(57)【要約】      （修正有）【課題】有害物質排出の少ない運転を可能とする高効率の内燃機関を得る。【解決手段】シリンダ内の燃料・空気−混合気がピストンによって圧縮される少なくとも１本のシリンダを有した内燃機関において、燃焼室内の燃料・空気−混合気の温度が燃料・空気−混合気の自然着火温度の少なくともおよそ８０％以上から最高にておよそ９８％までに引き上げられ、燃焼点火は燃焼室内へのレーザ光の入射によって時間的に制御されて行われる内燃機関。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内の燃料・空気−混合気がピストンによって圧縮される少なくとも１本のシリンダを有した内燃機関において、燃焼室（２５）内の燃料・空気−混合気の温度は燃料・空気−混合気の自然着火温度の少なくとも８０％以上から最高にて９８％までに引き上げられ、燃焼点火は燃焼室（２５）内へのレーザ光（２３）の入射によって時間的に制御されて行われることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１において、
燃焼室（２５）内の燃料・空気−混合気の温度は燃料・空気−混合気の自然着火温度の少なくとも８５％以上、好ましくは８７％以上に引き上げられることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２において、
燃焼室（２５）内の燃料・空気−混合気の温度は最高にて燃料・空気−混合気の自然着火温度の９５％まで、好ましくは最高にて９３％までに引き上げられることを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項において、
混合気形成は燃焼室（２５）の外部で行われることを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか１項において、
混合気形成は燃焼室（２５）内で、好ましくは吸気行程の間に行われることを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項において、
燃料・空気−混合気は燃焼室（２５）内において──好ましくは少なくとも区域的に──均質であることを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
請求項６において、
空燃比λは燃焼室（２５）の全体においてほぼコンスタントであることを特徴とする内燃機関。
【請求項８】
請求項６において、
点火箇所周辺区域の空燃比λは燃焼室（２５）内のその他の区域におけるよりも小さいことを特徴とする内燃機関。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項において、
空燃比λは１．５以上──好ましくは１．８以上──であることを特徴とする内燃機関。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項において、
幾何的圧縮比εは１４以上──好ましくは１６以上──であることを特徴とする内燃機関。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項において、
少なくとも１つのレーザ光源（１０）と、少なくとも１つの光伝送装置（１１）と、レーザ光（２３）を燃焼室（２５）内の少なくとも１つの焦点（２６）に集束させるための少なくとも１つの入射光学系（１２）とを有することを特徴とする内燃機関。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項において、
各々のシリンダ（２７）は吸排気弁（２０，２１）を備えた、プレチャンバなしの主燃焼室（２５）を有し、レーザ光（２３）の少なくとも１つの焦点（２６）が主燃焼室（２５）内に存在することを特徴とする内燃機関。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか１項において、
定置式エンジンであることを特徴とする内燃機関。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項において、
レーザ光源（１０）は好ましくはダイオードレーザポンプ固体レーザであり、該固体レーザは好ましくはＹｂレーザおよび／またはＮｄレーザ──好ましくはＧ４＋可飽和吸収体を用いたＮｄレーザ──および／またはＮｄ／ＹＡＧレーザであることを特徴とする内燃機関。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項において、
レーザ光源（１０）は少なくとも１つのレーザダイオードから成り、該レーザ光（２３）は──好ましくはフレキシブルな──光ファイバ（１１）と入射光学系（２４）とを経て燃焼室（２５）内に達することを特徴とする内燃機関。
【請求項１６】
請求項１から１５までのいずれか１項において、
レーザ光源（１０）は能動または受動Ｑスイッチレーザから成ることを特徴とする内燃機関。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか１項において、
レーザ光（２３）の波長は４００ｎｍ以上、好ましくは１０００ｎｍ以上であることを特徴とする内燃機関。
【請求項１８】
請求項１から１７までのいずれか１項において、
１レーザ光パルスの持続時間は１ｎｓ〜１００ｎｓの間、好ましくは５ｎｓ〜５０ｎｓの間にあることを特徴とする内燃機関。
【請求項１９】
請求項１から１８までのいずれか１項において、
光伝送装置（１１）はフレキシブルな光ファイバから成ることを特徴とする内燃機関。
【請求項２０】
請求項１から１９までのいずれか１項において、
各々のシリンダ（２７）用に２つまたはそれ以上のレーザ光源（１０）が設けられていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２１】
請求項１から２０までのいずれか１項において、
入射光学系（２４）は１つの──好ましくはサファイアから成る──燃焼室窓（２２）と、燃焼室（２５）外に、燃焼室窓（２２）を通して燃焼室（２５）内にレーザ光（２３）を集束させるための１つのレンズまたはレンズシステムとを有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２２】
請求項１から２１までのいずれか１項において、
入射光学系（２４）の燃焼室窓（２２）自体がレンズとして形成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２３】
請求項１から２２までのいずれか１項において、
電子式エンジン制御ないし調整装置（１３）が設けられ、該装置は検知されたエンジンパラメータ──好ましくはクランクシャフト角度（α）および／または回転数（ｎ）および／またはエンジン出力（Ｎ）および／または燃焼室（２５）内の実際のシリンダ圧力（Ｐｚ）──に応じてレーザ光源（単数もしくは複数）（１０）を制御し、その際、レーザ光パラメータたとえば時間的順序および／またはパルス持続時間および／または点火エネルギーを決定することを特徴とする内燃機関。
【請求項２４】
請求項１から２３までのいずれか１項において、
電子式エンジン制御ないし調整装置（１３）が設けられ、該装置は第一のレーザ光パルスの後の実際のシリンダ内圧力（Ｐｚ）に応じてシリンダ（２７）の同一のサイクル中の第二および／または場合により爾後のレーザ光パルスの点火エネルギーを制御ないし調整することを特徴とする内燃機関。
【請求項２５】
請求項１から２４までのいずれか１項において、
燃料・空気−混合気はシリンダ（２７）のサイクルごとに時間的に連続した少なくとも２つのレーザ光パルスによって点火されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２６】
請求項１から２５までのいずれか１項において、
電子式エンジン制御ないし調整装置（１３）が設けられ、該装置はサイクル開始時に、検知されたエンジンパラメータ──好ましくは先行サイクルのシリンダ内圧力（Ｐｉ）──好ましくはもっぱら直前のサイクルのシリンダ内圧力（Ｐｉ）──に応じて空燃比λを決定することを特徴とする内燃機関。
【請求項２７】
請求項１から２６までのいずれか１項において、
幾何的圧縮比εは──好ましくは副ピストン（２８）、好ましくは油圧制御される副ピストン（２８）によって──変化させられることを特徴とする内燃機関。
【請求項２８】
請求項１から２７までのいずれか１項において、
幾何的圧縮比εはクランクシャフトの傾斜化によって変化させられることを特徴とする内燃機関。
【請求項２９】
請求項１から２８までのいずれか１項において、
幾何的圧縮比εはピストンピン中心とピストン（１９）の上端との間隔を──好ましくは圧力に相関して──可変化することによって変化させられることを特徴とする内燃機関。
【請求項３０】
請求項１から２９までのいずれか１項において、
所定の数のサイクル終了後および／または内燃機関の始動時に、燃料・空気−混合気で満たされていない燃焼室（２５）内にレーザ光パルスが入射されることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリンダ内の燃料・空気−混合気がピストンによって圧縮される少なくとも１本のシリンダを有した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車および電気エネルギーの発生にこの種の内燃機関の使用が不断に増大しつつある一方で、エンジン燃料製造の基礎となる化石燃料の制約と有害な排気ガスエミッションを制限する新たな国家的立法とにより、この種のエンジンのための高効率で有害物質排出の少ない新たな燃焼方式の追求が推進されてきた。
【０００３】
ここで一例としてＨＣＣＩ方式（ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ｃｈａｒｇｅ  ｉｇｎｉｔｉｏｎ［均質給気圧縮着火］）を挙げることができるが、同方式では、極端に希薄で均質な燃料・空気−混合気の燃焼が圧縮行程中の温度上昇によってピストン上死点近傍で開始される。こうしたＨＣＣＩ方式では、たとえばガソリンエンジンに依拠して均質な燃料・空気−混合気が使用され、これによって燃焼プロセス中の粒子発生（スス）が最小限に抑止される一方で、ディーゼルエンジンに依拠して燃料・空気−混合気の自然着火が行われ、これによって高い熱力学的効率が得られるため、従来の燃焼方式の特徴がきわめて好適な方法で互いに組み合わされている。希薄な燃料・空気−混合気の使用により、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を極端に低くした燃焼が可能である。
【０００４】
燃焼室内での燃料・空気−混合気の自然着火はほとんどの場合に種々の対策の組合せ、たとえば高い幾何的圧縮比εと適切な対策（空気予熱または排気再循環）によるシリンダ給気の予熱とによって達成される。この燃焼方式では燃料・空気−混合気は多かれ少なかれ全シリンダスペース（体積全体）にわたって同時に着火することから、燃焼は極端に急速に行われる。さらに、ガソリンエンジンの場合とは異なって、火炎伝播は不必要であることから、この種のＨＣＣＩエンジンは高い空燃比λで運転することが可能である。
【０００５】
前記の従来の技術の問題点は実際に生ずる着火時点であり、この着火時点はピストンがその上死点に達する時点とほぼ正確に一致していなければならない。ガソリンエンジンないしディーゼルエンジン（点火プラグによる点火ないし燃料噴射による着火）の場合とは異なり、ＨＣＣＩエンジンにあってはまさにこの着火時点の制御を外部から行うことができない。この問題がＨＣＣＩエンジンテクノロジーの広範な利用を妨げており、これによってその長所は未利用のままとなっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、有害物質排出の少ない運転を可能とする冒頭に述べた類の内燃機関を創作することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題は本発明により、燃焼室内の燃料・空気−混合気の温度が燃料・空気−混合気の自然着火温度の少なくともおよそ８０％以上から高くともおよそ９８％までに引き上げられ、燃焼点火が燃焼室内へのレーザ光の入射によって時間的に制御されて行われることによって達成される。燃料・空気−混合気の温度と自然着火温度との開きの調整はたとえば（空燃比λとセレクトされた燃料とに応じて）幾何的圧縮比ε、燃料・空気−混合気の公知の予熱対策および類似の、専門家によく知られた対策のセレクトによって行うことができる。
【０００８】
この点で技術的に好適なのは、一時的に外部点火される内燃機関において、ＨＣＣＩ方式の場合と同様に、点的にもたらされたレーザ光エネルギーによって衝撃波面が生じ、この衝撃波面が（燃焼室スペース全体における準瞬時燃焼の意味の）準体積燃焼を引き起こすことである。さらに、燃焼パラメータ（自然着火限度との間の開き、過剰空気、温度レベルなど）のセレクトによって燃焼速度に直接影響を及ぼすことができるのが好適である。これにより、急速すぎる不適な燃焼を防止し、常に制御された形で燃焼プロセスを進行させることができる。
【０００９】
点火に必要なレーザエネルギーは自然着火温度との開きを減少させることによって低減させることができる。本発明の好適な実施形態において、たとえば、燃焼室内の燃料・空気−混合気の温度は燃料・空気−混合気の自然着火温度の少なくともおよそ８５％以上に引き上げることができるようになされている。またさらに、燃焼室内の燃料・空気−混合気の温度を最高にて燃料・空気−混合気の自然着火温度のおよそ９８％までに引き上げることができるようになされていてもよい。
【００１０】
本発明のさらに別な好適な実施形態において、空燃比λは１．５以上──好ましくは１．８以上──となされている。この種の極端に希薄な燃料・空気−混合気の使用によって有害物質排出（特に窒素酸化物ＮＯｘの排出）をさらに低下させることが可能である。さらにまた、燃料・空気−混合気が燃焼室内において少なくとも区域的に均質であるようになされていてもよい。これはたとえば空燃比λが燃焼室全体においてほぼコンスタントであることを意味し、あるいはまた点火箇所近傍区域の空燃比λが燃焼室内のその他の区域よりも小さく、したがって点火箇所近傍区域の混合気がその他の区域よりも濃いことを意味している。
【００１１】
燃料・空気−混合気──好ましくは均質な燃料・空気−混合気──の形成は本発明のさらに別な好適な実施形態において燃焼室の外部、たとえばプレチャンバで行うことができ、もしくは本発明のさらに別な好適な実施形態において燃焼室内で、好ましくは吸気行程の間に行うことができる。
【００１２】
特に高い熱力学的効率は幾何的圧縮比εが１４以上──好ましくは１６以上──の場合に生ずる。
【００１３】
本発明のさらに別な好適な実施形態において、内燃機関は少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つの光伝送装置と、レーザ光を燃焼室内の少なくとも１つの焦点に集束させるための少なくとも１つの入射光学系とを有している。内燃機関全体のための単一のレーザ光源とレーザ光伝送装置との使用により、レーザ光源を内燃機関の適切なポジションに、振動と汚れとを防止して、設置することができる。燃焼室内にレーザ光を集束させるためにホログラフィック光学素子を使用することにより、単一のレーザビームでも多数の焦点を燃焼室内につくりだすことが可能である。
【００１４】
本発明のさらに別な好適な実施形態において、各々のシリンダは吸排気弁を備えた、プレチャンバなしの主燃焼室を有し、少なくとも１つのレーザ光焦点が主燃焼室内に存在するように構成されている。
【００１５】
本発明のさらに別な好適な実施形態において、レーザ光源は好ましくはダイオードレーザポンプ固体レーザであり、この場合、固体レーザとしてはＹｂレーザおよび／またはＮｄレーザ──好ましくはＧ４＋可飽和吸収体を用いたＮｄレーザ──および／またはＮｄ／ＹＡＧレーザが好適である。これらの比較的低コストのレーザの使用はすでに自然着火限度近傍にまで引き上げられた燃料・空気−混合気の点火エネルギーがおよそ１〜３０ｍＪにすぎないことによって可能となる。これにより、本発明のさらに別な好適な実施形態において、レーザダイオードを点火レーザパルス用のレーザ光源として直接使用することさえも可能である。
【００１６】
エネルギー密度の高い超短レーザパルスの発生は本発明のさらに別な好適な実施形態において能動または受動Ｑスイッチレーザの使用によって達成される。
【００１７】
本発明のさらに別な好適な実施形態において、電子式エンジン制御ないし調整装置が設けられ、該装置は検知されたエンジンパラーメータ──好ましくはクランクシャフト角度（α）および／または回転数（ｎ）および／またはエンジン出力（Ｎ）および／または燃焼室における実際のシリンダ内圧力（Ｐｚ）──に応じてレーザ光源（ｎ）（単数もしくは複数）を制御し、その際、レーザ光パラメータたとえば時間的順序および／またはパルス持続時間および／または点火エネルギーを決定する。これにより運転中の内燃機関の最適な調節ないし制御が可能となる。
【００１８】
また、燃料・空気−混合気の点火のためにサイクルごとに２つまたはそれ以上の点火パルスを使用するようにすることも可能であり、その場合、第一のレーザ光パルスの後の実際のシリンダ内圧力に応じて各々のシリンダの同一のサイクル中の第二および／または場合により爾後のレーザ光パルスの点火エネルギーを制御ないし調整する電子式エンジン制御ないし調整装置が設けられているのが好適である。すでに第一のレーザパルスが点火を結果したか否かはシリンダ内圧力カーブに基づいて容易に確認することができる。第一のレーザパルスによって点火が生じた場合には、第二および場合により爾後のレーザパルスはそれより低い標準レベルのままとすることができ、他方、第一のレーザパルスによって点火が行われず、それから生ずるシリンダ内圧力上昇が僅かな場合には、このサイクル時の点火を確実とするために、第二のレーザパルスの強度と、場合により、持続時間を増大させることができる。
【００１９】
本発明による内燃機関の運転が均質な燃料・空気−混合気の自然着火限度近傍で可能であることによって任意の燃料を使用することが可能である（多燃料機関）。たとえば、確実な点火が実現されるように、始動にあたり当初は利用可能な最高の点火エネルギーで点火プロセスを開始するようにすることができる。この場合、当初は希薄な燃料・空気−混合気で始動プロセスが開始され、点火が生じなかった場合に、次段のシリンダの混合気がエンジン始動が順調に行われるまでリッチ化されるのが好適である。こうして、爾後エンジン回転数が高まるにつれて、空燃比λを高め、点火エネルギーを徐々に低下させることができる。使用される燃料・空気−混合気の自然着火限度は周知の如くその温度と混合比λとに依存していることから、使用される燃料に応じてこれらの値を変化させることによって広い点火範囲で点火プロセスを開始することが可能である。
【００２０】
燃焼室窓に沈着した燃料残滓は高エネルギーのレーザ光パルスによって蒸発させることが可能である。ただしこれは燃焼室が燃料・空気−混合気で満たされていない（空の）場合に行われなければならないことはいうまでもない。この浄化プロセスは各サイクル時またはそれぞれ所定の数のサイクル終了後あるいはまた内燃機関の各始動プロセス時に行うことができる。
【００２１】
本方式を実施するため、サイクル開始時に、検知されたエンジンパラメータ──好ましくは、先行サイクルまたは直前のサイクルのシリンダ内圧力──に応じて空燃比λを決定する電子式エンジン制御ないし調整装置が設けられているのが好適である。
【００２２】
本発明のさらに別な好適な実施形態において、幾何的圧縮比εは──好ましくは副ピストン、好ましくは油圧制御される副ピストン──によって変化させることができるように構成されている。
【００２３】
この種の油圧制御式の副ピストンを使用する場合にはシリンダヘッド中央部の補助スペースが変化させられ、こうして圧縮比εが変化させられるのが合理的である。別途方法または補完的方法として前記の変化をクランクシャフトの傾斜化によるかまたはピストンピン中心とピストン上端との間隔を好ましくは圧力変化につれて可変化することによって行うことも可能である。
【００２４】
本発明による内燃機関は定置式エンジンまたは移動式エンジンとしての運転に等しく適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のその他の利点および詳細を以下に述べる図面の説明によって明らかとする。
【００２６】
図１は本発明による定置式実施形態の、６本の気筒２７を有した内燃機関を示したものである。燃料・空気−混合気は吸気路２を経てシリンダブロック１に供給され、排気路１８を経て排出される。混合器３内で、管４を経て供給された燃料が管５を経て供給された空気と混合される。燃料・空気−混合気はターボチャージャ・コンプレッサ６を経て圧縮され、燃料・空気−混合気の温度を変化させる熱制御要素７とスロットルバルブ８とを経てシリンダブロック１の詳細不図示の吸気弁前方のスペースに達する。排気管１８にはターボチャージャのタービンホイール９が配置されている。混合気形成は言うまでもなくシリンダヘッド内の吸気路で行うこともあるいはシリンダスペース内で直接吸気行程中に行う事もできよう。
【００２７】
さらに、１０で表されたレーザ光源と、各シリンダの入射光学系２４にレーザ光を誘導するフレキシブルな光ファイバ１１から成る光伝送装置が認められる。
【００２８】
レーザ光源１０は電子式エンジン制御装置１３によって制御され、該制御装置は概略的に図示した回転数測定装置１５、エンジン出力測定装置１６およびシリンダ内圧力測定装置１７からその時々の実際のエンジン運転状態に関する測定値を受信する。この場合、その時々のクランク角度値はαで、エンジン出力はＮで、回転数はｎで、その時々のシリンダ内圧力値はＰ１〜Ｐ６で表される。クランクシャフト角度信号αは特に各シリンダ２７に対するレーザ点火パルス時間を決定するために利用される。
【００２９】
無論、各々のシリンダ２７用に専用のレーザをレーザ光源１０に設けることも可能であろう。
【００３０】
図２は本発明による内燃機関のシリンダ２７の１実施例の縦断面を示したものである。図中には上死点位置にあるピストン１９が表されており、該ピストンはピストン窪み１９ａを有している。吸気弁２０と排気弁２１とは概略的にしか表されていない。この実施例において、レーザ光源１０から発するレーザ光２３はレンズ２４を通り、燃焼室窓２２を経て燃焼室２５内の単一の焦点２６に集束させられるようになされている。本図はいうまでもなく、特に幾何的圧縮比εに関しても、正確な縮尺によって表されているものではない。この点はその他のすべての図に関しても同様である。
【００３１】
図３は本発明による内燃機関のシリンダ２７のさらに別な実施例を示したものであり、該実施例において、レーザ光２３は２個の入射光学系２４と２つの燃焼室窓２２とを経て燃焼室２５内の２箇所の焦点２６に集束させられるように構成されている。光ファイバ１１を経て供給されるレーザ光２３は同一のレーザ光源ないし同一のレーザから発せられていてよい。ただしまた、別々のレーザを使用することも可能である。おなじくまた、これら２つのレーザ光パルスを時間的にずらして同一のサイクル中の点火もしくはその開始に使用することもできよう。
【００３２】
図４ａは本発明による内燃機関のシリンダ２７のさらに別な実施例を示したものであり、該実施例において、油圧作動される副ピストン２８は幾何的圧縮比εを変化させるために設けられている。副ピストン２８の運動を介して行われる調節スペース２９の調節により、調節スペース２９と連結した燃焼室２５の容積を縮小もしくは拡大させることが可能である。この実施例において、レーザ光２３の入射はシリンダ側壁に配置された不図示の燃焼室窓２２を通して行われる。図４ｂはピストン１９を取り除いた場合の図４ａに示したシリンダヘッドの平面図を示したものである。同図には、副ピストン２８ならびにそれぞれ２つの吸気弁と排気弁２０，２１が認められる。
【００３３】
図５は本発明による内燃機関のシリンダ２７のさらに別な実施例を示したものであり、該実施例では、燃焼室２５内に６箇所の焦点２６が設けられている。この場合、これら６箇所の焦点は入射光学系２４の詳細不図示のホログラフィック光学素子（たとえば回折格子）を経てつくり出すことができる。
【００３４】
図６は連続するサイクルの点火ないし開始のためのレーザ点火パルスの時間的順序を示したものであり、この場合、この実施例において点火プロセスごとに強度の異なる３つのレーザ光パルスが時間的に密に連続して設けられている。これにより、非常に希薄な燃料・空気−混合気の場合にも、確実な点火を達成することができる。さらに、この種の多重点火により、シリンダ内圧力に相関したレーザ光強度の実時間制御が可能である。たとえば、第一のレーザ光パルスが点火を結果しなかった場合に──これは測定されたシリンダ内圧力の上昇がフラットであることから判別することができる──第二のレーザ光パルスの強度が引き上げられるようにすることができる。図６にはこれがたとえば第三の点火パルスグループ（一番右端）で示されている。専門家には周知であることから、構成部品ないし処理法の記載・説明は行わなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による内燃機関の１実施例を示した図である。
【図２】本発明による内燃機関のシリンダの１実施例の縦断面図である。
【図３】本発明による内燃機関のシリンダのさらに別な実施例の縦断面図である。
【図４】本発明による内燃機関のシリンダのさらに別な実施例の縦断面図とシリンダヘッドの平面図である。
【図５】本発明による内燃機関のシリンダのさらに別な実施例の縦断面図である。
【図６】サイクル当たり３回の制御式点火が行われる際のレーザ光強度の時間的推移を示した図である。
【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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