ着火装置1から供給されるレーザは、燃焼室3内の空間に形成される多数の焦点31にそれぞれのレーザエネルギーを集中させて、燃料ガスに点火する。
The multipoint output laser ignition device 1 of the present embodiment is installed in a cylinder combustion chamber 3 of a gas combustion engine, for example, as shown in FIG. When the engine is equipped with the multipoint output laser ignition device 1, it becomes a laser multipoint ignition engine.
In the figure, a through-hole to the combustion chamber 3 is formed in a head equipped with an intake pipe 32 for introducing fuel gas and an exhaust pipe 33 for discharging exhaust gas, and the multipoint output laser ignition device 1 is attached to the through-hole. The laser supplied from the multipoint output laser ignition device 1 concentrates each laser energy at a large number of focal points 31 formed in the space in the combustion chamber 3 and ignites the fuel gas.

適当な距離を持った焦点31で同時に着火して、各焦点31から燃焼が進行するため、燃焼室3内の燃料ガスは極めて高速に燃焼し尽くし、エンジンは燃焼効率が良く失火や異常燃焼が少ない運転ができる。
また、本実施例の多点出力レーザ着火装置1を備えたエンジンは、多点着火するため着火性の悪い希薄混合気でも確実に燃焼させることができ、低燃費、低NOx排出量のエンジンを提供することができる。
Since the focal points 31 having appropriate distances are ignited at the same time, and the combustion proceeds from the focal points 31, the fuel gas in the combustion chamber 3 burns out at a very high speed, and the engine has good combustion efficiency and misfires and abnormal combustion occur. You can drive less.
Further, since the engine equipped with the multipoint output laser ignition device 1 of this embodiment ignites multipoint, it can surely burn even a lean air-fuel mixture with poor ignitability, resulting in a low fuel consumption and low NOx emission engine. Can be provided.

本発明の多点出力レーザ着火装置は、レーザ発生装置と出力レーザの光学系を一体化した小型のユニットとして構成することができる。したがって、取り扱いの難しい着火装置までの光輸送系を使う必要がない。
また、エンジンの気筒数に応じ、また燃焼室における着火点数に応じて要求されるレーザパワーと周波数に対応して、全体として効率のよいシステム設計が可能になる。
The multipoint output laser ignition device of the present invention can be configured as a small unit in which a laser generator and an optical system of an output laser are integrated. Therefore, it is not necessary to use a light transport system to an ignition device that is difficult to handle.
Further, it is possible to design an efficient system as a whole in accordance with the laser power and frequency required according to the number of cylinders of the engine and the number of ignition points in the combustion chamber.

本発明の1実施例における多点出力レーザ着火装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the multipoint output laser ignition device in one Example of this invention. 本実施例における出力鏡における出力孔の配置例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the example of arrangement | positioning of the output hole in the output mirror in a present Example. 本実施例における別の態様を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed another aspect in a present Example. 本実施例におけるさらに別の態様を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed another aspect in a present Example. 本実施例の多点出力レーザ着火装置をエンジンの燃焼室に設備する状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state which equips the combustion chamber of an engine with the multipoint output laser ignition device of a present Example. 従来のレーザ多点着火装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the conventional laser multipoint ignition device.

符号の説明Explanation of symbols

1 多点出力レーザ着火装置
11 レーザ媒質
12 出力鏡
13 反射鏡
14 出力孔
15 平凸レンズ
16 マイクロレンズ
17 透明保護板
18 光の広がり
19 出力鏡
20 反射鏡
21 光の広がり
3 燃焼室
31 焦点(着火点)
32 吸気管
33 排気管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multipoint output laser ignition device 11 Laser medium 12 Output mirror 13 Reflective mirror 14 Output hole 15 Plano-convex lens 16 Micro lens 17 Transparent protective plate 18 Light spread 19 Output mirror 20 Reflector 21 Light spread 3 Combustion chamber 31 Focus (ignition point) )
32 Intake pipe 33 Exhaust pipe

Claims (9)

レーザ光を内燃機関の燃焼室内に集光照射して混合気に点火するレーザ着火装置であって、反射鏡と複数の出力孔を設けた出力鏡とでなる1対の共振鏡でレーザ媒質を挟んで形成したレーザ共振器と、前記出力孔から出力される複数の出力レーザごとに収束光学系を備えたことを特徴とする多点出力レーザ着火装置。   A laser ignition device for condensing and irradiating a laser beam into a combustion chamber of an internal combustion engine to ignite an air-fuel mixture, wherein a laser medium is formed by a pair of resonance mirrors including a reflecting mirror and an output mirror provided with a plurality of output holes. A multi-point output laser ignition device comprising: a laser resonator sandwiched and a converging optical system for each of a plurality of output lasers output from the output holes. 前記レーザ共振器は光の強度分布がガウス分布を呈する出力鏡を備え、前記出力孔が該出力鏡の中心を中心とする同心円上に配置されることを特徴とする請求項1に記載の多点出力レーザ着火装置。   2. The multiplicity according to claim 1, wherein the laser resonator includes an output mirror having a Gaussian distribution of light intensity, and the output holes are arranged on concentric circles centered on the center of the output mirror. Point output laser ignition device. 前記出力鏡と前記収束光学系の間にコリメータレンズを備えることを特徴とする請求項2に記載の多点出力レーザ着火装置。   The multipoint output laser ignition device according to claim 2, further comprising a collimator lens between the output mirror and the converging optical system. 前記反射鏡と前記出力鏡が凸面鏡と凸面鏡の組み合わせになる不安定共振器を構成することを特徴とする請求項1に記載の多点出力レーザ着火装置。   2. The multipoint output laser ignition device according to claim 1, wherein the reflecting mirror and the output mirror constitute an unstable resonator in which a convex mirror and a convex mirror are combined. 前記収束光学系はマイクロレンズで形成することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置。   5. The multipoint output laser ignition device according to claim 1, wherein the converging optical system is formed of a microlens. 前記マイクロレンズは、1枚の基板上に必要な数の必要な形状のレンズを形成したものであることを特徴とする請求項5に記載の多点出力レーザ着火装置。   6. The multipoint output laser ignition device according to claim 5, wherein the microlens is formed by forming a required number of lenses having a required shape on a single substrate. 前記収束光学系の後ろに光屈折素子を備えて出力レーザの光軸を外側に屈折させて前記焦点を広い範囲に配置することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置。   7. The multipoint according to claim 1, wherein a light refracting element is provided behind the converging optical system and the optical axis of the output laser is refracted outward so that the focal point is arranged in a wide range. Output laser ignition device. 前記多点出力レーザ着火装置のレーザ出力面に透明保護板を設けることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置。   The multipoint output laser ignition device according to any one of claims 1 to 7, wherein a transparent protective plate is provided on a laser output surface of the multipoint output laser ignition device. 請求項1から8のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置を備えることを特徴とするレーザ多点着火式エンジン。   A laser multipoint ignition engine comprising the multipoint output laser ignition device according to any one of claims 1 to 8.
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