(57)【要約】【課題】レーザ点火装置は温度の上昇により作動が不安定になり易く、冷却手段を設けるとコストが上昇する。また、レーザ点火装置で発生する熱が無駄になっていた。【解決手段】レーザ点火装置の廃熱利用装置は、内燃機関の燃焼室１７内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ点火装置５０と、レーザ点火装置の周囲に配置されレーザ点火装置の廃熱により液体を暖めるとともにレーザ点火装置を冷却する気液熱交換器３９と、を備えている。気液熱交換器における気液熱交換により、レーザ点火装置は冷却され、液体は暖められる。【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（１７）内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ点火装置（４５）と、
前記レーザ点火装置の周囲に配置され、該レーザ点火装置の廃熱により液体を暖めるとともに、該レーザ点火装置を冷却する気液熱交換器（３９）と、
を備えたことを特徴とするレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【請求項２】
前記液体は燃料であり、前記気液熱交換器は燃料タンク（３８）から燃料噴射弁（３５）に延びた燃料パイプ（３６）の一部（３７）を含む請求項１に記載のレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記燃料パイプの一部は、前記レーザ点火装置の周囲に巻かれたらせん部である請求項２に記載のレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記レーザ点火装置の上流側と下流側とを結ぶ迂回路（５２）が形成され、上流側の分岐点に切換弁（５０）が配置されている請求項３に記載のレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【請求項５】
内燃機関の燃焼室内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ点火装置（６０）と、
前記レーザ点火装置の周囲に配置され、該レーザ点火装置の廃熱により発電するとともに、該レーザ点火装置を冷却する熱電変換器（７０）と、
を備えたことを特徴とするレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記熱電変換器は半導体から成る熱電変換素子（６６，６７）を含み、ｐ型半導体はＢｉＴｅで、ｎ型半導体はＢｉＴｅである請求項５に記載のレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記ｐ型半導体及び前記ｎ型半導体の表面に冷却フィン（６９）が設けられている請求項６に記載のレーザ点火装置の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ点火装置の廃熱を利用して気液熱交換器又は熱電変換する廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において燃焼室内の混合気に点火（着火）する点火装置としては、点火コイル及び点火プラグから成るものが一般的である。電源電圧を点火コイルで高電圧に昇圧し、点火プラグで火花を発生させ、混合気に点火する（火花点火）。しかし、燃料の特性（例えば難燃性の燃料）によっては火花点火が適当でない場合がある。また、点火プラグはシリンダヘッドの所定位置に所定方向に固定されているが、効率的な点火のためには、燃料噴射弁から噴射される噴霧の方向や濃度に応じて発火部の位置を変更できることが望ましい。
【０００３】
こうした事情を考慮して、近年レーザ発振器から照射されるレーザ光で混合気に点火するレーザ点火装置が開発されている（特許文献１参照）。レーザ点火装置によれば、エネルギ密度が高いレーザ光により難燃性の燃料でも点火でき、またレンズの調整により点火位置を容易に変更できる。
【特許文献１】特開平９−３０３２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のレーザ点火装置には以下の点で改良の余地がある。例えば、図５に示す固体レーザ発振器はポンプ用電源１００、ポンピングランプ用ランプ光源１０２、レーザロッド１０４、反射ミラー１０６及び出力ミラー１０８などを含む。ポンプ用電源１００及びランプ光源１０２でレーザ光を発振させ、発振したレーザ光をレーザロッド１０４及び反射ミラー１０６で増幅している。
【０００５】
この固体レーザ発振器では温度上昇による悪影響、性能の劣化のおそれがある。詳述すると、ランプ光光源１０２の光の数％のみしか発光原子の励起に使用されておらず、残りの９０数％はレーザロッド１０４の温度上昇に使用されている。その結果レーザロッド１０４の温度が上昇し、ダメージを受ける。また、発光原子のエネルギ分布が影響され、利得が下がったりレーザ効率が低下する。さらに、レーザロッド１０４の熱膨張により材料内で屈折率の異なる部分ができて屈折率が変化し、光が曲がって反射ミラー１０６と出力ミラー１０８との間を往復できず、レーザ発振効率が低下する。
【０００６】
一方、図６に示す半導体レーザ発振器では、ｐ型半導体１１２とｎ型半導体１１４との間にｐｎ接合層１１６が形成されている。ｐ型半導体１１２とｎ型半導体１１４との間に電源１１８により電圧をかけると、ｎ型半導体１１４が貯えた電子をｐ型半導体１１２が受け、電子が移動する際にレーザ光を発生する。ここで、レーザ出力はｐ型半導体１１２とｎ型半導体１１４との間を流れる電流の大きさに依存する。また、電流値はｐ型半導体１１２及びｎ型半導体１１４の温度に依存し、レーザ個々の特性温度をＴ0とすると、電流値ＩはＩ＝Ｉ0ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ0）で表される。従って、温度が一定値をこえて上昇すると出力が上昇し過ぎ不安定となる。
【０００７】
固定レーザ発振器又は半導体レーザ発振器を点火装置として使用した場合、エンジンの始動時に対応して極く短時間にレーザ光を発振可能状態（暖気→暖気状態）になる必要があり、そのため発振部の出力を大きくすると発熱量が多くなる。発熱による温度上昇を抑制するために冷却手段を設ければ、温度の上昇は抑制できるが、その分点火装置のコストが上昇する。また、レーザ点火装置で発生した熱を冷却手段で冷却することはエネルギ的にみて無駄である。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、レーザ点火装置の温度上昇を抑制してレーザ点火装置の作動を安定させ、同時にレーザ点火装置で発生する廃熱を利用できるレーザ点火装置の廃熱利用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】
【０００９】
本発明の発明者は、レーザ点火装置で発生する廃熱を気液熱交換又は熱電変換し、レーザ点火装置を冷却するとともに、異なる状態のエネルギとして回収することを着想して本発明を完成した。
【００１０】
（イ）第１発明によるレーザ点火装置の廃熱利用装置は、請求項１に記載したように、内燃機関の燃焼室内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ点火装置と、レーザ点火装置の周囲に配置されレーザ点火装置の廃熱により液体を暖めるとともにレーザ点火装置を冷却する気液熱交換器と、を備えている。第２発明によるレーザ点火装置の廃熱利用装置は、請求項５に記載したように、内燃機関の燃焼室内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ点火装置と、レーザ点火装置の周囲に配置されレーザ点火装置の廃熱により発電するとともにレーザ点火装置を冷却する熱電変換器と、を備えている。
【００１１】
（ロ）以下、第１発明及び第２発明の構成要素の種々の態様につき説明する。内燃機関は車両のエンジンが代表例であるが、車両用に限定されない。内燃機関はシリンダ、ピストン、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁、及びレーザ光を照射して混合気に点火するレーザ点火装置を含む。燃料噴射弁は燃料を吸気孔内に噴射するタイプ（マニホールドタイプ）でも、燃焼室内に噴射するタイプ（直噴タイプ）でも良い。燃焼室内で噴霧と空気とが混合され、混合気となる。レーザ点火装置は、固体レーザを利用したもの、半導体レーザを利用したもの、その両方を組み合わせたものの何れでも良い。レーザ点火装置の取付け位置はシリンダヘッドの頂部が代表的であるが、それ以外の場所でも良い。レーザ点火装置と気液熱交換器又は熱電変換器とで廃熱利用装置が構成される。
【００１２】
気液熱交換器は、レーザ点火装置の廃熱を利用して液体を暖めその液温を上昇させるとともに、レーザ点火装置を冷却する。液体としては燃料（例えばガソリン）で代表的であるが、これに限定されない。気液熱交換器は、燃料タンクから燃料噴射弁に延びた燃料パイプの一部を含み、この一部をレーザ点火装置の発振部の周囲にらせん状に巻くことが望ましい。また、燃料パイプはレーザ点火装置の上流側と下流側とを結ぶ迂回路が形成され、上流側の分岐点に切換弁を備えることができる。
【００１３】
熱電変換器は、レーザ点火装置の廃熱を利用して発電する（ゼーベック効果）とともに、レーザ点火装置を冷却する。ゼーベック効果により得られる熱起電力の大きさは組み合わせる金属（導体、半導体）の種類や、接合部の温度差により決まる。例えば、半導体の一つであるテルル化ビスマス（ＢｉＴｅ）から成るｐ型半導体及びｎ型半導体を使用することができる。ＢｉＴｅは熱起電力が大きくしかも熱伝導率が小さいので、ＳｂやＳｅを溶かしてｐｎ接合部を作ると、熱電変換素子として適している。具体的には、複数のｐ型半導体及び複数のｎ型半導体の一端が発振部（ｐｎ接合部）の表面に密着されている。なお放熱を促進するためにｐ型半導体及びｎ型半導体の他端に冷却フィンを取り付けることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
（１）第１発明にかかるレーザ点火装置の廃熱利用装置によれば、気液熱交換器の液体でレーザ発振器の発振部を冷却しているので、車両のエンジン始動時に、短時間に暖気状態にできる。また、レーザ発振器の発振部で液体循環部内の液体を暖めているので気体の熱エネルギが液体の熱エネルギとして回収される。
【００１５】
請求項２及び３のレーザ点火装置の廃熱利用装置によれば、発振部のまわりに燃料パイプのらせん部を巻きつけたので、熱交換効率がより向上する。その結果、レーザ点火装置の発振器が効果的に冷却され、またエンジン始動時の燃料の液温が上昇し排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）が減少する。請求項４のレーザ点火装置の廃熱利用装置によれば、燃料パイプの途中に切換弁及び迂回路を設けたので、特に発振器の冷却及び燃料の加熱が必要とされるエンジンの始動時に、燃料を確実にレーザ点火装置の回りを循環させることができる。
【００１６】
（２）第２発明にかかるレーザ点火装置の廃熱利用装置によれば、気液熱交換器の液体でレーザ発振器の発振部を冷却しているので、車両のエンジン始動時に、短時間に暖気状態にできる。また、熱エネルギから変換された電気エネルギを種々の用途に使用でき、例えば、バッテリに充電してスタータモータを駆動したり、又は電子制御装置等の車内電装製品の電源として利用できる。請求項６のレーザ点火装置の廃熱利用装置によれば、ｐ型半導体及びｎ型半導体がともにＢｉＴｅから成るので、効率よく熱交換される。請求項７のレーザ点火装置の廃熱利用装置によれば、発振部に冷却フィンを設けたので、発振部の放熱性が更に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の最良の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
＜第１の最良の形態＞
（構成）
図１に第１の最良の形態を示す。内燃機関（エンジン）はシリンダブロック１０、ピストン１４、シリンダヘッド１６、燃料噴射弁３５及びレーザ点火装置４５等を含む。このうち、シリンダブロック１０には冷却水が循環するウォータジャケット１１が形成され、そのシリンダボア１２にピストン１４が摺動可能に滑合されている。シリンダブロック１０の上端開口がシリンダヘッド１６で覆われ、燃焼室１７を区画している。
【００１９】
シリンダヘッド１０の一側に空気を導入する吸気孔２１が、他側に燃焼ガスを排出する排気孔２５が接続されている。吸気孔２１の入口には吸気弁２２が配置され、開閉機構２３により所定時期に開閉される。排気孔２５の出口には排気弁２６が配置され、開閉機構２７により所定時期に開閉される。シリンダヘッド１０の一側（吸気弁２２と同じ側）に燃料噴射弁３５が配置され、燃料パイプ３６によりレーザ点火装置４５を介して燃料タンク３８に接続されている。燃料タンク３８内の燃料は燃料ポンプ３９により燃料パイプ３６を通して燃料噴射弁３５に圧送される。
【００２０】
図１、図２に示すように燃料パイプ３６の途中に、レーザ点火装置４５の発振部４６が配置され、その上流側（燃料ポンプ３９側）に切換弁５０が配置されている。切換弁５０から発振部４６を迂回して発振部４６の下流側に迂回路５２が延びている。制御機構（不図示）により切換弁５０を第１切換位置に切り換えると燃料は発振部４６を流れ、第２切換位置に切り換えると迂回路５２を流れる。
【００２１】
図２に示すように、発振部４６の回りに燃料パイプ３６の一部に形成されたらせん部３７が巻かれている。レーザ発振器４５の照射部４８がシリンダヘッド１６の中心部から燃焼室１７内に延びている。なお、レーザ点火装置４５の作動は、切換弁５０を切り換える上記制御機構と連動するＥＣＵ５５により制御される。発振器４６とらせん部３７とで気液熱交換器３９が構成される。
【００２２】
（作用）
次にこの最良の形態の作用を説明する。但し、ピストン１４の往復動による吸入、圧縮、爆発及び排出工程、その際の吸気弁２２及び排出弁２６の開閉、並びに燃料噴射弁３５による燃料の噴射及びレーザ点火装置４５による混合気への点火等は何れも公知であり、しかも本発明とは直接関係ない。従って、これらの説明は割愛する。
【００２３】
エンジン始動時は切換弁５０を第１切換位置に切り換える。すると、燃料タンク３８から燃料パイプ３６を通して圧送される燃料は、レーザ点火装置４５の発振部４６を通過した後燃料噴射弁３５に至り、燃焼室１７に噴霧が噴射される。発振部４６を通過する際、発振部４６の高熱とらせん部３７内の低温の燃料との間で気液熱交換される。その結果、発振部４６は低温の燃料により冷却され、その温度上昇が抑制される。一方、低温の燃料は発振部４６の高熱により暖められ、その液温が上昇する。これに対して、エンジン始動後は切換弁５０を第２切換位置に切り換える。すると、燃料は発振部４６を通過せず迂回路５２を流れた後燃料噴射弁３５に至り、燃焼室１７に噴霧が噴射される。
【００２４】
（効果）
この最良の形態によれば以下の効果が得られる。第１に、レーザ点火装置４５の発振部４６の温度上昇が燃料パイプ３６のらせん部３７内を流れる燃料により１８から２８℃程度に抑制される。その結果、例え発振部４６の発熱が多くてもレーザ点火装置４５の作動が安定する。第２に、燃料の液温がレーザ点火装置４５の発振部４６により１８から２８℃程度まで上昇される。特にエンジン始動時（特に回転数が４００ｒｐｍに達するまでの時間）の燃料の液温の上昇により、混合気が点火され燃料が燃焼した後の排気ガス中の炭化水素の含有量が低減できる。なお、エンジン回転数が４００ｒｐｍに達する時間はエンジン及び燃料の温度に依存し、たとえば０℃付近では約１秒前後である。
【００２５】
第３に、上記第１の効果及び第２の効果に関連して、燃料パイプ３６のらせん部３７を発振部４６の回りに巻き付け、気液熱交換器３９内の気体と液体との接触面積を広くしたので、熱交換効率が良い。また、燃料パイプ３６の途中に切換弁５０及び迂回路５２を設けたので、発振部４６の冷却及び燃料の加温が特に要求されるエンジンの始動時に積極的に気液熱交換を行うことができる。
【００２６】
＜第２の最良の形態＞
図３及び図４に第２の最良の形態を示す。この第２の最良の形態は、レーザ点火装置６０の配置及び廃熱利用の態様が上記第１の最良の形態と異なり、その他の点は第１の最良の形態と同じである。以下、異なる構成を中心に説明する。
【００２７】
燃料タンク３８から燃料噴射弁３５まで延びた燃料パイプ３６上には何も配置されず、シリンダヘッド１６の頂部にレーザ点火装置６０の発振部６１が取り付けられ、その照射部６３が燃焼室１７内に延びている。
【００２８】
図４に示すように、発振部６１の回りに熱電変換素子６５が配置され、両者で熱電変換器７０を構成している。詳述すると、レーザ点火装置６０の発振部６１の一面６２ａに複数のｐ型半導体６６と複数のｎ型半導体６７とが交互に配置され、対を成すｐ型半導体（ＢｉＴｅ）６６とｎ型半導体（ＢｉＴｅ）６７とにわたって銅製の冷却フィン６９が配置されている。ｐ型半導体６６もｎ型半導体６７もＢｉ２Ｔｅ３化合物であるが、添加物の種類によってｐ型又はｎ型に分かれる。ｐ型としてＰｂ添加又はＢｉ添加Ｂｉ２Ｔｅ３があり、ｎ型としてＣｕＩ添加Ｂｉ２Ｔｅ３がある。同様に、発振部６１の他面６２ｂに複数のｐ型半導体６６と複数のｎ型半導体６７とが交互に配置され、対を成すｐ型半導体６６とｎ型半導体６７とにわたって冷却フィン６９が配置されている。
【００２９】
第２の最良の形態によれば、まず伝熱変換器７０により熱エネルギが電気エネルギに変換されるので、レーザ点火装置６０の発振部６１の温度上昇が抑制される。その結果、例え発振部６１の発熱が多くてもレーザ点火装置６０の作動が安定する。また、得られた電気エネルギを例えば、バッテリに充電してスタータモータを駆動したり、又は電子制御装置等の車内電装製品の電源として利用できる。更に、ｐ型半導体６６及びｎ型半導体６７の他端にかけて冷却フィン６９を設けたので、冷却（放熱）効率がより向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の最良の形態によるレーザ点火装置の廃熱利用装置の全体説明図である。
【図２】図１の気液熱交換器の詳細図である。
【図３】本発明の第２の最良の形態によるレーザ点火装置の廃熱利用装置の全体説明図である。
【図４】図３の熱電変換器の詳細図である。
【図５】従来の固体レーザ発振器を示す説明図である。
【図６】従来の半導体レーザ発振器を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１：シリンダ                    １４：ピストン
１７：燃焼室                      ２１：吸気孔
２５：排気孔                      ３５：燃焼噴射弁
３７：らせん部                    ３９：気液熱交換器
４５：レーザ点火装置              ４６：発振部
４８：照射部                      ５０：切換弁
５２：迂回路
【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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【図６】
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