JP2005147109A

JP2005147109A - 内燃機関用レーザー式多点着火装置

Info

Publication number: JP2005147109A
Application number: JP2003390280A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Saito; 剛齊藤; Hirohide Furuya; 博秀古谷; Mitsuyo Takahashi; 三餘高橋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: JP4257420B2

Abstract

【課題】内燃機関用レーザー式多点着火装置において、部品点数を減少させ、振動による光軸のずれを生じにくくし、集光性を向上して着火性を高めることにより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ようにする。
【解決手段】内燃機関の燃焼室壁に取り付ける本体１１と、導入するレーザー光の光束を拡径するエキスパンダーレンズ１８と、前記エキスパンダーレンズ１８からのレーザー光束を所定の径に調節する集光レンズ２０と、前記集光レンズ２０からのレーザー光束を略平行光線にするコリメートレンズ２１と、前記コリメートレンズ２１からの光線を複数の光束に分割して各々燃焼室内で焦点を結ばせる複数のマイクロレンズ２４を備えたマイクロレンズアレイ２２と、燃焼室内と本体内とを分離するレーザー入射用窓２３とを備え、前記レーザー光の照射により燃焼室内の燃料に対して複数点で着火させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、オットーサイクル或いはディーゼルサイクルのシリンダ内の燃焼を、焦点を多点化したレーザーにより着火して燃焼制御を行うようにした、内燃機関用レーザー式多点着火装置に関する。

従来の内燃機関において、シリンダ内の燃料に対して着火を行う手段としては、オットーサイクルの場合はスパークプラグを用い、プラグへの通電時期の調節によって着火時期の制御を行う。また、ディーゼルサイクルでは自着火によるため、インジェクタからの燃料噴射タイミングによって着火時期を制御している。

上記のような内燃機関において、オットーサイクルの場合はスパークプラグによる強制着火であるため、スパークプラグがピストンに接触しないように燃焼室壁に近接して配置する必要があり、したがって着火位置は常に燃焼室壁に近接した位置とならざるを得ない。そのため、燃焼室壁付近で着火した火炎の多くは壁をなぞるように伝播するため、熱損失が大きい欠点がある。また、ディーゼルサイクルの場合は自己着火を利用するため着火点の制限に関する上記問題は生じないものの、燃料が限られてしまう問題がある。

上記のような問題を解決するため、例えば特開昭５５−８１２７２号公報に示されるように、レーザービームを利用し、レンズによって燃焼室の中央付近等、任意の位置に焦点が結ぶようにするとともに、所定のタイミングでレーザーを照射して点火することが提案されている。また、同公報においては１本のレーザビームを半透鏡（ビームスプリッタ）によって分光し、燃焼室内に複数のレーザビームを集光させ、多点で着火することも提案されている。また、特開平９−３０３２４４号公報に示されるように、内燃機関を難燃性燃料で作動させるため、１本のレーザビームをビームスプリッタで分割し、燃焼室内に複数のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、多点着火することも提案されている。
特開昭５５−８１２７２号公報特開平９−３０３２４４号公報

従来から提案されているレーザビームを用いた多点着火エンジンでは、いずれもビームスプリッタを用いているため、１つのビームスプリッタでは１本のレーザービームを２本にしか分割することができない。そのため、燃焼室内の燃焼性を向上させるために、より多数の点で着火させようとするとその分だけビームスプリッタが必要となり、例えば難燃性燃料を利用してエンジンを作動しようとするとき、着火点をより増大することが望まれるが、その際にはビームスプリッタが多大なものとなるとともに、機器構成が複雑化し、高価なものとならざるを得ない。

また、ビームスプリッタを複数用いると、各ビームスプリッタの光軸を適切に合わる必要があり、例えば最初の１本のレーザービームを２分割するビームスプリッタが振動等で位置ずれを生じると、以降の全てのビームスプリッタが不作動或いは作動不良になることもある。特にビームスプリッタのミラーによって光梃子効果を生じ、最初の光軸のずれが次第に大きくなり、最終的な燃焼室内での着火点が所望の位置から大きくずれることとなる。そのため、ビームスプリッタを確実に保持しなければならず、特に振動の多いエンジンに直接取り付ける必要もあるため、実際にこのエンジンを長期間適切に作動させることは困難である。

また、上記従来の技術においてはレーザをビームスプリッタで分割しているのみのため、集光性に優れず、着火性を向上させることができない。更に各種の形式のエンジンに適用するため、着火位置や着火点数を変更しようとすると、光路の大幅な変更、及びビームスプリッタの配置調節等を行わなければならない、という問題もある。

したがって本発明は、簡単な構成でガス燃料も含め、多種の燃料について多点着火を可能とし、振動の影響を受けにくく長期間安定して作動するとともに、着火性がよく且つ着火点数及び焦点位置の調整が容易な非接触多点着火による燃焼制御エンジンを提供することを目的とする。

本発明による内燃機関用多点着火装置は上記課題を解決するため、内燃機関の燃焼室壁に取り付ける本体と、導入するレーザー光の光束を拡径するエキスパンダーレンズと、前記エキスパンダーレンズからのレーザー光束を所定の径に調節する集光レンズと、前記集光レンズからのレーザー光束を略平行光線にするコリメートレンズと、前記コリメートレンズからの光束を複数の光束に分割して各々燃焼室内で焦点を結ばせる複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイと、燃焼室内と本体内とを分離するレーザー入射用窓とを備え、前記レーザー光の照射により燃焼室内の燃料に対して複数点で着火させるようにしたものである。

また、本発明による他の内燃機関用多点着火装置は、前記集光レンズを光軸線方向に移動する手段を備え、前記移動により着火作用を行わせるマイクロレンズを選択するようにしたものである。

また、本発明による更に他の内燃機関用多点着火装置は、前記マイクロレンズアレイを光軸線方向に移動する手段を備え、前記移動により燃焼室内の着火点を変更するようにしたものである。

本発明による内燃機関用多点着火装置は上記のように構成したので、従来のもののようにビームスプリッタを用いることなくレーザー光束を一度に多数の光束に分割することができるとともに、その分割光束を直接、燃焼室内で焦点を結ばせるようにすることができ、部品点数を大幅に減少させることができ、内燃機関の振動により光軸のずれが生じにくく、振動の影響を受けにくい着火装置とすることができる。

また、着火装置に導入するレーザー光の光束が小径の場合でも、エキスパンダーレンズによってその光束を拡大することができるので集光性を向上することができ、燃料に対する着火性を高めることができるため、ガス燃料を含めた多種類の燃料を確実に着火することができるようになる。また光束を拡大することによってマイクロレンズの選択の幅を広げることができ、且つ、光束の拡大によって燃焼室と着火装置間の窓ガラスに対するレーザー光線のエネルギー密度を小さくすることができ、窓ガラスに対するダメージを減少させることができる。

更に、集光レンズの位置調節により光束の径の調節を行うことができ、マイクロレンズの利用範囲の選択を行うことができるので、燃焼室内での着火点数を任意に選択することができる。またマイクロレンズアレイの移動により焦点位置を簡単に変化させることができ、燃焼室内の所望の位置に対して、容易に着火点を適合させることができるる。

本発明は、内燃機関用多点着火装置において、部品点数を減少させ、振動による光軸のずれを生じにくくし、集光性を向上して着火性を高めることにより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ようにする等の目的のため、内燃機関の燃焼室壁に取り付ける本体と、導入するレーザー光の光束を拡径するエキスパンダーレンズと、前記エキスパンダーレンズからのレーザー光束を所定の径に調節する集光レンズと、前記集光レンズからのレーザー光束を略平行光線にするコリメートレンズと、前記コリメートレンズからの光線を複数の光束に分割して各々燃焼室内で焦点を結ばせる複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイと、燃焼室内と本体内とを分離するレーザー入射用窓とを備え、前記レーザー光の照射により燃焼室内の燃料に対して複数点で着火させることによって解決した。

図１は、本発明によるレーザーを用いた多点着火手段を適用し、燃焼制御を行うことができるようにした内燃機関１の模式図を示しており、シリンダ２内ではピストン３が往復動可能に配置され、ピストン３の上部にはシリンダ２の上方に固定したシリンダヘッド４との間に燃焼室５を形成している。図１（ａ）に示す燃焼室５においては、シリンダヘッド４に吸気弁６を備えた給気ポート７と、排気弁８を備えた排気ポート９を、この燃焼室５の側部に配置しており、中央部には燃料噴射弁１０と、レーザー照射によって前記燃料噴射弁から噴射される燃料に着火するためのレーザー式多点着火装置１１とを配置している。したがってこの内燃機関においては燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジン或いはガソリンエンジンの例を示している。このレーザー式多点着火装置１１には、別設したレーザー発生源１２からレーザー光を光ファイバー１３によって導いている。なお、レーザー光を上記のように導くには、光ファイバー以外に各種の導波管等を用いることができる。図１（ｂ）に示す内燃機関においては、吸気ポート７から混合気を供給する例を示している。

レーザー式多点着火装置１１は図２に拡大模式図を示すように、シリンダヘッド４に本体１５を固定し、図示実施例においては本体１５に対して進退自在にレーザー照射筒体１６を設けている。レーザー照射筒体１６の底壁１７には、先端にエキスパンダレンズ１８を備えたレーザー照射部１９を備え、前記レーザー発生源１２から光ファイバー１３で導いたレーザービーム光束を拡径して照射している。

レーザー照射筒体１６には集光レンズ２０を固定し、前記エキスパンダレンズ１８からのレーザー光を本体１５に固定したコリメートレンズ２１で略並行光とし、そのレーザー光をその表面に多数のマイクロレンズを連続的に形成しているマイクロレンズアレイ２２、及びレーザー入射用窓２３を透して燃焼室に照射している。マイクロレンズアレイ２２に形成するマイクロレンズ２４は、予め各種エンジンの燃料、燃焼室形状、燃料噴射弁の噴霧状態とレーザー式多点着火装置１１との配置関係等を考慮して、汎用性があるように多めの数を備えておくのが好ましい。また、各マイクロレンズの径も任意に設定し、各マイクロレンズでの集光量の調節を行うこともできる。

図２に示す実施例においては、燃料噴射弁１０からの噴霧燃料２５の中に、マイクロレンズアレイ２２の各マイクロレンズ２４を透った光が焦点を結ぶようにしており、燃料噴射弁１０からの燃料をその焦点位置でレーザーブレークダウンし、それによりこの燃料を直接着火することができるようにしている。この焦点位置は必ずしも燃料噴射弁１０からの噴霧燃料に対して直接作用させる以外に、噴霧後の燃焼室内拡散燃料に対して、また燃焼室内に供給された混合気に対して照射し、その焦点位置において着火させることもできる。なお、図示実施例においては、レーザー照射筒１６を本体１５に対して進退させることにより、集光レンズ２０とコリメートレンズ２１との距離Ｌを変更可能とし、コリメートレンズ２１から平行光線を照射できるようにしている。なお、その際、集光レンズ２０の位置によってコリメートレンズ２１からの光は光軸との平行性がずれるが、ここではこれを略平行と呼ぶ。

上記のような装置において、レーザー式多点着火装置１１に導入するレーザー光が光ファイバー１３で導いた小口径の光でも、拡散レンズ１８によってビーム径を所定の大きさに拡大することができ、このように拡大した後に集光レンズ２０によりその光径を調節し、コリメートレンズ２１によってレーザービームを略平行光線化する。また、マイクロレンズアレイ２２を軸先方向に移動させると、焦点の位置、即ち燃焼室内の着火位置を変化させることができる。

上記のような光学系において、レンズによる集光性はビーム径に比例し、焦点距離に反比例するが、マイクロレンズ２４の焦点距離はエンジンの形に制限を受けるため、実質的にはビーム径を拡大することが集光性の向上につながる。この点に関連し、上記実施例においては充分に、且つ任意にビーム径を充分に拡大できるので集光性を向上させることができ、しかもマイクロレンズアレイ２２における各マイクロレンズ２４の直径を任意に選択することにより、その集光性も任意に選択することが可能となる。

また、ディーゼルエンジンでは負荷、及びガス燃料を含め燃料の種類によって燃料噴射弁からの噴流形状も変化するが、ビーム径の調節によりマイクロレンズアレイ２２におけるその中心からの範囲の調節によってマイクロレンズ２４の利用範囲を選択することができ、多点着火の着火点数を調節することができ、前記のような燃料の種類等によって変化する最適着火点数に容易に適合することができる。また、上記ビーム径の調節をエンジンの負荷に応じて行い、広範囲の負荷に応じた最適の着火数、着火位置を選択することができる。

また、上記のような気体燃料を含め、また難燃性の燃料を含めて、このエンジンで種々を燃料を使用するとき、上記多点着火の着火点数の調節の他、例えばマイクロレンズアレイを動かすことにより焦点の位置を調節することができる。更に、焦点距離の異なるマイクロレンズを選択することにより、任意に焦点の位置を調節することもできるため、燃焼室内において最適な位置に多点着火させることができる。

特に上記のような構成により従来のビームスプリッタを用いて複数のビームに分割して多点着火を行うものと異なり、部品点数が少なく、エンジンの振動などによる光軸のずれを最小限に抑え、更にビーム径を拡大してマイクロレンズアレイに照射する光軸のずれに対して鈍感にすることができる。更に、ビーム径を大きくすることができるので燃焼室と分離する窓ガラスに対してはエネルギー密度が小さく、ダメージを小さくすることができ、装置の長寿命化を図ることができる。

以下、本発明が有効に実施することができることを確認するとともに、高温高圧下におけるブレークダウンによる着火の特性を把握し、多点着火デバイスの設計に役立つデータの取得を目的として単一焦点着火特性実験を行った結果を説明する。

実験は図３に示すような急速圧縮膨張装置３１を用いてCH₄-Air予混合気を高温・高圧にした。急速圧縮膨張装置３１はエンジン回転数1000rpm相当、圧縮比は15.6と10.0付近で作動させた。レーザーにはNd-YAGレーザー(第２高調波：532nm)を用いた。レーザーの出力はレーザー光の一部を石英基板で分け、PINフォトダイオードでパルスごとのエネルギーを求めた。射出されたレーザー光は6mmのビーム径をビームエキスパンダーで18mmに拡大した後、焦点距離50mm、直径10mmのレンズで集光した。この時、ビームはレンズの直径で制限される。

レーザー照射は燃焼室上部より行った。着火とブレークダウンの確認は筒内圧力波形と高速度カメラ撮影(フィルタ：中心波長330nm、半値幅80nm)により確認した。実験は当量比0.7のCH₄-Air予混合気を用い、到達温度を800K一定とし、到達圧力を0. 3MPa 、1.5MPa、3MPaの３条件で行った。

高温高圧条件におけるレーザーブレークダウンの着火条件を求めるために到達温度を800Kに固定し、到達圧力を0.3MPa、1.5MPa、3MPaの３条件に設定して実験を行った。ブレークダウンによる着火の圧力依存性を整理するために、尖頭値(レーザーパルスパワーの最大値)で整理したものを図４に示す。常温常圧下においてCH₄-Air予混合気は11mJ相当の尖頭値でブレークダウンし着火に至った。

図４に示すグラフから明らかなように、圧力が高くなると着火に必要な尖頭値は低くなっていることがわかる。3MPaにおいて最小は4.4mJ相当の着火尖頭値であった。着火エネルギーと圧力依存性は、圧力が低いと強く、圧力が高くなるに従って緩くなっている。

一般にブレークダウンは数密度で整理できることが知られている。そこで、実験を行った常温常圧条件と高温高圧条件を雰囲気の数密度に換算し、尖頭値と比較したものを図５に示す。着火に必要な尖頭値は数密度が大きくなるに従って、べき関数的に減少している。低い数密度の条件ではブレークダウンはしたが着火に至らないものがあった。この条件は常温常圧時の実験であるため熱の拡散の影響が大きく、ブレークダウンから着火に至らなかったものと考えられる。しかしながら高数密度である高温高圧場ではブレークダウンした条件は必ず着火に至るということができる。

以上より、ブレークダウンは雰囲気の数密度と尖頭値で整理され、数密度が高くなると尖頭値は小さくなる。レーザーパルスの時空間分布はエネルギーの大きさにかかわらずほぼ相似であると考えられ、尖頭値とレーザーエネルギーは比例する。従って、圧力が高くなると最小着火エネルギーは低下し、本発明によって確実に着火が行われることがわかる。したがってマイクロレンズアレイを用いることにより、着火エネルギーを適切に設定することによって、多点着火が可能になることが確認された。

本発明による内燃機関用多点着火装置は、特に着火性がよいので、ガス燃料で作動するエンジンを初め、他の種々の燃料を用いるオットーサイクル、ディーゼルサイクルで作動するエンジンに適用できる。

本発明によるレーザー式多点着火装置を適用した内燃機関の断面図であり、（ａ）は燃焼室内に直接燃料を噴射する形式、（ｂ）は混合燃料を燃焼室に導入する形式の内燃機関を示す。本発明による多点着火装置の模式図を示す断面図である。本発明による多点着火装置を用いて実験を行った機器構成図である。着火に対する圧力依存性の実験結果を示すグラフである。着火条件の数密度による影響の実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
３ピストン
４シリンダヘッド
５燃焼室
６吸気弁
７給気ポート
８排気弁
９排気ポート
１０燃料噴射弁
１１レーザー式多点着火装置
１２レーザー発生源
１３光ファイバー
１５本体
１６レーザー照射筒体
１７底壁
１８エキスパンダレンズ
１９レーザー照射部
２０コリメートレンズ
２１レンズ
２３レーザー入射用窓
２４マイクロレンズ
２５噴霧燃料

Claims

内燃機関の燃焼室壁に取り付ける本体と、
導入するレーザー光の光束を拡径するエキスパンダーレンズと、
前記エキスパンダーレンズからのレーザー光束を所定の径に調節する集光レンズと、
前記集光レンズからのレーザー光束を略平行光線にするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズからの光束を複数の光束に分割して各々燃焼室内で焦点を結ばせる複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイと、
燃焼室内と本体内とを分離するレーザー入射用窓とを備え、
前記レーザー光の照射により燃焼室内の燃料に対して複数点で着火させることを特徴とする内燃機関用多点着火装置。
前記集光レンズを光軸線方向に移動する手段を備え、前記移動により着火作用を行わせるマイクロレンズを選択することを特徴とする請求項１記載の内燃機関用多点着火装置。
前記マイクロレンズアレイを光軸線方向に移動する手段を備え、前記移動により燃焼室内の着火点を変更することを特徴とする請求項１記載の内燃機関用多点着火装置。