(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼室を区画するピストンに付着する未燃燃料やデポジット等の炭素系の化合物などの堆積、蓄積の抑制を図ることができる内燃機関の浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の燃焼室３を区画するピストン１３にレーザ光を照射するレーザ光照射装置２を備えることを特徴とする。従って、レーザ光をピストン１３に向けて照射することで、ピストン１３付近に存在する未燃燃料を蒸発気化させることができ、その結果デポジットなどの付着を抑制できる。さらに、ピストン１３に付着したデポジットにレーザ光が照射されることで、デポジットを焼却することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室を区画するピストンにレーザ光を照射するレーザ光照射手段を備えることを特徴とする内燃機関の浄化装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射手段が照射する前記レーザ光は、前記ピストンに付着したデポジットを焼却する請求項１記載の内燃機関の浄化装置。
【請求項３】
前記レーザ光照射手段は、前記ピストンの頂面に形成されるキャビティに前記レーザ光を照射する請求項１または２に記載の内燃機関の浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の浄化装置に関する。詳細には、内燃機関の燃焼室内に付着したデポジットを浄化する内燃機関の浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室内において、未燃燃料が燃焼以外の化学反応などによりデポジット（炭素系の化合物）を生じることがある。デポジットが燃焼室内に堆積すると、燃焼室内での燃料の挙動が変動し、内燃機関の性能に大きな影響を及ぼす。その結果、エミッションが悪化するおそれがある。
【０００３】
この問題に対して、エアアシスト式の燃料噴射弁を使用して、燃料を噴射する機能と、その燃料に空気を吹きかける機能を有する噴孔部にデポジットを溜める技術が開示されている（特許文献１参照）。すなわち、噴孔部出口側の噴射燃料に吹き付ける空気を供給するエアアシスト通路に、デポジットの溜り代としての溝を設けている。
【０００４】
また、噴孔部周りにフルオロアルキル基などを含む撥液膜を形成し、デポジットの付着を抑制する技術が開示されている（特許文献２参照）。なお、撥液膜を噴孔の表面に形成する方法としては、例えばゾルーゲル方法により撥液膜を焼成してその表面に撥液性を持たせている。
【特許文献１】特開平５−１８７３４３号公報
【特許文献２】特開平１０−１５９６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１による技術では、デポジットをある程度溜めるのみであるため、比較的大量のデポジットが生成されると取り除かれることなく噴孔部に蓄積され、内燃機関の性能に影響を及ぼすおそれがある。また、特許文献２による技術では、噴孔部の表面とデポジットの付着を弱める方法であるため、撥液膜が形成された噴孔部であったとしても、長期間の運転あるいは比較的高温な燃焼ガス等に繰り返し被爆されることで、付着抑制の効果が薄れるおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、内燃機関の燃焼室内に付着する未燃燃料やデポジット等の炭素系の化合物などの堆積、蓄積の抑制を図ることができる内燃機関の浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
本発明の内燃機関の浄化装置は、内燃機関の燃焼室を区画するピストンにレーザ光を照射するレーザ光照射手段を備えることを特徴とする。そして、前記レーザ光照射手段が照射する前記レーザ光により、前記ピストン付近に存在する未燃燃料を蒸発気化させることができる。さらに、前記レーザ光により、前記ピストンに付着したデポジットなどの炭素系の化合物などを焼却することができる。特に、レーザ光照射手段により照射されるレーザ光の焦点位置をピストンの頂面に合わせることにより、より確実にピストンの頂面付近に存在する未燃燃料を蒸発気化でき、ピストンの頂面に付着した上記炭素系の化合物などを焼却することができる。このように、本発明によれば、ピストンに炭素系の化合物が堆積、蓄積することを抑制できる。その結果、炭素系の化合物がピストンに堆積することにより生じる燃焼室内での燃料の挙動の変動、エミッションが悪化を抑制することができる。
【０００８】
なお、前記レーザ光照射手段は、特に、前記ピストンの頂面に形成されるキャビティに前記レーザ光を照射するようにするとよい。ピストンの頂面に形成されるキャビティは、燃焼室内における燃料の挙動に大きく影響を及ぼす部分である。このピストンのキャビティにデポジット等の炭素系の化合物が付着すると、燃焼室内における燃料の挙動が変化するおそれがある。そこで、このキャビティにレーザ光を照射することで、キャビティ付近に存在する未燃燃料を蒸発気化でき、さらにはキャビティに付着したデポジット等の炭素系の化合物を焼却することができる。これにより、燃焼室内における燃料の挙動に大きく影響を及ぼす部分であるピストンのキャビティに炭素系の化合物が付着することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、実施形態を挙げ、図面を参照して本発明をより詳しく説明する。図１は、本実施形態の内燃機関の浄化装置を示す図である。図１に示すように、内燃機関の浄化装置は、内燃機関１と、レーザ光照射手段としてのレーザ光照射装置２と、制御装置（ＥＣＵ）とから構成される。
【００１０】
図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック１１と、吸気弁１２ａおよび排気弁１２ｃを有するシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の内周壁を往復移動するピストン１３と、可燃混合気もしくは燃料等に着火する点火装置１４と、燃料噴射弁１５とを備える周知の内燃機関である。なお、シリンダブロック１１の内周壁、ピストン１３の頂面、およびシリンダヘッド１２の天井内壁により、内燃機関１の燃焼室３を区画している。
【００１１】
シリンダヘッド１２は、吸入空気が流れる通路を形成する吸気管に接続し吸入空気が導かれる吸気ポート１２ｂと、燃焼ガス等が流れる通路を形成する排気管に接続し排気を排出する排気ポート１２ｄとを備えている。そして、吸気ポート１２ｂには吸気弁１２ａが開閉可能に配置され、排気ポート１２ｄには排気弁１２ｃが開閉可能に配置されている。すなわち、吸気弁１２ａは、吸気管から吸気ポート１２ｂに導かれた吸入空気の燃焼室３への流れを遮断および許容する。排気弁１２ｃは、燃焼室３内に生成された燃焼ガスの排気ポート１２ｄへ流れを遮断および許容する。
【００１２】
点火装置１４は、例えば点火プラグなどから構成される周知の点火装置である。燃料噴射弁１５は、シリンダヘッド１２の天井壁側に設けられ、燃料を燃焼室３内に直接噴射する。具体的には、燃料噴射弁１５は、燃焼室３内のうちピストン１３の頂面に形成されるキャビティ１３ａに向けて燃料を噴射供給する。
【００１３】
レーザ光照射装置２は、シリンダヘッド１２の天井壁側に設けられている。このレーザ光照射装置２は、レーザ光を照射口から光発散し、その光発散する広角もしくは狭角度合いに応じて照射予定領域に熱エネルギーを放射する。具体的には、レーザ光照射装置２は、レーザ光を発生するレーザ発生装置と、レーザ光を照射口から光発散あるいは光集光させるための光学的装置と、レーザ光をレーザ発生装置から光学的装置まで比較的伝送損失なく伝送可能な光ファイバとを有する周知のレーザ発信装置である。なお、光ファイバは、シリンダヘッド１２の天井壁に固定された略円筒状のケーシング内に保持され、光ファイバの照射口が燃焼室３内に向けられるようにされている。さらに詳細には、光ファイバの照射口が、燃焼室３を区画するピストン１３に形成されるキャビティ１３ａに向けられるように固定されている。光学的装置は、照射口から出射するレーザ光を発散あるいは集光させるようなレンズまたはレンズ群が設けられている。そして、この光学的装置は、燃焼室３内に照射されるレーザ光の焦点位置が、ピストン１３に形成されるキャビティ１３ａに合うようにされている。なお、この光学的装置は、レーザ発生装置からレーザ光を導くためにミラー等のビームスプリッタを設けていてもよい。
【００１４】
そして、レーザ光照射装置２により発生されるレーザ光は、燃料に比べて比較的難燃性のデポジットを焼却可能な熱エネルギーを有している。従って、レーザ光照射装置２により発生されるレーザ光は、燃料を加熱して蒸発気化可能な熱エネルギー以上の熱エネルギーを有していることになる。
【００１５】
ＥＣＵ（図示せず）は、燃料噴射弁１５、吸気弁１２ａ、排気弁１２ｃおよびレーザ光照射装置２に接続されている。このＥＣＵは、燃料噴射弁１５のコイルへの通電開始および通電停止を行うことで、燃料噴射弁１５への通電期間を制御する。そして、ＥＣＵによる燃料噴射弁１５への通電期間の制御により、燃焼室３内へ噴射供給される燃料の量を制御している。また、ＥＣＵは、吸気弁１２ａの開閉、および、排気弁１２ｃの開閉の制御を行っている。このように、ＥＣＵによる吸気弁１２ａの開閉の制御により、燃焼室３内に吸入される吸入空気量を制御している。ＥＣＵによる排気弁１２ｃの開閉の制御により、燃焼室３から排気ポート１２ｄへ排気ガスを排気する制御を行っている。さらに、ＥＣＵは、レーザ光照射装置２により照射されるレーザ光の照射タイミングおよび照射強度を制御している。なお、ＥＣＵによる制御は、内燃機関１の運転状態、例えば、スロットル開度、クランクシャフトの回転角度位置、冷却水温などに応じて適宜変更される。
【００１６】
このように構成される内燃機関の浄化装置の動作について説明する。まず、内燃機関１の動作について説明する。内燃機関１は、吸気弁１２ａが開放されることにより吸気ポート１２ｂを通じて燃焼室３内に吸入空気が導かれる。さらに、燃料噴射弁１５から燃焼室３内のピストン１３に形成されたキャビティ１３ａに向けて燃料が噴射供給される。そして、点火装置１４が点火することで、燃焼室３内に導かれた吸入空気と燃料噴射弁１５により噴射供給された燃料とからなる可燃混合気を着火燃焼させる。そうすると、ピストン１３が往復移動して、内燃機関１の出力軸であるクランクシャフトが回転する。そして、燃焼後の燃焼ガスは、排気弁１２ｃが開放されることにより燃焼室３内から排気ポート１２ｄへ排気される。
【００１７】
次に、レーザ光照射装置２の動作について説明する。レーザ光照射装置２は、ＥＣＵからの制御信号に基づきレーザ光を発生させ、燃焼室３内にレーザ光を照射させる。具体的には、レーザ光照射装置２は、燃焼室３を区画するピストン１３に形成されるキャビティ１３ａにレーザ光の焦点位置が合うように照射される。ただし、ピストン１３は往復移動しているので、レーザ光照射装置２は、ピストン１３の往復移動位置に対応するクランクシャフトの回転角度位置に応じてレーザ光の照射タイミングが制御されている。
【００１８】
そして、レーザ光照射装置２により燃焼室３内に照射されるレーザ光の熱エネルギーは、燃料を加熱して蒸発気化可能なエネルギーより大きいので、ピストン１３の頂面付近に存在する未燃燃料が蒸発気化することになる。さらに、レーザ光照射装置２により燃焼室３内に照射されるレーザ光の熱エネルギーは、デポジットを焼却可能なエネルギーを有している。そのため、ピストン１３のうち特にキャビティ１３ａに付着したデポジットにレーザ光が照射されることにより、デポジットが焼却する。
【００１９】
ここで、レーザ光によるデポジットの焼却の過程について説明する。説明の容易化のために、デポジットなどの炭素系の化合物を炭素（Ｃ）として、炭素の燃焼式について説明する。炭素の燃焼式は、炭素（Ｃ）＋酸素（Ｏ2）→ＣＯ2で表される。この左辺から右辺へ移行する速度は、反応速度定数Ｋで表され、Ｋ＝Ａｅ-E/RTとなる。ここで、Ａは濃度などで決まる定数、Ｅは活性化に要するエネルギー、Ｔは温度を示している。レーザ光を照射すると、炭素（Ｃ）つまり炭素系の化合物からなるデポジットは、レーザ光エネルギーの集光による温度上昇および活性化により、燃焼反応が促進される。換言すると、レーザ光の照射による活性化効果等により、デポジットの従来の着火する温度より比較的低い温度で着火し焼却が可能となる。
【００２０】
上述したように、レーザ光照射装置２によりピストン１３付近に存在する未燃燃料を蒸発気化させることができるので、ピストン１３へデポジットが堆積、蓄積することを抑制することができる。仮に、ピストン１３へデポジットが堆積、蓄積した後であっても、このデポジットを焼却することができる。これにより、燃焼室３内での燃料の挙動の変動を抑制できるので、内燃機関１の性能を維持することができる。さらに、エミッションを良好にすることができる。
【００２１】
なお、上記実施形態においては、レーザ光照射装置２により照射されるレーザ光の焦点位置をピストン１３に形成されるキャビティ１３ａに合わせるようにしたが、これに限られるものではない。レーザ光の焦点位置がピストン１３の頂面の何れかの位置に合うようにすれば、ピストン１３の頂面付近に存在する未燃燃料の蒸発気化、および、ピストン１３の頂面に付着したデポジットの焼却が可能となる。ただし、ピストン１３のキャビティ１３ａは、燃焼室３内における燃料の挙動、さらには内燃機関の性能に大きく影響を及ぼす部分であるので、特にピストン１３のキャビティ１３ａにレーザ光の焦点位置を合わせることの効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態における内燃機関の浄化装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１：内燃機関、  ２：レーザ光照射装置、  １１：シリンダブロック、  １２：シリンダヘッド、  １２ａ：吸気弁、  １２ｂ：吸気ポート、  １２ｃ：排気弁、  １２ｄ：排気ポート、  １３：ピストン、  １３ａ：キャビティ、  １４：点火装置、  １５：燃料噴射弁、  ３：燃焼室
【図１】
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