(57)【要約】【課題】  レーザ光照射によりプラズマを発生して燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火式エンジンの起動時着火不安定を解消しながらレーザ照射ターゲット部材の使用耐久性を確保すること。【解決手段】  レーザ着火式エンジンにおいて、エンジン起動時にレーザ光を照射する起動時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドを備えるとともに、通常運転時にレーザを照射する通常運転時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された通常運転時用レーザ光ガイドを備え、これら両ターゲット部材を照射するために起動時と通常運転時とでレーザ光路を変換するプリズム装置を設けたことを特徴とする。【選択図】    図２
2005240781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火式エンジンにおいて、エンジン起動時にレーザ光を照射する起動時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドとを備えるとともに、通常運転時にレーザを照射する通常運転時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された通常運転時用レーザ光ガイドとを備えたことを特徴とする二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項２】
前記起動時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が１５０μΩ・ｃｍ以上のチタン合金或はセラミック材とし、通常運転時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以上のステンレス鋼或は耐熱合金鋼とすることを特徴とする請求項１記載の二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項３】
レーザ発射装置と、該レーザ発射装置からのレーザ光の光路を変換できるプリズム装置と、該プリズム装置で光路を変換されたレーザ光と光路を変換されないレーザ光を夫々集光する集光レンズと、集光されたレーザ光を反射する鏡面を有しエンジンのカム軸に同期して回転される回転ミラー保持体と、該回転ミラー保持体の鏡面から反射されたレーザ光を前記起動時用レーザ光ガイド及び通常運転時用レーザ光ガイドに導く光ファイバーと、エンジン回転数を検出する回転センサと、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、前記回転センサとクランク角センサの検出信号を受けて前記レーザ発射装置のレーザ発射時期及び前記プリズム装置の光路切替えを制御するコントローラとを備えたことを特徴とする請求項１或は２記載の二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項４】
前記コントローラは前記回転センサからの信号によって起動時を判断し、前記プリズム装置は前記コントローラからの判断信号により前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路を切り替えることを特徴とする請求項３記載の二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項５】
前記回転ミラー保持体はエンジン気筒数と同数の鏡面を有し、各鏡面は各気筒へレーザ光を導く各光ファイバーの中心部にレーザ光が入光するように各光ファイバーの位置に応じて前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路方向に対する夫々の傾斜角が設定されていることを特徴とする請求項４記載の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エンジンに適用され、レーザ発射装置から発射されたレーザ光を燃焼室のターゲット部材に照射して発生するプラズマにより燃焼室の混合ガスを着火させるように構成されたレーザ着火式エンジンに関し、前記ターゲット部材の寿命の延長を図っ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、希薄混合ガスの着火を促進するため、通常、副室に装着した点火プラグによって該副室内の濃混合ガスを着火させ、その燃焼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、並びに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その燃焼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が多く用いられているが、近年、前記２つの着火方式よりも希薄混合気中における着火性能に優れた方式として、レーザ光を燃焼室のターゲット部材に照射してプラズマを発生させて燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
レーザ着火エンジンでは起動時の着火が最も不安定である。即ち、起動時には回転数が大幅に変化するので、シリンダ内への燃料供給のタイミングや供給量がサイクル毎に変化することになり、着火条件がサイクル毎に違ってくる。このように、起動時には筒内条件がサイクル毎に異なるのは避けられないことである。
このような条件下においてもある程度安定した着火が可能な雰囲気を作り出すことが求められる。レーザ着火式エンジンにおいて着火可能な雰囲気を形成する主要な因子の１つはパルスレーザ照射により生成するプラズマの強度を増大することである。プラズマの強度は照射するレーザのエネルギーが大きいほど増大する。従って一般には、強いエネルギーのレーザを照射することで起動時の着火安定性の確保が図られる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２１７５２１号公報
【特許文献２】特開平８−６８３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、起動時に強いレーザを照射するために大きな容量のレーザ装置を準備するのは、コストアップを齎すことになり、有利な方策ではない。ところで、ターゲット式レーザ着火エンジンに使用されるターゲット材としては、第一には高温に耐える性質を有すること、第二には電気抵抗が大きいこと（プラズマ強度が大きくなる）が求められる。
しかしながら、電気抵抗が大きく、且つ高温耐久性が大きいセラミック材の大半はレーザ照射による損耗が大きいという欠点があり、長時間の使用には耐えられない。これらのセラミック材はある時間までは大きな強度のプラズマを発生するが、その後レーザ照射による損耗が進むため急激にプラズマ強度が低下する。チタン合金もセラミック材ほどの急激なプラズマ強度の低下はないが、セラミック材と同様な傾向を示す。
【０００６】
本発明は、エンジンの全運転時間のうち起動時が占める時間は通常運転時が占める時間に比べて非常に少ない点に注目して、起動時にはレーザ照射頻度に対する寿命が短くてもプラズマ強度が大きくなるターゲット材を使用し、通常運転時にはレーザ照射頻度に対する寿命の大きいターゲット材を使用するように構成することにより、ターゲット部材の使用耐久性を確保しながら起動時の着火不安定を解消することができるレーザ着火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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火式エンジンにおいて、エンジン起動時にレーザ光を照射する起動時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドとを備えるとともに、通常運転時にレーザを照射する通常運転時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された通常運転時用レーザ光ガイドの両方を備えたことを特徴とする。
【０００８】
かかる発明によれば、エンジン起動時にはレーザ光照射により発生するプラズマの強度は大きいが、照射時間がある程度に達するとプラズマ強度が急激に低下するような材質のターゲット部材にレーザ光を照射することにより起動時の着火の安定性が確保され、起動時以外の通常運転時にはレーザ光照射により発生するプラズマの強度はそれほど大きくはないが照射時間に対するプラズマ強度の低下が少ない材質のターゲット部材にレーザ光を照射して着火することができる。
また、通常運転時間に対して起動運転時間は少ないので、起動用ターゲット部材のプラズマ光照射に対する有効寿命が短くても、全体として長時間の寿命を確保することができる。
【０００９】
前記起動時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が１５０μΩ・ｃｍ以上のチタン合金或はセラミック材とし、通常運転時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以上のステンレス鋼或は耐熱合金鋼とするのがよい。
【００１０】
また、前記起動時用ターゲット部材と通常運転時用ターゲット部材を燃焼室に配設した本発明のレーザ着火式エンジンは、レーザ発射装置と、該レーザ発射装置からのレーザ光の光路を変換できるプリズム装置と、該プリズム装置で光路を変換されたレーザ光と光路を変換されないレーザ光を夫々集光する集光レンズと、集光されたレーザ光を反射する鏡面を有しエンジンのカム軸に同期して回転される回転ミラー保持体と、該回転ミラー保持体の鏡面から反射されたレーザ光を前記起動時用レーザ光ガイド及び通常運転時用レーザ光ガイドに導く光ファイバーと、エンジン回転数を検出する回転センサと、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、前記回転センサとクランク角センサの検出信号を受けて前記レーザ発射装置のレーザ発射時期及び前記プリズム装置の光路切替えを制御するコントローラとを備えた構成とされる。
【００１１】
そして、前記コントローラは前記回転センサからの信号によって起動時を判断し、前記プリズム装置は前記コントローラからの判断信号により前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路を切り替えるように構成され、前記回転ミラー保持体はエンジン気筒数と同数の鏡面を有し、各鏡面は各気筒へレーザ光を導く各光ファイバーの中心部にレーザ光が入光するように各光ファイバーの位置に応じて前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路方向に対する夫々の傾斜角が設定された構成とされる。
【００１２】
このように構成することにより、例えば通常運転時には前記プリズム装置でレーザ光の光路を変換することなく、シリンダヘッドに装着された通常運転用レーザ光ガイドに導いて燃焼室の通常運転用ターゲット部材に照射し、起動時には前記プリズム装置によりレーザ光の光路を変えて同じくシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドに導いて燃焼室の起動時用ターゲット部材に照射することができる。
前記プリズム装置は、エンジンの回転数により起動時か通常運転時かが前記コントローラにより判断されて該コントローラから発信される信号によりレーザ光の光路を変換するか或は変換しないかの位置に切り替えられる。前記コントローラはクランク角検出信号に応じてレーザ光の発射時期を、即ち点火時期を制御する。勿論、前記コントローラにエンジン負荷の検出信号を入力して、エンジン回転数と負荷に応じて着火時期が制御されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エンジン起動時にはレーザ光照射により発生するプラズマの強度は大きいが照射時間がある程度に達するとプラズマ強度が急激に低下するような材質のターゲット部材にレーザ光を照射することにより起動時の着火の安定性が確保され、通常運転時には前記プラズマの強度はそれほど大きくはないが照射時間に対するプラズマ強度の低下が少ない材質のターゲット部材にレーザ光を照射して着火することができることとなり、ターゲット部材の使用寿命を損なうことなく起動時の着火不安定を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。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、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の実施例に係るエンジンの燃焼室周りの構成を示し、図２はエンジンの全体構成を示す。図３はレーザ光を各シリンダヘッドに装着されたレーザガイドに導くための回転ミラー保持体の鏡面によりレーザ光が反射される状況を説明する図である。
【００１６】
図１において、１はエンジンのシリンダヘッド、２はシリンダ、３はピストンである。４は吸気弁、５は排気弁である。シリンダ内にはピストン３の上昇により燃焼室６が形成される。前記シリンダヘッド１には通常運転時用のレーザ光ガイド７と起動時用レーザ光ガイド８が装着されている。
前記両レーザ光ガイド７、８は同じ構成であり、光ファイバー７ａ、８ａ  で導かれてきたレーザ光が集光ガラス７ｂ、８ｂを通って前記ピストン３の表面に配設されたターゲット部材９、１０に夫々照射されように前記シリンダヘッド３に装着されている。前記ターゲット部材９、１０のうち、片方、例えば９は通常運転時用のターゲット部材であり、１０は起動時用のターゲット部材である。
前記起動時用ターゲット部材１０は電気抵抗が１５０μΩ・ｃｍ以上のチタン合金或はセラミック材で製作されており、前記通常運転時用ターゲット部材９は電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以上のステンレス鋼或は耐熱合金鋼で製作されている。
【００１７】
本発明のエンジンの全体構成を示す図２（Ａ）において、４気筒エンジンを例にとって説明すると、１００は４気筒列型エンジン、１１ａ〜ｄはシリンダヘッド、１２はカム軸である。カム軸１２の端部には回転センサ１３と爆発上死点位置を検出するクランク角センサ１４が配設されている。これらのセンサはクランク軸端部に設けてもよい。４サイクルエンジンの場合はカム軸回転数はクランク軸回転数の１／２となる。１５は回転ミラー保持体で各気筒に対応する鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４が設けられ、エンジンのカム軸と同期して回転される。
１６はパルスレーザ発射装置、１７はプリズム装置である。該プリズム装置は、起動時と通常運転時とで前記パルスレーザ発射装置１６から発射されたレーザ光の光路を切り替える装置を含んでいる。１８、１９は夫々通常運転時用及び起動時用の集光レンズであり、２０はコントローラである。
【００１８】
図２（Ａ）においては前記回転ミラー保持体１５、集光レンズ１８、１９等は説明の便宜のため９０°回転して表示されており、側面から見ると図２（Ｂ）に示すようになる。勿論これは光路表現上の問題であり、エンジン１００に対する相対的位置を規定するものではない。Ｘは前記回転ミラー保持体１５の回転方向を示し、鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４は着火順序１−４−２−３の順序で前記回転方向Ｘと逆方向に配置してある。
なお、ＦＫ1、ＦＫ4は起動時にレーザ光を夫々No.1、No.4シリンダの起動時用レーザ光ガイド（図３の８）に導く光ファイバーであり、ＦＳ1、ＦＳ4は通常運転時にレーザ光を夫々No.1、No.4シリンダの通常運転時用レーザ光ガイド（図３の７）に導く光ファイバーである。No.2及びNo.3シリンダのレーザ光ガイドに導く光ファイバーＦＫ2，ＦＳ2，ＦＫ3，ＦＳ3は図示を省略してある。
【００１９】
図２（Ｂ）に示されるように、前記鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４は前記回転ミラー保持体１５の回転軸１５ａに対して傾斜して設けられており、これらの鏡面の傾斜角は夫々が一定の傾斜角を有するように形成されている。即ち回転ミラー保持体が回転しても夫々の鏡面はレーザ光路に対する傾斜角が夫々一定であるように形成、或は各鏡面部材が取り付けられている。
前記集光レンズ１８、１９は前記回転ミラー保持体１５の回転軸１５ａ方向に平行してずらして配置されている。そして、レーザ光は前記回転ミラー保持体１５の回転中心を通って回転軸１５ａに直交する方向に発射される。前記プリズム装置１７を通ったレーザ光は、通常運転時には通常運転時用集光レンズ１８の中心を通り、起動時には起動時用集光レンズ１９の中心を通るように、切り替えられる。この切替えは、カム軸（或はクランク軸）回転数により通常運転時か起動時かを判定する前記コントローラ２０からの判定信号により行われる。
【００２０】
１３ａ、１４ａは夫々カム軸回転センサ１３及びクランク角センサ１４の検出信号を前記コントローラに送信する電線である。前記コントローラ２０は、前記回転センサ１３及びクランク角センサ１４からの検出信号を受けてレーザ発射時期を制御する信号を電線１６ａで前記レーザ発信器１６に送る。
また、該コントローラ２０は、前記の回転センサ１３からの信号により通常運転時か起動時かを判断した判断信号を電線１７ａで前記プリズム装置１７に送る。前記プリズム装置１７では該判断信号に応じて前記レーザ発射装置１６から発射されたレーザ光の光路変更を行う。前記コントローラ２０にエンジン負荷を入力して、エンジン負荷と回転数に応じてレーザ発射時期を制御するようにしてもよいことは勿論である。
【００２１】
次に、前記回転ミラー保持体１５の鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４の傾斜について図３を参照して説明する。図３において、回転ミラー保持体１５の鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４でレーザ光が反射される際のこれら鏡面の傾き角βが異なっている。
これは、レーザ光を各シリンダに装着されたレーザ光ガイドに導く光ファイバーの中心位置が各光ファイバーによって異なるのに対応するためである。これらの光ファイバーのレーザ光入射点は、図２（Ａ）に示されるように、回転ミラー保持体１５の回転中心を通り回転軸１５ａに直交する線上に重ねて配置してある。
これら光ファイバーへのレーザ光入射点が、起動時用のレーザ光についてはK（添え字は気筒No.を示す。）で、通常運転時用のレーザ光についてはS（同様に添え字は気筒No.を示す。）で示してある。図２(Ａ)の例では、上からＫ3、Ｋ2、Ｋ4、Ｋ１、Ｓ3、Ｓ2、Ｓ4、Ｓ1の順に配置されている。
【００２２】
回転ミラー保持体１５上に着火順序に従って配置された鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４でレーザ光が反射される、各鏡面で反射されるレーザ光が各光ファイバーの中心に入射されるためには、図３に示されるように傾斜角β1、β４、β２、β３を光ファイバーへのレーザ光入射点の位置（該光入射点のレーザ光路に沿う方向の位置及び鏡面における反射点と各光ファイバーの入射点間の距離）に応じて変える必要がある。
そして、前記プリズム装置１７におけるレーザ光路の回転ミラー保持体１５の回転軸１５ａに平行方向への光路変更は、Ｋ１とＳ1との間隔（Ｋ2とＳ2、Ｋ3とＳ3、Ｋ4とＳ4との間隔も同じにされる。）に応じた量だけずらされる。従ってＫ１とＳ1とは平行光線となる（Ｋ2とＳ2、Ｋ3とＳ3、Ｋ4とＳ4についても同じ。）。
【００２３】
こうして光ファイバーＦＫ1，ＦＳ1等の中心に入射したレーザ光が各レーザ光ガイドに導かれて各シリンダヘッドに装着された起動用及び通常用ターゲット部材に照射される。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によれば、予混合燃焼エンジンの燃焼室に配設されたターゲット部材にレーザ光を照射して燃焼室の混合気を着火させるレーザ着火エンジンにおいて、起動時用ターゲットと常用運転時用ターゲットを設けると共に、レーザ光の光路を起動時と常用運転時で切り替えるプリズム装置を設けることにより、ターゲット部材の使用耐久性を確保しながら起動時の着火不安定を解消することができるレーザ着火エンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係るエンジンの燃焼室周りの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るエンジンの全体構成を示す図であり、（Ａ）はエンジン本体を含めた構成を示し（Ｂ）は回転ミラー保持体を側面から見た状態を示す図である。
【図３】回転ミラー保持体の鏡面で反射されるレーザ光の状況を説明する図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    シリンダヘッド
２    シリンダ
３    ピストン
４    吸気弁
５    排気弁
６    燃焼室
７    通常運転時用レーザ光ガイド
８    起動時用レーザ光ガイド
９    通常運転時用ターゲット部材
１０  起動時用ターゲット部材
１１  シリンダヘッド
１２  カムシャフト
１３  回転センサ
１４  クランク角センサ
１５  回転ミラー保持体
１６  レーザ発射装置
１７  プリズム装置
１８  通常運転時用集光レンズ
１９  起動時用集光レンズ
２０  コントローラ
１００  ４気筒エンジン
【図１】
2005240781.tif 000003
【図２】
2005240781.tif 000004
【図３】
2005240781.tif 000005