(57)【要約】【課題】  レーザ発振器をレーザ点火装置に使用した場合に、その暖気時間を短縮する技術を提供することである。【解決手段】  暖気装置付きレーザ点火装置は、内燃機関の燃焼室１６内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ発振器３６を含むレーザ点火装置３５と、レーザ発振器の作動開始時レーザ発振器を加温する電気式暖気装置４０と、を備えている。暖気装置でレーザ発振器を暖め、発振可能となるまでの暖気時間を縮める。【選択図】図１
2006250090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室（１６）内の混合気にレーザ光を照射して点火するレーザ発振器（３６）を含むレーザ点火装置（３５）と、
前記レーザ発振器の作動開始時、該レーザ発振器を加温する電気式暖気装置（４０）と、
を備えたことを特徴とする暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項２】
前記内燃機関は車両のエンジンであり、前記暖気装置は前記レーザ発振器に巻かれ車載電源で駆動されるヒータコイルから成る請求項１に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項３】
車両のドアを開放を検知する検知手段（４８）の検知に基づき、制御装置（４６）が前記ヒータコイルの加温の開始を指令する請求項２に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項４】
点火コイル及び点火プラグ（６１）を含み、内燃機関の燃焼室（１６）内の混合気に火花で点火する火花点火装置（６０）と、
レーザ発振器（６６）を含み、前記燃焼室内の混合気にレーザ光で点火するレーザ点火装置（６５）と、
前記内燃機関の作動状態に応じて、前記火花点火装置又は前記レーザ点火装置を作動させる制御装置（７０）と、
前記レーザ発振器の作動開始時、該レーザ発振器を加温する暖気装置（７５；９１）と、
を備えたことを特徴とする暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記内燃機関の始動時は前記火花点火装置を選択し、該内燃機関の始動後は前記レーザ点火装置を選択する請求項４に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項６】
前気制御装置は、前記レーザ発振器の温度を検知する温度検知手段（６８；９７）での検知結果に基づき、前記火花点火装置から前記レーザ点火装置への切換えを指令する請求項５に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項７】
前記内燃機関は車両のエンジンであり、前記暖気装置は前記レーザ発振器を収容し、該レーザ発振器の回りを排ガスが流通する管部材（７５）から成る請求項６に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項８】
前記内燃機関は車両のエンジンであり、前記暖気装置は前記レーザ発振器を収容し、該レーザ発振器の回りを空調空気が流通する管部材（９１）から成る請求項６に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記管部材内の排ガス又は空調空気の流通量を調整する流量調整手段（７９）の開度を調整する指令を発する請求項８に記載の暖気装置付きレーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器を加温する暖気装置を備えた、暖気装置付きレーザ点火装置に関する。
【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】
一般に、レーザ発振器は始動（開始）後レーザ光を発振するまでに所定の暖気時間が必要であり、レーザ発振器の用途を問わず（点火用でもそれ以外でも）、暖気時間は極力短いことが望ましい。車両の点火装置に使用した場合この要求は特に厳しく、さもないとエンジンの始動が遅れる。
【０００５】
点火装置以外に使用されたレーザ発振器の暖気時間を短くする技術が開発されている。例えば特開２００２−３１９７２３号公報に開示された技術はレーザ加工機に使用するガスレーザに関し、暖気時間を自動化するために、計測手段でレーザ発振器の休止時間を計測している。しかし、計測手段の計測結果に基づく制御が複雑である。また、特開平９−２１６０７７号公報に開示された技術はレーザ加工に使用するガスレーザに関し、レーザの立上がりを促すべくアイドリングパルス発生回路を付加している。しかし、アイドリングパルス発生回路の制御が複雑になる。
【０００６】
これから分かるように、レーザ発振器の暖気時間の短縮に関する技術は点火装置以外の分野で使用されているにすぎず、点火装置に用いたレーザ発振器の暖気時間を短縮する技術は知られていない。また、レーザ加工などの分野で使用されている暖気時間を短縮する技術はその制御が複雑である。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、しかもレーザ発振器の暖気時間が効果的に短縮される暖気装置付き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】
【０００８】
（イ）本発明の発明者は、電気式加熱器又は加温媒体でレーザ発振器を直接加温することを着想して本発明を完成した。第１発明による暖気装置付きレーザ点火装置は、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発振器を含むレーザ点火装置と、レーザ発振器の作動開始時レーザ発振器を加温する電気式暖気装置と、を備えている。可燃混合気に点火するレーザ発振器が電気式暖気装置で加温されることが最大の特徴である。
【０００９】
第２発明による暖気装置付きレーザ点火装置は、請求項４に記載したように、点火コイル及び点火プラグを含み内燃機関の燃焼室内の混合気に火花で点火する火花点火装置と、レーザ発振器を含み燃焼室内の混合気にレーザ光で点火するレーザ点火装置と、内燃機関の作動状態に応じて火花点火装置又はレーザ点火装置を作動させる制御装置と、レーザ発振器の作動開始時レーザ発振器を加温する暖気装置と、を備えている。火花点火装置及びレーザ点火装置を併設し、内燃機関の運転状態に応じて、何れか一方を選択して使用することが最大の特徴である。
【００１０】
（ロ）以下、本発明の構成要素の種々の態様につき説明する。
【００１１】
ａ．内燃機関
第１発明及び第２発明の内燃機関は車両のエンジンが代表例であるが、必ずしも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、及び可燃混合気に点火する点火装置を含む。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。
【００１２】
ｂ．点火装置
本発明の点火装置には二つのタイプがある。第１発明（第１タイプ）の点火装置はレーザ点火装置のみから成り、第２発明（第２タイプ）の点火装置は火花点火装置及びレーザ点火装置から成り何れか一方が選択される。第１発明及び第２発明のレーザ点火装置は、固体レーザ、半導体レーザ、その両方の組合せの何れから成っても良い。レーザ発振器はシリンダヘッドの頂部に取り付けることが望ましいが、それ以外の場所に取り付けレーザ光を光ファイバで燃焼室に導いても良い。なお、第２発明の火花点火装置としては、点火コイルと点火プラグとを含み、シリンダカバーに取り付けられる汎用のものを使用できる。
【００１３】
ｃ．暖気装置、加温媒体
内燃機関が車両のエンジンの場合、暖気装置は車載電源で作動する電気式加熱器（ヒータコイル）から成り（ａタイプ）、ヒータコイルはレーザ発振器にらせん状に巻くことができる。暖気装置はまた、車両内を流通している比較的高温の加温媒体を利用でき（ｂタイプ）、加温媒体は排気管を流通する排ガス又は空調装置で生成される空調空気（特に暖気）である。暖気装置はレーザ発振器を収容し、その内部を加温冷媒が流れる管部材で構成される。例えば、排気管から分岐しその内部を高温の排ガスが流れる排ガス流通管、又は空調装置から延びその内部を高温の空調空気が流れる空調空気流通管である。
【００１４】
ｄ．制御装置、温度検知手段
第１発明のヒータコイルは制御装置によりエンジンの始動よりも先に、例えば車両のドアの開放に連動して発熱できる。二つの点火装置を含む第２発明では、内燃機関の作動状態に応じて、制御装置により何れか一方の点火装置を選択的に作動させる。具体的には、内燃機関の始動時は火花点火装置を作動させ、始動後はレーザ点火装置を作動させる。火花点火装置はイグニッションキーのオンで作動を開始し、火花点火装置からレーザ点火装置への切換時期は、例えば温度検知手段で検知しているレーザ発振器の温度が所定値に達したときとする。また、上記排ガス流通管及び空調空気流通管の途中に流量調整手段を設け、温度検知手段による検知結果に基づき、その開度を調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
第１発明にかかる暖気装置付きレーザ点火装置によれば、レーザ発振器はその始動時に電気式暖気装置により直接加温（暖気）されるので、短時間に発振可能状態になり、燃焼室内の可燃混合気に直ちに点火できる。レーザ発振器を直接加温するので暖気の効果が大きく、複雑な制御も不要である。
【００１６】
請求項２の暖気装置付きレーザ点火装置によれば、暖気装置は車載電源を使用でき、またヒータコイルをレーザ発振器に巻き付けているので加温効率が良い。請求項３の暖気装置付きレーザ点火装置によれば、ヒータコイルがドアの開き時からレーザ発振器を加温するので、イグニッションキーのオン時は直ちに発振できる。
【００１７】
第２発明にかかる暖気装置付きレーザ点火装置によれば、内燃機関の作動状態に応じて火花点火装置又はレーザ点火装置を使い分けることができ、可燃混合物への点火が確実になる。請求項５及び６の暖気装置付きレーザ点火装置によれば、内燃機関の始動時は火花点火装置を使用するので暖気は不要で、直ちに点火できる。始動後は暖気されたレーザ点火装置を使用するので、切換え後直ちに発火できる。
【００１８】
請求項７の暖気装置付きレーザ点火装置によれば、暖気装置は排ガスの温熱を利用するので加温が確実で、またエネルギの有効利用につながる。請求項８の暖気装置付きレーザ点火装置によれば、車両に装備されている空調装置を使用するので、特別な機器や装置の追加は不要である。請求項９の暖気装置付きレーザ点火装置によれば、検知温度に応じて排ガス又は空調空気の供給量を調整し、最適な加温の程度を選択できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、最良の形態による実施形態（暖気装置付きレーザ点火装置）を添付図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
（構成）
図１に、内燃機関が車両のエンジンで、暖気装置がヒータコイルから成る第１の実施形態を示す。エンジンはシリンダヘッド１０、ピストン１３、シリンダカバー１５、燃料噴射弁２６、レーザ点火装置３５及び暖気装置４０等を含む。このうち、シリンダヘッド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１３が摺動可能に滑合されている。シリンダヘッド１０の上端開口がシリンダカバー１５で覆われ、燃焼室１６を区画している。
【００２１】
シリンダヘッド１０の一側に吸気管２１が、他側に排気管５５がそれぞれ配置されている。吸気管２１は燃焼室１６に吸気（外気）を供給するもので、その入口にエアークリナ（不図示）を備え、出口が吸気孔１７に接続されている。吸気孔１７の近傍に吸気弁２３が配置され、開閉機構２４により所定時期に開閉される。吸気弁２３の近傍に燃料噴射弁２６が配置され、燃料パイプ２７を介して燃料タンク２９に接続されている。燃料タンク２８内の燃料が燃料ポンプ２９により燃料パイプ２７を通して燃料噴射弁２６に圧送される。
【００２２】
シリンダカバー１５の頂部にレーザ点火装置３５が配置され、その周辺に暖気装置４０が配置されている。これらの詳細は次述する。排気管５５は燃焼ガスを排出するもので、その入口が燃焼室１６の排気孔１８に接続されている。排気孔１８の近傍に配置された排気弁５７は開閉機構５８により所定時期に開閉される。
【００２３】
次に、上記レーザ点火装置３５及び暖気装置４０の詳細につき、図１、図２及び図３をもとに説明する。図２から分かるように、レーザ点火装置３５のレーザ発振器３６の外周面に暖気装置４０のヒータコイル４１がらせん状に巻かれ、その両端は車載バッテリ４３に接続され、途中にスイッチ４４が配置されている。レーザ発振器３６の近くに温度センサ３８が配置され、レーザ発振器３６の温度を検知している。
【００２４】
図３から分かるように、ドア（不図示）の開閉スイッチ４８の信号、及び温度センサ３８の検知結果がＥＣＵ４６に入力される。ＥＣＵ４６はドアの開放に連動してスイッチ４４をオンさせる。また、イグニッションキー（不図示）のオンに連動して、レーザ発振器３６を作動させる。
【００２５】
（作用）
次に、第１実施形態の作用を説明するが、本発明と直接関係ない作用の説明は割愛する。乗員が車両の乗り込むためにドアを開いたとき図３のスイッチ４８が検知し、ＥＣＵ４６からの指令でスイッチ４４がオンし、車載バッテリ４３からヒータコイル４１に電流が流れる。すると、ヒータコイル４１が発熱しレーザ発振器３６を加温する。温度センサ３８でレーザ発振器３６の温度を検知し、所定時間内に所定温度（例えば１８から２８℃）になるように電流値を制御する。
【００２６】
イグニッションキーがオンされると、吸気工程でピストン１３が下降し、外気を吸気管２１から燃焼室１６内に吸い込み、燃料噴射弁２６から燃料を噴射し燃焼室内１６の可燃混合気を生成する。圧縮工程でピストン１３が上昇し可燃混合気を圧縮し、上死点に達する直前にレーザ発振器３６で可燃混合気に点火する。
【００２７】
（効果）
第１実施形態によれば以下の効果が得られる。まず、レーザ発振部３６はその外周面に巻かれたヒータコイル４１により直接暖められるので加温効率が良く、しかも発熱時期や時間についての複雑な制御は不要である。また、ドアの開放時からヒータコイル４１に電流を流すので、レーザ発振器３６はイグニッションキーのオン時は発振可能状態になってオリ、直ちに可燃混合気に点火できる。更に、温度センサ３８の検知結果に応じてヒータコイル４１の電流値を最適値に選定できる。
【００２８】
＜第２実施形態＞
（構成）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では火花点火装置６０とレーザ点火装置６５とが並設され、レーザ点火装置６５は排ガスを加温媒体とするレーザ発振器６６を備えている。その他の構成は基本的に第１実施形態と同じである。以下、異なる構成を中心に説明する。シリンダカバー１５の頂部に火花点火装置６０の点火プラグ６１が縦方向に取り付けられ、その発火部が燃焼室１５に臨んでいる。
【００２９】
点火プラグ６１は点火コイル（不図示）に接続され、点火コイルで発生された高電圧により発火する。また、点火プラグ６１の近傍にレーザ発振器６６が斜め方向に取り付けられている。レーザ発振器６６の近くに温度センサ６８が配置され、検知結果がＥＣＵ７０に出力されている。レーザ発振器６６などは次述する分岐管７２内に収容されている。排気孔１８のすぐ下流で排気管５５の途中から分岐管７２が分岐し、シリンダカバー１５の頂部に向かって延びている。分岐管７２は分岐した第１部分７３、シリンダカバー１５に接続された第３部分７４、及び両者を結ぶ第２部分７２を含み、第１部分７３の分岐点に開閉弁７９が配置されその開度がＥＣＵ７０（制御装置）で制御される。
【００３０】
第３部分７４の拡大部７５が縦方向のチャンバ７６を区画し、このチャンバ７６に上記レーザ発振器６６及び温度センサ６８が収容されている。ＥＣＵ７０は温度センサ６８からの信号に基づき、火花点火装置６０又はレーザ点火装置６５を選択して作動させる。また、温度センサ６８からの温度情報は開閉弁７９の開度を調整するためにも使用される。
【００３１】
（作用効果）
第２実施形態において、エンジンの始動時はイグニッションキー８２のオンに基づきＥＣＵ７０が火花点火装置６０を選択する。すると、車載バッテリ（不図示、図２の４３参照）の電力が点火コイルで昇圧され、点火プラグ６１が発火して、燃焼室１６内の可燃混合気に点火する。このとき開閉弁７９は閉じておく。
【００３２】
エンジンの始動後はレーザ点火装置６５が選択される。火花点火装置６０からレーザ点火装置６５への切換え時期は温度センサ６８での検知温度により決め、所定温度に達した時点でＥＣＵ７０の指令で切り換える。ここで、この切換えに先立ってＥＣＵ７０からの指令で開閉弁７９を開く。すると、排気管５５を流れる排ガスの一部が分岐管７２に流入し、チャンバ７６内を流れるときレーザ発振器６６を加温する。こうして、予め排ガスで加温されたレーザ発振器６６は切換え時点から直ちにレーザ光を発振できる。
【００３３】
第２実施形態による効果は以下の通りである。エンジンの始動時は火花点火装置６０を使用し、始動後はレーザ点火装置６５を使用する、つまりエンジンの作動状態に応じて点火装置を使い分ける。エンジンの始動時に可燃混合気機に点火する点火プラグ６１に暖気は不要である。エンジンの始動後に使用するレーザ発振器６６は排ガスの温熱で加温されるので、暖気時間が短縮でき、切換え後直ちに発振できる。しかも、切換え時期は温度センサ６８からの温度情報に基づいて決めるので、制御が容易でかつ正確である。また、本発明によらなければ無駄に排出される排ガスの温熱を有効利用でき、エネルギの節約につながる。
【００３４】
＜変形例＞
図５に示す変形例は、加温媒体として空調空気を利用している点が、第２実施形態とは異なる。即ち、空調装置（エアコン）８５からシリンダカバー１５の頂部に延びた配管８７が空調装置８５から延びた第１部分８８と、シリンダカバー１５の頂部に取り付けられた第２部分９０とを含む。第２部分９０の拡大部９１が区画する縦方向のチャンバ９２内にレーザ発振器９５が配置され、その近くに温度センサ９７が配置されている。温度センサ９７の検知結果がＥＣＵ（制御装置）１００に出力され、ＥＣＵ１００が空調装置８５の作動を制御している。なお、火花点火装置６０の構成及び配置場所は第２実施形態と同じである。
【００３５】
この変形例において、ＥＣＵ１００が、エンジンの始動時は点火プラグ６１を選択し、始動後はレーザ発振器９５を選択することは第２実施形態と同じである。点火プラグ６１からレーザ発振器９５への切換えに先立って、ＥＣＵ１００からの指令で空調装置８５から配管８７を通してチャンバ９２に空調空気（特に暖気）を供給する。すると、チャンバ９２内を流れる暖気がレーザ発振器９５を加温する。こうして、予め加温されたレーザ発振器９５は切換え時点から直ちにレーザ光を発振できる。
【００３６】
この変形例によれば、レーザ発振器９５は空調装置８５で生成される空調空気の温熱で加温されるので、切換え後直ちに発振でき、暖気時間が短縮できる。空調空気は元々車両に装備されている空調装置８５が生成する空調空気を利用するので、特別な装置や機器の追加は不要であり、コストの上昇が抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態による暖気装置付きレーザ点火装置の全体説明図である。
【図２】図１の要部説明図である。
【図３】第１実施形態の作動説明図である。
【図４】第２実施形態による暖気装置付きレーザ点火装置の全体説明図である。
【図５】第３実施形態による暖気装置付きレーザ点火装置の全体説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１３：ピストン                      １５：シリンダヘッド
１６：燃焼室                        ２３：吸気弁
２６：燃焼噴射弁                    ３５：レーザ点火装置
３６：レーザ発振器                  ３８：温度センサ
４０：暖気装置                      ４１：ヒータコイル
４３：車載電源                      ４６：ＥＣＵ
４８：ドアスイッチ
【図１】
2006250090.tif 000003
【図２】
2006250090.tif 000004
【図３】
2006250090.tif 000005
【図４】
2006250090.tif 000006
【図５】
2006250090.tif 000007