(57)【要約】【課題】本発明は、エネルギー密度の低いレーザ光でもプラズマを発生させて、燃料と空気との混合ガスに点火できる点火装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のエンジンの点火装置（１）は、粒子を混合した混合液をエンジンの燃焼室内へ向けて供給する噴射弁（９）と、混合液を気化するヒータ（１０）と、燃焼室へ供給された混合気に含まれる粒子にレーザ光（２０）を照射するレーザ発振器（５）とを備えたことにより、エネルギー密度の低いレーザ光でプラズマを発生させ、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスに点火することができる。【選択図】図１
2008286023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射ターゲットとする粒子をエンジンの燃焼室内へ供給する粒子供給手段と、
当該粒子供給手段によって前記燃焼室内へ供給された粒子にレーザ光を照射するレーザ発振器と、
を備えたことを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記粒子は、前記レーザ光の波長に応じて粒径が決定されたことを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項３】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記粒子の粒径を１０ｎｍ乃至５０ｎｍとすることを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項４】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記レーザ光の波長を２５０ｎｍ乃至１１００ｎｍとし、
前記粒子の粒径を１０ｎｍ乃至５０ｎｍとすることを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項５】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記粒子は、金属粒子又は炭素粒子とすることを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項６】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記粒子供給手段は、前記粒子を混合した混合液を貯留するタンクと、
前記混合液を前記燃焼室内へ向けて供給する供給手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項７】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記粒子供給手段は、前記粒子を混合した混合液を貯留するタンクと、
前記混合液を前記燃焼室内へ向けて供給する供給手段と、
前記混合液を気化する混合液気化手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項８】
請求項１記載のエンジンの点火装置において、
前記レーザ発振器から照射されるレーザ光を集光させて前記粒子に照射する集光手段を備えたことを特徴とするエンジンの点火装置。
【請求項９】
請求項８記載のエンジンの点火装置において、
前記集光手段は、レーザ光を複数箇所に集光させることを特徴とするエンジンの点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射により燃焼室内の混合ガスに点火するエンジンの点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの燃焼室における燃料と空気との混合ガスの点火は、点火プラグ方式等によって行われている。さらに、これらの方式に代えて、燃焼室内のターゲットに、レーザ発振装置からレーザ光を照射してプラズマを発生させることにより、燃料と空気との混合ガスに点火して、この混合ガスを燃焼させるようなレーザ点火方式が知られている。このような点火方式を採用した点火装置は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１のエンジンは、燃焼室内のターゲットにレーザ光を照射するレーザ光集光装置と、燃焼室内に加圧水を噴射してレーザ光のターゲットとして水噴霧ターゲットを形成する水噴射装置とが設けられている。そして、このエンジンに備えられた点火装置は、レーザ光集光装置から水噴霧ターゲットにレーザ光を照射して発生させたプラズマにより燃焼室内の混合ガスに点火するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４２５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなエンジンの燃焼室における燃料と空気との混合ガスの点火は、強力なプラズマの発生が必要である。このプラズマは高エネルギー密度のレーザ光をターゲットに照射することで発生させることができる。例えば、空気をターゲットとしてレーザ光を照射して点火させる場合、レーザ出力は最低でも数１０ｍＪの出力を必要とし、さらに、レーザ光をターゲットとなる一点へ集束させることが必要である。また、ターゲットを加圧水として、この加圧水がエネルギーを取り込みやすい波長のレーザ光を照射した場合であっても、プラズマを発生させるためには高エネルギー密度のレーザ光が必要とされる。しかしながら、このような高エネルギー密度のレーザ光を照射するためにはレーザ装置を大型化せざるを得ず、エンジン内の搭載スペースの確保が困難である。さらに、このようなレーザ装置が高エネルギー密度のレーザ光を供給するためには多くの電力を必要とするため、レーザ装置の消費電力が増加し、燃費が悪化することが考えられる。
【０００６】
そこで、本発明は、エネルギー密度の低いレーザ光でもプラズマを発生させて、燃料と空気との混合ガスに点火できる点火装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決する本発明のエンジンの点火装置は、レーザ光の照射ターゲットとする粒子をエンジンの燃焼室内へ供給する粒子供給手段と、当該粒子供給手段によって前記燃焼室内へ供給された粒子にレーザ光を照射するレーザ発振器と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、レーザ光が照射された粒子は励起されて自由電子を放出し、プラズマを発生させることができる。このプラズマの発生により、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスに点火することができる。本発明の点火装置では、このように粒子をレーザ光のターゲットとすることで、低エネルギー密度のレーザ光であっても、粒子が励起されて自由電子を放出することができる。このように粒子から放出された自由電子は別の粒子を励起し、次々と自由電子を放出させるので、プラズマが発生し、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスに点火することができる。
【０００８】
ところで、物質はその大きさが小さくなると、ある大きさから原子の結合や作用に変化が生じ、性質が大きく変化する。特に、粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍ程度の微小粒子、いわゆる、ナノ粒子は活性度や反応性が極めて高い特性を有しており、低いエネルギー密度のレーザ光の照射であっても自由電子を放出させることができるため、本発明においてレーザ光の照射ターゲットとなる粒子として好適である。本発明のエンジンの点火装置に採用される粒子は、自由電子の放出という観点から、このようなナノ粒子の中でも、特に、その粒径を１０ｎｍ乃至５０ｎｍとすることが望ましい（請求項３）。また、このような粒子の自由電子の放出は、レーザ光の波長と粒子の粒径とに関与するので、粒子は、前記レーザ光の波長に応じて粒径を決定できる（請求項２）。このような粒子は、前記レーザ光の波長を２５０ｎｍ乃至１１００ｎｍとし、前記粒子の粒径を１０ｎｍ乃至５０ｎｍとすることができる（請求項４）。
【０００９】
また、このような粒子は、金属粒子又は炭素粒子とすることができる（請求項５）。このような粒子を採用することにより、粒子がレーザ光から励起された際に、多くの自由電子を放出することができ、プラズマの発生を促進することができる。金属粒子又は炭素粒子は、自由電子を多く持つ原子からなるため、このような原子からなる粒子は、容易に自由電子を放出することができる。このため、低エネルギー密度のレーザ光で自由電子を多量に放出することができ、プラズマを発生させることができる。このような金属粒子は、例えば、金、白金、銀等の自由電子を多く持つ元素から選択することができる。
【００１０】
このようなエンジンの点火装置において、前記粒子供給手段は、前記粒子を混合した混合液を貯留するタンクと、前記混合液を前記燃焼室内へ向けて供給する供給手段と、を備えた構成とすることができる（請求項６）。このような構成とすることにより、粒子を混合した混合液を燃焼室内へ供給することができる。これにより、粒子を燃焼室内へ供給することができ、レーザ光のターゲットとすることができる。なお、粒子を混合するベースとなる液体は、燃焼に極力影響を与えない液体、例えば、水、燃料等であればよい。
【００１１】
また、このようなエンジンの点火装置において、前記粒子供給手段は、前記粒子を混合した混合液を貯留するタンクと、前記混合液を前記燃焼室内へ向けて供給する供給手段と、前記混合液を気化する混合液気化手段と、を備えた構成とすることができる（請求項７）。このような構成とすることにより、粒子を混合した混合気を燃焼室内へ供給することができるとともに、粒子を拡散しやすくすることができる。
【００１２】
このようなエンジンの点火装置において、前記レーザ発振器から照射されるレーザ光を集光させて前記粒子に照射する集光手段を備えた構成とすることができる（請求項８）。このような構成とすることにより、レーザ光のエネルギーを集約し、自由電子を放出できる閾値を超えるエネルギー密度のレーザ光を粒子に照射することができるので、自由電子の放出を促し、プラズマの発生を促進することができる。
【００１３】
さらに、このようなエンジンの点火装置において、前記集光手段は、レーザ光を複数箇所に集光させる構成とすることができる（請求項９）。このような構成とすることにより、燃焼室内の点火位置を複数形成することができる。このように点火位置が増加すると、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスをより均一に燃焼させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のエンジンの点火装置は、粒子をエンジンの燃焼室内へ供給する粒子供給手段と、この粒子供給手段によって供給された粒子にレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えたことにより、エネルギー密度の低いレーザ光で、プラズマを発生させ、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスに点火することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の点火装置１を断面にして示した概略説明図である。点火装置１は、エンジンのシリンダヘッド（図示しない）に装着され、エンジンの燃焼室（図示しない）内に供給される燃料と空気との混合ガスに点火する装置である。すなわち、点火装置１は、ガソリンエンジン内に備えられるスパークプラグと同等の役割を担う装置である。
【００１７】
点火装置１は、貫通孔２ａが形成されたボディ２とレーザ装置３と集光レンズ４とを備えている。ボディ２は、シリンダヘッドに取付けられる外層部を有し、シリンダヘッドへの取付け時に、先端２ｂが燃焼室に露出するように配置される。
【００１８】
レーザ装置３は、ボディ２の基端２ｃ側に組みつけられている。レーザ装置３は、レーザ発振器５を備えており、レーザ発振器５から発振されるレーザ光２０は、ボディ２の貫通孔２ａを通過して、燃焼室へ向かうように構成されている。このレーザ発振器５は５３２ｎｍの波長のレーザ光２０を発振することができる。
【００１９】
集光レンズ４は凸型のレンズであって、本発明の集光手段に相当する。集光レンズ４は、貫通孔２ａを通過するレーザ光２０を集光させた集光部６を燃焼室内に形成するように、貫通孔２ａに配置されている。
【００２０】
さらに、点火装置１は、タンク７、ポンプ８、噴射弁９、ヒータ１０を備えている。これらは、本発明の粒子供給手段に相当する。
【００２１】
タンク７は、粒子を混合した混合液を貯留している。粒子は、粒径１０ｎｍ乃至５０ｎｍの金の粒子である。混合液はこの金の粒子を水に混合したものである。また、ポンプ８は、タンク７内の混合液を噴射弁９へ圧送する。
【００２２】
噴射弁９は、混合液を燃焼室へ向けて供給する本発明の供給手段に相当する。この噴射弁９は、ノズルボディ１１とニードルバルブ１２とソレノイドコイル１３と通路１４とを備えている。ノズルボディ１１は、ボディ２の基端側２ｃに組みつけられた筒状体であり、内部にポンプ８から圧送された混合液を流通させている。ニードルバルブ１２は、ノズルボディ１１の内部に配置された針状の弁体であり、噴射弁９の噴射停止時に、ノズルボディ１１の先端１１ａ側に着座して混合液の流通を遮断する。一方、噴射弁９の噴射実行時のニードルバルブ１２は、ノズルボディ１１の先端１１ａ側から離座して混合液を通路１４側へ流通させる。ソレノイドコイル１３は、通電により、ニードルバルブ１２をノズルボディ１１から離座させる。通路１４は、一端１４ａがノズルボディ１１の先端１１ａに接続され、他端１４ｂが集光レンズ４の集光部６へ向けて開口するように形成されている。この通路１４を通じて、粒子が混合された混合液が燃焼室へ供給される。
【００２３】
ヒータ１０は、本発明の混合液気化手段に相当する。ヒータ１０は通路１４の周囲に配置されており、通路１４を通じる混合液に熱を付与して、気化させる。
【００２４】
また、点火装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１５を備えている。ＥＣＵ１５は、レーザ装置３、噴射弁９のソレノイドコイル１３、ヒータ１０のそれぞれと電気的に接続されている。レーザ装置３、ソレノイドコイル１３、ヒータ１０は、ＥＣＵ１５からの指令信号に基づいて、動作する構成となっている。
【００２５】
このように構成された点火装置１は、粒子を混合した混合気を燃焼室内に噴射し、この混合気に向けてレーザ光２０を照射することにより、プラズマを発生させて燃料と空気との混合ガスに点火する。次に、この点火装置１の点火に至る動作について説明する。
【００２６】
ＥＣＵ１５は点火時期を判断すると、ソレノイドコイル１３へ通電させる。通電したソレノイドコイル１３は、ニードルバルブ１２をノズルボディ１１から離座させる。これにより、ノズルボディ１１内の混合液が通路１４へ流入する。通路１４へ流入した混合液は、予め暖機されているヒータ１０によって加熱され気化し、混合気となる。このように気化した混合気は、通路１４の端部１４ｂから、集光部６へ向けて噴射される。
【００２７】
一方、ＥＣＵ１５は点火時期を判断すると、レーザ装置３へレーザ光２０の発振信号を送る。この発振信号に基づいて、レーザ装置３内のレーザ発振器５から燃焼室へ向けてレーザ光２０が発振される。この発振されたレーザ光２０は、集光レンズ４によって集光部６へ集光され、通路１４から噴射された混合気へ照射される。
【００２８】
ＥＣＵ１５からソレノイドコイル１３へ送られる信号と、レーザ装置３へ送られる信号とは、レーザ光２０が混合気に照射されるように、タイミングを合わせて発信される。
【００２９】
このように、レーザ発振器５から発振されたレーザ光２０が混合気に混入された粒子に照射される。これによって、粒子はレーザ光２０からエネルギーを得て励起されて数１０００℃の高温になり、イオン化して自由電子を大量に放出して、強力なプラズマが発生する。このようにして発生したプラズマによって、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスが点火されて燃焼する。このように、点火装置１はナノオーダの粒子に向けてレーザ光を照射し、プラズマを発生させるレーザ光のエネルギー密度を、従来のレーザ点火方式におけるプラズマ発生のエネルギー密度と比較して低減することができる。このため、小型のレーザ装置３によって発振されるレーザ光２０で点火に必要なエネルギーを得ることができる。
【実施例２】
【００３０】
次に本発明の実施例２について図２を参照して説明する。図２は、本実施例の点火装置２１を断面にして示した概略説明図である。本実施例の点火装置２１は、実施例１の点火装置１とほぼ同様の構成をしている。但し、点火装置１では集光レンズ４が貫通孔２ａに配置されていたのに対して、点火装置２１ではプリズム２２と集光レンズ２４が貫通孔２ａに配置されている点で実施例１の点火装置１と実施例２の点火装置２１とは相違している。
【００３１】
プリズム２２は、レーザ発振器５から発振されたレーザ光２０を二つのレーザ光線２０ａ、２０ｂへ分離する。集光レンズ２４は、凸型のレンズであって、プリズム２２によって分離された光線を、それぞれ、集光部２６ａと集光部２６ｂへ集光させる。すなわち、プリズム２２と集光レンズ２４とは、レーザ光２０を複数箇所に集光させる本発明の集光手段に相当する。
【００３２】
実施例２の点火装置２１は、金の粒子を混合した混合気にレーザ光２０ａ、２０ｂを照射することにより、プラズマを発生させ、燃焼室内の燃料と空気との混合ガスに点火し、この混合ガスを燃焼する。このように、金の粒子にレーザ光２０ａ、２０ｂを照射することにより、プラズマを発生させるレーザ光のエネルギー密度は、従来のレーザ点火方式におけるプラズマ発生のエネルギー密度と比較して低減することができる。このように、点火できるレーザ光のエネルギー密度の閾値が低下するので、他の点火位置へエネルギーを分配することができる。これにより、点火位置を増加することができる。
【００３３】
なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【００３５】
例えば、本発明の点火装置が採用する粒子の粒径は、レーザ光の波長に応じて決定することができる。また、粒子は、他の金属原子や炭素原子等の自由電子を放出しやすい原子からなる粒子とすることができる。また、本発明の点火装置は粒子を混合した混合液にレーザ光を照射することができる。図３は、このような点火装置３１を断面にして示した概略説明図である。点火装置３１は、実施例１の点火装置１とほぼ同様の構成をしている。しかしながら、点火装置３１は、点火装置１で備えていたヒータ１０を備えていない点で実施例１の点火装置１と相違している。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
さらに、本発明の点火装置は、点火プラグを用いた点火式のエンジンに限らず、主燃焼室とは別に設けられた副室内で点火して燃焼させた燃焼火炎を主燃焼室へ噴射するエンジンや、圧縮して高温になった空気に燃料を噴射し、着火させるエンジンに装着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１の点火装置を断面にして示した概略説明図である。
【図２】実施例２の点火装置を断面にして示した概略説明図である。
【図３】本発明の他の点火装置を断面にして示した概略説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、２１、３１  点火装置
４、２４  集光レンズ
５  レーザ発振器
６  集光部
７  タンク
９  噴射弁
１０  ヒータ
２０  レーザ光
２２  プリズム
【図１】
2008286023.tif 000003
【図２】
2008286023.tif 000004
【図３】
2008286023.tif 000005