(57)【要約】【課題】レーザ光を燃焼室内のガスに直接照射して該ガスにレーザ光を吸収させる吸収式レーザ着火方式において、レーザ光のエネルギー密度を増大することなく希薄混合ガスへの安定した着火燃焼を可能として、低コストで高い耐久性および良好な整備性を備えた希薄燃焼レーザ着火式エンジン及びその運転方法を提供する。【解決手段】集光レーザ光を燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記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、燃焼室内ガスのレーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を前記燃焼室内に供給する添加物質供給手段を備え、該添加物質供給手段により燃焼室内に供給された前記添加物質中に前記レーザ光集光装置からのレーザ光を照射するように構成したことを特徴とする。【選択図】    図１
2005042590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発信装置からのレーザ光を、シリンダヘッドに装着されて該レーザ光を集光するレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から集光レーザ光を燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記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、燃焼室内ガスのレーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を前記燃焼室内に供給する添加物質供給手段を備え、該添加物質供給手段により燃焼室内に供給された前記添加物質中に前記レーザ光集光装置からのレーザ光を照射するように構成したことを特徴とする添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項２】
前記添加物質供給手段は、シリンダヘッドに取付けられて前記燃焼室内に前記添加物質を噴射する添加物質噴射弁と、該添加物質噴射弁に所定のタイミングで添加物質を供給する添加物質供給ポンプとにより構成されてなることを特徴とする請求項１記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項３】
前記添加物質噴射弁を中央部に配置するとともに、該添加物質噴射弁の外側に前記レーザ光集光装置を複数個配置して支持本体内に組み込み一体化し、該支持本体を前記シリンダヘッドに固着してなることを特徴とする請求項２記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項４】
前記添加物質供給手段は、前記燃焼室に連通される給気通路に設けられて該給気通路に前記添加物質を噴射する添加物質噴射弁と、該添加物質噴射弁に所定のタイミングで添加物質を供給する添加物質供給ポンプとにより構成されてなることを特徴とする請求項１または２の何れかの項に記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項５】
前記レーザ着火式エンジンの回転数を検出する回転数検出器と、前記レーザ着火式エンジンのクランク角を検出するクランク角検出器と、前記回転数検出器からのエンジン回転数の検出値及び前記クランク角検出器からのクランク角の検出値に基づき前記添加物質供給ポンプの噴射タイミング及び前記レーザ発信装置からのレーザ光の発信タイミング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２または４の何れかの項に記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項６】
前記添加物質噴射弁は、針弁を前記添加物質の供給圧力により針弁ばねのばね力に抗して押し上げ、ノズルチップに形成された噴孔から前記添加物質を噴射する自動弁にて構成されてなることを特徴とする請求項２または４の何れかの項に記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項７】
レーザ発信装置からのレーザ光を、シリンダヘッドに装着されて該レーザ光を集光するレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から集光レーザ光を燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記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の運転方法において、前記燃焼室内に、燃焼室内ガスのレーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を供給し、該添加物質中に前記レーザ光集光装置からのレーザ光を照射することを特徴とする添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジンの運転方法。
【請求項８】
前記添加物質として蒸気または炭酸ガスの何れか一方を用いることを特徴とする請求項７記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジンの運転方法。
【請求項９】
前記添加物質としてアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）を含む単原子ガスを用いることを特徴とする請求項７記載の添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、レーザ発信装置からのレーザ光をレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から集光レーザ光を燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室内のガスに着火するとともに、燃焼室内ガスのレーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を前記燃焼室内に供給する添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジン及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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燃焼を促進するため、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、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、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が多く用いられている。
【０００３】
しかしながら、前記点火プラグ着火方式は運転時間の経過とともに点火プラグギャップが増大して着火性能が低下し易く，かつ筒内有効平均圧力の上昇が制限されるという課題があり、また前記パイロット燃料噴射着火方式は、前記課題は解決可能であるが、高圧の燃料噴射システムを必要とするため、構造が複雑かつ高コストとなり，またＴＤＣ（上死点）近傍でパイロット燃料を噴射して燃焼させることからＮＯｘの発生量が多くなるという課題を有している。
【０００４】
そこで、予混合希薄燃焼ガスエンジンにおいては、前記点火プラグ着火方式及びパイロット燃料噴射着火方式に代わる着火方式として、レーザ光を燃焼室表面に固定されたターゲットに照射してプラズマ着火を発生させるレーザ着火方式が提案されている。
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２００２−２９５２５６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、レーザ発信装置からのレーザ光（紫外光レーザ）を集光レンズで燃焼室内の希薄混合ガス中で集光させて、該混合ガスに集光レーザ光を吸収させることにより高温のプラズマを発生させ、該プラズマにより希薄混合ガスを着火燃焼せしめるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２９５２５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ着火式エンジンには、ピストン表面上に固定した耐熱金属製の固体ターゲットにレーザ光を照射する固定ターゲットレーザ着火方式と、燃焼室内のガスに直接レーザ光を照射する吸収式レーザ着火方式とが採用されている。
前記固定ターゲットレーザ着火方式は、ピストン表面上の固体ターゲットにレーザ光を照射することにより、数ｍｊ（ミリジュール）〜１０数ｍｊ程度の低出力にレーザ光源出力で以って数１０万℃という超高温のプラズマを発生させることが可能となる。
【０００７】
一方、前記吸収式レーザ着火方式は、レーザ光を燃焼室内のガスに直接照射して該ガスにレーザ光を吸収させ、ピント合せした超微小領域のみを高温にするもので、前記ガスが空気の場合には、通常の使用波長域では、該空気はレーザ光エネルギー吸収効率が数％と低率なため、着火に必要なレーザ光源出力は数１００ｍｊ以上という高エネルギーが必要となる。
加えてかかる吸収式レーザ着火方式にあっては、レーザ光源から出力されるレーザ光束の径に対して空気中におけるピントの径は１／２０以下とする必要があることから、レーザ光のエネルギー密度を前記固定ターゲットレーザ着火方式よりも大幅に増大することを要する。
【０００８】
しかるに、前記特許文献１のような従来技術にあっては、レーザ発信装置からのレーザ光を集光レンズで燃焼室内の希薄混合ガス中をレーザ光として集光させ、該混合ガスに集光レーザ光を吸収させることにより高温のプラズマを発生するようにしているため、前記のような、高エネルギー密度のレーザ光を燃焼室内の希薄混合ガス中のレーザ光ピントに照射する必要があり、このため、高エネルギーのレーザ光を供給するためのレーザ光供給装置が高価格となる。
また、前記のような高エネルギー密度のレーザ光を伝送するには、光ファイバーを使用すると強力なレーザ光によって該光ファイバーに機能不良や焼損等が発生する恐れがあることから、前記レーザ光の伝送手段としては、伝送管とミラーを組み合わせた伝送手段を用いる必要があり、光ファイバーを使用する場合に比べて整備性に課題がある。
さらに、かかる従来技術にあっては、前記のように高エネルギー密度のレーザ光がシールガラスを透過するため、シールガラスの表面が溶融、焼損し易いという問題点を抱えている。
従来技術における、以上のような問題点が、吸収式レーザ着火方式をレーザ着火式エンジンに採用困難な主因となっている。
【０００９】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、レーザ光を燃焼室内のガスに直接照射して該ガスにレーザ光を吸収させる吸収式レーザ着火方式において、レーザ光のエネルギー密度を増大することなく希薄混合ガスへの安定した着火燃焼を可能として、低コストで高い耐久性および良好な整備性を備えた希薄燃焼レーザ着火式エンジンを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる目的を達成するもので、レーザ発信装置からのレーザ光を、シリンダヘッドに装着されて該レーザ光を集光するレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から集光レーザ光を燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記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、燃焼室内ガスのレーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を前記燃焼室内に供給する添加物質供給手段を備え、該添加物質供給手段により燃焼室内に供給された前記添加物質中に前記レーザ光集光装置からのレーザ光を照射するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、かかるレーザ着火式エンジンの運転方法において、前記燃焼室内に、燃焼室内ガスのレーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を供給し、該添加物質中に前記レーザ光集光装置からのレーザ光を照射することを特徴とする添加物質供給手段を備えたレーザ着火式エンジンの運転方法を提案する。
前記添加物質として、次の３種類の物質を単独にあるいは組み合わせて用いるのがよい。
１）蒸気：燃焼室内での水滴の発生を回避するため、乾き蒸気を用いる。
２）炭酸ガス
３）アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）を含む単原子ガス
【００１２】
かかる発明によれば、希薄混合ガスが充填されている燃焼室内に直接に、あるいは給気通路を通して燃焼室内に、乾き蒸気、炭酸ガス、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）を含む単原子ガス等の、レーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を噴射して燃焼室内に該添加物質の噴霧を形成し、次いで前記添加物質を噴射から一定期間遅らせ、添加物質の噴霧中をレーザ光ピントとするようにして、レーザ光集光装置からレーザ光を照射し、前記添加物質にレーザ光のエネルギーを吸収させる。
【００１３】
従って、かかる発明によれば、燃焼室内に前記添加物質の噴霧を形成しておき、該添加物質の噴霧中にレーザ光を照射するので、該添加物質がレーザ光のエネルギーを吸収し、これにより空気リッチの希薄混合ガス中におけるレーザ光エネルギーの吸収効率が上昇する。これにより、レーザ発信装置から伝送管内あるいは光ファイバーを通してレーザ光集光装置に伝送されるレーザ光のエネルギー密度を増大することなく空気リッチの希薄混合ガスへの安定した着火燃焼をなすことが可能となる。
【００１４】
従って、レーザ発信装置を含むレーザ光供給設備に高エネルギー密度のレーザ光を供給するための高価格の設備が不要となって、低コストのレーザ光供給設備で以って、空気リッチの希薄混合ガスへの安定した着火燃焼をなすことができる。
また、レーザ発信装置から伝送管内あるいは光ファイバーを通してレーザ光集光装置のシールガラスを透過するレーザ光のエネルギー密度が小さくなるので、従来技術のように、高エネルギー密度のレーザ光が透過することによるシールガラスの溶融、焼損の発生を回避できるとともに、レーザ光のエネルギー密度が小さくなることによりレーザ光の伝送手段として光ファイバーの採用が可能となり、装置の整備性が向上する。
【００１５】
また、かかる発明において、前記添加物質供給手段は、好ましくは次の２つの態様で設置する。
即ち、第１の態様は、添加物質供給手段は、シリンダヘッドに取付けられて前記燃焼室内に前記添加物質を噴射する添加物質噴射弁と、該添加物質噴射弁に所定のタイミングで添加物質を供給する添加物質供給ポンプとにより構成されてなる。
このように構成すれば、タイミング制御された添加物質供給ポンプから供給される添加物質を、添加物質噴射弁により燃焼室内に直接噴射して形成される添加物質の噴霧中にレーザ光を直接照射するので、レーザ光を確実に添加物質の噴霧中に照射することができ、レーザ光エネルギーの吸収効率の上昇度が大きくなる。
【００１６】
尚、前記第１の態様において、前記添加物質噴射弁を中央部に配置するとともに、該添加物質噴射弁の外側に前記レーザ光集光装置を複数個配置して支持本体内に組み込み一体化し、該支持本体を前記シリンダヘッドに固着するのがよい。
このように構成すれば、支持本体に、添加物質噴射弁の外側に前記レーザ光集光装置を周方向に沿って多数配設することが可能となり、コンパクトな構造で以ってレーザ光集光装置を多数設置可能となり、レーザ光集光装置のある円周上の多点から添加物質噴霧中にレーザ光を照射することができる。
【００１７】
また、第２の態様は、前記添加物質供給手段は、前記燃焼室に連通される給気通路に設けられて該給気通路に前記添加物質を噴射する添加物質噴射弁と、該添加物質噴射弁に所定のタイミングで添加物質を供給する添加物質供給ポンプとにより構成されてなる。
このように構成すれば、該給気通路内に形成された添加物質の噴霧が給気とともに燃焼室内に導入されて一様に分布するので、レーザ光集光装置から燃焼室内の任意の部位にレーザ光を照射しても、レーザ光エネルギーの吸収効率の上昇が実現でき、レーザ光照射位置の細かい制御は不要となる。
【００１８】
また、かかる発明において、好ましくは、前記レーザ着火式エンジンの回転数を検出する回転数検出器と、前記レーザ着火式エンジンのクランク角を検出するクランク角検出器と、前記回転数検出器からのエンジン回転数の検出値及び前記クランク角検出器からのクランク角の検出値に基づき前記添加物質供給ポンプの噴射タイミング及び前記レーザ発信装置からのレーザ光の発信タイミングを制御するコントローラとを備える。
【００１９】
このように構成すれば、コントローラにより、燃焼室内への添加物質噴射タイミング及び該添加物質噴射により形成された添加物質噴霧へのレーザ光照射タイミングを、燃焼室内における添加物質噴霧のレーザ光エネルギー吸収効率を最大に保持するように制御できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。
【００２１】
図１は本発明の第１実施例に係る添加物質供給手段を備えたレーザ着火式ガスエンジンを示し、（Ａ）はそのシリンダ中心線に沿う断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＺ部拡大図である。図２は前記第１実施例における添加物質噴射およびレーザ光照射のタイミング線図である。図３は本発明の第２実施例に係る添加物質供給手段を備えたレーザ着火式ガスエンジンのシリンダ中心線に沿う断面図、図４は図３のＹ部拡大断面図である。図５は前記第２実施例における添加物質噴射およびレーザ光照射のタイミング線図である。図６は前記第１、第２実施例におけるレーザ光吸収効率の増大効果を示す線図である。
【００２２】
本発明の第１実施例を示す図１において、３１はガスエンジン（以下エンジンという）のシリンダヘッド、３３はピストン、３４はシリンダライナ、３２は該シリンダヘッド３１、ピストン３３及びシリンダライナ３４により区画形成された燃焼室である。また、４１は給気ポート、３９は該給気ポート４１を開閉する給気弁、４２は排気ポート、４０は該排気ポート４２を開閉する排気弁である。
【００２３】
１はレーザ光（レーザパルス）０２を発信するレーザ発信装置、２は前記レーザ発信装置１から発信されるレーザ光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。
７は前記レーザ発信装置１からのレーザ光０２を後述するレーザ光集光装置６０に伝送するためのレーザ光伝送管である。該レーザ光伝送管７の曲がり部にはレーザ光０２を反射するミラー７１及び７２が設置されている。
尚、後述するように、かかる実施例においては、前記レーザ発信装置１からのレーザ光エネルギーを少なくすることができるので、前記ミラー７１及び７２を備えたレーザ光伝送管７に代えて、光ファイバーを使用することが可能である。
【００２４】
５１はエンジンの回転数を検出する回転数検出器である。３８はクランク角検出用のタイミング円板で、図３に示されるように、回転軸３７を介して前記クランク軸３６に連結されて、クランク角を検出している。
３は後述する制御動作を行うコントローラで、前記回転数検出器５１からエンジンの回転数の検出値が、前記タイミング円板３８からエンジンのクランク角の検出値が夫々入力されて、前記後述する添加物質供給ポンプ２０及びレーザ制御装置２に制御信号を出力するものである。
【００２５】
０６０は前記シリンダヘッド３３のシリンダ中心１００の位置に装着されたレーザ・添加物質供給装置で、次のように構成されている。
６１は上部本体、６２は下部本体、０６１はスリーブで、前記スリーブ０６１がシリンダヘッド３１の取付穴３３ａに圧入され、前記上部本体６１を前記スリーブ０６１にねじ込み、図示しないボルトにてシリンダヘッド３１締め付けることにより、前記上部本体６１及び下部本体６２を前記取付穴３３ａ内に固定するようになっている。
【００２６】
７０は前記上部本体６１及び下部本体６２のシリンダ中心１００の位置に配設された添加物質噴射弁、６０は該添加物質噴射弁７０の外側に円周方向に沿って複数個配設されたレーザ光集光装置である。前記添加物質噴射弁７０及び複数個のレーザ光集光装置６０は、図１に示されるように、該添加物質噴射弁７０の噴孔７５からの添加物質噴霧０７中に該レーザ光集光装置６０からのレーザ光０２が照射されるように配置される。
前記レーザ光集光装置６０は、図のようにシリンダ中心１００にある前記添加物質噴射弁７０の外側に円周方向等間隔に２個設けても、あるいは３個以上円周方向等間隔または不等間隔に設けてもよい。
このように構成すれば、上部本体６１及び下部本体６２に、添加物質噴射弁７０の外側に前記レーザ光集光装置６０を周方向に沿って多数配設することが可能となり、コンパクトな構造で以って該レーザ光集光装置６０を多数設置可能となり、レーザ光集光装置６０のある円周上の多点から、添加物質噴射弁７０からの添加物質噴霧０７にレーザ光０２を照射することができる。
【００２７】
前記添加物質噴射弁７０は、この実施例においては、通常のディーゼルエンジン用自動弁式燃料噴射弁と同一構造を備えており、０７１は前記下部本体６２の弁座部に着脱される針弁、０７２は針弁ばね、７３は該針弁ばね０７２のばね力調整用の調整ねじ、７５は前記下部本体６２の端部つまりノズルチップ０７５に複数穿孔された噴孔、７６は添加物質溜め、７４は該添加物質７６に接続される添加物質通路である。前記添加物質通路７４は、継手０８及び添加物質管８を介して添加物質供給ポンプ２０に接続されている。
前記添加物質噴射弁７０は、前記添加物質供給ポンプ２０から添加物質管８、継手０８及び添加物質通路７４を通って添加物質溜め７６に供給された添加物質の圧力により前記針弁０７１を針弁ばね０７２のばね力に抗して押し上げ、ノズルチップ０７５に穿孔された噴孔７５から前記添加物質を噴射する自動弁にて構成されている。
【００２８】
前記レーザ光集光装置６０の詳細を示す図１（Ｂ）において、６６は前記下部本体６２の取付穴内にねじ込まれた（６２ａはねじ部）押えねじ、６３は集光レンズ、６４は石英ガラス製のシールガラスで、該集光レンズ６３の下面（球面）に、平面に形成した前記シールガラス６４の入光面（上面）を当接させ、該集光レンズ６３の周部と前記シールガラス６４の入光面とを、セラミック粉系接着剤等からなる充填材６５により固着して一体に形成している。
前記集光レンズ６３は、前記レーザ光伝送管７から入光されるレーザ光０２を前記燃焼室３２内のレーザ光ピント８０の位置にて集光するような球面に形成されている。
６２ａは前記集光レンズ６３の入光面の上部に設置された押え部材で、該集光レンズ６３の表面に傷が付かないような軟質材からなる。０６５は前記シールガラス６４の上、下面外周とシリンダヘッド３１との間に介装されたガスケットである。
【００２９】
かかる構成からなる添加物質供給手段を備えたレーザ着火式ガスエンジンにおいて、前記回転数検出器５１からのエンジン回転数の検出値、前記タイミング円板３８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、回転数検出器５１からのエンジン回転数の検出値及びタイミング円板（クランク角検出器）３８からのクランク角の検出値に基づき、前記添加物質供給ポンプ２０に、前記エンジン回転数の検出値に対応する該添加物質供給ポンプ２０の噴射タイミング及び噴射量の制御信号を出力するとともに、レーザ制御装置２にレーザ発信装置１からのレーザ光０２の発信タイミングの制御信号を出力する。
【００３０】
図２には、前記コントローラ３からによるレーザ光０２照射タイミングと添加物質噴射弁７０の開弁タイミング（即ち添加物質供給ポンプ２０の噴射タイミング）との関係線図を示す。図のＡはレーザ光０２照射タイミング、Ｂは添加物質噴射弁７０の開弁タイミング、Ｃはエンジンのサイクルである。
前記コントローラ３から、前記添加物質供給ポンプ２０に出力される該添加物質供給ポンプ２０の噴射タイミングの制御信号、及びレーザ制御装置２に出力されるレーザ発信装置１からのレーザ光０２の発信タイミングの制御信号は、図２に示すように、クランク角で上死点前数度（１０°程度）で添加物質噴射弁７０が開弁して添加物質を噴射し、その直後にレーザ光集光装置６０からレーザ光０２が添加物質噴霧０７中に照射されるようなタイミングに制御される。
【００３１】
かかるタイミング制御により、前記添加物質供給ポンプ２０から前記噴射タイミングで以って圧送され、前記添加物質噴射弁７０の添加物質通路７４を通って添加物質溜め７６に達した添加物質は、該添加物質の圧力により前記針弁０７１を針弁ばね０７２のばね力に抗して押し上げ、前記ノズルチップ０７５に穿孔された噴孔７５から燃焼室３２内に噴射されて添加物質噴霧０７を形成する。
そして、前記のようなレーザ光０２の照射タイミングで以ってレーザ発信装置１からのレーザ光０２が、各レーザ光集光装置６０から前記添加物質噴霧０７に向けて照射される。
即ち、前記レーザ光０２は、各シリンダのレーザ光伝送管７の出口から各レーザ光集光装置６０の集光レンズ６３を通して集光されてシールガラス６４内を透過し、燃焼室３２内に設定されたレーザ光ピント８０に向けて照射される。これにより、レーザ光０２のエネルギーは前記添加物質に吸収され、燃焼室３２内におけるレーザ光エネルギーの吸収効率が上昇し、従来技術よりも小さいレーザ光エネルギーで以って、所要の着火性能が得られる。
【００３２】
前記添加物質として、次の３種類の物質を単独にあるいは組み合わせて用いる。
１）蒸気：該蒸気は、燃焼室３２内での水滴の発生を回避するため、乾き蒸気を用いる。
２）炭酸ガス：炭酸ガスは、希薄混合ガス中においてもレーザ光０２エネルギーの吸収効率が高い。
３）アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）を含む単原子ガス。このうち、アルゴン（Ａｒ）は低価格で、レーザ光０２エネルギーの吸収効率が高い。
【００３３】
かかる実施例によれば、希薄混合ガスが充填されている燃焼室３２内に直接に、乾き蒸気、炭酸ガス、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）を含む単原子ガス等の、レーザエネルギーの吸収効率を上昇させる添加物質を噴射して該燃焼室３２内に該添加物質噴霧０７を形成し、次いで前記添加物質の噴射から一定期間遅らせ、添加物質噴霧０７中をレーザ光ピント８０とするようにして、レーザ光集光装置６０からレーザ光０２を照射し、前記添加物質にレーザ光０２のエネルギーを吸収させる。
【００３４】
従って、かかる実施例によれば、燃焼室３２内に前記添加物質噴霧０７を形成しておき、該添加物質噴霧０７中にレーザ光０２を照射するので、該添加物質がレーザ光のエネルギーを吸収し、空気リッチの希薄混合ガス中におけるレーザ光エネルギーの吸収効率が上昇する。これにより、レーザ発信装置１からレーザ光伝送管７内（あるいは、後述するように、図示しない光ファイバー）を通してレーザ光集光装置６０に伝送されるレーザ光０２のエネルギー密度を増大することなく空気リッチの希薄混合ガスへの安定した着火燃焼をなすことが可能となる。従って、前記レーザ発信装置１を含むレーザ光供給設備に高エネルギー密度のレーザ光を供給するための高価格の設備が不要となる。
【００３５】
また、前記レーザ発信装置１から発信され、レーザ光集光装置６０のシールガラス６４を透過するレーザ光０２のエネルギー密度が小さくなるので、従来技術のように、高エネルギー密度のレーザ光が透過することによるシールガラス６４の溶融、焼損の発生を回避できるとともに、レーザ光のエネルギー密度が小さくなることによりレーザ光０２の伝送手段として、前記レーザ光伝送管７よりも整備性の良好な光ファイバーの採用が可能となる。
【００３６】
また、シリンダヘッド３１に取付けられて前記燃焼室３２内に前記添加物質を直接噴射する添加物質噴射弁７０と、該添加物質噴射弁７０に所定のタイミングで添加物質を供給する添加物質供給ポンプ２０とにより前記添加物質の供給手段を構成し、タイミング制御された添加物質供給ポンプ２０から供給される添加物質を、添加物質噴射弁７０により燃焼室３２内に直接噴射して形成される添加物質噴霧０７中にレーザ光０２を直接照射するので、レーザ光０２を確実に添加物質噴霧０７中に照射することができ、レーザ光エネルギーの吸収効率の上昇度がより大きくなる。
【００３７】
図３に示す第２実施例においては、前記添加物質噴射弁７０を給気管４に設置し、該添加物質噴射弁７０から添加物質を給気通路６内に噴射するように構成している。
即ち、図３において、７０は添加物質を給気通路６内に噴射する添加物質噴射弁、２０は該添加物質噴射弁７０に添加物質を圧送する添加物質供給ポンプで、該添加物質噴射弁７０及び添加物質供給ポンプ２０は、図１に示される第１実施例と同様な構造、機能を有している。
６０はレーザ光集光装置で、シリンダ中心１００に１個設置されている。
【００３８】
前記レーザ光集光装置６０の詳細を示す図４において、６４は集光シールガラスで、石英ガラス等の耐熱性を有する透明ガラスにて構成され、上面の入光面６４ａ及び下面の出光面６４ｂは前記レーザ光伝送管７を通して伝送されるレーザ光を前記燃焼室３２内のレーザ光ピント８０の位置にて集光するような球面に形成されている。
６２ａは前記集光シールガラス６４の入光面６４ａの上部に設置された押え部材で、該集光シールガラス６４の表面に傷が付かないような軟質材からなる。
０７６は該押え部材６２ａを締め付けるためのシールガラス押えねじ、０６５は該集光シールガラス６４の下面外周とシリンダヘッド３１との間に介装されたガスケットである。
０７３は押えねじで、該押えねじ０７３をシリンダヘッド３１の取付穴内にねじ込む（７３ａはねじ部）ことにより、前記押え部材６２ａを介して前記集光シールガラス６４を流体密に該取付穴内に固定している。また、前記レーザ伝送管７の端部は伝送管支持材０７４を介して、前記押え部材６２ａ内に固定されている。
【００３９】
かかる第２実施例において、図５のタイミング線図に示すように、前記コントローラ３からの制御信号により前記添加物質噴射弁７０が、下死点前の給気弁３９の開弁期間中に給気通路６内に添加物質を噴射する（図５のＢ）。次いで上死点近傍において、前記コントローラ３からレーザ制御装置２に出力されるレーザ光０２の発信タイミングの制御信号に基づき、該レーザ制御装置２は、前記レーザ発信装置１からレーザ光０２を発信せしめる（図５のＡ）。該レーザ光０２は前記レーザ光伝送管７内を前記ミラー７１、７２に反射されながら前記レーザ光集光装置６０に達する。
【００４０】
該レーザ光集光装置６０においては、レーザ光０２は、前記集光シールガラス６４の入光面６４ａから該集光シールガラス６４に入光し、該集光シールガラス６４内を透過して出光面６４ｂから出光し、前記燃焼室３２内のレーザ光ピント８０の位置にて集光するように、前記給気通路６と通って燃焼室３２内に導入された添加物質に向けて照射され、該ガスに吸収されて高温のプラズマを発生させ、該ガスを着火燃焼せしめる。
これにより、レーザ光０２のエネルギーは前記添加物質に吸収され、燃焼室３２内におけるレーザ光エネルギーの吸収効率が上昇する。
【００４１】
従ってかかる第２実施例によれば、前記給気通路６内に形成された添加物質噴霧０７が給気とともに燃焼室３２内に導入されて一様に分布するので、レーザ光集光装置６０から燃焼室３２内の任意の部位にレーザ光０２を照射しても、レーザ光エネルギーの吸収効率の上昇が実現でき、レーザ光照射位置の細かい制御は不要となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり（尚、３５はコネクチングロッド、３６はクランク軸である）、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００４２】
図６は、前記第１、第２実施例における添加物質の種類と、添加物質の投入場所（つまり第１実施例のように添加物質を燃焼室３２に噴射した場合、と第２実施例のように添加物質を給気管４内の給気通路６に噴射した場合）に対する、添加物質の投入率と必要レーザエネルギー低減率との関係についての実験結果を示す。
図６に明らかなように、燃焼室３２に添加物質としてＡｒ（アルゴン）を噴射し、給気管４内（給気通路６）蒸気を噴射する組み合わせが、必要レーザエネルギー低減率が最も大きくなる。
【００４３】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、燃焼室内に前記添加物質の噴霧を形成しておき、該添加物質の噴霧中にレーザ光を照射するので、該添加物質がレーザ光のエネルギーを吸収し、これにより空気リッチの希薄混合ガス中におけるレーザ光エネルギーの吸収効率が上昇する。これにより、レーザ発信装置から伝送管内あるいは光ファイバーを通してレーザ光集光装置に伝送されるレーザ光のエネルギー密度を増大することなく空気リッチの希薄混合ガスへの安定した着火燃焼をなすことが可能となる。
【００４４】
従って、レーザ発信装置を含むレーザ光供給設備に高エネルギー密度のレーザ光を供給するための高価格の設備が不要となって、低コストのレーザ光供給設備で以って、空気リッチの希薄混合ガスへの安定した着火燃焼をなすことができる。
また、レーザ発信装置から伝送管内あるいは光ファイバーを通してレーザ光集光装置のシールガラスを透過するレーザ光のエネルギー密度が小さくなるので、高エネルギー密度のレーザ光が透過することによるシールガラスの溶融、焼損の発生を回避できるとともに、レーザ光のエネルギー密度が小さくなることによりレーザ光の伝送手段として光ファイバーの採用が可能となり、装置の整備性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る添加物質供給手段を備えたレーザ着火式ガスエンジンを示し、（Ａ）はそのシリンダ中心線に沿う断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＺ部拡大図である。
【図２】前記第１実施例における添加物質噴射およびレーザ光照射のタイミング線図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る添加物質供給手段を備えたレーザ着火式ガスエンジンのシリンダ中心線に沿う断面図である。
【図４】図３のＹ部拡大断面図である。
【図５】前記第２実施例における添加物質噴射およびレーザ光照射のタイミング線図である。
【図６】前記第１、第２実施例におけるレーザ光吸収効率の増大効果を示す線図である。
【符号の説明】
１  レーザ光発信装置
２  レーザ制御装置
０２  レーザ光
３  コントローラ
４  給気管
６  給気通路
７  レーザ光伝送管
２０  添加物質供給ポンプ
３１  シリンダヘッド
３２  燃焼室
３３  ピストン
３６  クランク軸
３８  タイミング円板
５１  回転数検出器
６０  レーザ光集光装置
６１  上部本体
６２  下部本体
６３  集光レンズ
６４  集光シールガラス
７０  添加物質噴射弁
０７１  針弁
７５  噴孔
８０  レーザ光ピント
【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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