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JP4378516B2 - Laser ignition device and laser ignition method for internal combustion engine - Google Patents
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JP4378516B2 - Laser ignition device and laser ignition method for internal combustion engine - Google Patents

Laser ignition device and laser ignition method for internal combustion engine Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内の予混合気又は層状混合気を強制的に着火し燃焼させる内燃機関のレーザー着火装置とレーザー着火方法に関する。   The present invention relates to a laser ignition device and a laser ignition method for an internal combustion engine that forcibly ignites and burns a premixed gas or a layered gas mixture in a cylinder of the internal combustion engine.

従来、内燃機関の着火方式としては、点火プラグの放電火花によって予混合気又は層状混合気に点火するものが使用されている。
また、内燃機関の着火方式として、レーザー光を燃焼室内の予混合気又は層状混合気に照射し着火させる方式が提案されている。
特表2004−524478号公報 特表昭63−502682号公報 -
Conventionally, an ignition system for an internal combustion engine that ignites a premixed gas or a layered gas mixture by a spark of a spark plug is used.
Further, as an ignition method for an internal combustion engine, a method has been proposed in which laser light is irradiated to a premixed gas or a layered gas mixture in a combustion chamber to ignite.
JP-T-2004-524478 JP-T 63-502682-

しかしながら、点火プラグの放電火花による着火方式においては、圧縮比を高めたような場合、点火プラグの着火位置から離れたシリンダボア周辺部において、エンドガスが自己着火しノッキングが発生するという問題や、点火プラグの場合、摩耗しやすく耐久性に問題がある。
また、従来のレーザー着火方式においては、確実な着火を発生するために、レーザー出力を大きくしなければならず、そのため装置の大型化、コストの上昇という問題が発生する。
However, in the ignition method by spark discharge sparks, when the compression ratio is increased, the end gas self-ignites around the cylinder bore away from the ignition position of the ignition plug and knocking occurs. In this case, it is easy to wear and there is a problem in durability.
Further, in the conventional laser ignition system, in order to generate reliable ignition, the laser output must be increased, which causes problems such as an increase in the size of the apparatus and an increase in cost.

本発明は、前記課題を解決する、確実なレーザー着火を確保しつつレーザー出力を低減し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現する内燃機関のレーザー着火装置及びレーザー着火方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems, reduces the laser output while ensuring reliable laser ignition, and achieves downsizing and cost reduction of the internal combustion engine including the ignition device. The purpose is to provide.

発明の内燃機関のレーザー着火装置は、前記課題を解決するために、レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅となるよう、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅を、パルス幅短縮装置を用いて超短とすることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a laser ignition device for an internal combustion engine according to the present invention irradiates a pulse laser beam into a high-temperature / high-pressure premixed gas or a layered gas mixture in a cylinder of the internal combustion engine by a laser irradiation means, to generate, in the laser ignition device for the generated premix gas or an internal combustion engine for igniting the stratified mixture in the plasma into the cylinder to absorb the laser energy, pulse width of the pulse laser light provided to the cylinder, minimum ignition The pulse width of the pulse laser beam emitted from the laser irradiation means is made ultrashort by using a pulse width shortening device so as to have a pulse width as input energy .

本第2発明は、本第1発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、集光光学系を用いてシリンダ内にパルスレーザー光を収束することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the laser ignition device for an internal combustion engine according to the first aspect of the invention, the laser irradiating means converges the pulsed laser beam into the cylinder using a condensing optical system.

本第3発明は、本第1又は第2発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、レーザー光源からのパルスレーザー光が光伝送手段を介してシリンダの出射部に伝送されることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the laser ignition device for an internal combustion engine according to the first or second aspect of the invention, the laser irradiating means transmits a pulsed laser beam from a laser light source to the emitting part of the cylinder via the light transmitting means. It is characterized by that.

本第5発明は、本第4発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記パルス幅短縮装置を内燃機関のシリンダの出射部に配置することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the laser ignition device for an internal combustion engine according to the fourth aspect of the invention, the pulse width shortening device is arranged at an emission part of a cylinder of the internal combustion engine.

第6発明は、本第4発明の内燃機関のレーザー着火装置において、前記パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としないことを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the laser ignition device for an internal combustion engine according to the fourth aspect of the present invention, as the pulse width shortening device, an optical fiber as one of pulse laser beam optical transmission means has a pulse width shortening function. It is characterized in that no special device is required for the part.

本第7発明は、本第1〜第6発明のいずれかの内燃機関のレーザー着火装置において、1つのレーザー光源と複数の内燃機関のシリンダとを光伝送手段により連結することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the laser ignition device for an internal combustion engine according to any one of the first to sixth aspects of the present invention, one laser light source and a plurality of internal combustion engine cylinders are connected by an optical transmission means.

本第8発明は、内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とすることを特徴とする。   In the eighth aspect of the invention, a pulsed laser beam is irradiated into a high-temperature / high-pressure premixed gas or a layered gas mixture in a cylinder of an internal combustion engine to cause breakdown, and the generated plasma absorbs the laser energy so that In a laser ignition method of an internal combustion engine that ignites a premixed gas or a stratified gas mixture, the pulse width of the pulse laser beam irradiated into the cylinder is set to a pulse width that becomes a minimum ignition input energy.

本発明の内燃機関のレーザー着火装置によれば、レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、前記レーザー照射手段は、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とする構成により、レーザー出力を低減して確実なレーザー着火を確保し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現することができる。
その際、本発明によれば、パルス幅短縮装置を用いる構成により、通常のパルス幅のレーザー光源で超短パルス幅のパルスレーザー光とすることができる。
レーザー照射手段が、集光光学系を用いて内燃機関のシリンダ内にパルスレーザー光を収束する構成により、内燃機関のシリンダ内の所望の位置でレーザー着火が可能であるため、熱効率の良い燃焼が可能となる。
レーザー照射手段が、レーザー光源からのパルスレーザー光を光伝送手段により内燃機関のシリンダに伝送する構成により、レーザー光源の配置を熱・振動の影響の無い位置に配置でき、設計の自由度が拡大する。
パルス幅短縮装置を内燃機関のシリンダの直前に配置する構成により、超短パルス幅のパルスレーザー光が光ファイバー等の光伝送手段に損傷を与えるのを防止することができる。
前記パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としない構成により、ダブルクラッド型の光ファイバーのもつパルス幅短縮機能を利用し、装置のコンパクト化を図ることができる。
1つのレーザー光源と複数の内燃機関のシリンダとを光伝送手段により連結する構成により、装置をコンパクト化することができる。
また、本発明の内燃機関のレーザー着火方法によれば、内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅となるよう、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅を、超短とする工程を備えたことにより、前記内燃機関の着火装置と同様に、レーザー出力を低減して確実なレーザー着火を確保し、着火装置を含めた内燃機関のコンパクト化とコストダウンを実現することができる。
According to the laser ignition device for an internal combustion engine of the present invention, a laser irradiation means irradiates a pulsed laser beam into a high-temperature / high-pressure premixed gas or a layered gas mixture in a cylinder of the internal combustion engine, and generates a breakdown. In the laser ignition device of an internal combustion engine that absorbs the laser energy into the plasma and ignites the premixed gas or the layered gas mixture in the cylinder, the laser irradiation means has a minimum pulse width of the pulse laser beam irradiated in the cylinder. With the configuration of the pulse width as the input energy, the laser output can be reduced to ensure reliable laser ignition, and the internal combustion engine including the ignition device can be made compact and the cost can be reduced.
At that time, according to the present invention, the pulse width shortening device can be used to obtain a pulse laser beam having an ultrashort pulse width with a laser light source having a normal pulse width.
Since the laser irradiation means uses a condensing optical system to focus the pulsed laser light in the cylinder of the internal combustion engine, laser ignition can be performed at a desired position in the cylinder of the internal combustion engine, so that heat efficient combustion is achieved. It becomes possible.
The laser irradiation means transmits the pulse laser light from the laser light source to the cylinder of the internal combustion engine by the light transmission means, so that the arrangement of the laser light source can be arranged at a position free from the influence of heat and vibration, and the degree of freedom of design is expanded. To do.
With the configuration in which the pulse width shortening device is disposed immediately before the cylinder of the internal combustion engine, it is possible to prevent the pulse laser beam having an ultrashort pulse width from damaging the optical transmission means such as an optical fiber.
As the pulse width shortening device, an optical fiber, which is one of the means for transmitting pulse laser light, has a pulse width shortening function and does not require a special device at the exit of the cylinder. The device can be made compact by utilizing the pulse width shortening function.
The apparatus can be made compact by a configuration in which one laser light source and a plurality of internal combustion engine cylinders are connected by optical transmission means.
Further , according to the laser ignition method for an internal combustion engine of the present invention, a plasma generated by irradiating a pulsed laser beam into a high-temperature / high-pressure premixed gas or a layered gas mixture in a cylinder of the internal combustion engine to generate breakdown. In the laser ignition method of an internal combustion engine that absorbs the laser energy to ignite the premixed gas or the stratified gas mixture in the cylinder, the pulse width of the pulse laser beam irradiated into the cylinder becomes the pulse width that becomes the minimum ignition input energy Thus, by providing a process for making the pulse width of the pulsed laser light emitted from the laser irradiation means ultrashort , the laser output can be reduced and reliable laser ignition can be achieved as in the ignition device for the internal combustion engine. Thus, the internal combustion engine including the ignition device can be made compact and the cost can be reduced.

本発明の内燃機関のレーザー着火方式は、内燃機関のシリンダ内の予混合気又は層状混合気にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成したプラズマにレーザーエネルギーを吸収させ、その吸収エネルギーが燃料に応じた最小着火エネルギーを超えることにより燃料・空気の予混合気又は層状混合気に着火するものである。ブレークダウンは、レーザーの尖頭値に大きく依存していると言われている。つまり、パルスレーザー光のパルス幅を短くすると尖頭値が大きくなるためにブレークダウンしき値は小さくなる。そこで、パルスレーザー光のパルス幅の相違によるブレークダウンしき値を調査し、着火に必要なレーザーエネルギーと、ブレークダウンにより生成するプラズマに吸収されるレーザーエネルギーの関係を明らかにしていく。   The laser ignition system of the internal combustion engine of the present invention irradiates the premixed gas or the layered gas mixture in the cylinder of the internal combustion engine with a pulsed laser beam to generate breakdown, and the generated plasma absorbs the laser energy and absorbs it. When the energy exceeds the minimum ignition energy corresponding to the fuel, the fuel / air pre-mixture or the layered mixture is ignited. The breakdown is said to be largely dependent on the peak value of the laser. That is, when the pulse width of the pulse laser beam is shortened, the peak value increases, so that the breakdown threshold value decreases. Therefore, we investigate the breakdown threshold due to the difference in the pulse width of the pulsed laser beam, and clarify the relationship between the laser energy required for ignition and the laser energy absorbed by the plasma generated by breakdown.

図1は、本発明の内燃機関のレーザー着火のメカニズムを解明するために使用した実験装置を示す。実験装置は、レーザー光源から射出されたパルスレーザー光は、1/2波長版と偏光板によりパワーが調整された後、ビームスプリッタにより分岐され、その一部はパワーメータ(MOLECTRON社製:J25HR)で投入エネルギーが計測される。分岐されたパルスレーザー光のもう一方は、凸レンズにより集光され、非燃焼実験では大気中に、燃焼実験では燃焼室窓から燃焼室内に照射され、焦点で集光された後、パワーメータ(MOLECTRON社製:J25HR)でエネルギーが計測される。使用されたレンズは、非燃焼実験においては、f=50,100,150mmの3種、燃焼実験においては、f=50mmである。非燃焼実験において、連続発信によるカーネル周囲雰囲気の温度上昇を防ぐため、乾燥空気を流した。使用したレーザーは、Nd−YAGレーザーで、パルス幅(FWHM)が、24ps、150ps、5ns、20nsの4種類である。着火実験では、燃焼室内は常温、常圧とし、メタン−空気予混合気の当量比を0.6から1.0まで変化させた。   FIG. 1 shows an experimental apparatus used for elucidating the laser ignition mechanism of the internal combustion engine of the present invention. In the experimental apparatus, the pulsed laser light emitted from the laser light source is branched by a beam splitter after the power is adjusted by a half-wavelength plate and a polarizing plate, and a part of it is a power meter (manufactured by MOLETRON: J25HR). The input energy is measured. The other of the branched pulsed laser light is condensed by a convex lens, irradiated in the atmosphere in a non-combustion experiment, and irradiated into the combustion chamber from a combustion chamber window in a combustion experiment and condensed at a focal point, and then a power meter (MOLECRON). Energy is measured by J25HR). The used lenses are three types of f = 50, 100, and 150 mm in the non-combustion experiment, and f = 50 mm in the combustion experiment. In the non-combustion experiment, dry air was flowed in order to prevent the temperature around the kernel from rising due to continuous transmission. The lasers used were Nd-YAG lasers with four pulse widths (FWHM) of 24 ps, 150 ps, 5 ns, and 20 ns. In the ignition experiment, the combustion chamber was at room temperature and normal pressure, and the equivalence ratio of methane-air premixed gas was changed from 0.6 to 1.0.

図2は、図1の実験装置においての実験したパルスレーザー光のパルス幅とブレークダウンしき値の関係を示す。図2に示されるように、パルスレーザー光のパルス幅が、ナノ秒より短いとブレークダウンしきい値が小さく、パルス幅の変化に対して差が少ない。逆にパルスレーザー光のパルス幅がナノ秒オーダーになると、ブレークダウンしきい値の指数関数が大きくなっている。これは、ブレークダウンが、レーザーのパワー(エネルギー密度)に依存し、パルスレーザー光のパルス幅が短い方がパワーは大きくなり、ブレークダウンしきい値が小さくなるためである。   FIG. 2 shows the relationship between the pulse width of the pulsed laser beam and the breakdown threshold value in the experimental apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 2, when the pulse width of the pulse laser beam is shorter than nanoseconds, the breakdown threshold is small, and the difference with respect to the change in the pulse width is small. Conversely, when the pulse width of the pulsed laser light is on the order of nanoseconds, the exponential function of the breakdown threshold increases. This is because the breakdown depends on the power (energy density) of the laser, and the shorter the pulse width of the pulse laser light, the higher the power and the lower the breakdown threshold.

図3は、当量比を変化させた時の、最小着火投入エネルギーとパルスレーザー光のパルス幅の関係を示すものである。図3に示されるように、パルスレーザー光のパルス幅の違いによる最小着火投入エネルギーの変化は、当量比にかかわらずパルスレーザー光のパルス幅が150psのものが一番小さく、5ns、24psの順となっている。パルスレーザー光のパルス幅が5nsと24psとの差は小さかった。燃料に応じた最小着火エネルギーは、レーザーに関係なく一定であるので、本実験の結果、パルスレーザー光のパルス幅が150psのレーザーを用いるとプラズマによるエネルギーの吸収量が一番大きく、レーザーの出力が一番小さいことを示している。   FIG. 3 shows the relationship between the minimum ignition input energy and the pulse width of the pulse laser beam when the equivalence ratio is changed. As shown in FIG. 3, the change in the minimum ignition input energy due to the difference in the pulse width of the pulse laser beam is the smallest when the pulse width of the pulse laser beam is 150 ps regardless of the equivalence ratio, and the order is 5 ns and 24 ps. It has become. The difference between the pulse width of the pulse laser beam between 5 ns and 24 ps was small. Since the minimum ignition energy corresponding to the fuel is constant regardless of the laser, the result of this experiment is that if a laser with a pulse width of 150 ps is used, the amount of energy absorbed by the plasma is the largest, and the output of the laser Is the smallest.

以上の実験の結果をまとめると、ブレークダウンしきい値は、パルスレーザー光のパルス幅が短いほど小さくなるが、その後の発生したプラズマへのエネルギー吸収率は小さい。着火を考えると、最小着火エネルギーが小さい条件では、パルスレーザー光のパルス幅の短いものを、最小着火エネルギーが大きい条件では、パルスレーザー光のパルス幅が長いレーザーを用いると効率が良いことが判明した。メタン−空気予混合気の着火実験の結果、最小着火投入エネルギーは、パルスレーザー光のパルス幅が、150ps、24ps、5nsの順に大きくなった。つまり、レーザーの着火には、サブナノ秒のパルス幅のレ
ーザーを用いる事が、射出レーザーエネルギーを一番小さくできることが判明した。
Summarizing the results of the above experiments, the breakdown threshold becomes smaller as the pulse width of the pulse laser beam becomes shorter, but the energy absorption rate to the plasma generated thereafter is smaller. Considering ignition, it was found that using a laser with a short pulse width of the pulse laser beam under conditions where the minimum ignition energy is low, and using a laser with a long pulse width of pulse laser light under conditions where the minimum ignition energy is large did. As a result of the ignition experiment of the methane-air premixed gas, the minimum ignition input energy increased in the order of 150 ps, 24 ps, and 5 ns of the pulse width of the pulse laser beam. In other words, it has been found that the laser energy can be minimized by using a laser with a sub-nanosecond pulse width for laser ignition.

燃料の種類により最小着火エネルギーが異なることを勘案すると、パルス幅の長い通常のパルスレーザー光においては、一般的にプラズマの生成するレーザーエネルギーにおいて、着火に必要なエネルギーがプラズマに投入されるが、パルスレーザー光のパルス幅を短くなると、プラズマを生成するエネルギーが小さくなり、結果的にプラズマに蓄積されるエネルギーが小さくなるため、これが燃料に応じた最小着火エネルギーを下回ることがある。レーザー着火のためのレーザーの投入エネルギーを最小にできるのは、ブレークダウンによるプラズマの生成に必要なレーザーエネルギーが小さく、かつ、プラズマに吸収されるエネルギーが燃料に応じた最小着火エネルギーを上回るパルスレーザー光のパルス幅を選択することが重要である。   Considering that the minimum ignition energy varies depending on the type of fuel, in general pulsed laser light with a long pulse width, the energy required for ignition is generally input to the plasma in the laser energy generated by the plasma. When the pulse width of the pulse laser beam is shortened, the energy for generating plasma is reduced, and as a result, the energy accumulated in the plasma is reduced, which may be lower than the minimum ignition energy corresponding to the fuel. The laser energy required for laser ignition can be minimized because the laser energy required for generating plasma by breakdown is small and the energy absorbed in the plasma exceeds the minimum ignition energy according to the fuel. It is important to select the pulse width of the light.

図4は、本発明を内燃機関のレーザー着火装置に適用した一実施形態を示すものである。
図4中、1は内燃機関のシリンダであり、シリンダ1内にピストン9が往復動自在に配置される。シリンダ1とピストン9との間に形成される燃焼室10に吸込口2と排気口3が開口する。吸込口2には、吸気弁6を有する吸気管4が設置され、排気口3には、排気弁7を有する排気管5が設置される。吸気管4から燃料・空気予混合気8(ディゼルの場合は空気)が燃焼室10に供給される。排気管5から燃焼後ガスが排気される。内燃機関のシリンダ1の燃焼室10内の燃料・空気予混合気8中に、レーザー光源11からの最適パルス幅とされたパルスレーザー光が照射される。レーザー光源11の配置は、内燃機関のシリンダ1の熱及び振動の影響を受けない位置に配置することが望ましい。レーザー光源11からのパルスレーザー光は、光ファイバー等のレーザー光伝送手段12を介して、内燃機関のシリンダ1の燃焼室10の所望の位置にレンズ14を介して収束する。レーザー光源11の配置は、内燃機関のシリンダ1に直接配置することも可能であるが、内燃機関のシリンダ1の熱及び振動の影響を受けない位置に配置することが望ましい。燃焼室10に収束されたパルスレーザー光は、予混合気中にブレークダウンを発生させ、プラズマを生成し、その後プラズマにレーザーエネルギーを吸収させ、予混合気に着火する。パルスレーザー光の最適パルス幅が超短の場合、通常用いるパルスレーザー光のパルス幅のレーザー光源を用いて、レーザー光伝送手段にパルス幅短縮装置13を設置する。パルスレーザー光のパルス幅が超短の場合、光ファイバー等のレーザー光伝送手段12を損傷する恐れがあるので、パルス幅短縮装置13は、レーザー光伝送手段12の最終端に当たる内燃機関のシリンダ2のレーザー光照射位置に設置するのが望ましい。図示しないが、1つのレーザー光源と複数のシリンダとを光伝送手段により連結することもできる。
FIG. 4 shows an embodiment in which the present invention is applied to a laser ignition device for an internal combustion engine.
In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a cylinder of the internal combustion engine, and a piston 9 is disposed in the cylinder 1 so as to freely reciprocate. A suction port 2 and an exhaust port 3 are opened in a combustion chamber 10 formed between the cylinder 1 and the piston 9. An intake pipe 4 having an intake valve 6 is installed at the suction port 2, and an exhaust pipe 5 having an exhaust valve 7 is installed at the exhaust port 3. A fuel / air premixed gas 8 (air in the case of a diesel) is supplied to the combustion chamber 10 from the intake pipe 4. The gas after combustion is exhausted from the exhaust pipe 5. The laser / light premixed gas 8 in the combustion chamber 10 of the cylinder 1 of the internal combustion engine is irradiated with pulsed laser light having an optimum pulse width from the laser light source 11. The laser light source 11 is desirably arranged at a position not affected by the heat and vibration of the cylinder 1 of the internal combustion engine. The pulsed laser light from the laser light source 11 is converged through a lens 14 at a desired position in the combustion chamber 10 of the cylinder 1 of the internal combustion engine via laser light transmission means 12 such as an optical fiber. Although it is possible to arrange the laser light source 11 directly on the cylinder 1 of the internal combustion engine, it is desirable to arrange the laser light source 11 at a position not affected by the heat and vibration of the cylinder 1 of the internal combustion engine. The pulsed laser light focused on the combustion chamber 10 generates breakdown in the premixed gas, generates plasma, and then absorbs the laser energy in the plasma and ignites the premixed gas. When the optimum pulse width of the pulse laser beam is very short, the pulse width shortening device 13 is installed in the laser beam transmission means using a laser light source having a pulse width of the pulse laser beam that is normally used. When the pulse width of the pulse laser beam is very short, there is a risk of damaging the laser beam transmission means 12 such as an optical fiber. Therefore, the pulse width shortening device 13 is connected to the cylinder 2 of the internal combustion engine that hits the final end of the laser beam transmission means 12. It is desirable to install at the laser beam irradiation position. Although not shown, one laser light source and a plurality of cylinders can be connected by an optical transmission means.

図5(a)(b)は、パルス幅短縮装置の一実施形態を示すものである。
図5(a)は、レーザー光源からのパルスレーザー光が、ビームセパレータ15により偏光分離され、偏光分離された直線偏光成分の一方が、1/4波長板16、レンズ17を介して、ジェネレータセル18に入射し、ジェネレータセル18内で全反射し、入射した経路を通り、ビームセパレータ15からパルス幅が短縮されたパルスレーザー光として取り出される。図5(b)は、図5(a)の実施例の1/4波長板16とレンズ17との間に増幅セル19を配置したものである。
5A and 5B show an embodiment of a pulse width shortening device.
FIG. 5A shows the pulsed laser light from the laser light source, which is polarized and separated by the beam separator 15, and one of the linearly polarized components that has been polarized and separated is passed through the quarter-wave plate 16 and the lens 17. 18, is totally reflected in the generator cell 18, passes through the incident path, and is extracted from the beam separator 15 as pulsed laser light with a reduced pulse width. FIG. 5B shows an amplifying cell 19 disposed between the quarter-wave plate 16 and the lens 17 in the embodiment of FIG.

また、別の実施形態として、パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としない構成とすることができる。これは、ダブルクラッド型の光ファイバーが、パルス幅圧縮機能を持つことを利用したものである。シリンダーの出射部にパルス幅短縮装置を設置する必要がないにで、装置のコンパクト化を図ることができる。   Also, as another embodiment, as a pulse width shortening device, an optical fiber that is one of pulse laser beam optical transmission means has a pulse width shortening function, and a configuration that does not require a special device at the emission part of the cylinder can do. This utilizes the fact that a double clad optical fiber has a pulse width compression function. Since it is not necessary to install a pulse width shortening device at the emission part of the cylinder, the device can be made compact.

内燃機関のレーザー着火方法として、内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は
層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、燃料に応じた最小着火エネルギーを上回る最小着火投入エネルギーとなるパルス幅とする。
As a laser ignition method of an internal combustion engine, a cylinder is formed by irradiating a pulsed laser beam into a high-temperature / high-pressure premixed gas or a layered gas mixture in a cylinder of the internal combustion engine, generating a breakdown, and absorbing the laser energy in the generated plasma. In a laser ignition method for an internal combustion engine that ignites an internal premixed gas or a stratified gas mixture, the pulse width that makes the pulse width of the pulse laser light irradiated into the cylinder the minimum ignition input energy that exceeds the minimum ignition energy according to the fuel And

本発明において用いた実験装置を示す図である。It is a figure which shows the experimental apparatus used in this invention. パルス幅とブレークダウンしきい値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a pulse width and a breakdown threshold value. 当量比と最小着火投入エネルギーの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an equivalence ratio and minimum ignition input energy. 本発明の内燃機関のレーザー着火装置の一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the laser ignition device of the internal combustion engine of this invention. (a)(b) 本発明に用いるパルス幅短縮装置の一実施形態を示す図である。(A) (b) It is a figure which shows one Embodiment of the pulse width shortening apparatus used for this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:内燃機関のシリンダ
2:吸込口
3:排出口
4:吸気管
5:排気管
6:吸気弁
7:排気弁
8:燃料・空気予混合気(ディゼルでは空気)
9:ピストン
10:燃焼室
11:レーザー光源
12:レーザー光伝送手段
13:パルス幅短縮装置
14:レンズ
15:ビームセパレータ
16:1/4波長板
17:レンズ
18:ジェネレータセル
19:増幅器
1: Cylinder of internal combustion engine 2: Suction port 3: Exhaust port 4: Intake pipe 5: Exhaust pipe 6: Intake valve 7: Exhaust valve 8: Fuel / air premixed air (in the case of diesel)
9: Piston 10: Combustion chamber 11: Laser light source 12: Laser light transmission means 13: Pulse width shortening device 14: Lens 15: Beam separator 16: 1/4 wavelength plate 17: Lens 18: Generator cell 19: Amplifier

Claims (7)

レーザー照射手段により内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火装置において、
シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅となるよう、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅を、パルス幅短縮装置を用いて超短とすることを特徴とする内燃機関のレーザー着火装置。
The laser irradiation means irradiates pulse laser light into the high-temperature / high-pressure premixed gas or layered gas mixture in the cylinder of the internal combustion engine, generates breakdown, and the generated plasma absorbs the laser energy to premix in the cylinder. In a laser ignition device of an internal combustion engine that ignites air or a layered mixture,
The pulse width of the pulse laser beam emitted from the laser irradiation means is set to a very short value by using a pulse width shortening device so that the pulse width of the pulse laser beam irradiated into the cylinder becomes a pulse width that is the minimum ignition input energy. A laser ignition device for an internal combustion engine.
前記レーザー照射手段は、集光光学系を用いてシリンダ内の所望の位置にパルスレーザー光を収束することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のレーザー着火装置。 2. The laser ignition device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the laser irradiating means converges the pulsed laser beam at a desired position in the cylinder using a condensing optical system. 前記レーザー照射手段は、レーザー光源からのパルスレーザー光が光伝送手段を介してシリンダの出射部に伝送されることを特徴とする請求項1及び2に記載の内燃機関のレーザー着火装置。 3. The laser ignition device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the laser irradiation unit transmits a pulse laser beam from a laser light source to an emission part of the cylinder through the light transmission unit. 前記パルス幅短縮装置をシリンダの出射部に配置することを特徴とする請求項1ないし3に記載の内燃機関のレーザー着火装置。 4. The laser ignition device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the pulse width shortening device is arranged at an emission part of a cylinder . 前記パルス幅短縮装置として、パルスレーザー光の光伝送手段の一つである光ファイバーにパルス幅短縮機能を持たせ、シリンダの出射部に特別な装置を必要としないことを特徴とする請求項1ないし3記載の内燃機関のレーザー着火装置。 The pulse width shortening device is characterized in that an optical fiber, which is one of the means for transmitting pulse laser light, has a pulse width shortening function, and no special device is required at the exit of the cylinder. 3. A laser ignition device for an internal combustion engine according to 3 . 1つのレーザー光源と複数の内燃機関のシリンダとを光伝送手段により連結することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の内燃機関のレーザー着火装置。 6. The laser ignition device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein one laser light source and a plurality of cylinders of the internal combustion engine are connected by optical transmission means . 内燃機関のシリンダ内の高温高圧の予混合気又は層状混合気中にパルスレーザー光を照射し、ブレークダウンを発生させ、生成されたプラズマにレーザーエネルギーを吸収させシリンダ内の予混合気又は層状混合気に着火する内燃機関のレーザー着火方法において、
シリンダ内に照射するパルスレーザー光のパルス幅が、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅となるよう、前記レーザー照射手段から照射されるパルスレーザー光のパルス幅を、超短とする工程を備えたことを特徴とする内燃機関のレーザー着火方法。
Pulsed laser light is radiated into a high-temperature / high-pressure premixed gas or layered gas mixture in a cylinder of an internal combustion engine to generate breakdown, and the generated plasma absorbs laser energy to cause premixed gas or layered gas mixture in the cylinder. In a laser ignition method for an internal combustion engine that ignites,
A step of making the pulse width of the pulse laser beam irradiated from the laser irradiation means ultrashort so that the pulse width of the pulse laser beam irradiated into the cylinder becomes a pulse width that is the minimum ignition input energy A method of laser ignition of an internal combustion engine characterized by the above .
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