(57)【要約】【課題】レーザ光を発生させるレーザ光発生手段の異常を確実に検出することにより、エミッションおよび燃費を良好にすることができる内燃機関用レーザ点火装置を提供することを目的とする。【解決手段】点火信号を出力制御するレーザ光出力制御部１０１と、点火信号に基づきレーザ光を発生させるレーザ光発生部６１と、レーザ光を内燃機関の燃焼室２０内の混合気に照射して混合気を活性化させるレーザ光照射部６３と、レーザ光発生部６１により発生されたレーザ光を検出するレーザ光検出部６４と、検出されたレーザ光と点火信号とに基づきレーザ光発生部６１の異常を検出する異常検出部６５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火信号を出力制御する点火信号出力制御手段と、
前記点火信号に基づきレーザ光を発生させるレーザ光発生手段と、
前記レーザ光を内燃機関の燃焼室内の混合気に照射して前記混合気を活性化させるレーザ光照射手段と、
前記レーザ光発生手段により発生された前記レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、
検出された前記レーザ光と前記点火信号とに基づき前記レーザ光発生手段の異常を検出する異常検出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関用レーザ点火装置。
【請求項２】
前記レーザ光発生手段により発生された前記レーザ光の通過経路に前記レーザ光の進行方向に対して傾斜して配置されたハーフミラーを備え、
前記レーザ光照射手段は、前記レーザ光のうち前記ハーフミラーを透過する透過光および前記ハーフミラーを反射する反射光のいずれか一方を前記燃焼室内に照射し、
前記レーザ光検出手段は、前記透過光および前記反射光の他方を検出する請求項１記載の内燃機関用レーザ点火装置。
【請求項３】
前記異常検出手段は、検出された前記レーザ光の発光エネルギー強度と前記点火信号の発光エネルギー強度とを比較して前記異常を検出する請求項１または２に記載の内燃機関用レーザ点火装置。
【請求項４】
前記異常検出手段は、検出された前記レーザ光の発光タイミングと前記点火信号の発光タイミングとを比較して前記異常を検出する請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関用レーザ点火装置。
【請求項５】
前記内燃機関の燃焼室内の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記筒内圧に基づき燃焼解析を行う燃焼解析手段と、
を備え、
前記異常検出手段は、前記燃焼解析手段による解析結果と前記点火信号とに基づき前記異常を検出する請求項１〜４の何れかに記載の内燃機関用レーザ点火装置。
【請求項６】
前記異常検出手段が前記異常を検出した場合に、燃料噴射量および吸入空気量の少なくとも何れかの制限を行う異常時処理手段を備える請求項１〜５の何れかに記載の内燃機関用レーザ点火装置。
【請求項７】
前記レーザ光発生手段とは異なる系統の点火装置と、
前記異常検出手段が前記異常を検出した場合に、前記点火装置により前記混合気を点火させる点火系統切換手段と、
を備える請求項１〜６の何れかに記載の内燃機関用レーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用レーザ点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用点火装置として、レーザ光を使用した内燃機関用レーザ点火装置が例えば特許文献１に開示されている。当該内燃機関用レーザ点火装置は、レーザ発振器から照射されたレーザ光をレンズにより内燃機関の燃焼室内で集光し、燃焼室内の混合気を活性化させて着火燃焼させる装置である。
【特許文献１】特開平５−３３７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、レーザ光を発生照射させる内燃機関用点火装置が異常状態の場合、当該異常を検出する手段を有していないため、エンジン状態が不安定になり、失火等によるエミッションの悪化、燃費悪化を引き起こす可能性がある。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、レーザ光を発生させるレーザ光発生手段の異常を確実に検出することにより、エミッションおよび燃費を良好にすることができる内燃機関用レーザ点火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】
【０００５】
本発明の内燃機関用レーザ点火装置は、点火信号を出力制御する点火信号出力制御手段と、前記点火信号に基づきレーザ光を発生させるレーザ光発生手段と、前記レーザ光を内燃機関の燃焼室内の混合気に照射して前記混合気を活性化させるレーザ光照射手段と、前記レーザ光発生手段により発生された前記レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、検出された前記レーザ光と前記点火信号とに基づき前記レーザ光発生手段の異常を検出する異常検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
つまり、本発明の内燃機関用レーザ点火装置によれば、レーザ光発生手段から発生されたレーザ光とその基になる点火信号とを比較することで、確実にレーザ光発生手段が異常状態であるか否かを判定することができる。そして、異常であると判定された場合には、異常状態に応じて適切な処理を行うことができる。つまり、エンジンが不安定にならないような回避策を講じることができる。その結果、レーザ光発生手段が異常時の場合であっても、失火などのエミッションの悪化や燃費悪化を回避することができる。
【０００７】
また、前記レーザ光発生手段により発生された前記レーザ光の通過経路に前記レーザ光の進行方向に対して傾斜して配置されたハーフミラーを備え、前記レーザ光照射手段は、前記レーザ光のうち前記ハーフミラーを透過する透過光および前記ハーフミラーを反射する反射光のいずれか一方を前記燃焼室内に照射し、前記レーザ光検出手段は、前記透過光および前記反射光の他方を検出するようにしてもよい。
【０００８】
つまり、レーザ光検出手段は、ハーフミラーの透過光と反射光のうち燃焼室に照射されない方を用いて、レーザ光発生手段により発生されたレーザ光を検出している。従って、レーザ光発生手段により発生されたレーザ光を確実に検出することができるので、レーザ光発生手段が異常であるか否かを確実に判定することができる。
【０００９】
また、前記異常検出手段は、検出された前記レーザ光の発光エネルギー強度と前記点火信号の発光エネルギー強度とを比較して前記異常を検出するようにしてもよい。その他には、前記異常検出手段は、検出された前記レーザ光の発光タイミングと前記点火信号の発光タイミングとを比較して前記異常を検出するようにしてもよい。
【００１０】
ここで、レーザ光発生手段は、上述したように、点火信号に基づきレーザ光を発生させている。そして、点火信号には、レーザ光の発光エネルギー強度およびレーザ光の発光タイミングの情報が含まれている。従って、レーザ光発生手段が正常の場合には、発生されるレーザ光の発光エネルギー強度は、点火信号の発光エネルギー強度に応じた発光エネルギー強度となっている。さらに、レーザ光発生手段が正常の場合には、発生されるレーザ光の発光タイミングは、点火信号の発光タイミングに応じたタイミングとなっている。しかし、レーザ光発生手段が異常の場合には、発生されるレーザ光の発光エネルギー強度は、点火信号の発光エネルギー強度と無関係な発光エネルギー強度となることがある。さらに、レーザ光発生手段が異常の場合には、発生されるレーザ光の発光タイミングは、点火信号の発光タイミングとは無関係なタイミングとなることがある。つまり、レーザ光の発光エネルギー強度及び／又は発光タイミングと、点火信号の発光エネルギー強度及び／又は発光タイミングとを比較することにより、確実にレーザ光発生手段が異常であるか否かを検出することができる。
【００１１】
また、内燃機関用レーザ点火装置は、前記内燃機関の燃焼室内の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧に基づき燃焼解析を行う燃焼解析手段とを備え、前記異常検出手段は、前記燃焼解析手段による解析結果と前記点火信号とに基づき前記異常を検出するようにしてもよい。このように、筒内圧検出手段および燃焼解析手段とを備えることにより、レーザ光検出手段が異常の場合であっても、レーザ光発生手段が異常であるか否かを確実に検出することができる。もちろん、レーザ光検出手段が正常の場合には、二重に異常判定を行うことができるので、異常判定結果の精度をより向上させることができる。
【００１２】
また、前記異常検出手段が前記異常を検出した場合に、燃料噴射量および吸入空気量の少なくとも何れかの制限を行う異常時処理手段を備えるようにするとよい。レーザ光発生手段が異常と判定された場合には、適切なレーザ光の照射を行うことは困難となるおそれがある。そこで、燃料噴射量を制限したり、吸入空気量を制限したりすることにより、燃焼室内における異常燃焼を防止することができる。なお、レーザ光発生手段が異常と判定された場合には、当該異常である旨の表示などを行い、運転者に伝達するようにするとよい。
【００１３】
また、内燃機関用レーザ点火装置は、前記レーザ光発生手段とは異なる系統の点火装置と、前記異常検出手段が前記異常を検出した場合に、前記点火装置により前記混合気を点火させる点火系統切換手段とを備えるようにしてもよい。ここで、当該点火装置とは、例えば、点火プラグや他のレーザ発生手段を含むレーザ点火装置などである。そして、レーザ光発生手段が異常であると判定された場合には、レーザ光発生手段を用いて混合気を適切に燃焼させることができない。そこで、点火系統切換手段により他の点火装置に切り換えて、混合気を適切に燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１５】
（１）筒内直接噴射式内燃機関の構成
本発明の内燃機関用レーザ点火装置を適用した筒内直接噴射式内燃機関について説明する。本実施形態における筒内直接噴射式内燃機関（以下、「エンジン」という）については、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態のエンジンの構成などを示す図である。
【００１６】
図１に示すように、エンジンは、シリンダブロック１と、シリンダヘッド２と、吸気弁３と、排気弁４と、燃料噴射弁５と、レーザ点火装置６と、ピストン７と、筒内圧検出センサ８と、クランク角検出センサ９と、制御装置（ＥＣＵ）１０とから構成される。なお、シリンダブロック１の内周壁、ピストン７の頂面、およびシリンダヘッド２の天井内壁により、エンジンの燃焼室２０を区画している。
【００１７】
シリンダヘッド２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２ａ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２ｂとを備えている。そして、吸気ポート２ａには吸気弁３が開閉可能に配置され、排気ポート２ｂには排気弁４が開閉可能に配置されている。すなわち、吸気弁３は、吸気管から吸気ポート２ａに導かれた吸入空気の燃焼室２０への流れを遮断および許容する。排気弁４は、燃焼室２０内に生成された燃焼ガスの排気ポート２ｂへ流れを遮断および許容する。
【００１８】
燃料噴射弁５は、シリンダヘッド２に設けられ、燃料を燃焼室２０内に直接噴射する。具体的には、燃料噴射弁５は、燃焼室２０内のうちピストン７の頂面に形成されるキャビティに向けて燃料を噴射供給する。
【００１９】
レーザ点火装置６は、シリンダヘッド２に設けられている。具体的には、レーザ点火装置６は、吸気弁３と排気弁４との間に配置されている。そして、レーザ点火装置６の照射口が、燃焼室２０内に突出して配置されている。このレーザ点火装置６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６は、レーザ光発生部６１と、ハーフミラー６２と、レーザ光照射部６３と、レーザ光検出部６４と、異常検出部６５とから構成される。
【００２０】
レーザ光発生部６１は、後述するＥＣＵ１０のレーザ光出力制御部８１から出力される点火信号に基づき、レーザ光を発生させる。具体的には、レーザ光発生部６１は、点火信号に含まれる発生タイミングおよび発生エネルギー強度に応じたレーザ光を発生させる。ハーフミラー６２は、レーザ光発生部６１から発生されたレーザ光の通路に配置されている。具体的には、ハーフミラー６２は、レーザ光の進行方向に対して傾斜して配置されている。そして、このハーフミラー６２は、レーザ光発生部６１から発生されたレーザ光の一部を透過させ、当該レーザ光の残りを反射させる。
【００２１】
レーザ光照射部６３は、ハーフミラー６２を透過したレーザ光（透過光）を燃焼室２０内に照射する。そして、レーザ光照射部６３は、照射するレーザ光の焦点位置が燃焼室２０内に合うようにされている。
【００２２】
レーザ光検出部６４は、ハーフミラー６２を反射したレーザ光（反射光）を入力して、当該レーザ光を検出する。レーザ光検出部６４は、反射光が入力された時期と反射光のエネルギー強度とを検出する。
【００２３】
異常検出部６５は、レーザ光検出部６４により検出された反射光の入力時期と反射光のエネルギー強度とを入力する。さらに、異常検出部６５は、後述するＥＣＵ１０のレーザ光出力制御部８１から出力される点火信号を入力する。この点火信号には、上述したように、レーザ光の発生タイミングと発生エネルギー強度とが含まれている。そして、異常検出部６５は、レーザ光検出部６４により検出された反射光の入力時期と点火信号に含まれる発生タイミングとを比較して、所定の許容範囲内に含まれているか否かを判定する。そして、両者が所定の許容範囲内に含まれていない場合には、レーザ光発生部６１が異常であると判定する。
【００２４】
さらに、異常検出部６５は、レーザ光検出部６４により検出された反射光のエネルギー強度と点火信号に含まれる発生エネルギー強度とを比較して、両者が所定の対応関係にあるか否かを判定する。ここで、レーザ光検出部６４が検出する反射光は、レーザ光発生部６１が発生するレーザ光の一部である。従って、反射光のエネルギー強度は、レーザ光発生部６１が発生するレーザ光のエネルギー強度より低い。つまり、レーザ光発生部６１が発生するレーザ光のエネルギー強度が、点火信号の発生エネルギー強度相当である場合には、反射光のエネルギー強度は点火信号の発生エネルギー強度より低くなる。そこで、予め、レーザ光発生部６１が正常時における反射光のエネルギー強度と点火信号の発生エネルギー強度との関係を記憶しておく。そして、異常検出部６５は、反射光のエネルギー強度が点火信号の発生エネルギーに対応するエネルギー強度の許容範囲内に含まれているか否かを判定する。そして、反射光のエネルギー強度が対応するエネルギー強度の許容範囲内に含まれていない場合には、レーザ光発生部６１が異常であると判定する。
【００２５】
そして、異常検出部６５は、レーザ光発生部６１が異常であると判定した場合には、異常情報を後述するＥＣＵ１０の燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３に出力する。
【００２６】
筒内圧検出センサ８は、燃焼室２０内（筒内）の圧力（筒内圧）を検出するセンサである。すなわち、この筒内圧検出センサ８は、燃焼室２０内の混合気が着火燃焼することにより変化する燃焼室２０内の圧力を検出している。クランク角検出センサ９は、クランクシャフト（図示せず）の回転角度を検出するセンサである。
【００２７】
制御装置１０は、レーザ光出力制御部（点火信号出力制御手段）１０１と、燃焼解析部１０２と、燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３とから構成される。レーザ光出力制御部１０１は、点火信号を生成して、レーザ光発生部６１に出力する。ここで、点火信号は、上述したように、レーザ光の発生タイミングとレーザ光の発生エネルギー強度との情報を含んでいる。レーザ光の発生タイミングとは、レーザ光を燃焼室２０内に照射させるタイミングである。レーザ光の発生エネルギー強度とは、燃焼室２０内に照射させるレーザ光のエネルギー強度である。
【００２８】
そして、レーザ光出力制御部１０１は、クランク角検出センサ９から出力されるクランク角信号に基づいて、レーザ光の発生タイミングおよび発生エネルギー強度を制御している。また、レーザ光出力制御部１０１は、後述する燃焼解析部１０２の解析結果を入力している。そして、レーザ光出力制御部１０１は、上記クランク角信号に加えて当該解析結果を考慮して、レーザ光の発生タイミングおよび発生エネルギー強度を制御している。
【００２９】
また、レーザ光出力制御部１０１は、レーザ光の発生タイミングおよび発生エネルギー強度を異常検出部６５にも出力している。なお、異常検出部６５は、上述したように、レーザ光出力制御部１０１から出力されるレーザ光の発生タイミングおよび発生エネルギー強度を用いて、レーザ光発生部６１の異常を判定している。
【００３０】
燃焼解析部１０２は、筒内圧検出センサ８により検出された筒内圧、クランク角センサ９により検出されたクランク角、および、レーザ光出力制御部１０１から出力される点火信号に基づき、燃焼室２０内における燃焼解析を行う。そして、燃焼解析の結果をレーザ光出力制御部１０１に出力する。また、燃焼解析部１０２は、燃焼解析の結果により、レーザ光発生部６１が異常であるか否かを判定することができる。そして、レーザ光発生部６１が異常と判定した場合には、燃焼解析部１０２は、レーザ光発生部６１の異常情報を燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３に出力する。
【００３１】
燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３は、燃料噴射弁５、吸気弁３、および排気弁４を制御する。さらに、燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３は、異常検出部６５からレーザ光発生部６１の異常情報を入力した場合には、燃料噴射弁５により噴射される燃料噴射量を低減するように制御する。さらに、燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３は、当該異常情報を入力した場合には、吸気弁３の開度を小さくして、吸入空気量を制限する。また、燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３は、燃焼解析部１０２からレーザ光発生部６１の異常情報を入力した場合にも同様に、燃料噴射量および吸入空気量を制限する。
【００３２】
次に、上述したように構成されるエンジンの動作について説明する。まず、吸気弁３が開放されることにより吸気ポート２ａを通じて燃焼室２０内に吸入空気が導かれる。さらに、燃料噴射弁５から燃焼室２０内のピストン７に形成されたキャビティに向けて燃料が噴射供給される。
【００３３】
このとき、ＥＣＵ１０のレーザ光出力制御部１０１は、レーザ点火装置６のレーザ光発生部６１に点火信号を出力する。そうすると、レーザ光発生部６１がレーザ光を発生して、ハーフミラー６２を透過したレーザ光がレーザ光照射部６３の照射口から燃焼室２０内に照射される。これにより、燃焼室２０内に導かれた吸入空気と燃料噴射弁５により噴射供給された燃料とからなる可燃混合気が活性化され着火燃焼する。そうすると、ピストン７が往復移動して、エンジン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４が開放されることにより燃焼室２０内から排気ポート２ｂへ排気される。
【００３４】
そして、レーザ光発生部６１がレーザ光を発生した際には、レーザ光検出部６４がハーフミラー６２を反射したレーザ光を検出する。そして、異常検出部６５において、レーザ光検出部６４が検出したレーザ光とレーザ光出力制御部１０１から出力された点火信号とを上述したように比較して、レーザ光発生部６１が異常であるか否かを判定する。これにより、確実にレーザ光発生部６１が異常であるか否かを確実に判定することができる。
【００３５】
そして、レーザ光発生部６１が異常であると判定された場合には、異常検出部６５は異常信号を燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３に出力して、燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３が燃料噴射量および吸入空気量を制限する。これにより、レーザ光発生部６１の異常時に、燃焼室２０内における異常燃焼を防止することができる。
【００３６】
また、燃焼解析部１０２において、燃焼解析の結果、レーザ光発生部６１が異常であると判定した場合には、燃焼解析部１０２は異常信号を燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３に出力して、燃料噴射弁・吸気排気弁制御部１０３が燃料噴射量および吸入空気量を制限する。これにより、レーザ光発生部６１の異常時に、燃焼室２０内における異常燃焼を防止することができる。なお、異常検出部６５による異常検出と燃焼解析部１０２による異常検出とを二重に行うことで、より確実に異常検出を行うことができる。さらに、異常検出部６５と燃焼解析部１０２のいずれか一方が故障した場合であっても、他方によりレーザ光発生部６１の異常を検出することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態において、レーザ光発生部６１の異常時には、燃料噴射量および吸入空気量を制限することとしたが、これに限られるものではない。例えば、上述したレーザ点火装置６とは異なる系統の点火装置（点火プラグや別のレーザ点火装置など）を備える場合には、異常と判定されたレーザ光発生部６１を含むレーザ点火装置６の動作を停止させて、他の点火装置に切り換えるようにしてもよい。これにより、可燃混合気を確実に燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態のエンジンの構成などを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：シリンダブロック、  ２：シリンダヘッド、  ３：吸気弁、  ４：排気弁、  ５：燃料噴射弁、  ６：レーザ点火装置、  ７：ピストン、  ８：筒内圧検出センサ、  ９：クランク角検出センサ、  １０：制御装置（ＥＣＵ）、  ２０：燃焼室、  ６１：レーザ光発生部、  ６２：ハーフミラー、  ６３：レーザ光照射部、  ６４：レーザ光検出部、  ６５：異常検出部、  １０１：レーザ光出力制御部、  １０２：燃焼解析部、  １０３：燃料噴射弁・吸気排気弁制御部
【図１】
2006242039.tif 000003