JP2018511927A - 高効率レーザー点火装置 - Google Patents

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Abstract

高効率レーザー点火装置について開示する。本発明の高効率レーザー点火装置は、マルチチップシングルエミッタパッケージング光ファイバ出力型のレーザーダイオードを採用した、励起光源と、イッテルビウムが添加されたレーザー媒質と、受動Ｑスイッチ媒質として飽和吸収体と、を基本的に備え、受動Ｑスイッチレーザー出力として１００ピコ秒〜９９９ピコ秒のパルスを得ることができる。本発明によると、電気的スパークを用いた点火装置をレーザー点火装置に取り替えることにおいて、弱点として作用していた高コスト／低効率／低信頼性／不均一性の問題を解決し得る。

Description

本発明は、自動車などの内燃機関エンジンの点火に使用されるレーザー点火装置に関するものであって、特に、ポンピング光源、レーザー媒質、飽和吸収体及び出射端面などを改善することにより、低コスト／小型化／高効率を実現したレーザー点火装置に関する。
最も長い間使用されてきた従来のエンジン点火装置は、電気的スパーク点火（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）装置であって、これは、＋、−電極が適当な間隔を維持するように設置した後、周期的な高電圧の電気放電パルスを発生させてエンジン内部の燃料を点火させる装置である。これらのスパーク点火電極装置は、その設計上、エンジンの内部空間の全体を最大限の空間で均一に点火させることが難しいという短所があって、多少落ちる１６〜１８％程度の燃料効率を有する。これらの点火装置の問題点である均一放電の実現と点火効率の向上のために１９９０年代から様々な形態のレーザー点火装置が提案されたが、イギリス研究チーム及び日本研究チームなどでレーザー点火システムを提案してエンジン効率を電気放電方式に比べて約６％程度を向上させた２２〜２４％程度で実現可能であることを試演したが、まだ低効率であったり自動車エンジンに実際に適用される程度の具体性及び経済性が欠如し、これまで商用化が行われていない。これについての主要原因は、高価な、ポンピングレーザーダイオードなどを使用したので、これにより、実際の適用がほぼ不可能であった。具体的な例としては、従来のレーザー点火装置では、主にネオジム（Ｎｄ）が添加されたレーザー媒質を使用する方式で研究開発を進行してきたが、核心レーザー技術であるＮｄ−系列のレーザー媒質は、最適の励起時間が２００〜３００μｓ以下であるので、パルス当たり最大３００μｓに該当する励起レーザーダイオードのエネルギーのみしか利用できないという短所があり、このとき、使用可能な励起波長が８００ｎｍ波長帯であって、必要な平均出力１００Ｗ以上の励起レーザーダイオードは、一個当たり４〜５千ドル以上であって低コスト化がほぼ不可能な光部品である。一方、２０１２年に日本研究チームは新しいレーザー点火システムを提案したが、これは、ネオジム（Ｎｄ）系列のレーザー媒質を励起波長８０８ｎｍのレーザーダイオードでパルス励起することで得られた波長１０６４ｎｍのレーザーパルス出力光をレンズを使用して非常に小さな直径で高強度集束することにより、光放電パルスを発生させて燃料を点火させるシステムであった。ところが、これらのシステムは、大量生産型の垂直発光レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を使用しても、商業的に適用可能な低コスト化がほぼ不可能と推定される。
これらのネオジム系列のレーザーを使用するレーザー放電システムは、ネオジムイオンの上準位寿命が１７０μｓと短いために、類似のパルス幅を持たなければならない励起レーザーダイオードの励起パルスの幅も、２００〜３００μｓ程度に短く維持しなければならず、高価である１２０Ｗの励起レーザーダイオードを使用しても、パルス当たり２４〜３６ｍＪである励起パルスエネルギーのみしかレーザー媒質に入力させることができない。このようにネオジムレーザーを適用したレーザー放電システムは、（１）高価な８０８ｎｍの励起レーザーダイオードを使用しなければならず、（２）ネオジムイオンの上準位寿命が１７０μｓであり、励起パルスの幅も最大３００μｓ程度を用いる際に最大効率が出るので、最大で利用可能な励起パルスエネルギーが小さくて非効率的であり、（３）励起レーザーダイオードのピークパワーが高く、入力電源として高電流が使用されるので、駆動回路が複雑になり、（４）これによって、全体のシステムが高価になって実際の適用がほぼ不可能になるという問題点がある。（５）また、実際の適用時に現れる問題点である燃料の燃焼時に発生する燃焼副産物がレーザービームの出射ウィンドウに付着する可能性が非常に高いが、燃焼室内側方向のウィンドウ自動洗浄機能が含まれていないため、実際の適用がほぼ不可能である。（６）多重焦点燃焼のために高屈折光学部品を適用した設計があるが、これは、多重レーザー共振器のそれぞれの出力レーザービームの発振方向が個々のパルスごとに微細に変更されたりビーム拡散角が変わるとき、集束レンズを介して燃焼室内部の焦点まで伝達されるレーザービームの出力エネルギーが変動する可能性が大きいため、不完全点火や点火失敗が発生する可能性がある。
一方、エンジンの爆発行程（膨張行程）時、点火点の近くで約２０００度ほどの高温の熱が発生する。したがって、これによる放出スペクトルによってレーザー点火装置に悪影響を与える熱が伝達される危険性があるが、従来技術の点火装置は、これについての備えが不十分であるという問題点がある。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、従来には難しかった低コスト／小型パッケージングを実現した高効率レーザー点火装置を提供することである。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、利用可能な最大の励起パルスエネルギーが増加するだけでなく、入力電源として低電流を利用することができて駆動回路が単純になった高効率レーザー点火装置を提供することである。
本発明が解決しようとするまた他の課題は、燃料の燃焼時に発生する燃焼副産物がレーザービームの出射ウィンドウに付着することを防止することができる高効率レーザー点火装置を提供することである。
本発明が解決しようとするまた他の課題は、大容積燃焼室での燃焼に使用する必要がある多重焦点燃焼のために多焦点集束をしても、不完全点火や点火失敗の発生を防止して安定的に作動させることができる高効率レーザー点火装置を提供することである。
本発明が解決しようとするまた他の課題は、エンジンの爆発行程（膨張行程）時、点火点の近くで発生する高温に起因してレーザー点火装置に逆進する熱を遮断することができる高効率レーザー点火装置を提供することである。
前記のような課題を解決するための本発明の高効率レーザー点火装置は、（ａ）マルチチップシングルエミッタパッケージング光ファイバ出力型のレーザーダイオードを採用した励起光源と、（ｂ）イッテルビウムが添加されたレーザー媒質と、（ｃ）受動Ｑスイッチ媒質として飽和吸収体と、を備え、受動Ｑスイッチレーザー出力として１００ピコ秒〜９９９ピコ秒のパルスを得ることができる。
ここで、前記レーザーダイオードは、９００〜９９０ｎｍの波長帯域であり、前記飽和吸収体がクロムドープしたヤグ（Ｃｒ：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット））の飽和吸収体であることが好ましい。
また、（ａ）〜（ｃ）の構成要素を複数個セットで備え、各セットの飽和吸収体の次の段に多重集束点火点の生成手段をさらに含むこともできる。
また、前記の装置で逆進熱遮断手段を備えることがさらに好ましい。
本発明によると、次のような効果を有する。
（１）最新技術のマルチチップシングルエミッタパッケージング光ファイバ出力型のレーザーダイオードを励起光源として採用し、同時にイッテルビウム（Ｙｂ）が添加されたレーザー媒質（例えば、Ｙｂがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙｂ：ＹＡＧ））と飽和吸収体を採用して、数百ピコ秒のパルスが受動Ｑスイッチにより出力可能な高効率のレーザーを実現し、これを内燃機関などのエンジン点火用レーザー点火装置に適用することにより、低コスト／小型／高効率のレーザー点火システムの実現が可能である。
（２）このとき、レーザー出力として点火に必要な反復率よりも２倍または３倍のパルス反復率を使用することにより、点火パルスの間のパルスをレーザービームの出射ウィンドウに付着し得る燃料の燃焼副産吸着物を自動除去するために使用することができ、高効率レーザー点火システムの実際の使用が可能となる。
（３）大容積燃焼室での燃焼に使用する必要がある多重焦点燃焼のために多焦点集束をするとき、単なる高屈折光学部品に代えて出射端面に傾斜面を有する光ファイバを使用して伝達するので、レーザー出力パルス間の出力方向の微細変動及びビーム拡散角の変動時にも安定的にレーザーパルスエネルギーを点火点まで伝達し得る。
（４）エンジンの爆発行程（膨張行程）時、点火点の近くで発生する高温に起因してレーザー点火装置に逆進する熱を遮断することができるので、高効率レーザー点火装置を確実に作動させることができる。
自動車などの内燃機関エンジンの点火に使用される本発明の高効率レーザー点火装置に使用された励起光源の概略的構成図。 本発明の第１実施例による高効率レーザー点火装置の概略的構成図。 本発明の第２実施例による高効率レーザー点火装置（２０２）の概略的構成図。
１０：マルチチップシングルエミッタ
１２：第１集束レンズ
１４：励起ファイバインプット
１６：励起ファイバデリバリー
１８、１８−１、１８−２：励起ファイバアウトプット
２０：レーザーダイオード出力光
２２、２２−１、２２−２：第２集束レンズ
２４、２４−１、２４−２：イッテルビウムが添加されたレーザー媒質
２４ａ：レーザー媒質の全反射コーティング
２４ｂ：レーザー媒質の出射面の無反射コーティング
２６、２６−１、２６−２：飽和吸収体
２６ａ：飽和吸収体の無反射コーティング
２６ｂ：飽和吸収体の出力鏡コーティング
２８、２８−１、２８−２：第３集束レンズ
３０、３０−１、３０−２：入射ウィンドウ
３０ｂ：入射ウィンドウの逆進防止の全反射コーティング
３４：熱遮断ブロック
３６、３６−１、３６−２：集束点火点
４２−１、４２−２：信号伝逹の光ファイバ
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、自動車などの内燃機関エンジンの点火に使用される本発明の高効率レーザー点火装置に使用された励起（ポンピング）光源１００の概略的構成図である。図１を参照すると、励起光源１００では、マルチチップシングルエミッタ１０から放出された光が、第１集束レンズ１２によって集束されて励起ファイバインプット（Ｐｕｍｐ Ｆｉｂｅｒ Ｉｎｐｕｔ）１４に入力された後、励起ファイバデリバリー（Ｐｕｍｐ Ｆｉｂｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ）１６を経て、励起ファイバアウトプット（Ｐｕｍｐ Ｆｉｂｅｒ Ｏｕｔｐｕｔ）１８からレーザーダイオード出力光２０として出力される。図１では、第１集束レンズ１２として１枚のレンズを用いたが、必要に応じて、これを２枚以上のレンズを用いてもよい。図１に図示された励起光源１００として適切な例は、９００〜９９０ｎｍの波長帯域のマルチチップシングルエミッタパッケージング光ファイバ出力型のレーザーダイオードで、これは、従来技術の波長８０８ｎｍの励起レーザーダイオードに比べて低コスト／小型化されたパッケージングを実現することにより、全体の高効率レーザー点火装置の低コスト生産を可能にする長所を有する。このような励起光源１００を採用し得る理由は、下記で詳細に説明するが、本発明の高効率レーザー点火装置のようにネオジム系列のレーザー媒質ではない、イッテルビウム（Ｙｂ）系列のレーザー媒質を使用するとき、イッテルビウムイオンの上準位寿命が１００μｓであってネオジムイオンの場合よりも６倍ほど長いために、励起パルスの幅が１２００〜２００μｓ程度に長くなっても構わないので、２０Ｗの励起レーザーダイオードを使用しても、パルス当たり２４〜４０ｍＪの励起パルスエネルギーをレーザー媒質に入力させることができるためである。
図２は、本発明の第１実施例による高効率レーザー点火装置２００の概略的構成図である。図示の便宜のために、図２には、図１の励起光源１００の中で他の構成要素は省略し、励起光の出力が行われる部分である励起ファイバアウトプット１８のみを示した。図２を参照すると、本発明の高効率レーザー点火装置２００は、レーザー共振器の構成要素として、Ｙｂがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙｂ：ＹＡＧ）のようなＹｂ添加レーザー媒質２４を採用している。点火に必要な高強度のレーザービームを得るために数百ピコ秒級の短いパルスが必要である。本発明の高効率レーザー点火装置２００でのレーザー共振器の構成は、励起光の入射面側（励起光は、左側に配置し、左側から右側に進行）に１０３０ｎｍの波長帯域の全反射コーティング２４ａと、出射面側に１０３０ｎｍの波長帯域の無反射コーティング２４ｂをしたＹｂ添加レーザー媒質２４と、その次に受動Ｑスイッチ媒質である飽和吸収体２６として、例えば、クロムヤグ（Ｃｒ：ＹＡＧ）飽和吸収体（１０３０ｎｍの波長帯域でレーザー媒質側は、無反射コーティング２６ａ、この反対側の面は、出力鏡コーティング２６ｂになっている）を一体型または分離型に配置し、これらの構成によって、受動Ｑスイッチレーザー出力として数百ピコ秒のパルスを得る。このとき、共振器の長さの調節が必要な場合に出力鏡コーティング２６ｂは、分離された別の出力ミラーに設けることもできる。図２で参照番号２２と２８は、それぞれ光集束のための第２集束レンズ及び第３集束レンズを示し、参照番号３０は、レーザー点火装置の出力光がエンジン内部に入射される入射ウィンドウを示し、参照番号３６は、第３レンズによって集束した点火点を示す。一方、エンジンの爆発行程（膨張行程）時、点火点の近くで発生する高温の熱が放出スペクトルによってレーザー点火装置２００に逆進して損傷を与える恐れがあるので、このような熱伝逹を防止するために次の２つの逆進の熱遮断手段が適用されている。
（１）点火燃料の放出スペクトルまたは輻射熱による熱の遮断のために、最終レーザー点火装置の出力光がエンジン内部に入射される入射ウィンドウ３０の右側面に点火燃料の放出スペクトルの逆進を防止する３００〜９００ｎｍの波長範囲についての全反射コーティング３０ｂを適用する。
（２）放出される熱がエンジンシリンダー４０の壁を介して伝達されることを防止するために、高温での耐熱性に優れかつ低い熱伝導率を有し、金属と類似の熱膨張率を有するジルコニウム（Ｚｉｒｃｏｎｉａ）系列のセラミックスまたは類似のセラミックスを使用した熱遮断ブロック３４を、レーザー点火装置のエンジンシリンダー側の結合部とエンジンシリンダーとの間に設置したり、レーザー点火装置自体のエンジンシリンダー側の結合部に一体型または分離型に設置する。図２では、熱遮断ブロック３４が光経路を遮るように図示されているが、これは２次元的に表現したためであり、熱遮断ブロック３４は、光経路に干渉しないように中心部が除去加工されたシリンダー型に製作されて設置されるため光経路を邪魔しない。
図３は、本発明の第２実施例による高効率レーザー点火装置２０２の概略的構成図である。第１実施例と比較する場合、第２実施例の特徴は、マルチチップシングルエミッタパッケージング光ファイバ出力型のレーザーダイオードを採用した励起光源１００に含まれた励起ファイバアウトプット１８−１、１８−２と、イッテルビウムが添加されたレーザー媒質２４−１、２４−２と、受動Ｑスイッチ媒質としての飽和吸収体２６−１、２６−２と、これによる第２集束レンズ２２−１、２２−２と、第３集束レンズ２８−１、２８−２がセット別に備えられている。各セットは、エンジン内で一つの集束点火点をつくるので、複数のセットは、最終的に多重集束点火点３６−１、３６−２をつくり、大容積燃焼に有利な多焦点の同時多重点火が可能になる。第２実施例の他の特徴は、飽和吸収体２６−１、２６−２と第３集束レンズ２８−１、２８−２との間に、単なる高屈折光学部品に代えて、多重の集束点火点の生成手段として、入射断面が９０度、出射端面が傾斜を有する信号伝逹の光ファイバ４２−１、４２−２が設置され、レーザー出力パルス間の出力方向の微細変動及びビーム拡散角の変動時にも、安定的にレーザーパルスエネルギーを点火点まで伝達し得る。図３では、図示の便宜のために構成要素に付加された全反射コーティング層、無反射コーティング層などを示していないが、コーティング層に関しては、図２の図示と同様に付加されて高効率レーザー点火装置が適切に動作するようにする。実施例１と実施例２において、同一の部品は、同じ役割を果たし、イッテルビウム（Ｙｂ）が添加されたレーザー媒質２４−１、２４−２は、第１実施例の場合は１つ、第２実施例の場合は２つを備えるようにしたが、レーザー出力に問題さえなければ、第２実施例の場合でも１つを共用しても構わない。また、これは３つセットまたは４つセット程度までは拡張できるように設計製作が可能であり、実現時の長所がさらに高まり得る。
前記のような本発明の実施例による高効率レーザー点火装置の動作の特徴及び長所を整理すると次のようである。
（１）低コストの９００〜９９０ｎｍ励起レーザーダイオードを使用することができ、（２）イッテルビウムイオンの上準位寿命が１０００μｓであるため、励起パルスの幅も最大２０００μｓ程度に長くでき、利用可能な最大の励起パルスエネルギーが増加されて効率的であり、（３）励起レーザーダイオードのピークパワーが低いため、入力電源として低電流が使用されるので、駆動回路が単純になり、（４）これによって、全体のシステムが低コストになって実際の適用が可能になる長所がある。（５）また、レーザー出力として点火に必要な反復率よりも２倍または３倍の反復率を使用することにより、点火パルスの間のパルスをレーザービームの出射ウィンドウに付着し得る燃料の燃焼副産物を自動除去するために使用することができるので実際の適用が可能となる長所がある。吸着物が増加すると、レーザー光を吸収することになるため、点火点の集束点まで伝達されるレーザーエネルギーが減少して点火が不安定になったり、点火不能になることもあるため、このような自動除去は、特に有効である。（６）また、大容積燃焼室での燃焼に使用する必要がある多重焦点燃焼のために多焦点集束をするとき、単なる高屈折光学部品に代えて出射端面に傾斜面を有する光ファイバを使用して送信するので、レーザー出力パルス間の出力方向の微細変動及びビーム拡散角の変動時にも、安定的にレーザーパルスエネルギーを点火点まで伝達し得る長所がある。（７）また、放出スペクトルの全反射コーティングをしたウィンドウコーティング及び光経路との干渉がないように設計された熱遮断ブロックを使用して、点火燃料の放出スペクトルによる輻射熱の逆進とエンジンシリンダーの内壁を介する熱伝逹を防止し得る長所がある。
本発明は、電気的スパークを用いた点火装置をレーザー点火装置に取り替えることにおいて、弱点として作用していた高コスト／低効率／低信頼性／不均一性の問題を解決したため、点火装置分野での産業上の利用可能性は、非常に高いと言える。

Claims (4)

  1. （ａ）マルチチップシングルエミッタパッケージング光ファイバ出力型のレーザーダイオードを採用した励起光源と、
    （ｂ）イッテルビウムが添加されたレーザー媒質と、
    （ｃ）受動Ｑスイッチ媒質として飽和吸収体と、を備え、受動Ｑスイッチレーザー出力として１００ピコ秒〜９９９ピコ秒のパルスを得ることができる高効率レーザー点火装置。
  2. 前記レーザーダイオードが９００〜９９０ｎｍの波長帯域であり、前記飽和吸収体がクロムドープしたヤグ（Ｃｒ：ＹＡＧ）の飽和吸収体である請求項１記載の高効率レーザー点火装置。
  3. （ａ）〜（ｃ）の構成要素を複数個セットで備え、各セットの飽和吸収体の次の段に多重集束点火点の生成手段をさらに含む請求項１記載の高効率レーザー点火装置。
  4. 逆進熱遮断手段をさらに備える請求項１、２又は３の何れかに記載の高効率レーザー点火装置。
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