JP2010121482A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】希薄燃焼機関や低負荷燃焼時などの難着火性機関においても優れた着火性を示し、かつ、優れた耐久性と製造容易性とを兼ね備えた点火装置の提供を目的とする。
【解決手段】内燃機関６０に装着され、内燃機関６０の点火を行う点火装置１であって、少なくとも、燃焼室６００内で放電を行う放電手段として放電電極１１０と絶縁体１２０を介して放電電極１１０に対向する接地電極１３０とからなる放電部１１と、レーザ光を発振するレーザ発振手段として、レーザ発振回路４０とレーザ集光部１５とを具備し、レーザ光を放電手段により発生した放電経路上に集光せしめる。放電により発生したプラズマがレーザ光を効率よく吸収し、さらなるプラズマの発生が誘発され低いエネルギで火炎核を発生させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う点火装置に関する。

自動車エンジン等の内燃機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減やさらなる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給気化等が図られている。一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。

このような難着火性機関においても優れた着火性を発揮できる点火装置として、機関燃焼室内に高エネルギのレーザ光を燃焼室に面した集光レンズによって集光して火炎核を発生させ混合気の着火を行うレーザ点火装置について種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−４２５９１号公報

ところが、レーザ光を密度の低い混合気内の空間に集光させ、火炎核を発生させるレーザブレイクを引き起こすためには、例えば、数十ｍＪというような高いエネルギを供給し、数〜数百ＧＷ／ｃｍ^２程度の高いエネルギ密度に集光する必要があるとされている。このため、装置が大型化したり、レーザ光を集光する集光レンズを損傷したりする虞がある。
また、このようなレーザ光を内燃機関の点火に利用するためにはレーザ発振器に使用される集光レンズに対して高い精度、性能、耐久性が要求されている。さらに、レーザ発振器より出力されたレーザビームの集光性を示すＭ^２値を代表とするレーザ品質への要求も高い。このような高品位のレーザ発振器を用いることにより点火装置の製造コストが増大する虞もある。
また、空間中にレーザ光を集光するため、希薄燃焼時のように集光点の周囲にエネルギを吸収する気体が少ない場合には、一旦集光したエネルギが気体に吸収されることなく集光点を通過し、機関燃焼室内で放散して、投入したエネルギが無駄となる虞もある。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、希薄燃焼機関や低負荷燃焼時などの難着火性機関においても優れた着火性を示し、小型化が容易で、かつ、優れた耐久性と製造容易性とを兼ね備えた点火装置の提供を目的とするものである。

請求項１の発明では、内燃機関に装着され、該内燃機関の点火を行う点火装置であって、少なくとも、上記内燃機関の燃焼室内で放電を行う放電手段と、レーザ光を発振するレーザ発振手段とを具備し、上記レーザ発振手段は、レーザ光を上記放電手段の放電経路上に集光せしめる集光手段を具備する。

従来の内燃機関燃焼室の空間内にレーザ光を集光して行う点火を行った場合、集光点の存在する気体密度が低い場合、レーザ光のエネルギが吸収されず集光点を通過して上記燃焼室内に放散し、点火に至らない虞があるが、請求項１の発明によれば、通常の気体に比べ、レーザ光の吸収性の良いプラズマが存在することによって、上記レーザ発振手段から発振されたレーザ光のエネルギが集光点の周囲に存在するプラズマに吸収され、さらなるプラズマの発生を促し、速やかに火炎核の成長が進む。
したがって、従来より低いエネルギ密度であっても、燃焼室内に集光したレーザ光のエネルギが有効に火炎核の成長に利用され、確実に上記内燃機関の点火を行うことができる。また、点火に必要なエネルギが低くできるので、上記放電手段及び上記レーザ発振手段の体格を小さくできる。
さらに、発振されるレーザ光のエネルギが小さいので上記レーザ発振手段と上記集光手段とが発振されたレーザ光から受けるダメージも小さくなり、上記レーザ発振手段と上記集光手段の耐久性も向上する。また、従来より低いエネルギー密度で点火可能となるので、Ｍ^２値等のレーザ品質に対する要求も下げることが可能となり。したがって、上記放電手段及び上記レーザ光発振手段の製造が容易となり、製造コストの削減も可能となる。

具体的には、上記放電手段は、請求項２の発明のように、放電電極と絶縁体を介して該放電電極に対向せしめた接地電極と、電源と、該電源の電圧を高電圧に昇圧し上記放電電極と上記接地電極との間に印加する高電圧印加回路とによって構成する。

請求項２の発明によれば、発明によれば、放電により発生したプラズマに、レーザ光の集光点に集光された高密度のレーザエネルギを効率的に吸収させ火炎核の速やかな発生と成長を促して、優れた着火性を示す点火装置が実現可能となる。
また、従来のアーク放電によって点火を行うスパークプラグを用いた点火装置のように火花放電によって燃焼室内の混合気に直接点火するのではなく、本発明にの放電手段では、放電経路に集光されたレーザ光のエネルギ吸収を向上させるためのプラズマを発生させるのに必要な最小限の放電を行えばよいので、必要な電源容量を小さくすることができる。したがって、上記電源及び高電圧印加回路の体格も小さくできる。

また、上記レーザ発振手段は、請求項３の発明のように、電源と、該電源からの電気エネルギをレーザ光に変換して発振するレーザ発振回路とによって構成する。

請求項３の発明によれば、発明によれば、放電により発生したプラズマに、レーザ光の集光点に集光された高密度のレーザエネルギを効率的に吸収させ火炎核の速やかな発生と成長を促して、優れた着火性を示す点火装置が実現可能となる。

請求項４の発明では、上記内燃機関の運転状況に応じて上記放電手段と上記レーザ発振手段とを制御する電子制御装置を具備し、該電子制御装置は、上記レーザ発振手段からのレーザ光の発振に先んじて、上記放電手段からの放電を行うと共に、放電後所定の期間内にレーザ光を発振する制御を行う。

請求項４の発明によれば、予め上記放電手段によりプラズマが発生した状態に対して高いエネルギのレーザ光を高密度で集光させることができるので、速やかに火炎核が発生、成長し、上記内燃機関が難着火性の運転状況であっても確実に点火をすることができる。したがって、優れた着火性を示す点火装置が実現可能となる。

本発明の点火装置は、自動車エンジン等の点火に用いられる点火装置であって、空燃比を高くした希薄燃焼機関や、低負荷による希薄燃焼時や、過給器によって空燃比及び圧縮比を高くした高過給気混合燃焼機関等の難着火性機関においても良好な着火性を示す点火装置である。
本発明の点火装置は、レーザ発振に先んじて、レーザ集光点近傍に放電によりプラズマを発生させ、レーザエネルギの吸収効率を上げ、レーザブレイクに必要なエネルギを低減しつつ、レンズの損傷を抑制すると共に、レンズ性能、レーザ品質への要求軽減による低コスト化を実現可能としたことを最大の特徴とする。

図１を参照して、本発明の第１に実施形態における点火装置１の概要を説明する。点火装置１は、内燃機関６０に装着され、本発明の要部である点火プラグ１０と、電源２０と、電源２０に接続され電源２０の電圧を高電圧に昇圧して点火プラグ１０に印加する高電圧印加回路３０と、電源２０に接続され電源２０からの電気エネルギをレーザ光に変換して点火プラグ１０に発振するレーザ発振回路３０と内燃機関６０の運転状況に応じて高電圧印加回路２０とレーザ発振回路３０とを制御する電子制御装置ＥＣＵ５０とによって構成されている。

点火プラグ１０は、放電部１１と、レーザ発振部１５と、これらを収納し、内燃機関６０に固定するハウジング部１４とによって構成されている。
放電部１１は、高電圧印加回路３０に接続される放電電極端子部１１２と放電電極端子部１１２に連なる略長軸状の放電電極中軸部１１１と放電電極中軸部１１１に連なる放電電極１１０と、放電電極中軸部１１１と放電電極１１０の一部とを覆いつつ、放電電極中軸部１１１と放電電極１１０とハウジング部１４とを絶縁する略筒状の絶縁体１２０と、ハウジング部１４の先端に延設した接地電極１３０とによって構成されている。
放電電極１１０と接地電極１３０とは、所定の放電距離を設けて対向している。接地電極１３０は、ハウジング部１４を介して、内燃機関６０のシリンダヘッド６１と接地状態となっている。
なお、本実施形態においては、放電電極１１０と接地電極１３０とを一対設けた場合を示したが、放電電極１１０と接地電極１３０とを複数対設けても良い。

レーザ発振部１５は、レーザ発振回路４０から発振されるレーザ光を伝送する光ファイバ等のレーザ光伝送手段１５０と、レーザ光伝送手段１５０に連なり、レーザ光をレーザ発振部１５の軸心に対して平行光とすべく複数のレンズを組み合わせてなる群レンズ１５１と群レンズ１５１を経由してレーザ発振部１５の軸心に対して平行に発振されたレーザ光のエネルギを機関燃焼室６００内の集光点ＦＰに集光する集光レンズ１５２と、集光レンズ１５２を保護する保護カバー１５３と、これらを収納する略筒状のレンズ収納部１６０とによって構成され、放電部１１と共にハウジング部１４内に収納されている。
なお、集光レンズ１５２に代えて回折格子を用いても良い。

高電圧印加回路３０は、例えば、電源電圧２０の電圧を高電圧に昇圧する点火コイルと該点火コイルを開閉するスイッチング素子を含むイグナイタとによって構成されている。

レーザ発振回路４０は、公知のレーザ発振回路を適宜採用することができる。例えば、レーザ発振回路４０は、レーザ発振源となる半導体レーザ等のレーザ媒質と、このレーザ媒質にエネルギを与える励起源と、発振されたレーザ光を増幅するレーザ増幅部とを含んでいる。
レーザ媒質としては、半導体レーザの他、固体レーザを用いることができる。
レーザ増幅部は、シャッタ素子（Ｑスイッチ）と、反射鏡と、出力鏡とを具備し、励起用半導体レーザから発振されたレーザ光により、固体レーザとシャッタ素子が共に励起され、シャッタ素子内のエネルギが、そのシャッタ素子自身の物性によって決定されるある閾値を超えた瞬間にシャッタが開き、レーザ光が反射鏡と出力鏡との間を往復する毎に共振し、増幅され、瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光を取り出すことができる。

内燃機関６０には、シリンダヘッド６１と略筒状のシリンダ６３とシリンダ６３内に自在に昇降するピストン６４とによって燃焼室６００が区画されている。シリンダヘッド６１には、吸気筒６１０と排気筒６２０とが設けられ、それぞれ吸気バルブ６１１と排気バルブ６２１とによって開閉されている。燃焼室６００内に吸気筒６１０から導入された空気と図略の燃料噴射装置によって燃料室６００内に供給された燃料とを混合し、ピストン６４によって圧縮し、所定のクランク角において、本発明の点火装置１によって燃焼室６００内に極めてエネルギ密度の高いレーザブレイクが発生すると、火炎核により混合気の燃焼・爆発が誘発され、燃焼室６００内の圧力Ｐ_ＣＹＬが一気に上昇し、その圧力によってピストン６４が押下げられ内燃機関６０の動力が得られる。

図２を参照して、本発明の第１の実施形態における点火装置１の作用効果について説明する。本図（ａ）は、本実施形態における点火装置１の点火時における放電電圧Ｖ_ＤＣ、放電電流Ｉ_ＤＣ、レーザ発振エネルギＥ_ＬＺＲ、筒内圧力Ｐ_ＣＹＬの変化を模式的に示すタイムチャートであり、本図（ｂ）は、アーク放電Ｖ_ＡＲＣとレーザ発振とが発生した状態を模式的に示す要部断面図である。
図２（ａ）に示すように、内燃機関６０の運転状況に応じてＥＣＵ５０から点火信号が発信されると、高電圧印加回路２０から点火プラグ１０の放電電極１１０に高電圧が印加され、放電電圧Ｖ_ＤＣ（ｋＶ）が放電電極１１０と接地電極１３０との間の絶縁耐圧を超える所定の要求電圧に達すると絶縁が破壊され、図２（ｂ）に示すように、放電電極１１０と接地電極１３０との間にアーク放電Ｖ_ＡＲＣが起こり、微少領域にプラズマ領域Ａ_ＰＬＺが形成される。
アーク放電Ｖ_ＡＲＣは、放電電極１１０と接地電極１３０との間に形成された放電経路を放電電流Ｉ_ＤＣが流れる１μｓから数十μｓ程度継続する。

この間、ＥＣＵ５０からの発振指令に従って、レーザ発振回路４０からレーザ光が発振されると、０．１ｎｓから２０ｎｓ程度の極めて短い時間に、瞬間的にレーザ発振回路４０から発振されたエネルギＥ_ＬＺＲが集光点ＦＰに集中する。集光点ＦＰは、放電電極１１０と接地電極１３０との間に形成される放電経路上に位置している。
なお、集光点ＦＰのスポット径はφ１０μｍ程度であり、アーク放電Ｖ_ＡＲＣの放電径路はφ数十μｍ程度あり、発生するプラズマ領域Ａ_ＰＬＺの大きさは放電経路の周囲φ１ｍｍ程度の範囲となるので放電位置が変動しても集光点ＦＰは必ず放電経路上に位置することとなる。
プラズマ状態となった気体は、通常の空気に比べてレーザエネルギの吸収が良く、集光点ＦＰに集光された極めてエネルギ密度の高いレーザ光がプラズマ状態となった気体に効率よく吸収され、極めて高いエネルギ状態の火炎核が生成されるレーザブレイクが発生する。
なお、本実発明において、放電電極１１０の端縁とハウジング部１４との間で放電を回避し、確実に放電電極１１０と接地電極１３０との間で放電が発生するよう、図２（ｂ）に示すように、放電電極１１０の端縁から接地電極１３０の端縁までの距離Ｄ_ＧＰは、放電電極１１０とハウジング部１４の端縁との距離Ｄ_Ｈよりも短く設定するのが望ましい。

図３を参照して、本発明の効果について説明する。
従来のレーザ点火装置においては、レーザの照射対象が気体であるため、集光点ＦＰに、レーザエネルギを吸収するだけの十分な気体が存在しないと、レーザブレイクが発生せず、レーザ光が集光点ＦＰを通過し、燃焼室６００内に放散されて無駄となってしまう虞がある。
また、比較例１として示す従来の放電無しでレーザ発振を行った場合のレーザブレイクに必要なエネルギＥ_ＢＲＫ２とし、実施例１として示す本発明の点火装置１を用いて、レーザ発振に先んじて放電を行った場合のレーザブレイクに必要なエネルギＥ_ＢＲＫ１としたとき、従来と同等のエネルギを入射すれば、その差（ΔＥ_ＢＲＫ＝Ｅ_ＢＲＫ２−Ｅ_ＢＲＫ１）が、レーザブレイク後の火炎核の成長に利用可能となる。
したがって、本発明によれば、集光点ＦＰ近傍にプラズマが発生することにより、レーザエネルギを吸収し易くし、確実にレーザブレイクによる火炎核を発生させることができる。加えて、レーザブレイク後の火炎核の成長に入射エネルギの一部を利用できるので速やかに火炎核が成長し、さらに混合気の点火が容易となる。

本発明者等の鋭意試験により、従来のレーザ発振のみによりレーザブレイクを発生させようとした場合、４．６ＧＷ／ｃｍ^２程度のエネルギ密度が必要であったが、本発明の点火装置１によれば、従来よりも２４％程度低い、３．５ＧＷ／ｃｍ^２程度のエネルギ密度でレーザブレイクを発生させることができることが判明した。
したがって、レーザ発振回路４０に用いられるレンズ精度、性能、耐久性、Ｍ^２値を初めとするレーザ品質等への要求が軽減でき、低コスト化を図ることが可能となる。
また、従来のレーザ発振のみによる点火装置では、集光点ＦＰの集光径をできるだけ小さくしてエネルギ密度を高くするため、集光レンズに高価な非球面レンズを用いる必要があったが、本発明の点火装置１では、集光点ＦＰ近傍に発生させたプラズマに低いエネルギ密度でも効率よく吸収させることができるので、より安価な球面レンズを用いることも可能となる。
さらに、レーザ強度を小さくできるので、集光レンズ１５２のレンズ表面へのコーティングを省いたり、保護カバー１５３が設けられている場合には、集光レンズ１５２として耐熱性の低いレンズを使用したり、レーザのビーム平行度、強度分布性能の低いものを用いたりすることもできると期待される。

特に、希薄燃焼時や低負荷燃焼時には、集光点ＦＰの周辺の気体密度が低く、レーザ光の吸収がさらに悪くなる。したがって、本発明の点火装置１によれば、このような難着火性の内燃機関においても、集光点ＦＰ周囲の気体をプラズマ領域Ａ_ＰＬＺとしてレーザエネルギの吸収性を高めることにより、確実に点火することができる。

また、従来のスパークプラグを用いた点火装置では、中心電極と接地電極との間に発生するアーク放電によって火炎核を発生させ混合気の着火を行うので、放電経路ができるだけ太く、寿命の長いアーク放電が必要とされている。
このため、従来のスパークプラグを用いた点火装置では、３０ｍJ程度の高いエネルギを必要とし、放電時間を長くすべく、印加電圧を昇圧する点火コイルには大きなインダクタンスを有するコイルが用いられている。
一方、本発明の点火装置に用いられる高電圧回路３０及び放電部１１では、アーク放電Ｖ_ＡＲＣにより直接混合気の点火を行うのではなく、レーザ発振部１５から発振され燃焼室６００内に集光されるレーザ光を吸収するきっかけとなるプラズマを集光点ＦＰ近傍に発生させるだけでよいので、従来のスパークプラグによる点火のような高いエネルギを供給する必要はない。
したがって、高電圧印加回路３０を、例えば点火コイルを用いた回路で形成する場合には、インダクタンスの小さいコイルを用いることができるので、高電圧印加回路３０の体格も小さくできる。
さらに、放電部１１に印加される高電圧もエネルギ量が小さいので、放電時における放電電極１１０や接地電極１３０のスパッタリングによる消耗も抑制され、耐久性の高い点火装置１が実現できる。

図４を参照して、本発明の第２の実施形態における点火装置１ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様な部分については、同一の符号を付したので説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分についてのみ説明する。
本実施形態においてレーザ発振部１５ａを集光距離の長い群レンズ１５１ａ、集光レンズ１５２ａを用い、さらに、ピストン６４ａの頂面に鏡面６４１を設け、鏡面６４１で反射されたレーザ光が、放電電極１１０と接地電極１３０との間に位置する集光点ＦＰで集光する構成となっている。
このような構成であっても上記実施形態と同様にレーザ発振に先んじて、放電電極１１０と接地電極１３０との間に高電圧が印加され、放電電極１１０と接地電極１３０との間にアーク放電Ｖ_ＡＲＣが発生し、集光点ＦＰ近傍の気体をプラズマ化し、レーザエネルギが吸収され易くなった状態でレーザ発振がなされ、より低いエネルギでレーザブレイクを発生させることができる。
なお、鏡面６４１は、本図に示すように、平面状に形成してもよいし、ピストン６４aの頂面を窪ませて凹面状に形成しても良い。この場合、集光点ＦＰの位置は、鏡面６４１により近い位置となる。

図５を参照して、本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂについて説明する。上記実施形態においては、放電部とレーザ発振部とが一体的にハウジング部内に収納されている場合を示したが、本実施形態においては、放電部１１ｂとレーザ発振部１５ｂとを別体に設けた点が異なる。
放電部とレーザ発振部とを別体に設けた場合には、放電部をシリンダヘッドに装着するために、放電電極を放電部の外径よりも短く形成する必要がある。このため、放電部の中心軸とレーザ発振部の中心軸とが平行になるように配設すると、放電電極と接地電極との距離が長くなり、接地電極と等電位のハウジング部やシリンダヘッドと放電電極との間でアーク放電がおきて、集光点近傍の気体がプラズマ化されない虞がある。
したがって、本実施形態においては、放電電極１１０ｂの先端と接地電極１３０ｂとの距離を可及的に短くし、かつ、集光点ＦＰが、放電経路上に位置するように、放電電極１１０ｂを放電部１１ｂの軸心に対して、直角ではなく、鈍角となるように、燃焼室６００側に向かって傾けて屈曲させて設けてある。
このような構成においても上記実施形態と同様にレーザ発振に先んじて、放電電極１１０と接地電極１３０との間に高電圧が印加され、放電電極１１０と接地電極１３０との間にアーク放電Ｖ_ＡＲＣが発生し、集光点ＦＰ近傍の気体をプラズマ化し、レーザエネルギが吸収され易くなった状態でレーザ発振がなされ、より低いエネルギでレーザブレイクを発生させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、例えば上記実施形態においては、集光レンズ又は回折格子を保護すべく、保護カバーが設けられた構成を示したが、耐熱性の高い集光レンズ又は回折格子を使用した場合には、保護カバーを設けない構成としても良い。
また、本発明の点火装置は、適用する内燃機関に噴射される燃料の種類、燃料噴射方式を限定するものではない。

本発明の第１の実施形態における点火装置の概要を示す構成図。 本発明の第１の実施形態における点火装置の作動を示し、（a）は、タイムチャート図、（ｂ）は、レーザ発振時の様子を模式的に示す要部断面図。 本発明の効果を比較例と共に示す特性図。 本発明の第２の実施形態における点火装置の概要を示す要部断面図。 本発明の第３の実施形態における点火装置の概要を示す要部断面図。

符号の説明

１ 点火装置
１０ 点火プラグ
１１ 放電部
１１０ 放電電極
１１１ 放電電極中軸部
１１２ 放電電極端子部
１２０ 絶縁体
１３０ 接地電極
１４０ ハウジング
１４１ ハウジング六角部
１４２ ハウジングネジ部
１５ レーザ発振部
１５０ レーザ光伝送手段
１５１ 群レンズ
１５２ 集光レンズ
１５３ 保護カバー
１６０ レンズ収納部
２０ 電源
３０ 高電圧印加回路
４０ レーザ発振回路
５０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
６０ 内燃機関
６００ 燃焼室
６１ シリンダヘッド
６１０ 吸気筒
６１１ 吸気バルブ
６２０ 排気筒
６２１ 排気バルブ
６３ シリンダ
６４ ピストン

Claims (4)

1. 内燃機関に装着され、該内燃機関の点火を行う点火装置であって、
   少なくとも、上記内燃機関の燃焼室内で放電を行う放電手段と、
   レーザ光を発振するレーザ発振手段とを具備し、
   上記レーザ発振手段は、レーザ光を上記放電手段の放電経路上に集光せしめる集光手段を具備することを特徴とする点火装置。
2. 上記放電手段は、放電電極と絶縁体を介して該放電電極に対向せしめた接地電極と、電源と、該電源の電圧を高電圧に昇圧し上記放電電極と上記接地電極との間に印加する高電圧印加回路とを具備することを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 上記レーザ発振手段は、電源と、該電源からの電気エネルギをレーザ光に変換して発振するレーザ発振回路とを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 上記内燃機関の運転状況に応じて上記放電手段と上記レーザ発振手段とを制御する電子制御装置を具備し、
   該電子制御装置は、上記レーザ発振手段からのレーザ光の発振に先んじて、上記放電手段からの放電を行うと共に、放電後所定の期間内にレーザ光を発振する制御を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の点火装置。

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