(57)【要約】 【課題】  エンジンの起動時及び低負荷運転時から高負荷運転時の全運転域においてレーザ光の照射による良好な着火性能を保持しつつ、ターゲットの寿命を延長できるレーザ着火式エンジンを提供する。【解決手段】  レーザ着火式エンジンにおいて、ターゲットとしてエンジンのピストン上面に燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと燃焼室内のガスターゲットとを備えるとともに、エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時におけるレーザ光の第１の照射タイミングを、一定負荷を超える高負荷側の運転時における第２の照射タイミングよりもエンジンの上死点に近い照射タイミングに設定し、第１の照射タイミングによりレーザ光を固体ターゲットに照射せしめ、第２の照射タイミングによりレーザ光をガスターゲットに照射せしめるコントローラを備えたことを特徴とする。【選択図】    図１
2006220091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダの燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとを備えるとともに、前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時における前記レーザ光の第１の照射タイミングを、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時における第２の照射タイミングよりもエンジンの上死点に近い照射タイミングに設定し、前記第１の照射タイミングにより前記レーザ光を前記固体ターゲットに照射せしめ、前記第２の照射タイミングにより前記レーザ光を前記ガスターゲットに照射せしめるコントローラを備えたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
【請求項２】
前記エンジンの負荷を検出して前記コントローラに入力する負荷検出器をそなえ、前記コントローラは前記負荷検出器からの負荷検出値に基づき前記レーザ光の照射タイミングを制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ着火式エンジン。
【請求項３】
レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダのシリンダヘッドの集光レンズ取付部に設けられた集光レンズを通して燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとをそなえ、前記集光レンズを前記集光レンズ取付部において移動させて該集光レンズの焦点距離を変化せしめる集光レンズ移動手段と、前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時において前記レーザ光の焦点が前記固体ターゲット上に位置し、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には前記レーザ光の焦点がガスターゲット上に位置するように前記集光レンズ移動手段の移動を制御するコントローラとを備えたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
【請求項４】
レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダのシリンダヘッドの集光レンズ取付部に設けられた集光レンズを通して燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとをそなえ、前記シリンダヘッド内の前記レーザ光の光路に、前記集光レンズを通したレーザ光の焦点位置を変化せしめる第２の集光レンズを前記集光レンズと直列にかつ着脱自在に設けて、該第２の集光レンズを着脱することにより前記レーザ光の焦点を前記固体ターゲット上あるいはガスターゲット上に位置せしめるように構成したことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
【請求項５】
前記エンジンの負荷を検出する負荷検出器と、該負荷検出器からのエンジン負荷の検出値に基づき前記集光レンズ移動手段の移動あるいは前記第２の集光レンズの着脱を制御して、前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時において前記レーザ光の焦点を前記固体ターゲット上に位置せしめ、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には前記レーザ光の焦点をガスターゲット上に位置せしめるコントローラをそなえたことを特徴とする請求項３または４のいずれかの項に記載のレーザ着火式エンジン。
【請求項６】
レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダの燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとを備えるとともに、燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合には第２の照射タイミングよりもエンジンの上死点に近い第１の照射タイミングでレーザ光を発振せしめて固体ターゲットに照射し、前記温度検出値が前記一定温度を超える場合には前記第２の照射タイミングで燃焼室内のガスターゲットに照射せしめるコントローラを備えたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
【請求項７】
レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダのシリンダヘッドの集光レンズ取付部に設けられた集光レンズを通して燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとをそなえ、前記集光レンズを前記集光レンズ取付部において移動させて該集光レンズの焦点距離を変化せしめる集光レンズ移動手段と、燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合ににおいて前記レーザ光の焦点が前記固体ターゲット上に位置し、前記一定温度を超える高温時には前記レーザ光の焦点がガスターゲット上に位置するように前記集光レンズ移動手段の移動を制御するコントローラとを備えたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
【請求項８】
レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダのシリンダヘッドの集光レンズ取付部に設けられた集光レンズを通して燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとをそなえ、前記シリンダヘッド内の前記レーザ光の光路に、前記集光レンズを通したレーザ光の焦点位置を変化せしめる第２の集光レンズを前記集光レンズと直列にかつ着脱自在に設けて、該第２の集光レンズを着脱することにより前記レーザ光の焦点を前記固体ターゲット上あるいはガスターゲット上に位置せしめるように構成し、前記第２の集光レンズを着脱することにより燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合において前記レーザ光の焦点が前記固体ターゲット上に位置し、前記一定温度を超える高温時には前記レーザ光の焦点がガスターゲット上に位置するように前記集光レンズ移動手段の移動を制御するコントローラとを備えたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてガスエンジン等の予混合燃焼レーザ着火式エンジンに適用され、レーザ発振装置からのレーザ光を、各シリンダの燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
予混合希薄燃焼ガスエンジンにおいては、副室に装着した点火プラグによって該副室内の濃混合比ガスに点火して着火し、該着火火炎を主燃焼室内の希薄混合気中に噴出せしめて主燃焼させる点火プラグ着火方式、あるいは副室に装着したパイロット燃料噴射弁によって該副室内の混合ガス中にパイロット燃料を噴射して着火し、該着火火炎を主燃焼室内の希薄混合気中に噴出せしめて主燃焼させるパイロット燃料噴射着火方式に代えて、レーザ光を燃焼室に設けられたターゲットに照射してプラズマを発生させ、燃焼室内のガスを着火燃焼させるレーザ着火方式を用いて、希薄混合ガスの着火燃焼を促進するとともに、ＮＯｘの発生量を抑制する技術が提案されている。
【０００３】
かかるレーザ着火方式を備えた予混合希薄燃焼ガスエンジンとして、特許文献１（特開平８−９３６２０号公報）、及び特許文献２（特開平９−４２１３８号公報）の技術が提案されている。
特許文献１の技術においては、複数シリンダのシリンダヘッドの上方にミラーを設け、レーザ発振装置からクランク角に同期して着火順序で発射されたレーザ光を前記各ミラーに反射させて、シリンダヘッドに装着されたレーザ光ガイド内に導入し、該レーザ光ガイド内を通して燃焼室内のターゲットに照射するように構成されている。
また、特許文献２の技術においては、レーザ発振装置とピストン表面上に設けた１個のターゲットとの間のレーザ光の光路内にエンジン回転によってレーザ光を常時ターゲット上に照射できるように焦点可変装置を装備している。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−９３６２０号公報
【特許文献２】特開平９−４２１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ着火式エンジンは、前記のように、シリンダヘッドの集光レンズを通して燃焼室内に導入したレーザ光を該燃焼室内のターゲットに照射して発生したプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されており、通常、該ターゲットとして、ピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとが用いられている。
前記固体ターゲットは、レーザ光の照射により発生するプラズマの強度が大きくエンジンの全運転域において良好な着火性を有するが、レーザ光の照射の繰り返しによって照射面が劣化しプラズマの強度が低下して行き、寿命が短くなるという欠点を有している。
一方、前記ガスターゲットは、燃焼室にあるガスに直接レーザ光を照射するためターゲットの寿命は無限であるが、レーザ光の照射により発生するプラズマの強度が前記固体ターゲットよりもはるかに小さいという欠点を有している。
【０００６】
然るにかかるレーザ着火式エンジン、特にレーザ着火式ガスエンジンにおいては、エンジンの起動時及び低負荷運転時には、燃焼室周りの温度が低温であるために、該燃焼室周りの温度が高温状態を保持している高負荷側の運転時に比べて燃料の着火性が悪いという特性を有しており、前記固体ターゲットあるいはガスターゲットの何れを単独に使用する場合においても、前記のような問題点は解消困難である。
しかしながら、前記特許文献１（特開平８−９３６２０号公報）及び特許文献２（特開平９−４２１３８号公報）の技術のいずれにおいても、かかる問題点を解決する手段は提供されていない。
【０００７】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、エンジンの起動時及び低負荷運転時から高負荷運転時の全運転域においてレーザ光の照射による良好な着火性能を保持しつつ、ターゲットの寿命を延長できるレーザ着火式エンジン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】
【０００８】
本発明はかかる目的を達成するもので、レーザ発振装置からのレーザ光を光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して各シリンダの燃焼室内に導入し、該燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとを備えるとともに、前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時における前記レーザ光の第１の照射タイミングを、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時における第２の照射タイミングよりもエンジンの上死点に近い照射タイミングに設定し、前記第１の照射タイミングにより前記レーザ光を前記固体ターゲットに照射せしめ、前記第２の照射タイミングにより前記レーザ光を前記ガスターゲットに照射せしめるコントローラを備えたことを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは、前記エンジンの負荷を検出して前記コントローラに入力する負荷検出器をそなえ、前記コントローラは前記負荷検出器からの負荷検出値に基づき前記レーザ光の照射タイミングを制御するように構成されてなる。
【０００９】
かかる発明によれば、コントローラは、好ましくは負荷検出器からのエンジン負荷の検出値によって、エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、レーザ発振装置からのレーザ光を、ピストンが上方位置にあるエンジンの上死点に近い第１の照射タイミングで以って、ピストン上面に燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットに照射せしめる。
前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時には燃焼室周りが低温であることによって高負荷運転時よりも燃料への着火性が悪いが、かかる固体ターゲットへのレーザ光の照射によってプラズマの強度が大きくなり、着火性が改善される。
【００１０】
一方前記コントローラは、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時においては、前記レーザ光を、ピストンがエンジンの上死点よりも下方位置にある上死点前の第２の照射タイミングで以って燃焼室内のガスターゲットに照射せしめる。
前記ガスターゲットへのレーザ光照射によるプラズマの強度は前記固体ターゲットへのレーザ光照射によるプラズマの強度よりも小さいが、エンジンの高負荷側の運転時においては、前記燃焼室周りの温度が高温状態を保持しているため、燃焼室内のガスが着火し易い状態にあるので、前記のようなガスターゲットへのレーザ光照射であっても良好な着火性を保持できる。
【００１１】
従ってかかる発明によれば、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、レーザ光の照射によって発生するプラズマの強度が大きい固体ターゲットへのレーザ光照射を行うことにより、良好な着火性を保持できるとともに、着火性の良好なガス状態にあるエンジンの高負荷側の運転時においては、前記固体ターゲットの使用を停止してプラズマの強度が小さいガスターゲットへのレーザ光照射を行っても良好な着火性を保持できるので、レーザ光の照射の繰り返しに対する固体ターゲットの照射面劣化を抑制できて、固体ターゲットの寿命を延長できる。
【００１２】
また本発明は、前記レーザ着火式エンジンにおいて、ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとをそなえ、前記集光レンズを前記集光レンズ取付部において移動させて該集光レンズの焦点距離を変化せしめる集光レンズ移動手段と、前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時において前記レーザ光の焦点が前記固体ターゲット上に位置し、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には前記レーザ光の焦点がガスターゲット上に位置するように前記集光レンズ移動手段の移動を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、コントローラの制御により集光レンズ移動手段を介して、集光レンズ取付部において集光レンズを移動させ、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、集光レンズを通ったレーザ光の焦点を固体ターゲット上に位置せしめて、レーザ光によるプラズマの強度が大きい該固体ターゲットへのレーザ光照射によって良好な着火性を保持でき、プラズマの強度が小さくても着火性の良好なガス状態にあるエンジンの高負荷側の運転時においては、前記固体ターゲットの使用を停止して、集光レンズを通ったレーザ光の焦点を燃焼室内のガスターゲット内に位置せしめてレーザ光照射を行うことにより、良好な着火性を保持しつつ固体ターゲットの寿命を延長できる。
【００１４】
また本発明は、前記レーザ着火式エンジンにおいて、前記ターゲットとしてエンジンのピストン上面に前記燃焼室に臨んで設置された固体ターゲットと前記燃焼室内のガスターゲットとをそなえ、前記シリンダヘッド内の前記レーザ光の光路に、前記集光レンズを通したレーザ光の焦点位置を変化せしめる第２の集光レンズを前記集光レンズと直列にかつ着脱自在に設けて、該第２の集光レンズを着脱することにより前記レーザ光の焦点を前記固体ターゲット上あるいはガスターゲット上に位置せしめるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、コントローラの制御により第２の集光レンズをシリンダヘッド内の前記レーザ光の光路に着脱させ、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、第２の集光レンズを前記光路から抜き出して集光レンズの焦点距離を長くしレーザ光を固体ターゲットに照射することにより良好な着火性を保持でき、プラズマの強度が小さくても着火性の良好なガス状態にあるエンジンの高負荷側の運転時においては、前記第２の集光レンズを前記光路に挿入して、集光レンズの焦点距離を短くして前記固体ターゲットの使用を停止するとともに、レーザ光をガスターゲット中に照射することにより、良好な着火性を保持しつつ固体ターゲットの寿命を延長できる。
【００１６】
また、前記２発明において、前記エンジンの負荷を検出する負荷検出器と、該負荷検出器からのエンジン負荷の検出値に基づき前記集光レンズ移動手段の移動あるいは前記第２の集光レンズの着脱を制御して、前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時において前記レーザ光の焦点を前記固体ターゲット上に位置せしめ、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には前記レーザ光の焦点をガスターゲット上に位置せしめるコントローラとを設けてフィードバック制御を行うことにより、レーザ光の焦点位置を高精度で制御できる。
【００１７】
また、本発明は、次の３つの手段によって、燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合には固体ターゲットに照射し、燃焼室の温度が一定温度を超える場合には前記燃焼室内のガスターゲットに照射するように構成することもできる。
（１）燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合には第２の照射タイミングよりもエンジンの上死点に近い第１の照射タイミングでレーザ光を発振せしめて固体ターゲットに照射し、前記温度検出値が前記一定温度を超える場合には前記第２の照射タイミングで燃焼室内のガスターゲットに照射せしめる
（２）集光レンズを集光レンズ取付部において移動させて該集光レンズの焦点距離を変化せしめる集光レンズ移動手段をそなえて、燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合においてレーザ光の焦点が記固体ターゲット上に位置し、前記一定温度を超える高温時には前記レーザ光の焦点がガスターゲット上に位置するように集光レンズ移動手段の移動を制御する。
（３）第２の集光レンズを着脱することによりレーザ光の焦点を固体ターゲット上あるいはガスターゲット上に位置せしめるように構成し、前記第２の集光レンズを着脱することにより燃焼室の温度が一定温度よりも低い場合において前記レーザ光の焦点が前記固体ターゲット上に位置し、前記一定温度を超える高温時には前記レーザ光の焦点がガスターゲット上に位置するように前記集光レンズ移動手段の移動を制御する。
【００１８】
このように構成すれば、前記エンジン負荷によって固体ターゲットへのレーザ光の照射と、ガスターゲットへの照射とを切り換える手段と、燃焼室の温度によって固体ターゲットへの照射とガスターゲットへの照射とを切り換える手段とを組み合わせることにより、エンジン負荷が前記一定負荷以上でのガスターゲットへの照時に、燃焼室温度が低めのシリンダが発生した場合に、前記のような燃焼室温度制御によって、当該シリンダのみ固体ターゲットへの照射を行い、安定した着火燃焼を保持できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においてのみレーザ光の照射により発生するプラズマの強度が大きい固体ターゲットを使用し、着火性の良好なガス状態にあってレーザ光照射によるプラズマ強度が小さくても着火性の良好なガス状態にある高負荷側の運転時においては、固体ターゲットの使用を停止することにより、エンジンの全運転域において良好な着火性能を保持しつつ、固体ターゲットの照射面劣化を抑制でき該固体ターゲットの寿命を延長できる。
また、本発明によれば、集光レンズ移動手段を介して集光レンズを移動させ、あるいは第２の集光レンズをシリンダヘッド内の前記レーザ光の光路に着脱させることにより、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、レーザ光の焦点を固体ターゲット上に位置せしめてレーザ光によるプラズマの強度が大きい該固体ターゲットへのレーザ光照射によって良好な着火性を保持でき、プラズマの強度が小さくても着火性の良好なガス状態にあるエンジンの高負荷側の運転時においては、前記固体ターゲットの使用を停止して、レーザ光の焦点を燃焼室内のガスターゲット内に位置せしめてレーザ光照射を行うことにより、良好な着火性を保持しつつ固体ターゲットの寿命を延長できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【実施例１】
【００２１】
図１は本発明の第１実施例に係るレーザ着火式ガスエンジンの要部断面を含む全体構成図である。
図１において、１２はガスエンジン（以下エンジンという）のシリンダヘッド、１０はピストン、１１はシリンダライナ、１３は該シリンダヘッド１２、ピストン１０及びシリンダライナ１１により区画形成された燃焼室である。
また１５は吸気ポート、１４は該吸気ポート１５を開閉する吸気弁、１７は排気ポート、１６は該排気ポート１７を開閉する排気弁である。
５は前記ピストン１０の頂面に固定された固体ターゲットである。
１はレーザ光（レーザパルス）０２を発振するレーザ発振装置、２は前記レーザ発振装置１から発振されるレーザ光０２のパルス間隔、レーザ光エネルギー（レーザ光の強さ）等を制御するレーザ制御装置である。６は前記シリンダヘッド１２内に設置されたレーザ光の集光レンズ、９は該集光レンズ６を支持する支持部材である。１８は前記集光レンズ６側と燃焼室１３側とを遮蔽するレーザ光導入ガラス体で、耐熱性を有する透明ガラスからなる。
５０は前記レーザ発振装置１からのレーザ光０２を前記集光レンズ６側に伝送するための光ファイバーである。
【００２２】
５１はエンジンの回転数を検出する回転数検出器、５２はエンジンの負荷を検出する負荷検出器、５３は図示しないクランク軸のクランク角を検出するクランク角検出器である。
３はコントローラで、前記回転数検出器５１からエンジン回転数の検出値が、前記負荷検出器５２からエンジン負荷の検出値が、前記クランク角検出器５３からエンジンのクランク角の検出値が夫々入力されて、前記エンジン回転数の検出値あるいは前記エンジン負荷の検出値に基づき、該エンジン回転数あるいはエンジン負荷に対応するレーザ光０２のパルス間隔、レーザ光エネルギー（レーザ光の強さ）等を算出するとともに、前記クランク角検出値に基づき各シリンダの着火順序に従ってのレーザ光の照射タイミングを算出して、前記レーザ制御装置２に入力するものである。
【００２３】
かかる構成からなるレーザ着火式ガスエンジンの運転時において、前記回転数検出器５１からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器５２からのエンジン負荷の検出値、前記クランク角検出器５３からのクランク角の検出値は、コントローラ３に入力される。
そして該コントローラ３においては、前記エンジン回転数の検出値、エンジン負荷の検出値、及びクランク角の検出値に基づき、前記レーザ制御装置２にレーザ発振装置１からのレーザ光０２の照射タイミングの制御信号を出力する。
そして前記レーザ制御装置２は、前記コントローラ３から該レーザ制御装置２に出力されるレーザ光０２の照射タイミングの制御信号に基づき、前記レーザ発振装置１からレーザ光０２を発振せしめる。
該レーザ光０２は前記光ファイバー５０を通して伝送されて、シリンダヘッド１２内を通る該光ファイバー５０の先端部から集光レンズ６に入り、該集光レンズ６で集光されレーザ光導入ガラス体１８を透過して、前記燃焼室１３内に臨む固体ターゲット５、あるいは前記燃焼室１３のガスにより構成されるガスターゲット（図示省略）に照射される。かかるレーザ光０２の照射により燃焼室１３内の混合ガス中に高温のプラズマを発生させ、該ガスを着火燃焼せしめる。
【００２４】
本発明の第１実施例は、レーザ光０２の照射タイミング制御に係るものである。
図２は、本発明の第１実施例に係るレーザ着火式ガスエンジンにおけるレーザ光照射タイミング線図である。
本発明の第１実施例においては、前記コントローラ３によって、前記レーザ発振装置１から発振されるレーザ光０２の照射タイミングを次のように制御している。
即ち、前記コントローラ３は、前記負荷検出器５２からのエンジン負荷の検出値及びクランク角検出器５３からのエンジンのクランク角の検出値に基づき、前記レーザ制御装置２を介してレーザ光０２の照射タイミングを次のように演算、制御する。
【００２５】
図２及び図１において、前記コントローラ３は、エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時におけるレーザ光が固体ターゲット５に照射される第１の照射タイミングθ１を、図２のＡに示されるようにエンジンの上死点（ＴＤＣ）または該上死点に接近した、前記ピストン１０の最上位置のクランク角に設定し、前記レーザ制御装置２を介して前記レーザ発振装置１から、かかる第１の照射タイミングθ１でレーザ光０２を発振せしめる。
前記一定負荷は、該コントローラ３内において、予めエンジンの実験運転やシミュレーション計算によって、エンジン負荷〜エンジン回転数のマップ上で、前記固体ターゲット５への照射範囲と前記ガスターゲットへの照射範囲とを設定し、固体ターゲット５への照射範囲となる負荷の上限値を採る。
【００２６】
前記エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時には燃焼室１３周りの温度が低く、特に起動時には大気温度と同等の低温であるため、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時よりもレーザ光０２による燃料への着火性が悪い。
然るに、かかるエンジンの起動時及び低負荷運転時には、前記コントローラ３によって、ピストン１０の最上位置で、該レーザ光０２が前記固体ターゲット５に照射される第１の照射タイミングθ１でレーザ光０２を照射するので、かかる固体ターゲット５へのレーザ光０２の照射によってプラズマの強度が大きくなり、着火性が改善される。
【００２７】
一方、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には、前記コントローラ３は、レーザ光０２の第２の照射タイミングθ２を、図２のＢに示されるように、ピストン１０がエンジンの上死点よりも下方位置にある、前記第１の照射タイミングθ１よりもΔθ早いクランク角に設定し、前記レーザ制御装置２を介して前記レーザ発振装置１から、かかる第２の照射タイミングθ２でレーザ光０２を発振せしめ、該レーザ光０２を前記燃焼室１３内のガスターゲットに照射せしめる。
前記ガスターゲットへのレーザ光照射によるプラズマの強度は、前記固体ターゲット５へのレーザ光照射によるプラズマの強度よりも小さいが、前記高負荷側の運転時においては、前記燃焼室１３周りの温度が高温状態を保持しているため、該燃焼室１３内のガスが着火し易い状態にあるので、前記のようなガスターゲットへのレーザ光照射であっても良好な着火性を保持できる。
【００２８】
従ってかかる第１実施例によれば、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、レーザ光０２の照射によって発生するプラズマの強度が大きい固体ターゲット５へのレーザ光照射を行うことにより、良好な着火性を保持できるとともに、着火性の良好なガス状態にある前記一定負荷を超える高負荷側の運転時においては、前記固体ターゲット５の使用を停止して、プラズマの強度が小さいガスターゲットへのレーザ光照射を行っても良好な着火性を保持できるので、レーザ光０２の照射の繰り返しに対する固体ターゲット５の照射面劣化を抑制できて、該固体ターゲット５の寿命を延長できる。
【００２９】
またかかる第１実施例において、次のように、燃焼室１３周りの温度によって、第１の照射タイミングθ１による固体ターゲット５に照射と、第２の照射タイミングθ２によるガスターゲットへの照射とを切り換えることができる。
即ち、前記固体ターゲット５への照射範囲と前記ガスターゲットへの照射範囲とを、燃焼室１３周りの温度で設定する。この場合は前記コントローラ３に、固体ターゲット５への照射範囲及び前記ガスターゲットへの照射範囲と燃焼室１３周りの温度との関係を、燃焼室１３周りの温度が一定温度よりも低温側では固体ターゲット５への照射範囲、前記一定温度よりも高温側ではガスターゲットへの照射範囲に設定しておく。
そして、シリンダヘッド１２に温度計を設置し、燃焼室１３面の温度を検出して前記コントローラ３に入力し、該コントローラ３において、前記温度検出値が前記一定温度よりも低い場合には第１の照射タイミングθ１でレーザ光０２を発振せしめて固体ターゲット５に照射し、前記温度検出値が前記一定温度を超える場合には前記第２の照射タイミングθ２で燃焼室１３内のガスターゲットに照射せしめる。尚、多気筒エンジンの場合、必ずしも温度計は各気筒毎に備える必要はない。１箇所の測定を全体の代表に代えてもよいし、端部と中央部の気筒にのみ温度計を備える構成としてもよい。
このように構成すれば、前記エンジン負荷によって前記第１の照射タイミングθ１による固体ターゲット５に照射と、第２の照射タイミングθ２によるガスターゲットへの照射とを切り換える手段と、燃焼室１３周りの温度によって、第１の照射タイミングθ１による固体ターゲット５に照射と、第２の照射タイミングθ２によるガスターゲットへの照射とを切り換える手段とを組み合わせることにより、エンジン負荷が前記一定負荷以上での前記第２の照射タイミングθ２によるガスターゲットへの照時に、燃焼室１３内温度が低めのシリンダが発生した場合に、前記のような燃焼室１３周りの温度制御によって、当該シリンダのみ前記第１の照射タイミングθ１による固体ターゲット５への照射を行い、安定した着火燃焼を保持できる。
また、前述の負荷による切り換えでは、負荷の変動が着火条件である燃焼室の温度に影響するのに時間差があり、また多気筒エンジンの場合気筒間で燃焼室温度に差が生じるので、温度による切り替えを補助的に組み合わせる構成としてもよい。
【実施例２】
【００３０】
図３は、本発明の第２実施例に係る集光レンズ取付部近傍の構造を含むレーザ伝送システムの構成図で、（Ａ）はガスターゲット使用時、（Ｂ）は固体ターゲット使用時を示す。
図３（Ａ）、（Ｂ）において、７は前記シリンダヘッド１２の集光レンズ取付孔１２ａ内に図の矢印のように往復摺動可能に嵌合されたレンズ支持部材で、該レンズ支持部材７には前記集光レンズ６が支持されている。
８は前記レンズ支持部材７を介して前記集光レンズ６を往復駆動する支持部材駆動装置で、該支持部材駆動装置８は前記コントローラ３からの制御操作信号によって駆動されるようになっている。
【００３１】
かかる第２実施例において、前記第１実施例と同様な、エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時では、前記コントローラ３は、前記支持部材駆動装置８を駆動操作して、前記集光レンズ６を透過したレーザ光０２が前記固体ターゲット５に照射可能な位置に移動させる。
かかる操作により、図３（Ｂ）のように、前記集光レンズ６はその焦点が前記固体ターゲット５上になる位置に移動せしめられ、前記集光レンズ６を透過したレーザ光０２は前記固体ターゲット５に照射される。かかる固体ターゲット５へのレーザ光０２の照射によってプラズマの強度が大きくなり、着火性が改善される。
一方、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には、前記コントローラ３は、前記支持部材駆動装置８を駆動操作して、前記集光レンズ６を透過したレーザ光０２の焦点０２ａが、燃焼室１３内のガスつまりガスターゲット中になるように、該支持部材駆動装置８を前記固体ターゲット５への照射位置から上方に引き上げる。
この操作により、図３（Ａ）のように、前記集光レンズ６はその焦点０２ａが前記固体ターゲット５から外れてガスターゲット中になる位置に移動せしめられ、前記集光レンズ６を透過したレーザ光０２は前記ガスターゲット中に照射される。
かかる高負荷側の運転時には、前記のように、前記燃焼室１３周りの温度が高温状態を保持しているため、該燃焼室１３内のガスが着火し易い状態にあるので、前記のようなガスターゲットへのレーザ光照射であっても良好な着火性を保持できる。
その他の構成は、図１に示される第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【実施例３】
【００３２】
図４は本発明の第３実施例を示す図３対応図で、ガスターゲット使用時を示す。
かかる第３実施例においては、前記シリンダヘッド１２に形成された集光レンズ取付孔１２ａ内におけるレーザ光の光路の、前記集光レンズ６の上流側に該集光レンズ６と直列に、レンズ支持部材２０に支持された第２集光レンズ２２を設けている。
該第２集光レンズ２２は、コントローラ３により制御操作される支持部材駆動装置２１によって、前記レンズ支持部材２０を往復動せしめられることにより、前記レーザ光０２の光路内に、図の矢印方向に出没するようになっている。
【００３３】
かかる第３実施例において、前記一定負荷を超える高負荷側の運転時には、前記コントローラ３は、前記支持部材駆動装置２１を駆動操作して、レンズ支持部材２０及び該レンズ支持部材２０に支持された第２集光レンズ２２を、前記集光レンズ取付孔１２ａ内におけるレーザ光の光路に挿入し集光レンズの焦点距離を短くして、レーザ光の焦点０２が燃焼室１３内のガスつまりガスターゲット中になるように制御する。
この操作により、図４のように、前記集光レンズの焦点０２ａが前記固体ターゲット５から外れてガスターゲット中になり、前記集光レンズ６及び第２集光レンズ２２を透過したレーザ光０２は前記ガスターゲット中に照射される。
かかる高負荷側の運転時には、前記のように、前記燃焼室１３周りの温度が高温状態を保持しているため、該燃焼室１３内のガスが着火し易い状態にあるので、前記のようなガスターゲットへのレーザ光照射であっても良好な着火性を保持できる。
【００３４】
一方、エンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時では、前記コントローラ３は、前記支持部材駆動装置２１を駆動操作して、レンズ支持部材２０及び該レンズ支持部材２０に支持された第２集光レンズ２２を、前記集光レンズ取付孔１２ａ内から引き出し，該集光レンズ取付孔１２ａ内には集光レンズ６のみの設置にする。
これにより、前記集光レンズ６の焦点０２ａの位置が下方に延びて、固体ターゲット５（図３参照）上にレーザ光０２が照射される。かかる固体ターゲット５へのレーザ光０２の照射によってプラズマの強度が大きくなり、着火性が改善される。
【００３５】
従ってかかる第３実施例によれば、コントローラ３の制御により第２集光レンズ２２をシリンダヘッド１２内の前記レーザ光の光路に出没させ、着火性の悪いガス状態にあるエンジンの起動時及び一定負荷以下の低負荷運転時においては、該第２集光レンズ２２を前記光路から抜き出して集光レンズの焦点距離を長くしレーザ光を固体ターゲット５に照射することにより良好な着火性を保持でき、プラズマの強度が小さくても着火性の良好なガス状態にあるエンジンの高負荷側の運転時においては、前記第２集光レンズ２２を前記光路に挿入して、集光レンズの焦点距離を短くして前記固体ターゲット５の使用を停止するとともにレーザ光０２をガスターゲット中に照射することにより、良好な着火性を保持しつつ固体ターゲット５の寿命を延長できる。
【００３６】
また、かかる第２実施例及び第３実施例においても、前記第１実施例と同様に、前記固体ターゲット５への照射範囲と前記ガスターゲットへの照射範囲とを、燃焼室１３周りの温度で設定し、前記コントローラ３に、固体ターゲット５への照射範囲及び前記ガスターゲットへの照射範囲と燃焼室１３周りの温度との関係を、燃焼室１３周りの温度が一定温度よりも低温側では固体ターゲット５への照射範囲、前記一定温度よりも高温側ではガスターゲットへの照射範囲に設定しておく。そして、シリンダヘッド１２の燃焼室１３面の温度を検出して前記コントローラ３に入力する。
【００３７】
第２実施例の場合には、前記温度検出値が前記一定温度よりも低い場合には、前記支持部材駆動装置８を駆動操作して、前記集光レンズ６を、該集光レンズ６を透過したレーザ光０２が前記固体ターゲット５に照射可能な位置に移動させ、前記温度検出値が前記一定温度を超える場合には、前記集光レンズ６を上方に引き上げて、該集光レンズ６を透過したレーザ光０２を前記ガスターゲット中に照射せしめる。
【００３８】
第３実施例の場合には、前記温度検出値が前記一定温度よりも低い場合には、前記支持部材駆動装置２１を駆動操作して、レンズ支持部材２０及び該レンズ支持部材２０に支持された第２集光レンズ２２を、前記集光レンズ取付孔１２ａ内から引き出し，該集光レンズ取付孔１２ａ内には集光レンズ６のみの設置にし、レンズ６の焦点０２ａの位置を下方に延ばして固体ターゲット５（図３参照）上にレーザ光０２を照射せしめる。
前記温度検出値が前記一定温度を超える場合には、第２集光レンズ２２を、前記集光レンズ取付孔１２ａ内におけるレーザ光の光路に挿入し集光レンズの焦点距離を短くして、レーザ光の焦点０２が燃焼室１３内のガスつまりガスターゲット中になるように制御する。
この操作により、図４のように、前記集光レンズの焦点０２ａが前記固体ターゲット５から外れてガスターゲット中になり、前記集光レンズ６及び第２集光レンズ２２を透過したレーザ光０２は前記ガスターゲット中に照射される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、エンジンの起動時及び低負荷運転時から高負荷運転時の全運転域においてレーザ光の照射による良好な着火性能を保持しつつ、ターゲットの寿命を延長可能としたレーザ着火式エンジンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例に係るレーザ着火式ガスエンジンの要部断面を含む全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係るレーザ着火式ガスエンジンにおけるレーザ光照射タイミング線図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る集光レンズ取付部近傍の構造を含むレーザ伝送システムの構成図で、（Ａ）はガスターゲット使用時、（Ｂ）は固体ターゲット使用時を示す。
【図４】本発明の第３実施例を示す図３対応図で、ガスターゲット使用時を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１    レーザ発振装置
２    レーザ制御装置
０２    レーザ光
０２ａ    焦点
３    コントローラ
５    ターゲット
６    集光レンズ
７    レンズ支持部材
８、２１    支持部材駆動装置
１０    ピストン
１２    シリンダヘッド
１３    燃焼室
２２    第２集光レンズ
５０    光ファイバー
５１    回転数検出器
５２    負荷検出器
５３    クランク角検出器
【図１】
2006220091.tif 000003
【図２】
2006220091.tif 000004
【図３】
2006220091.tif 000005
【図４】
2006220091.tif 000006