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JP2008002279A - Combustion control device for laser ignition type internal combustion engine - Google Patents

Combustion control device for laser ignition type internal combustion engine Download PDF

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Publication number
JP2008002279A
JP2008002279A JP2006169989A JP2006169989A JP2008002279A JP 2008002279 A JP2008002279 A JP 2008002279A JP 2006169989 A JP2006169989 A JP 2006169989A JP 2006169989 A JP2006169989 A JP 2006169989A JP 2008002279 A JP2008002279 A JP 2008002279A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
laser
concentration
control device
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006169989A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Minoru Yokoyama
横山  稔
Yoshiro Tokunaga
佳郎 徳永
Kenji Yoshimura
健二 吉村
Hiroyuki Kashiwabara
宏行 柏原
Iwao Morimoto
巌 森本
Kiyoto Owaki
清人 大脇
Hiroshi Fujita
寛 藤田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kawasaki Heavy Industries Ltd filed Critical Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority to JP2006169989A priority Critical patent/JP2008002279A/en
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

【課題】 リーンバーンエンジンの燃焼制御装置において、混合気の燃料濃度が高い領域を検出し、燃料濃度が高い部位に点火エネルギーを引火して燃料を燃焼させることで、内燃機関のリーン限界を改善し燃費の向上および排出NOxの抑制に寄与する。
【解決手段】 測定用レーザ光発射装置16から測定用レーザ光をシリンダ1内に照射し光センサ17により光量を測定して、測定用レーザ光の燃料に対する吸収量から混合気中の燃料濃度を検出するとともに、かかる検出結果に応じて集光光学系8および電子光学素子9を制御して着火位置を変化させる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the lean limit of an internal combustion engine by detecting a region where the fuel concentration of the air-fuel mixture is high and igniting ignition energy at a portion where the fuel concentration is high to burn the fuel in the lean burn engine combustion control device This contributes to improved fuel economy and reduced exhaust NOx.
SOLUTION: A measuring laser beam is irradiated into a cylinder 1 from a measuring laser beam emitting device 16 and a light amount is measured by an optical sensor 17, and a fuel concentration in an air-fuel mixture is determined from an absorption amount of the measuring laser beam with respect to fuel. In addition to the detection, the condensing optical system 8 and the electron optical element 9 are controlled according to the detection result to change the ignition position.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、希薄混合気をレーザー光により着火させるレーザー着火式内燃機関の燃焼制御装置に関する。   The present invention relates to a combustion control device for a laser ignition internal combustion engine that ignites a lean air-fuel mixture with laser light.

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、混合気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、希薄混合気は着火性が悪く、失火や異常燃焼が起こるため、燃料の希薄化に限度があった。   In a gas combustion engine, in order to improve fuel efficiency and suppress NOx generation amount, there is a demand to reduce the fuel mixture ratio of the air-fuel mixture and make the fuel gas leaner and burn in abundant air. However, since the lean air-fuel mixture has poor ignitability and misfires and abnormal combustion occur, there is a limit to the dilution of the fuel.

そこで、ピストンヘッドや燃料の導入方向等を工夫してエンジンシリンダ内に局所的に混合気の濃度が高い部分を作り、燃料がリッチな部位に点火をすることで、リーンバーンエンジンの利点を保持しながら着火性能を確保する技術が検討されている。   Therefore, by devising the piston head and the direction of fuel introduction, etc., a part where the concentration of the air-fuel mixture is locally high in the engine cylinder is ignited, and the advantage of the lean burn engine is maintained by igniting the fuel rich part. However, techniques for ensuring ignition performance are being studied.

たとえば特許文献1には、図5に示すような燃焼制御装置が開示されている。吸気ポートは終端部がシリンダの周方向に開口しており、吸気ポートからシリンダ内に流入した混合気がシリンダ周方向の横渦すなわちスワールを形成するように配置されている。吸気ポートの上流には燃料噴射弁が設けられていて、吸気ポートに導入される空気に燃料ガスを添加している。   For example, Patent Document 1 discloses a combustion control device as shown in FIG. The end portion of the intake port is opened in the circumferential direction of the cylinder, and the air-fuel mixture flowing into the cylinder from the intake port is arranged so as to form a lateral vortex in the cylinder circumferential direction, that is, a swirl. A fuel injection valve is provided upstream of the intake port, and fuel gas is added to the air introduced into the intake port.

吸気ポートからシリンダ内に流入した混合気は、シリンダ上部で強いスワールを形成し、環状に燃料リッチな領域を形成する。本開示発明では、この燃料リッチな部位に着火することでリーンバーン時の着火性能を確保している。   The air-fuel mixture flowing into the cylinder from the intake port forms a strong swirl at the top of the cylinder and forms a fuel-rich region in an annular shape. In the present disclosure, ignition performance during lean burn is ensured by igniting this fuel-rich part.

このように、特許文献1に記載された開示発明では、吸気ポートの形状や開口方向を工夫してより燃料濃度が濃い領域を形成し、かかる領域に点火エネルギーを印加することでリーンバーン時の点火性能を確保している。   As described above, in the disclosed invention described in Patent Document 1, a region having a higher fuel concentration is formed by devising the shape and opening direction of the intake port, and ignition energy is applied to the region, so that the lean burn is performed. Ignition performance is secured.

しかし、本開示発明では、シリンダ内の実際の燃料分布を検出する手段および点火位置を移動させる手段を持たないため、エンジン起動から定格運転への移行など、シリンダ内の諸条件の変化によって燃料リッチな領域が移動しても、常に同じ位置に点火エネルギーを印加している。従って、燃焼条件の変化に対応できるよう点火エネルギー量や燃料濃度にマージンを持たせなければならず、効率化に限界があった。
特開平05−302561号公報
However, in the present disclosure, since there is no means for detecting the actual fuel distribution in the cylinder and means for moving the ignition position, the fuel rich state is changed due to changes in various conditions in the cylinder, such as a transition from engine startup to rated operation. The ignition energy is always applied to the same position even if the region moves. Therefore, a margin must be given to the amount of ignition energy and the fuel concentration so as to cope with changes in combustion conditions, and there is a limit to the efficiency.
Japanese Patent Laid-Open No. 05-302561

本発明が解決しようとする課題は、リーンバーンエンジンの燃焼制御装置において、混合気の燃料濃度が高い領域を検出し、燃料濃度が高い部位に点火エネルギーを引火して燃料を燃焼させることで、内燃機関のリーン限界を改善し燃費の向上および排出NOxの抑制に寄与することである。   The problem to be solved by the present invention is to detect a region where the fuel concentration of the air-fuel mixture is high in a combustion control device of a lean burn engine and ignite ignition energy at a portion where the fuel concentration is high to burn the fuel, This is to improve the lean limit of the internal combustion engine and contribute to improvement of fuel consumption and suppression of exhaust NOx.

上記課題を解決するため、本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置は、レーザ光をシリンダ内に集光して希薄混合気に着火するレーザ着火式内燃機関において、シリンダ内の燃料濃度を測定する濃度測定装置とレーザ光の集光位置を変化させる光学系と制御装置を備え、制御装置が濃度測定装置の測定結果を基に混合気の濃度変化を検出し、光学系を制御してより燃料濃度が高い領域にレーザ光の集光位置を修正することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine according to the present invention is a laser ignition type internal combustion engine that focuses laser light in a cylinder and ignites a lean air-fuel mixture. It is equipped with a concentration measuring device to measure, an optical system that changes the focusing position of the laser beam, and a control device, and the control device detects the concentration change of the mixture based on the measurement result of the concentration measuring device and controls the optical system. The focusing position of the laser beam is corrected in a region where the fuel concentration is higher.

本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置は、シリンダ内の混合気に含まれる燃料濃度を測定して濃度変化を検出し、より燃料濃度が高い位置にレーザ光が集光するよう制御する。そのため、全体の空燃比が非常にリーンである場合でも、高い着火性を得られる領域に点火エネルギーを印加して確実に着火させることができる。   The combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention measures the fuel concentration contained in the air-fuel mixture in the cylinder, detects the change in concentration, and controls so that the laser beam is condensed at a higher fuel concentration position. . Therefore, even when the entire air-fuel ratio is very lean, ignition energy can be applied to a region where high ignitability can be obtained and ignition can be performed reliably.

また、シリンダ内では、例えばエンジン起動時から定格運転時にかけての温度条件や回転数の変化などによりシリンダ内の燃料濃度分布が常に変化している。定格運転時でも、毎回の燃焼において燃料濃度が高い領域が多少遷移している。本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置は、随時燃料濃度の変化を検出し、高濃度領域の移動に追随して常に最適な位置に点火エネルギを印加することができる。   Further, in the cylinder, the fuel concentration distribution in the cylinder is constantly changing due to, for example, changes in temperature conditions and rotation speed from engine startup to rated operation. Even during rated operation, the region where the fuel concentration is high in each combustion slightly changes. The combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention can detect a change in fuel concentration at any time and can always apply ignition energy at an optimal position following the movement of the high concentration region.

したがって、本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置をレーザー着火式リーンバーンエンジンに採用すれば、燃料がリーンな場合でも高い着火性能を確保できるため、混合気のリーン限界を改善することができる。さらに、燃焼条件が変化しても、条件変化に対応して常に高い着火性能を引き出すことができるため、燃料濃度に持たせるマージン幅を圧縮することができる。   Therefore, if the combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention is employed in a laser ignition type lean burn engine, high ignition performance can be ensured even when the fuel is lean, so that the lean limit of the mixture can be improved. it can. Furthermore, even if the combustion conditions change, a high ignition performance can always be obtained in response to the change in conditions, so the margin width given to the fuel concentration can be compressed.

本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置に備える濃度測定装置は、例えば測定用レーザ光照射装置と受光装置で形成し、レーザ光の燃料ガスに対する吸収量を測定して混合気の濃度を検出することができる。この場合、例えばレーザ光の波長を約3.4μmとすれば燃料ガスに含まれるCH基に対するレーザ光の吸収量を検出することで燃料ガス濃度を測定することができる   The concentration measuring device provided in the combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present invention is formed by, for example, a measuring laser light irradiation device and a light receiving device, and measures the absorption amount of the laser light to the fuel gas to determine the concentration of the mixture. Can be detected. In this case, for example, if the wavelength of the laser beam is about 3.4 μm, the fuel gas concentration can be measured by detecting the amount of absorption of the laser beam with respect to the CH group contained in the fuel gas.

また、レーザ誘起蛍光法を利用して燃料濃度を検出してもよい。例えば、燃料ガスにトレーサとしてトルエンなどを少量混入し、紫外線レーザを燃料ガスに照射してトレーサから発せられる蛍光を受光装置で検出することで燃料濃度を測定することができる。   Further, the fuel concentration may be detected using a laser induced fluorescence method. For example, the fuel concentration can be measured by mixing a small amount of toluene or the like as a tracer in the fuel gas, irradiating the fuel gas with an ultraviolet laser, and detecting the fluorescence emitted from the tracer with a light receiving device.

本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置に備える光学系は、集光レンズと電気光学素子を組み合わせて形成し、集光レンズにバネとピエゾ素子を配して構成することができる。   The optical system provided in the combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present invention can be formed by combining a condensing lens and an electro-optic element, and a spring and a piezo element are arranged on the condensing lens.

多段レンズで形成された集光レンズのうち1枚のレンズの両面をピエゾ素子とバネとで挟持し、ピエゾ素子でピエゾ素子に印加する電圧を調整することでレンズの位置を制御する。レンズの位置を制御することで、集光レンズ系の焦点距離を変化させ、レーザ光の光軸上での集光位置を自由に設定できる。   The lens position is controlled by sandwiching both surfaces of a condensing lens formed of a multistage lens between a piezo element and a spring, and adjusting the voltage applied to the piezo element by the piezo element. By controlling the position of the lens, the focal length of the condensing lens system can be changed, and the condensing position on the optical axis of the laser light can be freely set.

さらに、集光レンズ系の下流に電気光学素子を配し、電気光学素子によりレーザ光を屈曲させることで、集光レンズ系の光軸に対して直交方向の集光位置を変更することができる。
したがって、ピエゾ素子と電気光学素子をそれぞれ制御することで、シリンダ内の自由な位置にレーザ光を集光させ、点火位置を制御することができる。
Furthermore, by arranging an electro-optic element downstream of the condenser lens system and bending the laser light by the electro-optic element, the condenser position in the direction orthogonal to the optical axis of the condenser lens system can be changed. .
Therefore, by controlling the piezo element and the electro-optic element, the laser beam can be condensed at a free position in the cylinder and the ignition position can be controlled.

本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置は、さらにノッキング検出機構を備え、ノッキングが検出された際はノッキングの出現頻度に応じてレーザ光の点火タイミングを調整するようにしてもよい。   The combustion control apparatus for a laser ignition type internal combustion engine according to the present invention may further include a knocking detection mechanism, and when the knocking is detected, the ignition timing of the laser beam may be adjusted according to the frequency of occurrence of knocking.

ノッキング検出機構は、従来一般に使用されている筒内圧計測法や振動計測法、イオン電流計測法を利用することができる。しかし、燃焼時の発光信号を測定することで非常に高感度でノッキングを検出することができる。   As the knocking detection mechanism, an in-cylinder pressure measurement method, a vibration measurement method, and an ion current measurement method that are generally used can be used. However, knocking can be detected with very high sensitivity by measuring the emission signal during combustion.

筒内圧力計測法、振動計測法、イオン電流計測法では、ノッキング時に各計測信号に重畳するノッキング高周波を利用してノッキングの有無を判別している。しかし、発明者の研究により、燃焼時の発光信号にも同様にノッキング高周波が重畳しており、従来利用していた指標信号より遙かに鮮明にノッキング高周波が現れていることがわかった。   In the in-cylinder pressure measurement method, vibration measurement method, and ion current measurement method, the presence or absence of knocking is determined using a knocking high frequency superimposed on each measurement signal at the time of knocking. However, the inventor's research has revealed that the knocking high frequency is also superimposed on the emission signal at the time of combustion, and the knocking high frequency appears much more clearly than the index signal used conventionally.

そこで、本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置に備えるノッキング検出機構は、光センサおよび演算装置から構成し、燃焼時の火炎の光量を測定し、光量信号に含まれる高周波を検出してノッキングの有無を判定する。この構成のノッキング検出機構によれば、従来法に比べ、より微細なノッキングを高感度で正確に検出できる。   Therefore, the knocking detection mechanism provided in the combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present invention comprises an optical sensor and an arithmetic unit, measures the light quantity of the flame during combustion, and detects the high frequency contained in the light quantity signal. The presence or absence of knocking is determined. According to the knocking detection mechanism of this configuration, finer knocking can be detected with high sensitivity and accuracy compared to the conventional method.

ノッキング検出機構によりノッキングを検出した際は、検出信号に基づき、またノッキングの発生頻度やタイミング等を過去の集積データと比較して、レーザ点火のタイミングを調整したり、点火位置を調整する。   When knocking is detected by the knocking detection mechanism, the timing of laser ignition or the ignition position is adjusted based on the detection signal and by comparing the occurrence frequency and timing of knocking with past accumulated data.

本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置はノッキングや失火などの異常燃焼を発生させないように点火位置を制御しているが、ノッキング検出装置によりノッキングが検出された場合には、点火タイミングを修正し、より安定的に正常燃焼を継続できるよう制御を行う。   The combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present invention controls the ignition position so as not to cause abnormal combustion such as knocking or misfire. However, when knocking is detected by the knocking detection device, the ignition timing is set. Correct and control to continue normal combustion more stably.

以上のように、本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、シリンダ内の燃料濃度を測定し、混合気の燃料濃度がより高い領域に点火エネルギーを印加するため、混合気がリーンな場合でも高い着火性能を確保することができる。したがって、内燃機関に本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置を適用すれば、リーンバーンエンジンのリーン限界を改善し、燃費の向上および排出NOxの抑制に寄与することができる。
さらに、本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置にノッキング検出機構を備えれば、燃焼制御をさらに安定させ、異常燃焼を抑制することができる。
As described above, according to the combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention, the fuel concentration in the cylinder is measured, and the ignition energy is applied to the region where the fuel concentration of the mixture is higher. High ignition performance can be ensured even in a lean case. Therefore, if the combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention is applied to the internal combustion engine, it is possible to improve the lean limit of the lean burn engine and contribute to the improvement of fuel consumption and the suppression of exhaust NOx.
Furthermore, if the combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention is provided with a knocking detection mechanism, combustion control can be further stabilized and abnormal combustion can be suppressed.

以下、図面を用いて、本発明のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置を詳細に説明する。   Hereinafter, a combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の1実施例におけるレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置の概念図である。シリンダ1にピストン2が挿入されており、ピストン2にはピストンロッド3が接続されている。シリンダヘッド4には吸気ポート5が設置されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram of a combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine in one embodiment of the present invention. A piston 2 is inserted into the cylinder 1, and a piston rod 3 is connected to the piston 2. The cylinder head 4 is provided with an intake port 5.

シリンダヘッド4の中心部には光学窓6が設けられており、光学窓6の上方には電気光学素子7、集光光学系8、レーザ発射装置9が順に備わっている。さらにシリンダヘッド4には光ファイバ10が埋設されている。光ファイバ10の一端はシリンダ内に達しており、他端は光電子増倍管11に接続している。光電子増倍管11は図示しない演算装置に電子信号を伝達するようになっている。   An optical window 6 is provided at the center of the cylinder head 4, and an electro-optical element 7, a condensing optical system 8, and a laser emitting device 9 are sequentially provided above the optical window 6. Further, an optical fiber 10 is embedded in the cylinder head 4. One end of the optical fiber 10 reaches into the cylinder, and the other end is connected to the photomultiplier tube 11. The photomultiplier tube 11 transmits an electronic signal to an arithmetic unit (not shown).

シリンダ1の側壁には図中、左右対照する位置にそれぞれ3カ所の光学窓12、13が開口している。図中左側の光学窓12にはコリメートレンズ14を介して光ファイバケーブル15が端接しており、光ファイバケーブル15の他端には測定用レーザ光発射装置16が接続されている。図中右側の光学窓13の外側には光センサ17が配されている。光センサ17は図示しない演算装置に電子信号を伝達するようになっている。   Three side optical windows 12 and 13 are opened on the side wall of the cylinder 1 at the left and right positions in the figure. An optical fiber cable 15 is in contact with the optical window 12 on the left side of the drawing via a collimating lens 14, and a measuring laser beam emitting device 16 is connected to the other end of the optical fiber cable 15. An optical sensor 17 is disposed outside the optical window 13 on the right side in the drawing. The optical sensor 17 transmits an electronic signal to an arithmetic device (not shown).

本実施例のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置は、かかる構成によりシリンダ内の燃料濃度を測定して高濃度領域を検出し、該当領域に点火エネルギを集中して混合気に着火を行う。また、光電子倍増管11によりノッキングの有無を判定し、ノッキング発生時には適切な位置にレーザ光の集光位置を修正する。
レーザ集光位置の制御方法、燃料濃度の測定方法、ノッキングの検出方法を以下、順に説明する。
The combustion control apparatus of the laser ignition type internal combustion engine of the present embodiment measures the fuel concentration in the cylinder by such a configuration, detects a high concentration region, concentrates the ignition energy in the corresponding region, and ignites the air-fuel mixture. Further, the presence / absence of knocking is determined by the photomultiplier tube 11, and the condensing position of the laser beam is corrected to an appropriate position when knocking occurs.
A laser focusing position control method, a fuel concentration measurement method, and a knocking detection method will be sequentially described below.

図2は電子光学素子7、集光光学系8、レーザ発射装置9の構成を概念的に示した構成図である。レーザ発射装置9から発せられたレーザ光は集光光学系8、電子光学素子7、光学窓6を順に通過し、シリンダ1内に集光する。   FIG. 2 is a configuration diagram conceptually showing the configuration of the electro-optical element 7, the condensing optical system 8, and the laser emitting device 9. The laser light emitted from the laser emitting device 9 passes through the condensing optical system 8, the electron optical element 7, and the optical window 6 in order, and is condensed in the cylinder 1.

集光光学系8は上流側から順にコリメートレンズ21、第1集光レンズ22、第2集光レンズ23で形成されている。第1集光レンズ22はピエゾ素子24とバネ25に挟まれて保持されており、ピエゾ素子24とバネ25は支持部26に係支されている。ピエゾ素子24は印加電圧に応じて体積が増減する性質を持っている。ピエゾ素子24に印加する電圧を増加させるとピエゾ素子24が膨張し、それに伴い第1集光レンズ22が図中左に移動する。反対にピエゾ素子24に印加する電圧を減少させるとピエゾ素子24が収縮し、バネ25に押されて第1集光レンズ22が図中右に移動する。   The condensing optical system 8 is formed of a collimating lens 21, a first condensing lens 22, and a second condensing lens 23 in order from the upstream side. The first condenser lens 22 is held between a piezo element 24 and a spring 25, and the piezo element 24 and the spring 25 are supported by a support portion 26. The piezo element 24 has the property that the volume increases or decreases according to the applied voltage. When the voltage applied to the piezo element 24 is increased, the piezo element 24 expands, and accordingly, the first condenser lens 22 moves to the left in the drawing. On the other hand, when the voltage applied to the piezo element 24 is decreased, the piezo element 24 contracts and is pushed by the spring 25 to move the first condenser lens 22 to the right in the drawing.

電子光学素子7は入信する制御信号により入射光の射出方向を変化させられるように構成されている。
レーザ発射装置9から発射されたレーザ光は空気中もしくは光ファイバを介してコリメートレンズ21に入射する。コリメートレンズ21で平行光線に整えられた後、第1集光レンズ22、第2集光レンズ23によりある焦点距離を持たされ、電子光学素子7へと射出される。
The electro-optical element 7 is configured to change the emission direction of incident light by an incoming control signal.
The laser light emitted from the laser emitting device 9 enters the collimating lens 21 in the air or through an optical fiber. After being collimated by collimating lens 21, it has a certain focal length by first condenser lens 22 and second condenser lens 23, and is emitted to electron optical element 7.

レーザ光の焦点距離は、第1集光レンズ22と第2集光レンズ23との距離により決められる。第1集光レンズ22がピエゾ素子24に印加する電圧に応じて光軸方向に摺動するよう形成されているため、レーザ光の焦点距離もピエゾ素子24に印加する電圧により自由に設定できるようになっている。   The focal length of the laser light is determined by the distance between the first condenser lens 22 and the second condenser lens 23. Since the first condenser lens 22 is formed to slide in the optical axis direction in accordance with the voltage applied to the piezo element 24, the focal length of the laser light can be freely set by the voltage applied to the piezo element 24. It has become.

第2集光レンズ23から射出した収束レーザ光は、電子光学素子7により目的の方向に屈曲させられた後、光学窓6を透過してその屈曲方向と焦点距離に応じてシリンダ1内に集光する。   The convergent laser light emitted from the second condenser lens 23 is bent in the target direction by the electron optical element 7, then passes through the optical window 6 and is collected in the cylinder 1 according to the bending direction and the focal length. Shine.

したがって、ピエゾ素子24に印加する電圧および電子光学素子7に入信する制御信号を制御することによって、光学軸の屈曲方向と焦点距離を操作し、レーザ光集光位置の制御を実現している。   Therefore, by controlling the voltage applied to the piezo element 24 and the control signal received by the electro-optic element 7, the bending direction of the optical axis and the focal length are manipulated to control the laser beam condensing position.

図3はシリンダ1に配された濃度測定装置の構成を示す透視図である。シリンダ1外に設置された測定レーザ光発射装置16に光ファイバケーブル15が接続されており、光ファイバケーブル15中の6本の光ファイバはそれぞれシリンダ1に達している。6本の光ファイバのうち3本は、一定の間隔でピストン2の運動軸に平行に列設された光学窓12に連結している。残る3本は一定の間隔でピストン2の運動軸に垂直に列設された光学窓12に連結している。光ファイバと光学窓12の間にはコリメートレンズ14が挿入されている。   FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the concentration measuring device arranged in the cylinder 1. An optical fiber cable 15 is connected to a measurement laser light emitting device 16 installed outside the cylinder 1, and six optical fibers in the optical fiber cable 15 reach the cylinder 1. Three of the six optical fibers are connected to an optical window 12 arranged in parallel to the motion axis of the piston 2 at regular intervals. The remaining three are connected to optical windows 12 arranged in a line perpendicular to the motion axis of the piston 2 at regular intervals. A collimating lens 14 is inserted between the optical fiber and the optical window 12.

6個の光学窓12に対してそれぞれ軸対称となる位置にさらに6個の光学窓13が開口しており、光学窓13の外側には光センサ17が配されている。光センサ17は演算装置18に信号を伝送するよう接続されている。   Six optical windows 13 are further opened at positions that are axially symmetric with respect to the six optical windows 12, and an optical sensor 17 is disposed outside the optical window 13. The optical sensor 17 is connected to the arithmetic device 18 to transmit a signal.

測定レーザ光発射装置16から発射されたレーザ光は光ファイバケーブル15内の6本の光ファイバにより伝送されて、それぞれコリメートレンズ14により平行光線に整えられた後、光学窓12を介してシリンダ1に照射される。さらに、シリンダ1内に充満する混合気を透過して、光学窓13を介して光センサ17に到達する。光センサ17は、受光したレーザ光の光量を電気信号に変換し、演算装置18に伝達する。   The laser light emitted from the measurement laser light emitting device 16 is transmitted through six optical fibers in the optical fiber cable 15, adjusted to parallel rays by the collimating lens 14, and then the cylinder 1 through the optical window 12. Is irradiated. Further, the air-fuel mixture filling the cylinder 1 is transmitted and reaches the optical sensor 17 through the optical window 13. The optical sensor 17 converts the amount of received laser light into an electrical signal and transmits it to the arithmetic unit 18.

測定レーザ光発射装置16から発射するレーザ光を燃料ガスに含まれる特定の成分の特性周波数に対応する特定の単波長光にすれば、レーザ光は燃料ガスの濃度に応じて特異的に吸収される。したがって、燃料ガスに含まれる代表的な成分に対して吸収特性を持つ単波長レーザを光学窓12からシリンダ内に導入して混合気中を通過させ、吸収されずに透過したレーザ光の光量を測定すれば、混合気中の燃料濃度を測定することができる。例えば、約3.4μmのレーザ光を利用すると、レーザ光はCH基に吸収されるため、一般的な燃料ガスに広く用いることができる。   If the laser light emitted from the measurement laser light emitting device 16 is a specific single wavelength light corresponding to the characteristic frequency of a specific component included in the fuel gas, the laser light is specifically absorbed according to the concentration of the fuel gas. The Therefore, a single wavelength laser having absorption characteristics with respect to typical components contained in the fuel gas is introduced into the cylinder from the optical window 12 to pass through the air-fuel mixture, and the amount of laser light transmitted without being absorbed is determined. If measured, the fuel concentration in the air-fuel mixture can be measured. For example, when a laser beam of about 3.4 μm is used, the laser beam is absorbed by a CH group and can be widely used for general fuel gas.

本実施例では、約3.4μmのレーザ光を測定用レーザ発射装置16から照射し、光センサ17でその光量を測定することで、シリンダ1内の燃料濃度を検出する。なお、レーザ光の導入口である光学窓13と光センサ17は、水平、垂直に3個ずつ配置されている。演算装置では、水平に配された光センサ17での測定結果と垂直に配された光センサ17の測定結果を演算装置18によりそれぞれ解析し、累積データ等と比較演算を行って燃料濃度が高い位置を算出する。   In the present embodiment, the fuel concentration in the cylinder 1 is detected by irradiating a laser beam of about 3.4 μm from the measuring laser emitting device 16 and measuring the light quantity by the optical sensor 17. Three optical windows 13 and optical sensors 17 serving as laser light inlets are arranged horizontally and vertically. In the arithmetic unit, the measurement result of the optical sensor 17 arranged in the horizontal direction and the measurement result of the optical sensor 17 arranged in the vertical direction are analyzed by the arithmetic unit 18, respectively, and the calculation result is compared with the accumulated data and the fuel concentration is high. Calculate the position.

この結果に基づき、最も効率よく混合気を燃焼させることができる点火位置を決定し、すでに説明したとおりの方法でレーザ光をかかる点火位置に集光させて着火を行う。さらに、燃焼サイクルの特定のタイミングで燃料濃度の測定を毎回行い、燃料ガスが高濃度で含まれる領域を監視して、高濃度領域の移動に追随して常に最適の位置に燃焼エネルギを印加する。   Based on this result, an ignition position at which the air-fuel mixture can be burned most efficiently is determined, and ignition is performed by condensing the laser beam at the ignition position by the method described above. Furthermore, the fuel concentration is measured every time at a specific timing of the combustion cycle, the region where the fuel gas is contained at a high concentration is monitored, and the combustion energy is always applied to the optimum position following the movement of the high concentration region. .

したがって、本実施例のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、リーンな混合気を燃焼させる場合でも、燃料濃度の分布を測定して燃料が高濃度で含まれる領域にレーザ光を集光し、確実に混合気に着火させることができる
Therefore, according to the combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine of the present embodiment, even when a lean air-fuel mixture is burned, the distribution of the fuel concentration is measured and the laser light is collected in the region where the fuel is contained at a high concentration. Light and reliably ignite the mixture.

さらに、本実施例のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置はノッキング検出機構を備えている。   Further, the combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present embodiment is provided with a knocking detection mechanism.

図1において、シリンダヘッド4に光ファイバ10が埋設されており、一端がシリンダ1に達し、他端は光電子増倍管11に接続されている。光電子増倍管11は光ファイバ10に伝送された光を電子に変換し、その光量に比例した電流を演算装置伝達する。したがって、シリンダ1内の燃焼による発せられる光量を演算装置が常に監視することができる。なお、光電子増倍管の代りに、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの半導体センサを用いても良い。   In FIG. 1, an optical fiber 10 is embedded in a cylinder head 4, one end reaches the cylinder 1, and the other end is connected to a photomultiplier tube 11. The photomultiplier tube 11 converts light transmitted to the optical fiber 10 into electrons, and transmits a current proportional to the amount of light to the arithmetic unit. Therefore, the arithmetic unit can always monitor the amount of light emitted by the combustion in the cylinder 1. A semiconductor sensor such as a photodiode or a phototransistor may be used instead of the photomultiplier tube.

シリンダ1内で異常燃焼によるノッキングが生じた場合は、燃焼により発生する火炎の光量が筒内のノッキング現象に基づいて変化し、光電子増倍管11から伝達される受光信号に特徴的な一定の高周波信号が重畳する。この高周波信号を検出することでノッキングの有無を判定する。   When knocking occurs due to abnormal combustion in the cylinder 1, the amount of flame generated by combustion changes based on the knocking phenomenon in the cylinder, and a constant characteristic characteristic of the received light signal transmitted from the photomultiplier tube 11 is obtained. A high frequency signal is superimposed. The presence or absence of knocking is determined by detecting this high frequency signal.

図4はノッキング発生時の発光信号の変化を表すグラフである。ノッキング発生時のグラフには、正常燃焼時のグラフに現れない受光信号のゆれが高周波信号となって明確に現れている。この受光信号の高周波を検出することでノッキングの有無を判定することができる。   FIG. 4 is a graph showing a change in the light emission signal when knocking occurs. In the graph at the time of occurrence of knocking, the fluctuation of the received light signal that does not appear in the graph at the time of normal combustion clearly appears as a high frequency signal. The presence or absence of knocking can be determined by detecting the high frequency of the received light signal.

演算装置がノッキングを検出したら、検出信号に基づいて、あるいは高周波信号の発生頻度やパターンを蓄積データと比較して、点火のタイミングを調整して安定的に燃焼を継続させることができる。   When the arithmetic unit detects knocking, the ignition timing is adjusted based on the detection signal or by comparing the generation frequency and pattern of the high-frequency signal with the accumulated data, so that the combustion can be continued stably.

図5は本発明の第2の実施例におけるレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置の燃料濃度測定機構を説明する概略図である。燃料濃度の測定方法以外については第1実施例と同様であるため図示および説明を省略する。   FIG. 5 is a schematic view for explaining a fuel concentration measuring mechanism of a combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine in a second embodiment of the present invention. Since the method other than the method for measuring the fuel concentration is the same as that of the first embodiment, illustration and description thereof are omitted.

シリンダ41の側壁に光学窓42がスリット状に設けられており、光学窓42から中心角で約90度離れた位置に光学窓43を介して撮像装置44が設けられている。撮像装置44には、ビジコンやICCDカメラなどを用いる。光学窓42の外側には測定用レーザ発射装置45およびシリンドリカルレンズ46とコリメートレンズ47が配されている。コリメートレンズ47は、フレネルレンズなど薄型レンズであることが好ましい。   An optical window 42 is provided in a slit shape on the side wall of the cylinder 41, and an imaging device 44 is provided via the optical window 43 at a position that is approximately 90 degrees apart from the optical window 42 at the central angle. For the imaging device 44, a vidicon, an ICCD camera, or the like is used. On the outside of the optical window 42, a measurement laser emitting device 45, a cylindrical lens 46, and a collimating lens 47 are arranged. The collimating lens 47 is preferably a thin lens such as a Fresnel lens.

測定用レーザ発射装置45から発せられた測定用レーザ光は、シリンドリカルレンズ46とコリメートレンズ47によりシート状に拡幅されて光学窓42からシリンダ1内に入射する。撮像装置44はシート状のレーザ光が照射される領域をほぼ垂直の方向から撮影し、図示しない演算装置に画像情報を伝送する。   The measurement laser light emitted from the measurement laser emitting device 45 is widened into a sheet shape by the cylindrical lens 46 and the collimating lens 47 and enters the cylinder 1 from the optical window 42. The imaging device 44 images the region irradiated with the sheet-like laser light from a substantially vertical direction, and transmits the image information to an arithmetic device (not shown).

本実施例のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置は、レーザ励起蛍光法を利用して燃料濃度を測定する。レーザ励起蛍光法では、特定レーザ光に励起されて蛍光を発する物質をトレーサして燃料に混合しておき、燃料にレーザ光を照射し蛍光を観察して燃料濃度を算出する。なお、燃料中に特定のレーザ光を照射することで蛍光を発する物質が含まれている場合は、トレーサを混合する必要がない。   The combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present embodiment measures the fuel concentration using the laser excitation fluorescence method. In the laser excitation fluorescence method, a substance that emits fluorescence when excited by specific laser light is traced and mixed with fuel, and the fuel concentration is calculated by irradiating the laser with laser light and observing the fluorescence. If the fuel contains a substance that emits fluorescence when irradiated with a specific laser beam, it is not necessary to mix a tracer.

本実施例では、トレーサとして少量のトルエンを燃料に混合する。トルエンを含む燃料ガスがシリンダ1に充填されていると、シリンダ1内に照射したレーザー光をトルエンが吸収し、蛍光を発する。発生される蛍光の光量は存在するトルエンの量すなわち燃料濃度と相関を持つため、発生した蛍光を撮像装置44で撮影し、画像情報を分析することでレーザー光シート上の燃料濃度分布を測定することができる。   In this embodiment, a small amount of toluene is mixed with the fuel as a tracer. When the cylinder 1 is filled with fuel gas containing toluene, the toluene absorbs the laser light irradiated into the cylinder 1 and emits fluorescence. Since the amount of generated fluorescent light has a correlation with the amount of toluene present, that is, the fuel concentration, the generated fluorescent light is photographed by the imaging device 44 and the image information is analyzed to measure the fuel concentration distribution on the laser light sheet. be able to.

したがって、測定した濃度分布を基に、最も確実に混合気を燃焼させることができる位置に点火エネルギを印加すれば、リーンな混合ガスを燃焼させる場合でも高い着火性能を得ることができる。   Therefore, if ignition energy is applied to a position where the air-fuel mixture can be most reliably burned based on the measured concentration distribution, high ignition performance can be obtained even when lean gas mixture is burned.

なお、本実施例ではレーザ光を1面のシートとして照射したが、シート状のレーザ光に直交するようにもう1面のレーザ光を追加すると、燃料の3次元分布を得ることができるため、さらに正確に高濃度領域を特定することができ、着火の確実性を向上させることができる。   In this embodiment, the laser beam is irradiated as one sheet, but if another laser beam is added so as to be orthogonal to the sheet-like laser beam, a three-dimensional fuel distribution can be obtained. Further, the high concentration region can be specified accurately, and the certainty of ignition can be improved.

以上詳細に説明したとおり、本実施例のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置によれば、シリンダ内の燃料分布を解析し、燃料がより高濃度の領域に点火エネルギを印加することができるため、希薄混合気にも確実に着火することができる。さらに、燃料濃度が高い領域が移動しても、濃度分布の遷移に追随して点火位置を変更し、常に高い着火性能を確保することができる。したがって、リーンバーンエンジンのリーン限界を改善できるうえ、燃焼条件に備えて燃料濃度に持たせるマージン幅を圧縮することができるため、燃費の向上および排出NOxの抑制に大きく寄与することができる。   As described in detail above, according to the combustion control device of the laser ignition type internal combustion engine of the present embodiment, it is possible to analyze the fuel distribution in the cylinder and to apply the ignition energy to the region where the fuel concentration is higher. Even a lean mixture can be ignited reliably. Furthermore, even if the region where the fuel concentration is high moves, the ignition position can be changed following the transition of the concentration distribution, and high ignition performance can always be ensured. Accordingly, the lean limit of the lean burn engine can be improved, and the margin width given to the fuel concentration can be compressed in preparation for combustion conditions, which can greatly contribute to the improvement of fuel consumption and the reduction of exhaust NOx.

本発明の第1実施例におけるレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a combustion control device for a laser ignition internal combustion engine in a first embodiment of the present invention. 第1実施例における測定用レーザ光学系を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the laser optical system for a measurement in 1st Example. 第1実施例における燃料濃度測定装置を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the fuel concentration measuring apparatus in 1st Example. ノッキング発生時の発光信号の変化を表すグラフである。It is a graph showing the change of the light emission signal at the time of knocking generation | occurrence | production. 本発明の第2実施例における燃料濃度測定装置を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the fuel concentration measuring apparatus in 2nd Example of this invention. 従来の燃焼制御装置の概略図である。It is the schematic of the conventional combustion control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1、41 シリンダ
2 ピストン
3 ピストンロッド
4 シリンダヘッド
5 吸気バルブ
6、12、13、42、43 光学窓
7 電子光学素子
8 集光光学系
9 レーザ発射装置
10 光ファイバ
11 光電子増倍管
14、21、47 コリメートレンズ
15 光ファイバケーブル
16、45 測定用レーザ光照射装置
17 光センサ
18 演算装置
22 第1集光レンズ
23 ピエゾ素子
24 バネ
25 第2集光レンズ
26 支持部
44 撮像装置
46 シリンドリカルレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,41 Cylinder 2 Piston 3 Piston rod 4 Cylinder head 5 Intake valve 6, 12, 13, 42, 43 Optical window 7 Electro-optical element 8 Condensing optical system 9 Laser emitting apparatus 10 Optical fiber 11 Photomultiplier tube 14, 21 , 47 Collimating lens 15 Optical fiber cable 16, 45 Laser light irradiation device for measurement 17 Optical sensor 18 Arithmetic device 22 First condensing lens 23 Piezo element 24 Spring 25 Second condensing lens 26 Support unit 44 Imaging device 46 Cylindrical lens

Claims (8)

レーザ光をシリンダ内に集光して希薄混合気に着火するレーザ着火式内燃機関において、シリンダ内の燃料濃度を測定する濃度測定装置とレーザ光の集光位置を変化させる光学系と制御装置を備え、該制御装置が、該濃度測定装置の測定結果を基に混合気の濃度変化を検出し、該光学系を制御してより燃料濃度が高い領域に前記レーザ光の集光位置を修正することを特徴とするレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   In a laser ignition internal combustion engine that condenses laser light in a cylinder and ignites a lean air-fuel mixture, a concentration measuring device that measures the fuel concentration in the cylinder, an optical system that changes the condensing position of the laser light, and a control device And the control device detects a change in the concentration of the air-fuel mixture based on the measurement result of the concentration measuring device and controls the optical system to correct the condensing position of the laser light in a region where the fuel concentration is higher. A combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine. 前記濃度測定装置が測定用レーザ光照射装置と受光装置からなり、測定用レーザ光の燃料ガスに対する吸収量から混合気の濃度を測定することを特徴とする請求項1に記載のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   2. The laser ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the concentration measuring device comprises a measuring laser beam irradiation device and a light receiving device, and measures the concentration of the air-fuel mixture from the amount of absorption of the measuring laser beam into the fuel gas. Engine combustion control device. 前記測定用レーザ光が波長約3.4μmであり、前記濃度測定装置が該測定用レーザ光のCH基に対する吸収量から前記燃料ガスの濃度を測定することを特徴とする請求項2に記載のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   3. The fuel gas concentration according to claim 2, wherein the measurement laser beam has a wavelength of about 3.4 μm, and the concentration measuring device measures the concentration of the fuel gas from the amount of absorption of the measurement laser beam with respect to the CH group. A combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine. 前記濃度測定装置が測定用レーザ光照射装置と受光装置からなり、測定用レーザ光を燃料ガスに照射することにより該燃料ガスから発せられる蛍光の光量から混合気の濃度を測定することを特徴とする請求項1に記載のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   The concentration measuring device comprises a measuring laser beam irradiation device and a light receiving device, and measures the concentration of the air-fuel mixture from the amount of fluorescent light emitted from the fuel gas by irradiating the measuring laser beam to the fuel gas. The combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine according to claim 1. 前記光学系が、集光レンズと電気光学素子を組み合わせたものであり、集光レンズにバネとピエゾ素子が配されていて、該ピエゾ素子および該電気光学素子に印加する電圧を制御して前記レーザ光の集光位置を制御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レーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   The optical system is a combination of a condensing lens and an electro-optic element, and a spring and a piezo element are disposed on the condensing lens, and the voltage applied to the piezo element and the electro-optic element is controlled. 5. The combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the condensing position of the laser beam is controlled. さらにノッキング検出機構を備え、該ノッキング検出機構がノッキングを検出したときはノッキングの出現頻度に応じて前記レーザ光の点火のタイミングを調整することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   6. The apparatus according to claim 1, further comprising a knocking detection mechanism, wherein when the knocking detection mechanism detects knocking, the timing of ignition of the laser light is adjusted according to the frequency of occurrence of knocking. The combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine. 前記ノッキング検出機構が光センサおよび演算装置からなり、燃焼時の火炎の光量を測定し、光量信号に含まれる高周波を検出してノッキングの有無を判定することを特徴とする請求項6に記載のレーザ着火式内燃機関の燃焼制御装置。   The knocking detection mechanism includes an optical sensor and an arithmetic unit, and measures the amount of flame light during combustion, detects a high frequency included in the light amount signal, and determines whether knocking is present or not. A combustion control device for a laser ignition type internal combustion engine. 光センサおよび演算装置からなり、燃焼時の火炎の発光信号を測定し、該発光信号に含まれる高周波を検出してノッキングの有無を判定することを特徴とするノッキング検出器。
A knocking detector comprising an optical sensor and an arithmetic unit, which measures a light emission signal of a flame at the time of combustion, and detects the presence or absence of knocking by detecting a high frequency contained in the light emission signal.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012072725A (en) * 2010-09-29 2012-04-12 Kyocera Corp Structure for internal combustion engine, internal combustion engine with position detection mechanism and internal combustion engine with liquid state detection mechanism
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