JP2007309129A - レーザー多点着火装置およびレーザー多点着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー着火装置およびレーザー着火装置を備えたエンジンにおいて、小口径の光学窓から燃焼室内の多点に着火することができる着火装置を提供し、内燃機関の燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与する。
【解決手段】 レーザー発生装置から発射されたレーザー光を内燃機関の燃焼室内に集光して混合気に点火するレーザー多点着火装置であって、シリンダヘッドに単一の焦点を持った１組の集光レンズ系を備え、集光レンズ系の上流に複数のレーザー光照射口を備え、レーザー光照射口から照射されたレーザー光が集光レンズ系を介して燃焼室内にレーザー光照射口と同数の焦点を結んで混合気に多点着火する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関、主としてガス燃焼エンジンにおける着火装置およびエンジンに関し、特に、レーザー光により多点着火を行うレーザー多点着火装置およびレーザー多点着火装置を備えたエンジンに関する。

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、失火や異常燃焼が起こるため、燃料の希薄化に限度があった。

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。

また、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が、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もしくは２点に限られ、多点から着火させることができなかった。

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ー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ー着火装置を応用する技術が考案されている。たとえば特許文献１にはレーザー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ー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ー式多点着火装置が開示されている。

特許文献１に開示されたレーザー式多点着火装置は、図７に示すように、レーザー発生源から照射され、光ファイバーなどで導入されたレーザー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、照射されたレーザー光は、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、混合燃料に着火する。

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。また、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。

しかし、開示発明では、焦点位置が光学窓の直下に制限されるため、着火点を燃焼室内の広範囲に分散させるためには光学窓の口径を非常に大きくする必要があり、配置設計上の困難があった。
特開２００５−１４７１０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、レーザー着火装置およびレーザー着火装置を備えたエンジンにおいて、小口径の光学窓から燃焼室内の多点に着火することができる着火装置を提供し、内燃機関の燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与することである。

上記課題を解決するため、本発明のレーザー多点着火装置は、レーザー発生装置から発射されたレーザー光を導光系を介して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ー着火装置であって、シリンダヘッドに単一の焦点を持った１組の集光レンズ系を備え、集光レンズ系の上流に複数のレーザー光照射口を備え、レーザー光照射口から照射されたレーザー光が集光レンズ系を介して燃焼室内にレーザー光照射口と同数の焦点を結ぶことを特徴とする。

レーザー発生装置から発射され導光系を介して導入されたレーザー光を、複数のレーザー光照射口から複数の光束として集光レンズ系に照射し、集光レンズ系が複数の光束を燃焼室内のそれぞれ異なる位置に集光する。それぞれ異なる位置に集光したレーザー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。

本発明のレーザー多点着火装置では、光束の数すなわちレーザー光照射口の数が着火点の数になる。したがって、レーザー光照射口の設置数を調整することにより、目的の数の着火点を燃焼室内に設定できる。また、レーザー光照射口の位置関係が着火点の位置関係に反映されるため、レーザー光照射口の位置を変更するだけで着火点の位置を自由に設定することができる。

また、集光レンズ系の出口すなわち光学窓は集光レンズ系により集光されたレーザー光が通過するために必要な径を確保すればよいため、光学窓の口径を小さくすることができる。

なお、本発明のレーザー多点着火装置では、レーザー光照射口と同数のレーザー発生装置および導光路を備えてもよいし、レーザー光照射口より少ない数のレーザー発生装置を備え、レーザー発生装置から発射されたレーザー光を導光系に備えた分配ミラーや回折型光学素子等により分岐してレーザビームの数を増加し、もしくは電気光学素子等により分配して、レーザー光照射口に伝送してもよい。

また、１本の導光路からなる導光系を備え、導光系の終端部に回折型光学素子を備えるレーザー分配装置により導光系により伝送された１本の光束を必要な数まで分岐して集光レンズ系に照射してもよい。

レーザー光照射口と同数のレーザー発生装置を備えた場合、例えば発電用エンジンなどの常時稼働しているエンジンにおいて、レーザー発生装置にトラブルが発生しても、他のレーザー発生装置から発射するレーザー光でエンジンの稼働を維持しながら故障したレーザー発生装置を修理もしくは交換することができる。したがって、非常に信頼性の高い着火装置を提供することができる。

一方、１台もしくは数台のレーザー発生装置を備え、発射されたレーザー光を分配して各レーザー光照射口に伝送する場合、レーザー発生装置の台数を節約することができ、設置コストおよび運転コストを軽減することができる。レーザー発生装置や導光系の形態については内燃装置の規模や用途によってカスタマイズし、最適な構成を選択すればよい。

本発明のレーザー多点着火装置に備えるレーザー光照射口は、照射するレーザー光の光軸が集光レンズ系の光軸に平行になるよう設置してもよいし、集光レンズ系の光軸に交わるよう配置してもよい。

レーザー光の光軸が集光レンズ系の光軸に平行になるようレーザー光照射口を設置すれば、シリンダヘッドの上方でレーザー光照射口が必要とするスペースを小さくできるため、配置設計上有利である。なお、レーザー光の光軸が集光レンズ系の光軸にほぼ平行になる場合、レーザー光を平行光線として照射すると複数の光束が１個の焦点に集光するため、多点の集光点を得られない。したがって、レーザー光は放射状の拡散光として照射する。

一方、レーザー光の光軸が集光レンズ系の光軸に交わるようレーザー光照射口を設置すれば、集光レンズ系に入射するレーザー光間の入射角の差を大きくできるため、燃焼室内で集光点の分布位置を広げることができる。また、レーザー光を拡散光として照射する場合、レーザー光の光軸が集光レンズ系の主点を通るようにすると集光レンズ系の有効径内にレーザー光の光束を照射することが容易になるため、レーザー光を効率的に利用できる。

なお、本発明のレーザー多点着火装置に備える導光路はレーザー伝送管や光ファイバなどで形成することができる。

以上のように、本発明のレーザー多点着火装置によれば、小口径の光学窓を備えるだけで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、小規模な装置で燃焼効率が良く失火や異常燃焼が少ないレーザー着火装置を提供することができる。また、本発明のレーザー多点着火装置を備えたレーザー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。

以下、図面を用いて、本発明のレーザー多点着火装置およびレーザー多点着火式エンジンを詳細に説明する。

図１は本発明の１実施例におけるレーザー多点着火装置の概略断面図である。シリンダヘッド１に集光レンズ２が備わっており、その上流にレーザー射出口３が設置されている。レーザー射出口３は光ファイバ４に接続しており、光ファイバ４の他端には分配器５を介してレーザー発生装置６が接続されている。

分配器５は回折型光学素子などからなり、レーザー発生装置６から導入された１本のレーザー光を下流の各光ファイバ４に分配する機能を持つ。レーザー射出口３は光ファイバ４により伝送されたレーザー光を適切な径の拡散光にする光学系が備えられている。

レーザー発生装置６から発射されたレーザー光は光ファイバ４により、分配器５を介してレーザー射出口３に伝送される。さらに、レーザー射出口３の射出部で拡散光にされ、集光レンズ２に照射される。集光レンズ２に照射されたレーザー光のうち、集光レンズ２の有効径内に入射したものは集光レンズ２により燃焼室内に集光され、燃焼室に充満している混合気にエネルギーを印加して着火する。

図２および図３は本実施例における着火点を示した模式図である。レーザー光の集光深度における燃焼室１０内の断面上での着火点１１の分布を示してある。本実施例のレーザー多点着火装置では、レーザー射出口３の設置数および配置により着火点１１の位置を変化させることができる。例えば、レーザー射出口３を３個備え、直線上に配置すると図２のごとく直線上に着火点１１が得られ、３点から混合気に着火することができる。８個のレーザー射出口３を円環上に配置すると図３のごとく８個の着火点１１が円環上に得られ、８点から多点着火を行うことができる。

また、レーザー射出口３の集光レンズ２に対する距離や照射するレーザー光の広がり角、集光レンズ２の焦点距離を変化させることで着火点１１の燃焼室内での深度を変化させることができる。着火点１１の位置および個数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。

図４は本発明の他の実施例におけるレーザー多点着火装置の概略断面図である。シリンダヘッド１に備わった集光レンズ２の主点を中心とし、放射状にレーザー射出口３が配されている。レーザー射出口３は光ファイバ４に接続され、光ファイバ４の他端はそれぞれ個別のレーザー発生装置６が備わっている。

本実施例のレーザー多点着火装置では、レーザー射出口３から照射されるレーザー光が集光レンズ２に対して角度を持って入射するため、燃焼室内での集光点の位置の広がりをより大きく取ることができる。したがって、着火点間の距離を大きくすることができ、より確実に多点着火の効果を確保することができる。

また、レーザー光の光軸が集光レンズ２の主点を通るため、レーザー光が集光レンズ２の有効径を通過する面積が広くなる。したがって、集光点をより明るくすることができ、レーザー光のエネルギーを効率的に混合気に渡すことができるとともに、光学窓の口径をより小さくすることができる。

本実施例の多点着火装置では、１つのレーザー射出口３に対して１台のレーザー発生装置６を備えているため、レーザー発生装置６の出力が比較的小さくてすむ。したがって、レーザー発生装置６の単価を下げることができる。

また、レーザー発生装置６や光ファイバ４、レーザー射出口３にトラブルが発生した場合、トラブルが発生した部位に対応する１台のレーザー発生装置６を停止するだけで修理できる。したがって、例えば発電用エンジンなど常時稼働しているエンジンに本実施例の多点着火装置を適用した場合、１台のレーザー発生装置６を停止して修理している間も他のレーザー発生装置６からレーザー光を照射してエンジンを運転し続けることができる。そのため、トラブルリスクや修理コストを大幅に軽減することができる。

図５は第３の実施例におけるレーザー多点着火装置の概略一部断面図である。図示しないシリンダヘッドに集光レンズ２が備わっており、上流に分配光学系２０が設置されている。分配光学系２０の上流は１本の光ファイバ４に接続しており、光ファイバ４の他端には図示しないレーザー発生装置が接続されている。

図６に分配光学系２０の模式図を示した。光ファイバ４の末端にコリメートレンズ２１が備わっており、下流に回折型光学素子２２、拡張レンズ２３が備わっている。

レーザー発生装置から発射されたレーザー光は、コリメートレンズ２１で平行光線に変換され、回折型光学素子２２に入射する。さらに、回折型光学素子２２で複数の光束に分割され、拡張レンズ２３に入射する。拡張レンズ２３では、入射した平行光線を拡散光に変換し、光軸が平行になるよう整えて集光レンズ２に照射する。

本実施例のレーザー多点着火装置では、レーザー発生装置および光ファイバ４を複数備える必要がないため、設置コストおよびランニングコストを軽減することができる。また、分配光学系２０の仕様を変更するだけで射出する光束の本数や位置を変更できるため、着火点の数や位置を自由に設定することができる。

なお、本実施例ではレーザー光を分割するために回折型光学素子を利用したが、電気光学素子や分配ミラーなどの他の分配装置を利用してもよい。

以上詳細に説明した通り、本実施例のレーザー多点着火装置によれば、小口径の光学窓から多点着火を実現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レーザー多点着火装置を提供することができる。また、本発明のレーザー多点着火装置を備えたレーザー多点着火式エンジンでは、着火性の悪い希薄混合燃料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。

本発明の第１実施例におけるレーザー多点着火装置の概略断面図である。 第１実施例における着火点を示した模式図である。 第１実施例における着火点を示した他の模式図である。 本発明の第２実施例におけるレーザー多点着火装置の概略断面図である。 本発明の第３の実施例におけるレーザー多点着火装置の概略一部断面図である。 本発明の第３の実施例における分配光学系の模式図である。 従来のレーザー着火装置の概略断面図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 集光ミラー
３ レーザー射出口
４ 光ファイバ
５ 分配器
６ レーザー発生装置
１０ 燃焼室
１１ 着火点
２０ 分配光学系
２１ コリメートレンズ
２２ 回折型光学素子
２３ 拡張レンズ

Claims (8)

1. レーザー発生装置から発射されたレーザー光を導光系を介して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ー着火装置であって、シリンダヘッドに単一の焦点を持った１組の集光レンズ系を備え、該集光レンズ系の上流に複数のレーザー光照射口を備え、該レーザー光照射口から照射されたレーザー光が該集光レンズ系を介して前記燃焼室内に該レーザー光照射口と同数の焦点を結ぶことを特徴とするレーザー多点着火装置。
2. 前記導光系の少なくとも終端部が複数の導光路からなり、前記レーザー光照射口が該導光路の末端部であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー多点着火装置。
3. 前記導光路が前記集光レンズ系の光軸と平行な光軸を持つレーザー光を照射することを特徴とする請求項２に記載のレーザー多点着火装置。
4. 前記導光路が照射するレーザー光の光軸が前記集光レンズ系の光軸と交わることを特徴とする請求項２に記載のレーザー多点着火装置。
5. 前記導光系が１本の導光路からなり、該導光路の末端部に該導光路により導入されたレーザー光を複数の光束に分岐するレーザー分配装置が配されており、前記レーザー光照射口が該レーザー分配装置の出力口であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー多点着火装置。
6. 前記レーザー分配装置が回折型光学素子を備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザー多点着火装置。
7. 前記導光路が光ファイバにより形成され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レーザー多点着火装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のレーザー着火装置を備えることを特徴とするレーザー多点着火式エンジン。

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