JP4772600B2 - 多点出力レーザ着火装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光により内燃機関、主としてガス燃焼エンジンの多点着火を行うために使用する多点出力レーザ着火装置に関する。

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、失火やノッキングなどの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。

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。しかし、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点もしくは２点に限られ、多点から同時に燃焼を開始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着火装置を応用する技術が考えられる。しかし、実用化するためには、高出力レーザを伝搬させる方法やエンジン付近で多数に分配する方法などの技術開発が必要とされる。

たとえば特許文献１には、レーザ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式多点着火装置は、図６に示すように、１個のレーザ発生源から光ファイバーで導光されたレーザ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タ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、混合燃料に多点着火する。

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。さらに、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、高出力レーザを光ファイバで導き、コリメートした上でマイクロレンズアレイで複数の光束に分割してそれぞれ収束させて焦点を形成させる。したがって、高い品質を備えた光学素子が必要となり、システム全体としても精密で高価な装置になる問題があった。
また、１個の高出力レーザを分割する代わりに、多数のレーザ光源を設けてそれぞれ独立に着火するようにしてもよいが、この場合には多数のシステムを必要とし設備価額も高価になり、実用化には困難がある。
特開２００５−１４７１０９号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、単体のレーザ共振器を用いて構成されレーザ分割装置を用いない新しい多点出力レーザ着火装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の多点出力レーザ着火装置は、反射鏡と複数の出力孔を設けた出力鏡でなる１対の共振鏡でレーザ媒質を挟んで形成したレーザ共振器と、このレーザ共振器から出力される複数の出力レーザごとに収束光学系を備えたことを特徴とする。
出力孔は出力鏡の一部に設けた反射率の小さな部分をいう。出力レーザはこの出力孔を透過して出力してくる。

本発明の多点出力レーザ着火装置は、レーザ共振器の出力鏡に出力孔が複数設けられていて、同時に複数のレーザ光が放出される。このレーザ光はマイクロレンズなどの収束光学系により１本ずつ収束して、エンジンの燃焼室内のそれぞれ異なる適当な位置に集光する。それぞれ異なる位置に集光したレーザ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。複数のレーザ光が燃焼室内に分布した多点で燃料ガスに着火させるので、燃焼が一挙に進行し燃焼室における燃焼時間は短縮してエンジンの出力は向上する。
本発明の多点出力レーザ着火装置では、単体のレーザ発生装置から多数のレーザ光が直接に出力されるため、精密で製作と取り扱いが難しいレーザ分割装置を使う必要がない。また、複数のレーザ発生装置を同期運転させる必要もない。

出力鏡における光の強度分布がガウス分布を呈する場合では、出力孔は出力鏡の中心を中心とする同心円上に配置されることが好ましい。
凹面鏡と凹面鏡を組み合わせた通常の共振器は、発振を安定化するため、反射鏡と出力鏡における光強度分布を中心軸を頂点とする正規分布になるように構成される。このような光強度分布を有するときは、出力孔の中心軸からの距離が等しければ出力光の強度も等しくなるので、中心軸を中心とする同心円上に出力孔を配置することがよい。

レーザ共振器から出力される複数の出力レーザの光軸を互いに平行になるようにするコリメータレンズを備えてもよい。
レーザ共振器から出力される出力レーザの光軸同士を平行にするコリメータレンズは、たとえば平凸レンズを用いて構成することができる。コリメータレンズにより、複数の出力レーザの光軸を平行化すると、レーザ共振器と収束光学系の距離が変化しても同じ収束光学系で集光することができるので、適用対象のエンジンに合わせて容易に着火装置の寸法を調整することができる。

また、レーザ共振器は、反射鏡と出力鏡が凸面鏡と凸面鏡の組み合わせになる不安定共振器であってもよい。この場合は、出力鏡面における光強度が均一化するので、複数の出力孔から得られる出力レーザの強度がほぼ等しくなる。また、不安定共振器では、中心軸から外れた位置に設けられた出力孔から放出されるレーザ光も、中心軸にほぼ平行な光軸を有するので、レーザ光軸を平行化するコリメータレンズを省略してより小型・簡便なレーザ着火装置を得ることができる。

収束光学系はマイクロレンズで形成することが好ましい。
各出力レーザ毎に必要な収束光学系は径が数ｍｍ以下のマイクロレンズで形成することができる。マイクロレンズは、１枚の基板上に必要な数の必要な形状のレンズを形成することができ、このようなマイクロレンズ板を用いれば、レーザ着火装置は極めてコンパクトに製作することができる。

また、収束光となった出力レーザの出力面に透明保護板を設けて、エンジンに装着して使用するときに、爆発圧力が着火装置内部の光学系を破損しないように、また、燃焼残滓が収束光学系を汚さないように保護することが好ましい。透明保護板は、たとえば石英ガラスの厚板などを利用することができる。
本発明の多点出力レーザ着火装置は、レーザ発生装置とマイクロレンズなどの光学系を一体化した小型のユニットの形で構成させることができる。

本発明の多点出力レーザ着火装置をエンジンに適用すれば、レーザ発生装置から直接複数のレーザビームを発生させて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、燃焼効率が良く失火や異常燃焼が少ない運転ができる。
また、本発明の多点出力レーザ着火装置を備えたレーザ多点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、本発明の多点出力レーザ着火装置およびレーザ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実施例における多点出力レーザ着火装置の概略断面図、図２は出力鏡における出力孔の配置例を示す概念図、図３はレーザ共振器以降の光学系を簡略化できる構成を説明する概念図、図４はレーザ共振器の別例を示す概念図、図５は多点出力レーザ着火装置をエンジンの燃焼室に取り付けたところを示す概念的な斜視図である。
なお、図６は従来技術を説明する断面図である。

多点出力レーザ着火装置１は、レーザ媒質１１を挟んで対向する出力鏡１２と反射鏡１３と平凸レンズ１５、凸レンズのマイクロレンズ１６、保護用の透明板１７とから構成され、エンジンシリンダの燃焼室３の壁に取り付けて使用する。

レーザ媒質１１は誘導放出によって光を増幅する物質である。出力鏡１２と反射鏡１３はファブリペロー共振器を構成し、光を帰還して発振の電力条件と周波数条件を満足させるように調整されている。
出力鏡１２には、複数の出力孔１４が設けられている。出力孔１４は、光透過率が高い部分で、レーザ光が出射する孔である。レーザ光は、出力鏡の反射面に対して垂直の方向に放出される。

そこで、平凸レンズ１５を設けて出力レーザを平行化した後にマイクロレンズ１６で収束させる。収束光は、透明保護板１７を透過して、所定距離の位置で焦点３１を形成する。
出力レーザが平凸レンズ１５を透過した後に平行になると、レーザ共振器の出力鏡１２とマイクロレンズ１６の距離を適当に調整することができるので、多点出力レーザ着火装置１を適用するエンジンに合わせて装置の長さを調整することができる。

マイクロレンズ１６は、径が数ｍｍ以下の凸レンズとして形成されたもので、１枚の基板上に出力レーザの数だけ形成したマイクロレンズ板を用いることができる。
また、保護用の透明板１７は収束するレーザ光をよく透過する材質で、燃焼室３における圧力変化に耐えられるように設計された、たとえば石英ガラス製の厚板などが利用される。

焦点３１は、多点出力レーザ着火装置１を燃焼室３の壁に取り付けたときに、壁から適当に離れて燃料ガスに効率的に着火するような位置に形成される。
また、多数の出力レーザ毎に結ばれる焦点３１同士は適度に離れていて、着火後にそれぞれ独立的に燃焼が進行するようにすることが好ましい。好ましくは、燃焼室３内の容積を出力レーザの数と同じ数の互いに接する球体に分割して、その球体の中心位置に焦点を分配するように配置する。このような配置を取ることにより、燃焼室３内における燃焼速度が最も短縮されることになる。

なお、レーザ着火装置の径が小さいときは、焦点を適当な広い範囲に配置するために、マイクロレンズ１６の後にプリズムなど屈折によって個々のレーザ光の光路を外側に向ける光屈折素子を設けてもよい。
また、光屈折素子を出力レーザの数だけ形成した１枚の基板として提供することができる。

ファブリペロー共振器の反射鏡と出力鏡の組み合わせは、凹面−凹面、平面−平面、平面−凹面、凸面−凹面、凸面−凸面のいずれも選択することができる。
図１に表示した凹面−凹面の構成では、共振器内の光１８が中心で細く両端で広がるようになり、軸に垂直な面内での光の強度がガウス分布をするので、安定な共振を比較的に容易に実現することができる。また、出力鏡１２における光強度がガウス分布になるので、出力孔１４が出力鏡の中心に近いほど出力レーザの強度が大きい。

燃料ガスの点火エネルギーはガス成分、ガス濃度、酸素濃度などにしたがって決まるので、多点着火をするときには、点毎にほぼ同じエネルギーになることが要求される。このため、出力孔１４は、図２に示したように、出力鏡１２の中心Ｏを中心とする同心円Ｃ上に配置することが好ましい。

なお、図３は、レーザ光の光軸を平行化しないで、出力レーザの放出方向が凹面鏡の法線方向になることを利用して、その方向を保存したまま光軸上にマイクロレンズ１６を設けた構成を示した略図である。
このような構成では、レーザ共振器の出力鏡１２をエンジンの燃焼室３に極めて近付けることになるが、コリメータレンズ１５を要せず低コストのレーザ着火装置となる。

また、図４に示すように、ファブリペロー共振器に凸面−凸面構成の不安定共振器を採用することができる。出力鏡１９と反射鏡２０がいずれも凸面で構成される不安定共振器は、共振器内の光の広がり２１が大きく、励起された分子を有効に誘導放出に利用できるので利得が大きく、大出力を得るのに使われる。この不安定共振器では、出力鏡１９における光の強度分布が比較的平坦であるため出力孔１４の位置は比較的自由に決めることができる。

また、出力鏡１９から放出される出力レーザの光軸は共振器の中心軸とほぼ並行になるので、図１に示した構成のようにコリメータレンズ１５を設ける必要がない。
なお、本実施例の多点出力レーザ着火装置１における出力レーザの数、焦点の位置などは、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。

本実施例の多点出力レーザ着火装置１は、たとえば図５に示すように、ガス燃焼エンジンのシリンダ燃焼室３に設備して使用する。エンジンは、多点出力レーザ着火装置１を装備することによって、レーザ多点着火式エンジンとなる。
図では、燃料ガスの導入をする吸気管３２と排ガスを排出する排気管３３を設備したヘッドに燃焼室３までの貫通孔を穿って、この貫通孔に多点出力レーザ着火装置１を取り付ける。多点出力レーザ着火装置１から供給されるレーザは、燃焼室３内の空間に形成される多数の焦点３１にそれぞれのレーザエネルギーを集中させて、燃料ガスに点火する。

適当な距離を持った焦点３１で同時に着火して、各焦点３１から燃焼が進行するため、燃焼室３内の燃料ガスは極めて高速に燃焼し尽くし、エンジンは燃焼効率が良く失火や異常燃焼が少ない運転ができる。
また、本実施例の多点出力レーザ着火装置１を備えたエンジンは、多点着火するため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、低燃費、低ＮＯｘ排出量のエンジンを提供することができる。

本発明の多点出力レーザ着火装置は、レーザ発生装置と出力レーザの光学系を一体化した小型のユニットとして構成することができる。したがって、取り扱いの難しい着火装置までの光輸送系を使う必要がない。
また、エンジンの気筒数に応じ、また燃焼室における着火点数に応じて要求されるレーザパワーと周波数に対応して、全体として効率のよいシステム設計が可能になる。

本発明の１実施例における多点出力レーザ着火装置の概略断面図である。 本実施例における出力鏡における出力孔の配置例を示す概念図である。 本実施例における別の態様を示した概念図である。 本実施例におけるさらに別の態様を示した概念図である。 本実施例の多点出力レーザ着火装置をエンジンの燃焼室に設備する状態を示す概念図である。 従来のレーザ多点着火装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 多点出力レーザ着火装置
１１ レーザ媒質
１２ 出力鏡
１３ 反射鏡
１４ 出力孔
１５ 平凸レンズ
１６ マイクロレンズ
１７ 透明保護板
１８ 光の広がり
１９ 出力鏡
２０ 反射鏡
２１ 光の広がり
３ 燃焼室
３１ 焦点（着火点）
３２ 吸気管
３３ 排気管

Claims (9)

1. レーザ光を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着火装置であって、反射鏡と複数の出力孔を設けた出力鏡とでなる１対の共振鏡でレーザ媒質を挟んで形成したレーザ共振器と、前記出力孔から出力される複数の出力レーザごとに収束光学系を備えたことを特徴とする多点出力レーザ着火装置。
2. 前記レーザ共振器は光の強度分布がガウス分布を呈する出力鏡を備え、前記出力孔が該出力鏡の中心を中心とする同心円上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の多点出力レーザ着火装置。
3. 前記出力鏡と前記収束光学系の間にコリメータレンズを備えることを特徴とする請求項２に記載の多点出力レーザ着火装置。
4. 前記反射鏡と前記出力鏡が凸面鏡と凸面鏡の組み合わせになる不安定共振器を構成することを特徴とする請求項１に記載の多点出力レーザ着火装置。
5. 前記収束光学系はマイクロレンズで形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置。
6. 前記マイクロレンズは、１枚の基板上に必要な数の必要な形状のレンズを形成したものであることを特徴とする請求項５に記載の多点出力レーザ着火装置。
7. 前記収束光学系の後ろに光屈折素子を備えて出力レーザの光軸を外側に屈折させて前記焦点を広い範囲に配置す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多点出力レーザ着火装置。
8. 前記多点出力レーザ着火装置のレーザ出力面に透明保護板を設けることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の多点出力レーザ着火装置を備えることを特徴とするレーザ多点着火式エンジン。

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