(57)【要約】【課題】主燃焼室内に噴射された液体燃料噴霧と空気との混合を制御して燃焼を制御し、燃料噴射の任意のタイミングにおいて、燃焼改善及びエミッションの低減を図ると共に燃焼効率や熱効率の向上を図ることができる副室式ディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】噴射された液体燃料を燃焼させる主燃焼室と、この主燃焼室の近傍に設けられ、小孔を介して主燃焼室と連通する小容量の副燃焼室と、主燃焼室に燃料噴射を行う主インジェクタと、主燃焼室の燃料噴射に連動させて副燃焼室内に燃料噴霧を行う副インジェクタと、副燃焼室に形成された燃料噴霧にレーザ光を照射して燃料噴霧をプラズマ化して着火するレーザ着火装置と、レーザ着火装置によって着火された副燃焼室内の燃料噴霧を燃焼させ、その時に発生する燃焼ガスを所定のタイミングで小孔を通って副燃焼室から主燃焼室内へ噴出させるように、レーザ着火装置によるレーザ光の照射タイミングを制御するタイミング制御装置を有することにより、上記課題を解決する。【選択図】図１
2010229845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射されたディーゼル用液体燃料を燃焼させる主燃焼室と、
この主燃焼室の近傍に設けられ、小孔を介して前記主燃焼室と連通する小容量の副燃焼室と、
前記主燃焼室に設けられ、前記主燃焼室に前記液体燃料の噴射を行う燃料噴射用の主インジェクタと、
前記副燃焼室に設けられ、前記主燃焼室における燃料噴射に連動させて前記副燃焼室内に燃料噴霧を行う燃料噴射用の副インジェクタと、
前記副インジェクタによって前記副燃焼室に形成された燃料噴霧にレーザ光を照射して前記燃料噴霧をプラズマ化して着火するレーザ着火装置と、
前記レーザ着火装置によって着火された前記副燃焼室内の前記燃料噴霧を燃焼させ、その時に発生する燃焼ガスを所定のタイミングで前記小孔を通って前記副燃焼室から前記主燃焼室内へ噴出させるように、前記レーザ着火装置によるレーザ光の照射タイミングを制御するタイミング制御装置を有することを特徴とする副室式ディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記タイミング制御装置は、前記副燃焼室から前記主燃焼室内への前記燃焼ガスの噴出タイミングが前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射後期となるように、前記レーザ着火装置の前記燃料噴霧への前記レーザ光の照射タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の副室式ディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記タイミング制御装置は、前記副燃焼室から前記主燃焼室内への前記燃焼ガスの噴出タイミングが前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射初期となるように、前記レーザ着火装置の前記燃料噴霧への前記レーザ光の照射タイミングを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の副室式ディーゼルエンジン。
【請求項４】
前記タイミング制御装置は、前記副燃焼室から前記主燃焼室内への前記燃焼ガスの噴出タイミングが前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射中期となるように、前記レーザ着火装置の前記燃料噴霧への前記レーザ光の照射タイミングを制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の副室式ディーゼルエンジン。
【請求項５】
前記タイミング制御装置は、前記副燃焼室から前記主燃焼室内への前記燃焼ガスの噴出タイミングが前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射前となるように、前記レーザ着火装置の前記燃料噴霧への前記レーザ光の照射タイミングを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の副室式ディーゼルエンジン。
【請求項６】
前記副燃焼室は、少なくとも第１副燃焼室及び第２副燃焼室を有し、
前記レーザ着火装置は、少なくとも前記第１副燃焼室に設けられる第１レーザ着火装置及び第２副燃焼室に設けられる第２レーザ着火装置を有し、
前記タイミング制御装置は、前記第１副燃焼室及び前記第２副燃焼室からそれぞれ前記主燃焼室内に前記燃焼ガスを噴出するタイミングがそれぞれ前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射前、又は噴射初期および噴射後期となるように、前記第１副燃焼室及び前記第２副燃焼室内の前記燃料噴霧への前記第１レーザ着火装置及び前記第２レーザ着火装置のそれぞれの前記レーザ光の照射タイミングを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の副室式ディーゼルエンジン。
【請求項７】
前記副燃焼室は、第１副燃焼室、第２副燃焼室及び第３副燃焼室を有し、
前記レーザ着火装置は、前記第１副燃焼室、前記第２副燃焼室及び前記第３副燃焼室にそれぞれ設けられる第１レーザ着火装置、第２レーザ着火装置及び第３レーザ着火装置を有し、
前記タイミング制御装置は、前記第１副燃焼室、前記第２副燃焼室及び前記第３副燃焼室からそれぞれ前記主燃焼室内に前記燃焼ガスを噴出するタイミングが、それぞれ前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射前、又は噴射初期、噴射中期および噴射後期となるように、前記第１副燃焼室、前記第２副燃焼室および前記第３副燃焼室内の前記燃料噴霧への前記第１レーザ着火装置、前記第２レーザ着火装置及び前記第３レーザ着火装置のそれぞれの前記レーザ光の照射タイミングを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の副室式ディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶や自動車などに搭載されるディーゼルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、シリンダ内でピストンが空気を高圧に圧縮して高温にし、そこにディーゼル用液体燃料を噴射して微粒化することにより、微粒化された燃料噴霧を自然着火させるものである。
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、煤や塵やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）などのパティキュレート（微粒子）やＮＯX等の有害排気成分などのエミッションの低減が図られてきたが、十分であるとは言えず、更なるエミッションの低減が必要であり、ディーゼルエンジンにおける燃焼改善が求められている。
一方では、原油資源の将来的な枯渇の問題等による原油価格の将来的な上昇が考えられることから燃焼効率や熱効率の向上も同時に求められているため、更なる燃焼改善が必要となっている。
【０００３】
このような燃焼改善のために、液体燃料の噴射圧を上げて燃料噴霧の微細化を促進する方法等が採られている。
しかしながら、このパティキュレートの低減、熱効率の向上とＮＯXの低減、燃焼騒音等の抑制との間には所謂トレードオフの関係があり、熱効率を維持しつつ、パティキュレートとＮＯXとを同時に低減させることは極めて困難な状況にある。
また、燃料の噴射後期には、噴射ノズルから押し出す燃料が無くなるため、噴射初期に比べて燃焼状態が悪くなる。即ち、燃焼後期に噴射された燃料は、既に噴射されて燃焼している燃料噴霧に取り込まれるために、周囲からの空気供給が困難になりやすく、酸素不足により煤塵等のパティキュレートが発生しやすくなる。これを改善するには、燃料噴霧と空気の混合を十分に確保して燃焼を促進する必要がある。
【０００４】
そのため、燃焼改善の１つの方法として、燃料噴射に続けて水を噴射する方法が提案されている。この方法は、燃料噴射後期に水噴射を燃料噴霧にぶつけることで混合エネルギーを積極的に供給するものであるので、燃焼を改善し、パティキュレートの発生を低減又は抑制することができる。また、水噴霧を燃料噴霧に衝突させることで、燃料噴霧の熱容量を増大させて燃焼温度を低下させ、火炎温度を下げることができるので、NOxの低減の効果もある。
【０００５】
また、一般的に燃焼が良好で、排気性能、すなわちエミッションに優れたディーゼルエンジンとして、副室式ディーゼルエンジンが用いられる場合がある。この副室式ディーゼルエンジンでは、シリンダヘッドに略球状の副室を形成し、この副室を連通路によってシリンダ側の主室と連通し、圧縮行程において、主室内の空気を、連通路を通じて副室内に流入させて、副室内に、強力な渦流（スワール流）を発生させると共に、燃料噴射弁から液体燃料を噴射して、噴射された燃料噴霧を渦流によって攪拌、微粒化して空気と混合させて自着火させて燃焼させ、燃焼ガスを副室から連通路を介して主室に噴出させて、主室内において噴射された液体燃料及び空気とを攪拌して着火させて燃焼させている。
【０００６】
また、熱効率を維持しつつ、燃焼室内におけるパティキュレートとＮＯXとを同時に低減するために、シリンダ側の主燃焼室と連通する副燃焼室を持つディーゼルエンジンが提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１に開示されたディーゼルエンジンは、主燃焼室及びこれと小孔を介して連通する小容量の副燃焼室にそれぞれ燃料噴射用のインジェクタを設け、主燃焼室内と副燃焼室内とにおいて同時に燃料噴霧を行うと共に、副燃焼室内に噴射された燃料噴霧をグロープラグによって着火させて燃焼させ、そのとき発生する二酸化炭素を主成分とする燃焼ガスを、生じた燃焼火炎の小孔通過時に消炎させた上で、小孔を介して主燃焼室内へ噴出させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２４８９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した燃料噴射に続く水噴射は、燃焼を改善し、パティキュレートの発生の低減又は抑制や、ＮＯxの低減の効果があるものの、ディーゼルエンジンを構成する金属部品の腐食の原因となるという問題があった。
また、上述した副室式ディーゼルエンジンでは、圧縮行程の終期に副室内に噴射された液体燃料の噴霧の自着火によって生成された火炎、燃焼ガス及び燃料噴霧を、連通路を通って主室内に噴出させて、主室内の液体燃料及び空気と攪拌して両者を接触しながら主室内での燃焼を行わせるものであるので、燃料の噴射初期には、燃焼改善の効果は大きいものの、燃焼中期や、特に噴射後期には、燃焼改善の効果が望めないという問題があった。
【０００９】
また、特許文献１に記載のディーゼルエンジンは、圧縮行程の終期に、主副両燃焼室に同時に液体燃料を噴射し、副燃焼室内に噴射された燃料噴霧をグロープラグで着火させて燃焼させた後に、そのとき発生する二酸化炭素を主成分とする消炎された状態の燃焼ガスを、小孔を介して主燃焼室内へ噴出させて、主燃焼室内に噴射された燃料噴霧と空気とのマイクロミキシングを促進して主燃焼室内に噴射された燃料噴霧を燃焼させるものであるので、同様に、主燃焼室内への燃料の噴射初期には、燃焼改善の効果は大きいものの、噴射中期や、特に噴射後期には、燃焼改善の効果が望めないという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、副燃焼室内に噴射された液体燃料の噴霧の着火タイミングを正確に制御することができ、その結果主燃焼室内に噴射された液体燃料の噴霧と主燃焼室内の空気との混合を制御して主燃焼室内における燃焼を制御し、燃料噴射の任意のタイミングにおいて、特に、後押しする燃料がないために、空気との混合が促進されにくい噴射後期であっても、燃焼改善を図ることができ、パティキュレートやＮＯXなどのエミッションの低減を図ると共に燃焼効率や熱効率の向上を図ることができる副室式ディーゼルエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の副室式ディーゼルエンジンは、噴射されたディーゼル用液体燃料を燃焼させる主燃焼室と、この主燃焼室の近傍に設けられ、小孔を介して前記主燃焼室と連通する小容量の副燃焼室と、前記主燃焼室に設けられ、前記主燃焼室に前記液体燃料の噴射を行う燃料噴射用の主インジェクタと、前記副燃焼室に設けられ、前記主燃焼室における燃料噴射に連動させて前記副燃焼室内に燃料噴霧を行う燃料噴射用の副インジェクタと、前記副インジェクタによって前記副燃焼室に形成された燃料噴霧にレーザ光を照射して前記燃料噴霧をプラズマ化して着火するレーザ着火装置と、前記レーザ着火装置によって着火された前記副燃焼室内の前記燃料噴霧を燃焼させ、その時に発生する燃焼ガスを所定のタイミングで前記小孔を通って前記副燃焼室から前記主燃焼室内へ噴出させるように、前記レーザ着火装置によるレーザ光の照射タイミングを制御するタイミング制御装置を有することを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記タイミング制御装置は、前記副燃焼室から前記主燃焼室内への前記燃焼ガスの噴出タイミングが、前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射後期（その結果、燃焼後期）、噴射初期（燃焼初期）、もしくは、噴射初期（燃焼中期）、または、噴射前（燃焼前）となるように、前記レーザ着火装置の前記燃料噴霧への前記レーザ光の照射タイミングを制御するのが好ましい。
【００１３】
また、前記副燃焼室は、少なくとも第１副燃焼室及び第２副燃焼室を有し、前記レーザ着火装置は、少なくとも前記第１副燃焼室に設けられる第１レーザ着火装置及び第２副燃焼室に設けられる第２レーザ着火装置を有し、前記タイミング制御装置は、前記第１副燃焼室及び前記第２副燃焼室からそれぞれ前記主燃焼室内に前記燃焼ガスを噴出するタイミングがそれぞれ前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射前、又は噴射初期および噴射後期となるように、前記第１副燃焼室及び前記第２副燃焼室内の前記燃料噴霧への前記第１レーザ着火装置及び前記第２レーザ着火装置のそれぞれの前記レーザ光の照射タイミングを制御するのが好ましい。
【００１４】
また、前記副燃焼室は、第１副燃焼室、第２副燃焼室及び第３副燃焼室を有し、前記レーザ着火装置は、前記第１副燃焼室、前記第２副燃焼室及び前記第３副燃焼室にそれぞれ設けられる第１レーザ着火装置、第２レーザ着火装置及び第３レーザ着火装置を有し、前記タイミング制御装置は、前記第１副燃焼室、前記第２副燃焼室及び前記第３副燃焼室からそれぞれ前記主燃焼室内に前記燃焼ガスを噴出するタイミングが、それぞれ前記主インジェクタによる前記主燃焼室内への前記液体燃料の噴射前、又は噴射初期、噴射中期および噴射後期となるように、前記第１副燃焼室、前記第２副燃焼室および前記第３副燃焼室内の前記燃料噴霧への前記第１レーザ着火装置、前記第２レーザ着火装置及び前記第３レーザ着火装置のそれぞれの前記レーザ光の照射タイミングを制御するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、主燃焼室内に噴射された液体燃料の噴霧と主燃焼室内の空気との混合を制御して主燃焼室内における燃焼を制御し、燃料噴射の任意のタイミングにおいて燃焼改善を図ることができ、特に後押しする燃料がないために空気との混合が促進されにくい噴射後期であっても、燃焼改善を図ることができ、パティキュレートやＮＯXなどのエミッションの低減を図ると共に燃焼効率や熱効率の向上を図ることができる。
また、本発明によれば、副燃焼室に形成された燃料噴霧にレーザ着火装置からレーザ光を照射して燃料噴霧をプラズマ化して微粒化して着火するので、副燃焼室内への燃料の噴射タイミングによらず、副燃焼室内に噴射された燃料噴霧の着火タイミングを正確に制御することができ、その結果、副燃焼室から主燃焼室への燃焼ガスや燃焼火炎の噴出タイミングを正確に制御することができ、いかなるタイミングであっても、主燃焼室内に噴射された液体燃料の噴霧と主燃焼室内の空気との混合を制御して主燃焼室内における燃焼を適切に制御することができ、燃焼改善を図ることができる。
【００１６】
したがって、本発明によれば、従来の副室式ディーゼルエンジンや特許文献１のディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射の初期にしか行われていなかった、副室から主室への燃焼火炎や燃焼ガスの噴出のタイミングを、圧縮行程及び膨張行程において、自由なタイミングに制御することができる。
なお、従来技術においても、副燃焼室内への燃料噴射タイミングを主燃焼室への燃料の噴射中期や噴射後期にすることにより、副燃焼室から主燃焼室への燃焼火炎や燃焼ガスの噴出のタイミングを制御することが考えられるが、副燃焼室内の燃料噴霧をグロープラグにより着火させるものであるので、圧縮行程及び膨張行程において空気の流動条件や燃料噴霧の条件や圧力条件が様々に変化する副燃焼室内における着火のタイミングの制御は困難であり、その自由度が少なく、その結果、燃焼ガスの噴出のタイミングの制御が難しいのに比べ、本発明によれば、燃料の噴射は、所定の時期、例えば主燃焼室内への燃料噴射の初期に、予め行っておき、レーザ着火装置により着火タイミングを制御するので、圧縮行程及び膨張行程において副燃焼室内における種々の条件が様々に変化しても、副燃焼室内における着火のタイミングを正確に制御することができ、その自由度も高く、その結果、燃焼ガスの噴出のタイミングの制御も自由かつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の副室式ディーゼルエンジンの一実施形態の概略構成を示す模式的断面図である。
【図２】図１に示すディーゼルエンジンに用いられるレーザ着火装置の一実施形態の概略構成を示す模式的ブロック図である。
【図３】図２に示すレーザ着火装置のレーザ着火モジュールの外観を示す斜視図である。
【図４】図１に示すディーゼルエンジンにおける圧力線図の一例である。
【図５】図１に示すディーゼルエンジンの主燃焼室および副燃焼室における燃焼の状態の一例を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る副室式ディーゼルエンジンを添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の副室式ディーゼルエンジンの一実施形態の概略構成を示す模式的断図である。
同図に示すディーゼルエンジン（以下、単に、エンジンという）１０は、シリンダ１２と、シリンダヘッド１４と、シリンダ１２内に移動可能に嵌挿され、シリンダヘッド１４との間に主燃焼室１６を画成するピストン１８と、その先端が主燃焼室１６の略中心に位置するようにシリンダヘッド１４に取り付けられる主インジェクタ２０と、シリンダヘッド１４内に形成される副燃焼室２２と、シリンダヘッド１４内に形成され、主燃焼室１６と副燃焼室２２とを連通する連通路２４と、その先端が副燃焼室２２に位置するようにシリンダヘッド１４に取り付けられる副インジェクタ２６と、その先端が副燃焼室２２に位置するようにシリンダヘッド１４に取り付けられるレーザ着火モジュール（以下、単に、着火モジュールという）２８及びこれに光ファイバ２９を介して接続される励起用レーザダイオード３０（以下、単に、ＬＤという）からなるレーザ着火装置３２と、を有する。
【００２０】
また、エンジン１０は、さらに、主インジェクタ２０に接続される主燃料管３６に取り付けられる主燃料ポンプ３４と、副インジェクタ２６に接続される副燃料管４０に取り付けられる副燃料ポンプ３８と、主インジェクタ２０及び／又は主燃料ポンプ３４、若しくは更に、副インジェクタ２０及び／又は副燃料ポンプ３４に、それらの駆動信号を受信するように電気的に接続され、レーザ着火装置３２に、受信した駆動信号に基づいて、その着火タイミングを制御するように電気的に接続されるコントローラ４２と、ピストン１８のピストンロッド１９に回動可能に接続される連接棒（コンロッド）４４と、を有する。
なお、図１には図示しないが、ディーゼルエンジン１０は、主燃焼室１６に連通するようにシリンダヘッド１４に取り付けられる給排気管及びこれらを開閉する吸排気弁や、ピストン１８に取り付けられるピストンリングや、連接棒４４の他端が回転可能に接続されるクランク軸や、主燃料管３６及び副燃料管４０が連結される燃料タンクなど、ディーゼルエンジンが通常備えている部品を有しているのはもちろんである。
【００２１】
ここで、主燃焼室１６は、シリンダ１２内壁と、シリンダヘッド１４の底面とピストン１８の上面（ヘッド）とで囲まれた空間領域として画成され、連接棒４４の往復動に従って往復動（図１中上下動）するピストン１８によって拡縮される。したがって、主燃焼室１６内の空気は、連接棒４４の往復動に従って往復動（図１中上方へ移動）するピストン１８によって圧縮され、圧縮された主燃焼室１６内の燃料噴霧を含む空気は、燃焼によって膨張し、ピストン１８を往復動（図１中下方に移動）させる。
主インジェクタ２０は、その先端の弁開口が主燃焼室１６に連通しており、所定の駆動信号による主燃料ポンプ３４の駆動によって所定圧まで昇圧された液体燃料を、所定のタイミングで所定期間、例えばピストン１８の上死点前の所定クランク角から上死点後の所定クランク角まで、主燃焼室１６の燃焼に必要な所要量、噴射するために用いられる。なお、主インジェクタ２０は、主燃料ポンプ３４の駆動に同期したコントローラ４２からの制御信号を受信して液体燃料を噴射するようにしても良い。
なお、主燃焼室１６を形成するピストンヘッド１４の頭部は、ピストン１８の上昇に伴って主燃焼室内の空気を流動させ、主インジェクタ２０から噴射される液体燃料を微粒化して空気中に拡散しやすくするように、高低種々のスワールを形成する凹部を設けるのが好ましい。
【００２２】
一方、副燃焼室２２は、シリンダヘッド１４内に主燃焼室１６の近傍に形成されるもので、その容積は、主燃焼室１６の容積の、例えば１／１００〜１／１０程度であり、連通路２４を介して主燃焼室１６に連通される。
なお、副燃焼室２２で発生した燃焼ガスを主燃焼室１６内に噴出させるタイミング、例えば、主燃焼室１６内への主燃料の噴射前、主燃焼室１６内に噴射された主燃料の燃焼初期、燃焼中期及び燃焼後期に合わせて、副燃焼室２２を複数設けても良い。複数の副燃焼室２２が設けられる場合には、各副燃焼室２２毎に、連通孔２４、副インジェクタ２６およびレーザ着火装置３２が設けられる。
連通孔２４は、副燃焼室２２で発生した燃焼ガスを主燃焼室１６内に噴出させて、主燃焼室１６内の空気中に噴射された液体燃料を空気と共に流動化（攪拌）して液体燃料の空気中への拡散を促進（アシスト）し、その結果、液体燃料の微細化を促進して、主燃焼室１６内の燃焼を促進するためのものであるので、主燃焼室１６内の液体燃料の微細化及びそれによる燃焼を促進できるだけの燃焼ガスを所要速度で噴出できればどのようなものであっても良い。
【００２３】
副インジェクタ２６は、その先端の弁開口が副燃焼室２２に連通しており、主燃料ポンプ３４と同様な駆動信号による燃料ポンプ３８の駆動によって所定圧まで昇圧された液体燃料を、所定のタイミングで所定期間、例えばピストン１８の上死点前後の所定クランク角から所定角度、特に、主インジェクタ２０による燃料噴射初期、燃料噴射中期、燃料噴射後期の少なくとも１つに、主燃焼室１６の燃焼の促進（アシスト）に必要な所要量、副燃焼室２２内に噴射するために用いられる。なお、副インジェクタ２６は、主燃料ポンプ３４の駆動に同期したコントローラ４２からの制御信号を受信して液体燃料を噴射するようにしても良い。
【００２４】
次に、本発明の特徴とするレーザ着火装置３２は、図２に示すように、着火モジュール２８とＬＤ３０とこれらを接続する光ファイバ２９からなり、副燃焼室２２内の気体、すなわち空気、または空気及び燃料噴霧にレーザ光を照射してブレークダウン（電磁破壊）を生じさせてプラズマを発生させ、そのエネルギで副燃焼室２２内の空気中に噴射された燃料噴霧を微細化すると共に自着火させて点火するためのものである。
ここで、着火モジュール２８は、受動型Ｑスイッチマイクロレーザモジュールであり、光ファイバ２９の一端の光コネクタ２９ａを振動等によっても外れることの無いように確実に接続する光アダプタ（光ターミナル）４６と、光アダプタ４６を介して入射した励起用レーザ光ＬＢ１を集光する集光レンズ４８と、集光レンズ４８で集光されたレーザ光ＬＢ１を入射させて高出力レーザ光を射出するＹＡＧレーザ素子５０と、ＹＡＧレーザ素子５０から出力された高出力レーザ光の温度を安定化させ着火用高出力レーザ光ＬＢ２として射出する温度安定化モジュール５２とを有する。こうして、温度安定化モジュール５２から射出される着火用高出力レーザ光ＬＢ２は、着火モジュール２８から出力される。
なお、着火モジュール２８から出力される着火用高出力レーザ光ＬＢ２は、パルス幅が狭くて尖頭長が大きいレーザ光であるのが好ましく、例えば、その尖頭長を１ＭＷ以上、パルス幅を６ｎｓｅｃ以下とするのが好ましい。
【００２５】
また、ＹＡＧレーザ素子５０は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ素子５４と、Ｃｒ：ＹＡＧレーザ素子５６とから構成されている。ここで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ素子５４の入射側の端面には励起用レーザ光ＬＢ１を高い割合で入射させるためにレーザ光ＬＢ１に対して高い透過率を持つ、すなわちレーザ光ＬＢ１の波長（例えば８０８ｎｍ）に対して高い透過率を示す高透過膜として機能し、レーザ光ＬＢ２（例えば、波長１０６４ｎｍ）に対しては高い反射率を持つ高反射膜として機能する塗膜５４aが被覆され、その射出側の端面には、レーザ光ＬＢ１に対しては高反射膜として機能し、出力されるレーザ光ＬＢ２に対しては反射防止膜として機能する塗膜５４ｂが被覆されている。また、Ｃｒ：ＹＡＧレーザ素子５６の入射側及び射出側の両端面には、それぞれレーザ光ＬＢ２に対して反射防止膜として機能する塗膜５６a及び５６ｂが被覆されている。
また、温度安定化モジュール５２の入射側の端面には、レーザ光ＬＢ２に対して部分反射膜、例えば５０％反射する半反射膜として機能する塗膜５２aが被覆されている。
【００２６】
こうして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ素子５４の入射側の端面と温度安定化モジュール５２の入射側の端面との間でレーザ発振させて、高出力レーザ光ＬＢ２を着火モジュール２８から射出させることができる。なお、本発明に用いられる着火モジュール２８のＹＡＧレーザ素子５４と温度安定化モジュール５２との両入射側の端面間のレーザ発振のためのキャビティ長さＣＬは、極めて短く、例えば１０ｍｍでよく、着火モジュール２８をマイクロレーザモジュール（マイクロレーザ点火プラグ）として用いることができる。なお、この着火モジュール２８の全長は、例えば、５７ｍｍとすることができる。
また、着火モジュール２８は、集光レンズ４８、ＹＡＧレーザ素子５０及び温度安定化モジュール５２などの構成要素を収納するケーシング６０を備えており、図３に示すように、光ファイバ２９を接続するための光アダプタ（光ターミナル）４６がケーシング６０から突出するように取り付けられており、ケーシング６０は、中央部に大小２つのナット部６０ａ及び６０ｂと、他端側（レーザ射出側）には、射出側端面が副燃焼室２２内に位置するように着火モジュール２８をシリンダヘッド１４に取り付けるための雄ねじ部６２とを有する。
【００２７】
次に、光ファイバ２９は、励起用ＬＤ３０から射出される低出力のレーザ光ＬＢ１を着火モジュール２８まで導波するためのものであって、適切に導波できればどのようなものでも良いが、例えば、コアの直径０．６ｍｍ開口数（ＮＡ）０．２２である光ファイバを用いることができる。光ファイバ２９の他端側にも励起用ＬＤ３０の光アダプタ（図示せず）に接続するための光コネクタ２９ｂを設けても良い。
励起用ＬＤ３０は、着火モジュール２８から高出力レーザ光ＬＢ２を射出させるための励起用レーザ光ＬＢ１を出力するためのＬＤであって、例えば、準連続（発振）波レーザダイオード（ＱＣＷＬＤ）を用いることができる。なお、ＬＤ３０としては、光ファイバ２９が一体的に接続されているファイバカップルドＱＣＷＬＤを用いるのが好ましい。
【００２８】
コントローラ４２は、少なくとも主燃料ポンプ３４及びレーザ着火装置３２（のＬＤ３０）に電気的に接続され、主燃料ポンプ３４の駆動信号を受信し、受信した駆動信号に基づいて、副燃焼室２２内の燃料噴霧のレーザ着火装置３２による着火タイミングを、主インジェクタ２０による燃料噴射初期、燃料噴射中期、燃料噴射後期の少なくとも１つに制御するものである。この場合には、主燃料ポンプ３４の駆動及び主インジェクタ２０による主燃焼室１６内への燃料噴射及び副燃料ポンプ３８の駆動及び副インジェクタ２６による副燃焼室２２内への燃料噴射は、ピストン１８の上昇・下降（クランク角）に応じて図示しない制御手段によって制御されるが、コントローラ４２を、主インジェクタ２０及び／又は主燃料ポンプ３４、若しくは更に、副インジェクタ２０及び／又は副燃料ポンプ３４に接続し、主燃料ポンプ３４の駆動及び主インジェクタ２０による主燃焼室１６内への燃料噴射及び副燃料ポンプ３８の駆動及び副インジェクタ２６による副燃焼室２２内への燃料噴射自体をコントローラ４２で制御するようにしても良い。このとき、コントローラ４２は、主燃料ポンプ３４、主インジェクタ２０の燃料噴射、副燃料ポンプ３８及び副インジェクタ２６のいずれかの駆動信号、もしくはクランク角の信号を受信し、受信した駆動信号に応じて副燃焼室２２内の燃料噴霧のレーザ着火装置３２による着火タイミングを制御するようにしても良い。
【００２９】
次に、以上のように構成される本発明の副室式ディーゼルエンジンの作用及び当該エンジンにおける燃焼について説明する。
図４は、図１に示すディーゼルエンジンにおける圧力線図の一例である。図５は、図１に示すディーゼルエンジンの主燃焼室および副燃焼室における燃焼の状態の一例を模式的に示す説明図である。図４及び図５は、図１に示すエンジン１０の副燃焼室２２内の燃料噴霧のレーザ着火装置３２による着火を、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射後期、したがって主燃焼室１６内における主燃料の燃焼後期に行った場合の一例である。なお、図５は、エンジン１０の主燃焼室１６の模式的上面説明図であり、副燃焼室２２及び連通孔２４はその上方に存在するが、副燃焼室２２から噴射される燃焼ガスの説明を容易するために、副燃焼室２２及び連通孔２４を所定角度に展開させて記載している。
まず、図４に示すように、圧縮行程においては、吸入行程において排気弁（図示せず）が閉じ、吸気弁（図示せず）が開放された状態で吸気管（図示せず）から主燃焼室１６及び副燃焼室２２に吸入された空気がピストン１８の上昇に伴って圧縮され、主燃焼室１６及び副燃焼室２２の圧力が上昇する。この時、所定のクランク角に達すると、所定の駆動信号によって主燃料ポンプ３４の駆動が開始される。なお、主燃料ポンプ３４の駆動信号は、主燃料ポンプ３４を経てコントローラ４２にも入力される。
【００３０】
そして、図４に示すように、ピストン１８が上死点（ＴＤＣ）前の所定クランク角に達すると、主燃料ポンプにより主インジェクタ２０内の圧力が噴射圧力に達し、主インジェクタ２０から主燃焼室１６内に液体燃料が噴射され、主噴射期間ＭＩＰが開始される。主燃焼室１６内に噴射されて空気と拡散しつつ予混合された燃料噴霧は、着火可能な混合比（例えば、量論比）となり、ピストン１８がさらに上昇することにより主燃焼室１６内が高温高圧になり、燃料噴射開始から所定着火遅れ期間後に複数の点で自着火して、予混合燃焼が行われる。燃料噴霧の燃焼が行われると、熱発生率も急激に上昇する。これが、いわゆる第１期燃焼期間（予混合燃焼期間）である。もちろん、この期間中も、ピストン１８は上死点に向かって上昇し、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射は続けられており、この期間には、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射初期が含まれる。
【００３１】
続いて、ピストン１８が上死点に達する前後に、複数の着火点における予混合燃焼（第１期燃焼期間）が終了すると、燃料噴霧が空気中に拡散することにより燃焼可能な混合比となった部分が燃焼する。即ち、燃料噴霧の空気中への拡散が律速となる拡散燃焼（第２期燃焼期間）に移行する。この時、ピストン１８が上死点を越えて下降を開始するが、主燃焼室１６内の複数の箇所から全面に拡散燃焼が拡がるので、熱発生率は上昇を続け、主燃焼室１６内の圧力も上昇を続ける。なお、図示例においては、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射中期は、第１期燃焼期間の後期に開始され、第２期燃焼期間の前期に至る期間である。
【００３２】
次に、燃焼は主燃焼室１６内の全面で行われているが、ピストン１８は下降を続け、主燃焼室１６の容積は大きくなるため、熱発生率は、ピークに達し、主燃焼室１６内の圧力（副燃焼室２２内も同様）もピークに達する。
この後、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射後期に入ると、燃焼は主燃焼室１６内の全面で行われるが、噴射される燃料が減少し始めるため、ピストン１８の下降に伴い、主燃焼室１６の圧力は低下する。
なお、主燃料ポンプ３４の駆動から所定クランク角度経過した時点で、所定の駆動信号によって副燃料ポンプ３８の駆動が開始され、燃料噴射後期に入る所定のクランク角度に達すると、副燃料ポンプ３８により副インジェクタ２６内の圧力が噴射圧力に達し、副インジェクタ２６から副燃焼室１６内に液体燃料が噴射され、副噴射期間ＡＩＰが開始される。
【００３３】
その直後、主燃料ポンプ３４の駆動信号を受信していたコントローラ４２は、副インジェクタ２６による副燃焼室１６への液体燃料の噴射開始に応じて、レーザ着火装置３２に駆動信号（レーザ照射信号：点火信号又は着火信号）を送信するように制御する。この駆動信号を受信したレーザ着火装置３２は、所定クランク角（ＩＧ）において、副燃焼室２２内に高出力レーザ光ＬＢ２を照射し、副燃焼室２２内に噴射された燃料噴霧を微細化すると共に着火させて点火し、液体燃料噴霧を燃焼させることができる。
【００３４】
すなわち、図２に示すように、レーザ着火装置３２のＬＤ３０から所定低出力のレーザ光ＬＢ１を発生させて、光ファイバ２９を介して着火モジュール２８に入射させ、着火モジュール２８の集光レンズ４８、ＹＡＧレーザ素子５０のＮｄ：ＹＡＧレーザ素子５４及びＣｒ：ＹＡＧレーザ素子５６、並びに温度安定化モジュール５２を透過させ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ素子５４と温度安定化モジュール５２との間でレーザ光ＬＢ２を共振させて、着火用高出力レーザ光ＬＢ２として着火モジュール２８から出力させることができる。こうして、レーザ着火装置３２から射出される着火用高出力レーザ光を副燃焼室２２内の空気に照射してブレークダウン（電磁破壊）を生じさせてプラズマを発生させ、そのエネルギで副燃焼室２２内の空気中に噴射された燃料噴霧を微細化すると共に自着火させて点火させることができる。
【００３５】
こうして、図５に示すように、副燃焼室２２内において、液体燃料噴霧の燃焼が行われる。その結果、この燃焼による高温の火炎は連通孔２４を通って主燃焼室１６方向に向かうが、この火炎は連通孔２４を通過する際に消炎され、燃焼ガスの主成分であるＣＯ2が主燃焼室１６に噴出する。もちろん、この時、副燃焼室２２から主燃焼室１６に噴出する燃焼ガス中に、連通孔２４内で完全に消炎されずに残った燃焼火炎が含まれても良いし、未燃焼の燃料噴霧が含まれていても良い。
【００３６】
このようにして、ＣＯ2等を主成分とする燃焼ガスが主燃焼室１６に噴出することにより、図５に示すように、主燃焼室１６内において、主インジェクタ２０から噴射される燃料噴霧が少なくなり、また、無くなっていく場合でも、燃料噴霧や空気や混合気や燃焼火炎場に対して乱流や渦流などの攪乱を発生させることができ、マイクロミキシングの活性化を行わせることができ、主燃焼室１６内における燃料噴霧の微細化や蒸発が促進（アシスト）され、燃料噴霧の着火・燃焼が促進される。その結果、本発明のエンジン１０においては、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射後期においても、主燃焼室１内における局所燃焼率を向上させることができる。
【００３７】
上述した例は、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射後期に、したがって、主燃焼室１６内における主燃料の燃焼後期に、副燃焼室２２内に副インジェクタ２６から液体燃料を噴射すると共に、これに応じて正確なタイミングでレーザ着火装置３２から副燃焼室２２内に高出力レーザ光を照射して、副燃焼室２２内に噴射された燃料噴霧を燃焼させ、その燃焼ガスを連通孔２４を通過させて主燃焼室１６内に噴出させることにより、主燃焼室１６内に噴射された燃料噴霧の微細化や蒸発や空気への拡散を促進して、主燃焼室１６内の燃料噴霧の燃焼の促進し、改善を図るものであるが、本発明はこれに限定されず、主燃焼室１６への主インジェクタ２０による燃料噴射後期（主燃料の燃焼後期）に加え、もしくは燃料噴射後期の代わりに、燃料噴射初期（主燃料の燃焼初期）及び燃料噴射中期（主燃料の燃焼中期）のいずれか一方、もしくは両方に、同様にして、副燃焼室２２内の燃焼ガスを主燃焼室１６内に噴出させて、主燃焼室１６内の燃料噴霧の燃焼の促進し、改善を図るものであっても良い。このとき、副燃焼室２２を複数設け、副燃焼室２２内の燃焼ガスを主燃焼室１６内に噴出させるタイミングを副燃焼室２２毎に変えても良い。
このようにして、主燃焼室１６の噴射時期と燃焼期間のクランク角位相に対して、レーザ着火装置３２を用いて、副燃焼室２２からの高温の燃焼ガス噴出の位相を正確に制御することにより、主燃焼室１６内の蒸気形成速度や熱発生率を正確に制御し、燃費の向上や微粒子やＮＯX等の有害排気成分などのエミッションの低減を確実に図ることができる。
【００３８】
また、上述の実施例では、主燃焼室１６内への主燃料の噴射後の所定のタイミングで、副燃焼室２２から主燃焼室１６内へ高温の燃焼ガスを噴射させているが、本発明はこれに限定されない。本発明においては、レーザ着火装置３２を用いているので、主燃焼室１６内への主燃料の噴射前であっても、レーザブレークダウンのプラズマの温度は数千度にもなるので、副燃焼室２２内に噴射された燃料噴霧の高温燃焼ガスを主燃焼室１６内へ噴射させることができ、さらに、この副燃焼室２２から主燃焼室１６内へ燃焼ガスの噴射は、燃料の着火温度以下でも可能である。
【００３９】
また、燃焼後期においては、燃焼ガスの温度が下がるため、従来のグロープラグで達成できるのは数百度であるため、着火性が落ちてくるものと予想されるが、本発明のレーザ着火装置によるレーザ光の照射では、気体（空気、又は空気及び燃料噴霧）をブレークダウンさせて、数千度のプラズマを発生させることができるので、確実な着火を達成することができる。
なお、従来でも、主燃料の噴射前の主燃焼室１６内の気体(空気)は、できるだけ流動化するように主燃焼室の構成、特にシリンダヘッド１４およびピストン１８などの構造が工夫されているが、本発明において、主燃料を噴射する前に、副燃焼室２２からの燃焼ガスの噴出によって主燃焼室１６内の流動化をさらに促進させることができ、主燃焼室１６内に噴射された液体燃料の噴霧の着火および燃焼をより改善することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  副室式ディーゼルエンジン（エンジン）
１２  シリンダ
１４  シリンダヘッド
１６  主燃焼室
１８  ピストン
２０  主インジェクタ
２２  副燃焼室
２４  連通路
２６  副インジェクタ
２８  レーザ着火モジュール（着火モジュール）
２９  光ファイバ
３０  励起用レーザダイオード（ＬＤ）
３２  レーザ着火装置
３４  主燃料ポンプ３４
３６  主燃料管
３８  副燃料ポンプ
４０  副燃料管
４２  コントローラ
４４  連接棒（コンロッド）
４６  光アダプタ（光ターミナル）
４８  集光レンズ
５０  ＹＡＧレーザ素子
５２  温度安定化モジュール
５４  Ｎｄ：ＹＡＧレーザ素子
５６  Ｃｒ：ＹＡＧレーザ素子５６
６０  ケーシング
６０ａ，６０ｂ  ナット部
６２  雄ねじ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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