(57)【要約】【課題】レーザ光の複数パルス発信時におけるパルス間の位置あるいはレーザ光線の傾斜等によるレーザ光線のずれの発生を抑制して、該レーザ光線のずれによるレーザエネルギーの損失を低減し、レーザ光供給システムの大型化に伴う装置コストの増大を回避したミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式エンジンを提供する。【解決手段】レーザ光を燃焼室内のターゲットに照射して発生するプラズマにより、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、レーザ発信装置とレーザ光照射装置との間のレーザ光光路に、該レーザ光を反射して伝播する凹状の反射面からなる凹面鏡を設けたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発信装置から発信されたレーザ光を光ファイバー、レーザ伝送管を含むレーザ伝送通路を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光照射装置に伝送し、該レーザ光照射装置から燃焼室内に照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内に充填された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、前記レーザ発信装置とレーザ光照射装置との間のレーザ光光路に、該レーザ光を反射して伝播する凹状の反射面からなる凹面鏡を設けたことを特徴とするミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項２】
前記凹面鏡をシリンダ数と同数設け、前記レーザ発信装置から発信されたレーザ光を前記各凹面鏡で反射して前記各シリンダのレーザ伝送通路の入口に伝送するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項３】
前記レーザ伝送通路及びレーザ光照射装置からなるレーザ光供給路を各シリンダに付き複数個設けるとともに、前記凹面鏡を前記レーザ光供給路と同数設け、前記レーザ発信装置から発信されたレーザ光を前記各凹面鏡で反射して前記各レーザ光供給路の入口に伝送するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項４】
駆動装置により回転駆動されるミラー支持円盤の外周部に円周方向に沿って複数個の反射ミラーを所定取付角で以って取り付けるとともに、前記凹面鏡を前記反射ミラーと同数設け、前記各反射ミラーで反射されたレーザ光を該反射ミラーに対応する前記各凹面鏡に入光するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式エンジン。
【請求項５】
前記エンジンの回転数を検出する回転数検出器と、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角検出器とを設けるとともに、前記凹面ミラーを回転駆動して該凹面鏡の向きを変化せしめる凹面鏡駆動装置と、前記回転数検出器から入力されるエンジン回転数の検出値と前記クランク角検出器から入力されるクランク角の検出値とに基づき該エンジン回転数及びクランク角に対応して前記凹面鏡の向きを変化せしめる制御信号を前記凹面鏡駆動装置に出力するとともに、前記レーザ発信装置から前記凹面鏡の回転位置に対応してレーザ光を発信せしめるコントローラとを備えたことを特徴とする請求項１記載のミラー付きレーザ供給システム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発信されたレーザ光を燃焼室内に照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内に充填された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関し、特にレーザ発信装置とレーザ光照射装置との間のレーザ光光路に凹状の反射面からなる凹面鏡を設けたミラー付きレーザ供給システム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が高い着火方式として、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。
【０００３】
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（特開平８−９３６２０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発信されたレーザ光を反射する反射鏡をエンジンの各シリンダに対応して設け、反射鏡の向きを制御する鏡制御装置によって、該レーザ発信装置から発信されたレーザ光が各シリンダに装着されたレーザ光ガイドに向けて正確に投入されるように該反射鏡を方向制御している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−９３６２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１のような従来技術にあっては、次のような解決すべき課題を有している。
即ち、図４（Ａ）に示されるように、レーザ発信装置１から発信されたレーザ光２を、回転するミラー円盤１１に所定の取付角（例えば３０°）で取り付けられたミラー３で反射して、各シリンダのレーザ光照射装置（図示省略）へのレーザ光２伝送用の光ファイバー７（図４（Ｂ）参照）の入口に投入する際において、該レーザ光２を複数パルス発信する場合には、１回目のパルス発信時に３ａの位置にあったミラー３が、２回目のパルス発信時には該ミラー円盤１１の回転により３ｂの位置に来る。
【０００６】
このため、前記ミラー３で反射されて光ファイバー７の入口に向かうレーザ光２のパルスは、１回目のパルス発信時には２ａとなって光ファイバー７の入口ではＳａ位置、２回目のパルス発信時には２ｂとなって光ファイバー７の入口ではＳｂ位置となり、結局１回目のパルス２ａの位置Ｓａと２回目のパルス２ｂの位置Ｓｂとの間には、ずれｘが形成される。
このため、かかる従来技術にあっては、前記ずれｘの形成により複数パルスのレーザ光２が光ファイバー７に投入される段階で、レーザエネルギーの損失が生ずる。
尚、図４（Ａ）において、Ｔａは１回目のパルス発信時におけるミラー３ａの法線、Ｔｂは１回目のパルス発信時におけるミラー３ｂの法線である。
【０００７】
また、図４（Ｂ）に示されるように、前記ミラー３が１回目のパルス発信時には３ａの位置、２回目のパルス発信時には３ｂの位置に来ることによる、前記１回目のパルス２ａの位置Ｓａと２回目のパルス２ｂの位置Ｓｂとの間のずれｘの形成に伴ない、光ファイバー７の入口における１回目のパルス２ａが該光ファイバー７の軸線方向に入光するのに対して、２回目のパルス２ｂは該光ファイバー７の軸線に対して傾斜して入光することとなり、かかる入光角のずれによってもレーザエネルギーの損失が生ずる。
従って、かかる従来技術にあっては、前記のようなレーザエネルギーの損失を補填するためレーザ光供給システムを大型化することを要し、これに伴いレーザ光供給システムの装置コストが増大する。
【０００８】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、レーザ光の複数パルス発信時におけるパルス間の位置あるいはレーザ光線の傾斜等によるレーザ光線のずれの発生を抑制して、該レーザ光線のずれによるレーザエネルギーの損失を低減し、レーザ光供給システムの大型化に伴う装置コストの増大を回避したミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式エンジンを提供することを目的とする。
【０００９】
【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発信されたレーザ光を光ファイバー、レーザ伝送管を含むレーザ伝送通路を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光照射装置に伝送し、該レーザ光照射装置から燃焼室内に照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内に充填された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、前記レーザ発信装置とレーザ光照射装置との間のレーザ光光路に、該レーザ光を反射して伝播する凹状の反射面からなる凹面鏡を設けたことを特徴とする。
【００１０】
前記凹面ミラーは、次の３つの態様で設けるのがよい。
第１の態様は、前記凹面鏡をシリンダ数と同数設け、前記レーザ発信装置から発信されたレーザ光を前記各凹面鏡で反射して前記各シリンダのレーザ伝送通路の入口に伝送するように構成する。
【００１１】
第２の態様は、前記レーザ伝送通路及びレーザ光照射装置からなるレーザ光供給路を各シリンダに付き複数個設けるとともに、前記凹面鏡を前記レーザ光供給路と同数設け、前記レーザ発信装置から発信されたレーザ光を前記各凹面鏡で反射して前記各レーザ光供給路の入口に伝送するように構成する。
【００１２】
第３の態様は、駆動装置により回転駆動されるミラー支持円盤の外周部に円周方向に沿って複数個の反射ミラーを所定取付角で以って取り付けるとともに、前記凹面鏡を前記反射ミラーと同数設け、前記各反射ミラーで反射されたレーザ光を該反射ミラーに対応する前記各凹面鏡に入光するように構成する。
【００１３】
かかる発明によれば、レーザ発信装置から発信されたレーザ光は、シリンダ毎に設けられ、あるいは各シリンダに付き複数個設けられた凹状の反射面からなる凹面鏡により反射せしめられて、該凹面鏡に対応して設けられている光ファイバー、レーザ伝送管を含む小断面のレーザ伝送通路の入口から該レーザ伝送通路に投入される。さらに該レーザ光は前記レーザ伝送通路を通ってレーザ光照射装置に伝送され、該レーザ光照射装置から燃焼室内のターゲットあるいはレーザ光ポイントに向けて照射される。
【００１４】
かかるレーザ光の伝送時において、レー光発信装置から複数パルスのレーザ光が発信されると、該レーザ光がシリンダ毎にあるいは各シリンダに付き複数個設けられたレーザ光分光用のミラーの移動等によって、該ミラーにて反射され凹面鏡に入光される１回目のパルスと２回目のパルスとの間に、入光位置のずれあるいは入光角のずれが生ずる。
【００１５】
しかしながら、かかる発明においては、凹面鏡に入光される複数パルスのレーザ光にパルス毎のずれが形成されていても、該凹面鏡から反射されるレーザ光は該凹面鏡の焦点に集光されるので、該焦点に前記レーザ伝送通路の入口を配置しておけば、前記複数パルスのレーザ光のずれ、つまり前記入光位置のずれあるいは入光角のずれが消滅して、凹面鏡にて集光された１本のレーザ光となって、レーザ伝送通路に投入することが可能となる。
これにより、前記のようなレーザ光のずれに伴うレーザエネルギーの損失の発生を回避でき、従って、前記のようなレーザエネルギーの損失を補填するためのレーザ光供給システムの大型化を回避でき、これに伴いレーザ光供給システムの装置コストを低減できる。
【００１６】
また、本発明において、好ましくは、前記エンジンの回転数を検出する回転数検出器と、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角検出器とを設けるとともに、前記凹面鏡を回転駆動して該凹面鏡の向きを変化せしめる凹面鏡駆動装置と、前記回転数検出器から入力されるエンジン回転数の検出値と前記クランク角検出器から入力されるクランク角の検出値とに基づき該エンジン回転数及びクランク角に対応して前記凹面鏡の向きを変化せしめる制御信号を前記凹面鏡駆動装置に出力するとともに前記レーザ発信装置から前記凹面鏡の回転位置に対応してレーザ光を発信せしめるコントローラとを備える。
【００１７】
このように構成すれば、エンジン回転数及びクランク角に対応して前記凹面鏡の向きを変化せしめるとともに、前記レーザ発信装置から前記凹面鏡の回転位置に対応してレーザ光を発信せしめるので、凹面鏡の回転位置とレーザ光の発信タイミングとを正確に一致させることができて、レーザエネルギーの損失を最小限に抑えてレーザ光をレーザ光伝送装置に投入できる。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は本発明の実施例に係るミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式ガスエンジンのミラー及び凹面鏡の配置を示す構成図、図２は前記レーザ着火式ガスエンジンの一部断面を含む全体構成図である。図３はミラーの取付構成図である。
【００２０】
全体構成を示す図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。
【００２１】
前記ピストン３３の表面には複数個のターゲット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが固着されている。該ターゲット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、直径５ｍｍ程度の小径薄肉円板からなり、好ましくはステンレス板にて構成しピストン３３の表面にコーティングにより固着されて該ピストン３３の半径方向に複数個設置されている。かかるターゲット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ自体の構成は公知である。
７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）は光ファイバーで、後述するレーザ発信装置１から照射（発信）されたレーザ光２を各シリンダに伝播するもので、各シリンダ毎にターゲット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと同数設けられている。
【００２２】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは前記各光ファイバー７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ出口のレーザ光２を集光する集光レンズ、９は該集光レンズ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで集光されたレーザ光２を前記各ターゲット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの方向に偏向するシールガラスである。該シールガラス９は透明な耐熱ガラスからなり、ガスケット４３との共働によって前記燃焼室３２内と外部との間のガスシールを行っている。４５は前記シールガラス９を固定するための中空の固定ねじ、４４は前記各光ファイバー７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの出口側端部を前記固定ねじ４５の内部に固定する固定具である。
【００２３】
１はレーザ光（レーザパルス）２を発信するレーザ発信装置、３は該レーザ発信装置１から発信されたレーザ光２を反射して後述する凹面鏡１０に入光するミラー、１１は回転駆動され前記ミラー３が取り付けられるミラー円盤、１３は該ミラー円盤１１の回転軸であるミラー回転軸、１４は該ミラー回転軸１３を駆動するミラー駆動モータである。
１０は後述するように配置された凹面鏡、１５は該凹面鏡１０を回転させて，該凹面鏡１０の向きを変化させる凹面鏡回転装置である。
【００２４】
２０は前記レーザ発信装置１から発信されるレーザ光２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。
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。
１００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、前記凹面鏡回転装置１５及び前記レーザ制御装置２０に制御操作信号を出力するものである。
【００２５】
前記ミラー３及び凹面鏡１０の配置構造を示す図１及び図３において、１１は円筒状のミラー円盤で、中心部にあるミラー回転軸１３がミラー駆動モータ１４に直結回転駆動されている。
該ミラー円盤１１の外周部には、円周方向に沿って複数個（この例では６個）のミラー３が等間隔に採り付けられている。１０は凹面鏡で、前記ミラー３と同数設けられている。
該凹面鏡１０は、前記各ミラー３で反射されたレーザ光を入光可能な位置であって、かつ前記各光ファイバー７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄに出光可能な位置に設けられている。
【００２６】
図３において、Ｕは各ミラー３の取付中心線、Ｔは各ミラー３の法線、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１は各ミラー３からのレーザ光２の反射方向を示す。
前記各ミラー３は、図３に示されるように、ミラーＡの法線ＴＡが取付中心線ＵＡに対して３０°、レーザ光２の反射方向Ａ１が取付中心線ＵＡに対して６０°というように、ミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤ、ミラーＥ、及びミラーＦに対して図３のように設定され、前記ミラー円盤１１に取り付けられている。
【００２７】
図１及び図３において、前記凹面鏡１０は、前記各ミラー３からのレーザ光２の反射方向、つまりミラーＡについてはＡ１の方向、ミラーＢについてはＢ１の方向、ミラーＣについてはＣ１の方向、ミラーＤについてはＤ１の方向、ミラーＥについてはＥ１の方向、ミラーＦについてはＦ１の方向に、前記各ミラー３からの反射レーザ光２が入光する位置に設置されて、前記凹面鏡回転装置１５により任意の向きに回転せしめられるようになっている。
【００２８】
次に、図１〜図２に基づき、かかる構成からなるレーザ着火式ガスエンジンの動作を説明する。
前記回転数検出器５１からのエンジンの回転数の検出値及び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１００に入力される。該コントローラ１００においては、前記エンジン回転数の検出値に従い当該回転数に対応するミラー駆動モータ１４の回転数を算出して該回転数信号を該ミラー駆動モータ１４に出力するとともに、前記エンジン回転数の検出値及びクランク角の検出値に基づき前記凹面鏡１０の回転角（凹面鏡１０の向き）の時間変化を算出して該回転角の時間変化の制御信号を前記凹面鏡回転装置１５に出力する。
さらに前記コントローラ１００においては、前記エンジン回転数の検出値に対応するレーザパルス発信間隔を算出し、前記ミラー３の回転角及び凹面鏡１０の回転角の時間変化とレーザパルス発信間隔とを同期させる制御信号を前記レーザ制御装置２０に入力する。
【００２９】
従って、前記レーザ発信装置１からのレーザ光２は、前記ミラー円盤１１のエンジン回転数に従う回転によって、各シリンダ毎のミラー３に入射され、該ミラー３に反射されてから、前記各ミラー３に対応して設置された凹面鏡１０に入光し、該凹面鏡１０で反射後に該凹面鏡１０の焦点（図１のＡ１１、Ｂ１１・・・）に集光する。
そして、該レーザ光２は前記焦点（Ａ１１、Ｂ１１・・・）に配置された光ファイバー７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の入口に順次投入せしめられ、該光ファイバー７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）を通って、該集光レンズ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで集光されてシールガラス９に入光し（９ａは入光面）、該シールガラス９によって前記各ターゲット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの方向に偏向されて、順次照射される。
【００３０】
前記ミラー３から凹面鏡１０を経て前記光ファイバー７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の入口へのレーザ光の伝送時において、図１に示されるように、レーザ発信装置１から発信されたレーザ光２を、回転するミラー円盤１１に所定の取付角（例えば３０°）で取り付けられたミラー３（例えばミラーＡ）で反射して、前記光ファイバー７の入口に投入する際において、該レーザ光２を複数パルス発信する場合には、１回目のパルス発信時に３ａの位置にあったミラー３が、２回目のパルス発信時には該ミラー円盤１１の回転により３ｂの位置に来る。
【００３１】
このため、前記ミラー３（例えばミラーＡ）で反射されて光ファイバー７の入口に向かうレーザ光２のパルスは、１回目のパルス発信時には２ａとなって前記凹面鏡１０に到達し、２回目のパルス発信時には２ｂとなって凹面鏡１０に到達して、該凹面鏡１０の反射面上においてずれが形成される。
然るにかかる実施例によれば、前記ミラー３から凹面鏡１０に入光される１回目のパルス２ａと２回目のパルス２ｂとの間（つまり複数パルスのレーザ光間）にパルス毎のずれが形成されていても、該パルス２ａ、２ｂが前記凹面鏡１０に到達した後は、該凹面鏡１０にて反射された後のレーザ光Ｍは該凹面鏡１０の焦点（例えばＡ１１）に集光し、前記のようなずれの形成が回避される。
従って、前記凹面鏡１０の焦点（例えばＡ１１）に光ファイバー７の入口を設定することにより、前記のような複数パルスのレーザ光２のずれが無くなり、該凹面鏡１０にて集光された１本のレーザ光となって、光ファイバー７の入口に投入することが可能となる。
これにより、前記のようなレーザ光のずれに伴うレーザエネルギーの損失の発生を回避できる。
尚、図１において、ＴＡ１はミラー３の位置３ａにおける法線、ＴＡ２はミラー３の位置３ｂにおける法線、Ａ１１、Ｂ１１、Ｃ１１、Ｄ１１、Ｅ１１、Ｆ１１は各ミラーＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの焦点である。
【００３２】
尚、前記凹面鏡１０をシリンダ数と同数設け、前記レーザ発信装置１から発信されたレーザ光２を、シリンダ毎に設けられたミラー３で反射し、該ミラー３の対応する前記各凹面鏡１０に入光し、該凹面鏡１０の反射レーザ光を集光して前記各シリンダの光ファイバー７の入口に伝送するように構成してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、レーザ光の光路に凹面鏡を設けたので、該凹面鏡に入光される複数パルスのレーザ光にパルス毎のずれが形成されていても、該凹面鏡から反射されるレーザ光は該凹面鏡の焦点に集光されることとなり、該焦点にレーザ伝送通路の入口を配置しておけば、前記複数パルスのレーザ光のずれが消滅して、凹面鏡にて集光された１本のレーザ光となって、レーザ伝送通路に投入することが可能となる。
これにより、前記レーザ光のずれに伴うレーザエネルギーの損失の発生を回避でき、従って、前記のようなレーザエネルギーの損失を補填するためのレーザ光供給システムの大型化を回避でき、これに伴いレーザ光供給システムの装置コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るミラー付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式ガスエンジンのミラー及び凹面鏡の配置を示す構成図である。
【図２】前記レーザ着火式ガスエンジンの一部断面を含む全体構成図である。
【図３】ミラーの取付構成図である。
【図４】従来技術の作動説明図である
【符号の説明】
１  レーザ発信装置
２  レーザ光
３  ミラー
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ  光ファイバー
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ  ターゲット
９  シールガラス
１０  凹面鏡
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  集光レンズ
１１  ミラー円盤
１３  ミラー回転軸
１４  ミラー駆動モータ
１５  凹面鏡回転装置
２０  レーザ制御装置
３１  シリンダヘッド
３２  燃焼室
３３  ピストン
３４  シリンダライナ
３６  クランク軸
３８  タイミング円板
５１  回転数検出器
１００  コントローラ
【図１】
2005042592.tif 000003
【図２】
2005042592.tif 000004
【図３】
2005042592.tif 000005
【図４】
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