(57)【要約】【課題】吸収式レーザ着火方式のような大きなレーザ光エネルギーのレーザ光であっても、該レーザ光によるシールガラスの損傷の発生を回避できて、吸収式レーザ着火方式を採用可能なレーザ着火式エンジンを提供する。【解決手段】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たレーザ光集光装置から燃焼室内のポイントに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、前記レーザ光集光装置は、レーザ光伝送手段出口のレーザ光を集光させる集光面が形成されるとともに燃焼面のガスシールを行う集光シールガラスと、該集光シールガラスをシリンダヘッドの取付穴に流体密に固定するシールガラス固定手段とを備えてなることを特徴とする。【選択図】    図１
2005042582.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レーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から燃焼室内のポイントに照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室内の混合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、前記レーザ光集光装置は、前記レーザ光伝送手段出口のレーザ光を前記ポイントに集光させる集光面が形成されるとともに前記燃焼室内と外部との間のガスシールを行う集光シールガラスと、該集光シールガラスを前記シリンダヘッドの取付穴に流体密に固定するシールガラス固定手段とを備えてなることを特徴とする集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項２】
前記集光シールガラスを、石英ガラスにて構成したことを特徴とする請求項１記載の集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項３】
レーザ発信装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から燃焼室内のポイントに照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室内の混合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、前記レーザ光集光装置は、前記レーザ光伝送手段出口のレーザ光を前記ポイントに集光させる集光レンズ及び該集光レンズの下面に接着されて該集光レンズを通した前記レーザ光を前記ポイントに向けて透過するとともに前記燃焼室内と外部との間のガスシールを行うシールガラスを充填材を介して一体に固着してなる集光シールガラスと、該集光シールガラスを前記シリンダヘッドの取付穴に流体密に固定するシールガラス固定手段とを備えてなることを特徴とする集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項４】
前記集光シールガラスは、前記シールガラスを石英ガラスにて構成してその入光面を平面に形成し、該入光面上に前記集光レンズの下面中央部を当接させるとともに該集光レンズの周部と前記シールガラスを入光面とを充填材により固着してなることを特徴とする請求項３記載の集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項５】
前記レーザ光集光装置を構成する前記シールガラス固定手段は、前記集光シールガラスを前記シリンダヘッドの取付穴に流体密にシールするガスケットと、前記集光シールガラスの入光面に当接される軟質材からなる押え部材と、前記押え部材を介して前記集光シールガラス及びガスケットを前記シリンダヘッドに締め付け固定する押えねじ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３の何れかの項に記載の集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として予混合ガスエンジンに適用され、レーザ発信装置から発信されたレーザ光を燃焼室内に形成されたポイントに照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内の混合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であって、集光レンズとシールガラスとを一体化した集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式エンジンに関する。
【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、前記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、レーザ光を燃焼室設けら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においては、レーザ発信装置からのレーザ光を、光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から燃焼室内のターゲットに照射してプラズマ着火を発生させている。
【０００５】
そして、前記レーザ光集光装置は、例えば特許文献１（特開平６−２４９１２３号公報）に開示されているように、光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通して伝送されたレーザ光を集光する集光レンズと、該集光レンズにて集光されたレーザ光をターゲットの方向に偏向させるとともに前記燃焼室内と外部との間のガスシール機能そ有するシールガラスとを、シリンダヘッドの取付穴内に一定間隔を存して配設し、前記集光レンズによりレーザ光を前記シールガラスの入光面あるいは該シールガラスの内部で集光せしめて、燃焼室内におけるガス中にピントに向けて照射するように構成されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４９１２３号公報
【０００７】
【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ある。
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程度の低出力の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。
【０００８】
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該空気はレーザ光エネルギー吸収率が数％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。
【０００９】
しかるに、前記特許文献１のような従来技術にあっては、前記のように、レーザ光を集光する集光レンズと集光されたレーザ光を燃焼室内ガス中のピント（ターゲット）の方向に偏向させるシールガラスとを、シリンダヘッドの取付穴内に一定間隔を存して配設し、前記集光レンズによりレーザ光を前記シールガラスの入光面あるいは該シールガラスの内部で集光せしめて燃焼室内におけるガス中のピントに向けて照射するように構成されている。
このため、かかる従来技術にあっては、前記のように大きなレーザ光エネルギーの集光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、焼損するという問題点を抱えており、かかる問題点が、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にしている。
【００１０】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、吸収式レーザ着火方式のような大きなレーザ光エネルギーのレーザ光であっても、該レーザ光によるシールガラスの損傷の発生を回避できて、吸収式レーザ着火方式を採用可能なレーザ着火式エンジンを提供することを目的とする。
【００１１】
【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レーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から燃焼室内のポイントに照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室内の混合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、前記レーザ光集光装置は、前記レーザ光伝送手段出口のレーザ光を前記ポイントに集光させる集光面が形成されるとともに前記燃焼室内と外部との間のガスシールを行う集光シールガラスと、該集光シールガラスを前記シリンダヘッドの取付穴に流体密に固定するシールガラス固定手段とを備えてなることを特徴とする。
かかる発明において、前記集光シールガラスを透過性の良い石英ガラスにて構成するのがよい。
【００１２】
かかる発明によれば、レーザ光を集光させる集光レンズの機能と該レーザ光を燃焼室内ターゲットに偏向させかつ燃焼室のガスシールを行うシールガラスの機能とを併せ備えて好ましくは石英ガラスからなる集光シールガラスをレーザ光伝送手段の出口に設けたので、レーザ光の高度な集光域を該集光シールガラスの外側である燃焼室内に形成できる。
これにより、集光シールガラスの入光面あるいはこれの内部でレーザ光が集光されるので、高度に集光されたレーザ光が集光シールガラスを透過するのを回避できる。従って吸収式レーザ着火方式のように高エネルギーのレーザ光であっても、該レーザ光により該集光シールガラスの表面が溶融、焼損することがなく、レーザ着火式エンジンに吸収式レーザ着火方式を採用可能となる。
【００１３】
従ってかかる発明によれば、レーザ光のピントを燃焼室内の任意のポイントに設定できる吸収式レーザ着火方式を、集光シールガラスの損傷の発生をみることなく採用でき、燃焼室内の任意のポイントからの着火燃焼を実現できて、
燃焼制御性が向上しエンジン性能が改善されたレーザ着火式エンジンを得ることができる。
【００１４】
また、本発明は、前記レーザ着火式エンジンにおいて、前記レーザ光集光装置は、前記レーザ光伝送手段出口のレーザ光を前記ポイントに集光させる集光レンズ及び該集光レンズの下面に接着されて該集光レンズを通した前記レーザ光を前記ポイントに向けて透過するとともに前記燃焼室内と外部との間のガスシールを行うシールガラスを充填材を介して一体に固着してなる集光シールガラスと、該集光シールガラスを前記シリンダヘッドの取付穴に流体密に固定するシールガラス固定手段とを備えてなることを特徴とする。
かかる発明において、前記集光シールガラスは、前記シールガラスを石英ガラスにて構成してその入光面を平面に形成し、該入光面上に前記集光レンズの下面中央部を当接させるとともに該集光レンズの周部と前記シールガラスを入光面とを充填材により固着してなるのがよい。
【００１５】
かかる発明によれば、汎用の集光レンズを好ましくは石英ガラスにて構成されるシールガラスの平滑な入光面に充填材を介して固着するという、簡単な構造で製作が容易かつ低コストの集光シールガラスをレーザ光通路に設置するのみで、集光シールガラスの損傷の発生をみることなく吸収式レーザ着火方式に採用でき、燃焼室内の任意のポイントからの着火燃焼を実現できて燃焼制御性が向上しエンジン性能が改善されたレーザ着火式エンジンを得ることができる。
【００１６】
さらに前記発明において、好ましくは、前記レーザ光集光装置を構成する前記シールガラス固定手段は、前記集光シールガラスを前記シリンダヘッドの取付穴に流体密にシールするガスケットと、前記集光シールガラスの入光面に当接される軟質材からなる押え部材と、前記押え部材を介して前記集光シールガラス及びガスケットを前記シリンダヘッドに締め付け固定する押えねじとにより構成する。
このように構成すれば、軟質材からなる押え部材を集光シールガラスの入光面に当接して該集光シールガラスを弾力的に支持するので、該集光シールガラスの入光面における傷の発生を回避して、該集光シールガラスを安定してシリンダヘッドの取付穴に支持することができる。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例に係る集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式ガスエンジンの主要部構成図、図２はレーザ光集光装置近傍の拡大断面図（図１のＺ部拡大）である。図３は第２実施例に係る集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式ガスエンジンの主要部構成図、図４はレーザ光集光装置近傍の拡大断面図（図３のＺ部拡大図）である。
【００１９】
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、３５はコネクチングロッド、３６はクランク軸である。
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。
【００２０】
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。６０は前記シリンダヘッド３１内に設置されたレーザ光集光装置である。
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。
【００２１】
５１はエンジンの回転数を検出する回転数検出器、３８はクランク角検出用のタイミング円板で回転軸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、前記レーザ制御装置２に制御信号を出力するものである。
【００２２】
前記レーザ光集光装置６０の詳細を示す図２において、０６２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０６２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０６２の表面に傷が付かないような軟質材からなる。０６５は該集光シールガラス０６２の下面外周とシリンダヘッド３との間に介装されたガスケットである。
【００２３】
７３は押えねじで、該押えねじ７３をシリンダヘッド３１の取付穴３１ｂ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０６２を流体密に該取付穴３１ｂ内に固定している。また、前記レーザ伝送管７の端部は、前記押え部材６２ａ内に固定されている。
このように構成すれば、軟質材からなる押え部材６２ａを集光シールガラス０６２の入光面６４ａに当接して、該集光シールガラス０６２を弾力的に支持するので、該集光シールガラス０６２の入光面６４ａにおける傷の発生を回避して、該集光シールガラス０６２を安定してシリンダヘッドの取付穴に支持することができる。
【００２４】
かかる構成からなる集光シールガラス付き集光装置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からのエンジンの回転数の検出値、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。
【００２５】
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。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。
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０６２の入光面６４ａから該集光シールガラス０６２に入光し、該集光シールガラス０６２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。
そして、集光したレーザ光０２は、該レーザ光ピント８０部位にあるガスに直接照射され、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。
【００２６】
従ってかかる実施例によれば、レーザ光０２を集光させる集光レンズの機能と該レーザ光を燃焼室３２内のレーザ光ピント８０（ターゲット）に集光させかつ該燃焼室３２のガスシールを行うシールガラスの機能とを併せ備えてなる石英ガラス製の集光シールガラス０６２を設けたので、レーザ光０２は高度に集光する前に前記集光シールガラス０６２を通過するのが可能となる。
【００２７】
これにより、吸収式レーザ着火方式のように高エネルギーのレーザ光０２であっても、問題なく集光レーザ光のピントを燃焼室３２内に形成できるため、該レーザ光０２により該集光シールガラス０６２の表面が溶融、焼損することがない。
従ってかかる実施例によれば、レーザ光０２のピントを燃焼室３２内の任意のポイントに設定できる吸収式レーザ着火方式を、集光シールガラス０６２の損傷の発生をみることなく採用でき、該燃焼室３２内の任意のポイントからの着火燃焼を実現できる。
【００２８】
図３〜４に示される第２実施例においては、集光シールガラス０６２を、図４に示されるように、従来のものと同様なレーザ光の集光機能を有する集光レンズ６２の下面（球面）に、平面に形成した石英ガラス製のシールガラス６４の入光面（上面）０６２ａを当接させ、該集光レンズ６２の周部と前記シールガラス６４の入光面０６２ａとを、セラミック粉系接着剤等からなる充填材０６６により固着して一体に形成する。
その他の構成は、前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００２９】
かかる実施例によれば、汎用の集光レンズ６２を石英ガラスにて構成されるシールガラス６４の平滑な入光面０６２ａに充填材０６６を介して固着するという、簡単な構造で製作が容易かつ低コストの集光シールガラス０６２をレーザ光通路に設置するのみで、集光シールガラス０６２の損傷の発生をみることなく、吸収式レーザ着火方式を採用できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、集光シールガラスの入光面あるいはこれの内部でレーザ光が集光されこの集光されたレーザ光が集光シールガラスを透過するのを回避でき、吸収式レーザ着火方式のように高エネルギーのレーザ光であっても、レーザ光のピントを燃焼室内に形成できるため、レーザ光により該集光シールガラスの表面が溶融、焼損することがなくなる。
これにより、レーザ光のピントを燃焼室内の任意のポイントに設定できる吸収式レーザ着火方式を、集光シールガラスの損傷の発生をみることなく採用でき、燃焼室内の任意のポイントからの着火燃焼を実現できて燃焼制御性が向上しエンジン性能が改善されたレーザ着火式エンジンを得ることができる。
【００３１】
また、レーザ光を前記ターゲットに集光させる集光レンズ及び該集光レンズの下面に接着されたシールガラスを充填材を介して一体に固着して集光シールガラスを構成すれば、汎用の集光レンズをシールガラスの平滑な入光面に充填材を介して固着するという、簡単な構造で製作が容易かつ低コストの集光シールガラスをレーザ光通路に設置するのみで、集光シールガラスの損傷の発生をみることなく採用でき、前記のような燃焼室内の任意のポイントからの着火燃焼を実現できるレーザ着火式エンジンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式ガスエンジンの主要部構成図である。
【図２】レーザ光集光装置近傍の拡大断面図（図１のＺ部拡大）である。
【図３】第２実施例に係る集光シールガラス付き集光装置を備えたレーザ着火式ガスエンジンの主要部構成図である。
【図４】レーザ光集光装置近傍の拡大断面図（図３のＺ部拡大図）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
７  レーザ光伝送管
３１  シリンダヘッド
３１ｂ  取付穴
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
０６２  集光シールガラス
６２  集光レンズ
６２ａ  押え部材
６４  シールガラス
６４ａ  入光面
６４ｂ  出光面
０６５  ガスケット
７３  押えねじ
８０  レーザ光ポイント
【図１】
2005042582.tif 000003
【図２】
2005042582.tif 000004
【図３】
2005042582.tif 000005
【図４】
2005042582.tif 000006