JP5860202B2 - 内燃エンジン用レーザー点火システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して内燃エンジン用点火システムに関する。本発明は、特に、連続燃焼式内燃エンジン用レーザー点火システムに関する。

内燃エンジンにおいて、燃料は、燃焼室で酸化剤（基本的に空気）と混合して燃焼する。このとき得られる高温の高圧ガスが膨張することによって、タービンを駆動させるタービン翼をはじめとするエンジンの可動部品の動力が生じる。このときの燃焼は、間欠的（自動車用途等）なものであっても、連続的（ガスタービン及びジェットエンジン等）なものであっても良い。

従来の内燃エンジン用点火システムの場合、燃焼室の壁面に固定した点火プラグに高い電圧を印加することによって火花放電を生じ、混合気を燃焼させる。しかし、この種の点火システムにおいては、点火プラグが燃焼室にむき出しになっているので、点火プラグに付着した炭素が点火プラグの放電の妨げになる。更に、点火プラグの電極における熱損失により、放電で生じたトーチ又は火炎核が冷却され、火炎の状態になる前に消滅してしまう。また、壁面上又は壁面付近で点火が生じることから、壁面で燃料を燃焼させることによる不都合が混合不良に繋がることが多い。

米国特許第７，３１８，４１１Ｂ１号

従って、上述のような問題点を改善した、新規の内燃エンジンの点火システム及び方法が求められている。

本発明の一実施形態として、内燃エンジン用レーザー点火システムを開示する。このレーザー点火システムは、レーザービームを生成するレーザーと、レンズとプリズムを有するビームステアリングユニットを備える。このレンズとプリズムは連動して、内燃エンジンの燃焼室に供給される混合酸化燃料にレーザービームが集束するようにレーザービームを誘導する。

本発明の別の実施形態として、ビームステアリングユニットを開示する。このビームステアリングユニットは、レンズとプリズムを有する。このレンズにより、レーザービームを誘導してプリズムに集束させ、このプリズムにより、集束したレーザービームを誘導して、内燃エンジンの燃焼室に供給される混合酸化燃料にレーザービームを集束させる。

本発明のまた別の実施形態として、内燃エンジンの混合燃料を点火する方法を開示する。この方法は、レーザービームを生成するステップと、レーザービームをレンズに通して集束レーザービームを生成するステップと、この集束レーザービームをプリズムに通して、内燃エンジンの燃焼室に供給される混合燃料にレーザービームを集束させるステップとを含む。

本発明の更に別の実施形態として、内燃エンジン用レーザー点火システムを開示する。このレーザー点火システムは、レーザービームを生成するレーザーと、適応レンズと透過窓を有するビームステアリングユニットを備える。この適応レンズと透過窓は連動して、内燃エンジンの燃焼室の複数の位置でレーザービームが集束するようにレーザービームを誘導する。

以下の説明とこれに関連する添付図面において、上述の又はそれ以外の本発明による態様、特徴、及び利点を更に詳説する。

本発明の一実施形態による、レーザー点火システムの概略図である。 本発明の一実施形態による、レーザー点火システムのビームステアリングユニットの概略図である。 本発明の別の実施形態による、ビームステアリングユニットの概略図である。 本発明の一実施形態による、レーザー点火システムの適応ビームステアリングユニットの概略図である。 本発明の別の実施形態による、１つ以上の適応光学素子を有する適応ビームステアリングユニットの概略図である。 本発明のまた別の実施形態による、適応ビームステアリングユニットの概略図である。

これより、添付図面を参照しながら本発明による実施形態を説明する。以下では、説明の便宜上、周知の機能又は構造の詳細な説明を割愛する。

図１は、本発明の一実施形態によるレーザー点火システム１０の概略図である。本発明の実施形態において、レーザー点火システム１０は、レーザービームを生成し、内燃エンジン１００の燃焼室１０１等の室内でレーザービームが集束するようにレーザービームを誘導し、この室内で混合酸化燃料等の燃焼性物質を点火させる。本明細書の「内燃エンジン」という用語には、連続燃焼式エンジンや間欠燃焼式エンジンが含まれる。内燃エンジン１００としては、例えば、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、ジェットエンジン、ディーゼルエンジン及びロータリエンジンが挙げられるが、これ以外のものであっても良い。

図１において、レーザー点火システム１０は、レーザービームを生成するレーザー１１と、ビームステアリングユニット１２を備える。ビームステアリングユニット１２は、レーザー１１と光連通しており、内燃エンジン１００の燃焼室１０１内でレーザービームが集束するようにレーザー１１からレーザービームを誘導する。レーザー点火システム１０は、更に、レーザー１１に結合された、レーザー１１のレーザービーム生成を制御する点火制御装置１３を備える。

図面の構成では、点火制御装置１３は、レーザー１１と分離しているが、その代わりに、点火制御装置１３をレーザー１１に組み込むこともできる。なお、本発明の実施形態は、本発明の処理タスクを実行するにあたり、特定の制御装置に限定されるわけではない。本明細書の「制御装置」という用語には、本発明に係るタスクの実行に必要な計算又は演算を行い得るあらゆる機器が含まれる。「制御装置」という用語には、当業者には明らかなように、構造化されたインプットを受け取り、インプットした内容を所定の規則に従って処理して出力し得るあらゆる機器が含まれる。

必要に応じて、点火制御装置１３を、操作者による点火要求を受け取るようにしたり、クランク角、速度、エンジン動作温度、加速ペダル位置、排気品質、測定燃料変数といったエンジン動作パラメータに基づいて動作するようにしたりできる。従って、当該技術分野において周知の光検出器（図示せず）等の検出機器を１つ以上設置して、内燃エンジン１００の動作パラメータを検出し、対応する情報を点火制御装置１３に中継することによって、レーザービームの生成及び／又は集束を制御する実施形態も考えられる。

一実施形態として、点火制御装置１３に、レーザー制御回路及び／又は点火タイミング制御回路を組み込むことができるが、本発明の実施形態はこれに限定されない。当該技術分野において周知のように、レーザー制御回路を用いて、レーザー発振を点火タイミングと同期させることができる。点火タイミング制御回路には、検出されたエンジンの動作状態に基づいて点火タイミングを算出する点火タイミング算出回路をはじめとする制御回路を組み込むことができる。かかる制御装置の例が、参照により本明細書に援用される米国特許第４，４１６，２２６号「内燃エンジン用レーザー点火システム（Laser ignition apparatus for an internal combustion engine）」に詳述されている。必要に応じて、電子制御装置（ＥＣＵ）を点火制御装置１３として用いたり、点火制御装置１３と併せて用いたりもできる。

レーザー１１は、十分な量のエネルギーを放出してエネルギーを内燃エンジン１００の燃焼室１０１内で集束させ、燃焼室内の燃料、混合気又は予混合された混合物等の燃焼性物質を点火させ得るものであれば、実施形態に応じて、当該技術分野において周知のいかなるレーザー装置であっても良い。レーザー１１としては、例えば、ネオジム式レーザー、エルビウム式レーザー、その他の固体レーザー、半導体レーザーをはじめとする適宜のレーザーが挙げられるが、これら以外のものであっても良い。

実施形態に応じて、レーザー点火プロセスを、例えば、光着火、熱着火、レーザー励起火花点火等の少なくとも３つの着火メカニズムのいずれか１つ又はこれらを組み合わせたものによって行うことができる。

光着火の場合、レーザー光子によって燃料又は混合気等のターゲット分子を分離して、高反応性ラジカル種に変換する。これらのラジカルは、その後、急速な化学的連鎖反応、すなわち燃焼を開始する。当該技術分野において周知のように、光着火では、分子を分離させるために、レーザー励起波長とターゲット分子の吸収波長とを精密に合致させる必要がある。

熱着火の場合、レーザーを用いて、ターゲット分子の並進、回転又は振動のいずれかの運動エネルギーを増大させる。その結果、分子結合が破壊し、化学反応が生じる。このメカニズムを用いて、固相、液相及び気相を併せ持つ燃焼性物質に点火することができる。この技術の場合、赤外レーザー等を用いて材料を加熱する。

レーザー励起火花点火の場合、レーザービームを集束させて、プラズマ火炎核、すなわち火花を生成する。こうした火花は、周囲物質に対して光と熱と衝撃波とを放出し、燃焼開始のためのエネルギーを供給する。レーザー励起火花点火は、主に、レーザー火花と衝撃波との両方による熱を用いて点火する熱化学プロセスに含まれる。

図１において、ビームステアリングユニット１２は、内燃エンジン１００上に配置され、燃焼室１０１と連通している。これにより、レーザー１１からのレーザービームは、燃焼室１０１内に誘導されて燃焼室内で集束し、室内の燃料及び混合気が点火する。

図２は、本発明の一実施形態によるレーザー点火システム１０のビームステアリングユニット１２の概略図である。なお、図２の構成はあくまでも例示である。図解の便宜上、レーザー１１及び点火制御装置１３を図示していない。内燃エンジン１００のノズル２０を用いて、噴霧状の燃焼性物質と燃焼室１０１内のレーザービームの点火位置が示されている。

図２において、内燃エンジン１００は、開口（参照符号なし）を有する。ビームステアリングユニット１２は、ハウジング２１とレンズ２２とプリズム２３から成る。ハウジング２１は、その端部の一方が開口内に収容されており、これによって、ハウジング２１が内燃エンジン１００上に保持され、燃焼室１０１と連通するようになっている。レンズ２２とプリズム２３は、ハウジング２１内に収容されている。必要に応じて、ビームステアリングユニット１２に、１つ以上のレンズ、１つ以上のプリズム及び／又はその他の光学素子を含めることもできる。

ハウジング２１は、例えば、中空円筒形状をなしてレンズ２２とプリズム２３を収容しているが、これ以外の形態であっても良い。ハウジング２１の形状は、レンズとプリズム２３の保持に適したものであれば、その他の形状であっても良い。図示の構成では、レンズ２２及びプリズム２３は、ハウジング２１内に設置されている。動作時、レーザービームはレンズ２２を通り、プリズム２３で集束する。レンズ２２からの集束レーザービームは、その後、プリズム２３を通過して、レンズ２２の軸方向（図示せず）からオフセットしながらノズル２０の方へと進み、燃焼室１０１に入射し、室内の所望の位置においてノズル２０から噴霧される燃焼性物質に点火する。プリズム２３の底部分（参照符号なし）が、ハウジング２１の下側部分から燃焼室１０１内まで延在している実施形態もある。また、ノズル２０からの燃焼性物質の噴霧形状が円錐形の実施形態もあるが、その他の形状で噴霧を行っても良い。

構成に応じて、レンズ２２は、従来式レンズであっても、効率が良く焦点が良好であればいかなるレンズであっても良い。プリズム２３は、集束レーザービームを中継して燃焼室１０１内の点火位置において燃焼性物質に点火するのに適していれば、いかなるプリズムであっても良い。プリズム２３は、例えば反射プリズムであるが、これ以外のものであっても良い。図示のプリズム２３は、四側面型反射プリズムである。

図３は、本発明のまた別の実施形態によるビームステアリングユニット１２の概略図である。図解の便宜上、図面を通じて同様の要素には同様の参照符号が付与されている。図３の構成は、図２の構成と同様であり、ビームステアリングユニット１２は、ハウジング２１とレンズ２２、四側面型反射プリズム２３の代わりに三側面型（三角柱型）反射プリズム２４を備えている。従って、レーザービームはレンズ２２を通り、プリズム２４で集束する。プリズム２４によって、集束レーザービームは、レンズ２２の軸方向からオフセットしながらノズル２０に向かい、燃焼室１０１内の所望の位置においてノズル２０からの燃焼性物質に点火する。

図示の構成では、レンズ２２及びプリズム２４は、燃焼室１０１内まで延在していない。これにより、レンズ２２及びプリズム２４は、燃焼室１０１内の空力特性を妨げることなく、燃焼室１０１の熱から部分的に遮蔽される。更に、プリズム２３及び／又は２４を用いて、例えば、一般的な全反射作用を利用してレーザービームを反射させることができるが、この方法をとらなくても良く、代わりに、プリズム２３及び／又は２４を、当業者に想起可能な反射コーティングにより被覆して、レーザービームを反射させても良い。

必要に応じて、ビームステアリングユニットを適応型にすることもできる。すなわち、ビームステアリングユニットを、レーザー１１から発せられるレーザービームの集束位置の調節に適した１つ以上の適応光学素子とすることができる。一部の実施形態に関して、本明細書の「適応」という用語は、光学素子を任意の方法で調節及び制御することによって、レーザー放射線を、例えば燃焼室１０１内の任意の位置に向けられるようにすることを指す。当業者には明らかなように、本発明の実施形態において適応光学素子は、様々な態様をとり得る。

図４は、本発明の一実施形態による１つ以上の適応光学素子を含む適応ビームステアリングユニット１４の概略図である。図４において、ビームステアリングユニット１４は、ハウジング２１とレンズ２２と三側面型反射プリズム２４とコイルドライバ２５とから成る。図示の構成では、ハウジング２１は、内燃エンジン１００内に回転可能に保持されており、ハウジング２１の少なくとも一部分２１０は、磁化されている。コイルドライバ２５は、ハウジング２１のまわりに延在しており、コイルドライバ２５が電源（図示せず）により付勢されると、コイルドライバ２５とハウジング２１の磁化部分２１０が一緒に動作して、ハウジング２１を回転させる。

すなわち、ハウジング２１と一緒にレンズ２２とプリズム２４が回転すると、レーザービームは、燃焼室１０１内で複数の集束位置を回転させながらノズル２０の方向に誘導され、ノズル２０から噴霧される燃焼性物質に点火する。コイルドライバ２５は、例えば、銅巻線ドライバ等の金属巻線ドライバであるが、これ以外のものであっても良い。図示の構成では、コイルドライバ２５は、内燃エンジン１００上に組み付けられ、ハウジング２１のまわりに配置されているが、その代わりに、コイルドライバ２５を、ハウジング２１上に組み付けても良い。

図５は、本発明のまた別の実施形態による適応ビームステアリングユニット１４の概略図である。図５において、適応ビームステアリングユニット１４は、ハウジング２１とレンズ２２とプリズム２４とホルダ２６とコイルドライバ２７とから成る。ハウジング２１は、内燃エンジン１００に取り付けられている。レンズ２２は、ホルダ２６内に配置されている。ホルダ２６は、磁化された状態でハウジング２１内に移動可能に収容されている。コイルドライバ２７は、ハウジング２１のまわりに配置されており、これによって、コイルドライバ２７が電源（図示せず）により付勢されると、コイルドライバ２７が磁化されたホルダ２６をハウジング２１内で直線的に移動させるようになっている。従って、ホルダ２６が移動すると、レンズ２２がハウジング２１内で移動し、レーザービームが燃焼室１０１内の様々な位置で集束するようにレーザービームを誘導することができる。

コイルドライバ２７も、例えば、コイルドライバ２５と同様に銅巻線ドライバ等の金属巻線ドライバであって良い。図示においては、コイルドライバ２７は、ハウジング２１上に組み付けられている。コイルドライバ２７を、その代わりに、エンジン１００上に組み付け、ハウジング２１のまわりに配置しても良い。また、プリズム２４もハウジング内で移動可能に収容されている場合もある。

必要に応じて、図４及び図５の構成を組み合わせて、レンズ２２を内燃エンジン１００に対して（回転しながら且つ／又は直線的に）移動させ、燃焼室１０１内の様々な位置にレーザービームが集束するように誘導することもできる。ビームステアリングユニット１４は、例えば、磁化ハウジング２１と磁化ホルダ２６とレンズ２２とプリズム２４と、レンズ２２を内燃エンジン１００に対して回転させながら且つ／又は直線的に移動させる、当業者に想起可能な１つ以上のドライバ２５及び２７とから成る。プリズムは、図４及び図５の構成において、反射プリズム２３をはじめとする適宜のプリズムであって良い。

図６は、本発明のまた別の実施形態による適応ビームステアリングユニット１４の概略図である。図６の構成は、図５のものと同様である。図６において、適応ビームステアリングユニット１４は、ハウジング２１とレンズ２２と磁化ホルダ２６とコイルドライバ２７と、プリズム２４の代わりに透過窓２８を備える。

図示の実施形態の場合、ハウジング２１は磁化されていないが、ハウジング２１は磁化されていてもよい。透過窓２８は、レーザー放射線の伝送に適した任意の材料製で、エンジン１００の開口内に設置されている。一実施形態において、透過窓２８は、石英又はサファイア製であるが、当業者に明らかなように、工業用ダイヤモンド、従来のガラス又は溶融石英その他の材料製であって良い。

コイルドライバ２７は、図５の構成と同様に、電源（図示せず）により付勢されると、磁化ホルダ２６をハウジング２１内で移動させる。ホルダ２６が移動すると、それに伴ってレンズ２２がハウジング２１内で移動して、レーザービームが透過窓２８を通過するように誘導され、レンズ２２の軸方向に沿った燃焼室１０１内の複数の位置にレーザービームが集束する。図６の構成と図４の構成を組み合わせて、レンズ２２を内燃エンジン１００に対して回転させながら移動させる実施形態も考えられる。

レンズ２２を移動させるにあたり、ビームステアリングユニット１４に、図４、図５及び図６の構成の銅巻線ドライバ２５又は２７に加えて、圧電アクチュエータ、油圧式ドライバ及び／又は空気式ドライバ等の、当業者に想起可能なその他のドライバを追加した実施形態も考えられる。従って、実施形態によっては、ハウジング２１（図４参照）が磁化されていない、且つ／又は、磁化ホルダ２６が磁化されていないか用いられていないことがある。また、必要に応じて、点火制御装置１３にドライバを接続することによって、内燃エンジン１００の動作パラメータに基づいて、点火制御装置１３でビームステアリングユニット１４を制御したり、レーザー１１とビームステアリングユニット１４とを連動させることによって、レーザービームを燃焼室１０１内の１つ以上の位置で集束させ易くしたりできる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を図解しながら説明したが、これらにいかなる改変及び置換を加えても、本発明の企図を逸脱することはない。従って、本発明の実施形態が、本明細書に記載の細部に限定されることはない。すなわち、通常の実験を通じて得られる、本明細書に開示した実施形態の当業者に想起可能な改変及び等価の措置は全て、添付の特許請求の範囲に含まれる。

１０ レーザー点火システム
１１ レーザー
１２ ビームステアリングユニット
１３ 点火制御装置
２０ ノズル
２１ ハウジング
２２ レンズ
２３ プリズム
２４ プリズム
２５ コイルドライバ
２７ コイルドライバ
２６ ホルダ
２８ 透過窓
１００ 内燃エンジン
１０１ 燃焼室
２１０ 部分

Claims (1)

1. 内燃エンジン（１００）用レーザー点火システム（１０）であって、
   レーザービームを生成するレーザー（１１）と、
   前記レーザービームが前記内燃エンジン（１００）の燃焼室（１０１）内の複数の位置で集束するように前記レーザービームを誘導する、相互に連動する適応レンズ（２２）と透過窓（２８）を有するビームステアリングユニット（１２）と
   を備え、
   前記ビームステアリングユニット（１２）が、前記内燃エンジン（１００）の前記燃焼室（１０１）に移動可能に取り付けられたハウジング（２１）を更に有する
   ことを特徴とする、レーザー点火システム（１０）。
   

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