(57)【要約】【課題】確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができると共に、着火に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができるレーザ着火装置を提供する。【解決手段】副燃焼室８５内の混合気に着火するためのレーザ着火装置１であって、副燃焼室８５の内部に配置されたターゲット部２０と、副燃焼室８５の外部に配置され、ターゲット部２０に照射するためのレーザ光Ｌを出射するレーザ光源１１と、を備える。レーザ光源１１はマイクロチップレーザである。【選択図】図１
2012219661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の混合気に着火するためのレーザ着火装置であって、
前記燃焼室内に配置されたターゲット部と、
前記燃焼室外に配置され、前記ターゲット部に照射するためのレーザ光を出射するレーザ光源と、
を備え、
前記レーザ光源はマイクロチップレーザであることを特徴とするレーザ着火装置。
【請求項２】
前記混合気に着火するためのプラズマを前記ターゲット部に発生させることができる前記レーザ光の強度範囲、及び前記レーザ光の集光点位置を調整する光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ着火装置。
【請求項３】
前記光学系は、前記強度範囲が前記ターゲット部を含み、かつ前記集光点位置が前記ターゲット部の手前に位置するように、前記強度範囲及び前記集光点位置を調整することを特徴とする請求項２に記載のレーザ着火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内の混合気に着火するためのレーザ着火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジンの効率を向上させる装置として、レーザ光を用いて燃焼室内の混合気に点火するレーザ着火装置が注目されている。例えば、特許文献１には、エンジンのピストン上面に設置された固体ターゲットにレーザ光を集光させてプラズマを発生させ、燃焼室内の混合気に着火するターゲットブレイクダウン方式のレーザ着火装置が記載されている。また、特許文献２には、混合気にレーザ光を集光させて着火するガスブレイクダウン方式のレーザ着火装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６‐２２００９１号公報
【特許文献２】特開２００６‐３２９１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたレーザ着火装置では、レーザ光の集光点位置を固体ターゲットに高精度に位置合わせしないとプラズマを発生させて混合気に着火することができないおそれがある。また、特許文献２に記載されたレーザ着火装置では、混合気に着火するために大きなレーザパワーが求められる。
【０００５】
そこで、本発明は、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができると共に、着火に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができるレーザ着火装置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】
【０００６】
本発明のレーザ着火装置は、燃焼室内の混合気に着火するためのレーザ着火装置であって、燃焼室内に配置されたターゲット部と、燃焼室外に配置され、ターゲット部に照射するためのレーザ光を出射するレーザ光源と、を備え、レーザ光源はマイクロチップレーザであることを特徴とする。
【０００７】
このレーザ着火装置では、レーザ光源にマイクロチップレーザを用いている。マイクロチップレーザから出射されるレーザ光は、単位面積当たりのエネルギーが大きいので、混合気に着火するためのプラズマをターゲット部において発生させることができるレーザ光の強度範囲を広く確保することが可能となる。したがって、レーザ光の集光点位置がターゲット部からずれたとしても、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができる。また、このレーザ着火装置では、燃焼室内に配置されたターゲット部と、燃焼室外に配置され、ターゲット部に照射するためのレーザ光を出射するレーザ光源とを備えている。このレーザ着火装置では、燃焼室内に配置されたターゲット部にレーザ光を照射してプラズマを発生させることにより混合気に着火する。ターゲットブレイクダウン方式によれば、ガスブレイクダウン方式よりも小さいエネルギーのレーザ光により着火できる。したがって、着火に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができる。
【０００８】
また、本発明のレーザ着火装置は、混合気に着火するためのプラズマをターゲット部に発生させることができるレーザ光の強度範囲、及びレーザ光の集光点位置を調整する光学系をさらに備えていることが好ましい。このような構成により、レーザ光の強度範囲及び集光点位置をターゲット部に対して所望の位置に調整することができる。
【０００９】
また、本発明のレーザ着火装置では、強度範囲がターゲット部を含み、かつ集光点位置がターゲット部の手前に位置するように、光学系が強度範囲及び集光点位置を調整することが好ましい。このように強度範囲を調節することにより、強度範囲にターゲット部が含まれるので、プラズマを発生させて混合気に着火することができる。さらに、このように集光点位置を調節することにより、集光点位置において混合気に直接に着火することができる。したがって、ターゲットブレイクダウン及びガスブレイクダウンを発生させることができるので、より確実に混合気に着火することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができると共に、着火に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係るレーザ着火装置を備えるエンジン装置の構成を説明するための図である。
【図２】本実施形態に係るレーザ着火装置の作用を説明するための図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ着火装置の効果を説明するための図である。
【図４】本実施形態に係るレーザ着火装置の第１実施例を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係るレーザ着火装置の第１実施例を説明するための図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ着火装置の第２実施例を説明するための図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ着火装置の第３実施例を説明するための図である。
【図８】本実施形態に係るレーザ着火装置の第４実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるレーザ着火装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は本実施形態に係るレーザ着火装置１を備えるエンジン装置１００の構成を説明するための図である。エンジン装置１００は、燃焼部５０とレーザ着火装置１とを備えている。
【００１４】
レーザ着火装置１について説明する。レーザ着火装置１は、レーザ光源１１、コリメータ１２、ミラー１３、レンズ１４、レンズ駆動部１６、ターゲット部２０、及びレーザ光制御部１５を備えている。
【００１５】
レーザ光源１１は燃焼部５０外に配置されている。レーザ光源１１は、ターゲット部２０に照射するためのレーザ光Ｌを出射する機能を有する。レーザ光源１１には、マイクロチップレーザが用いられる。マイクロチップレーザは、励起光源に半導体レーザ（ＬＤ）を用いた固体レーザである。レーザ光源１１は、励起光源１１ａ、レーザ共振器１１ｂ、及びパルス化手段１１ｃを備えている。励起光源１１ａには、例えば半導体レーザが用いられる。レーザ共振器１１ｂには、例えばＮｄ：ＹＡＧが用いられる。このレーザ共振器１１ｂは、長さが２０ｍｍ以下である。パルス化手段１１ｃは、例えば外部から強制的に変調する外部変調器、又は素子自体の特性により変調する可飽和吸収体のいずれか一方が用いられる。外部変調器には、例えば電気光学変調器（ＥＯＭ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）等を用いることができる。可飽和吸収体には、例えばＣｒ：ＹＡＧ、ＳＥＳＡＭ等を用いることができる。
【００１６】
コリメータ１２は、レーザ光Ｌの光路上に設けられている。コリメータ１２は、平行光線であるレーザ光Ｌを形成するために用いられる。
【００１７】
ミラー１３は、レーザ光Ｌの光路上に設けられている。レーザ光Ｌの光路を制御して、レーザ光導入部８４を介してターゲット部２０にレーザ光Ｌを導光する機能を有する。
【００１８】
レンズ１４は、レーザ光Ｌの光路上に設けられている。レンズ１４は、レーザ光Ｌの強度範囲、及びレーザ光Ｌの集光点位置Ｐの位置を調整する光学系である。レーザ光Ｌの強度範囲とは、混合気に着火するためのプラズマをターゲット部２０に発生させることができる範囲をいう。レンズ１４には、焦点距離の長いレンズを用いることが好ましい。レンズ１４には、例えば焦点距離が１００ｍｍのレンズ又は焦点距離が１５０ｍｍのレンズを用いることができる。
【００１９】
ターゲット部２０は、副燃焼室８５内に設けられている。本実施形態では、レーザ光導入部８４が設けられている壁面と反対側の壁面にターゲット部２０が設けられている。ターゲット部２０は、レーザ光Ｌが照射されることによりプラズマを発生させる機能を有する。
【００２０】
レーザ光制御部１５は、レンズ１４の位置を制御するレンズ駆動部１６に接続されている。レーザ光制御部１５は、レンズ駆動部１６を制御してレンズ１４をレーザ光Ｌの光路に沿った方向に移動させることにより、レーザ光Ｌの強度範囲及び集光点位置Ｐを調整する。レーザ光Ｌの集光点位置Ｐは、副燃焼室８５内に調整される。集光点位置Ｐは副燃焼室８５内においてターゲット部２０の表面上に調整されてもよいし、ターゲット部２０の手前に調整されてもよいし、又はレーザ光Ｌの光路上における所望の箇所に調整されてもよい。また、レーザ光Ｌの強度範囲は、強度範囲がターゲット部２０を含むように調整される。さらに、レーザ光制御部１５は、レーザ光源１１に接続されている。レーザ光制御部１５は、レーザ光源１１から照射されるレーザ光Ｌの、例えば繰り返し周波数、エネルギー、パルス幅、及び波長を制御する。
【００２１】
次に、燃焼部５０について説明する。燃焼部５０は、主燃焼部６０、副燃焼部８０及び圧力制御部９１、及びガス導入制御部９２を備えている。主燃焼部６０は燃焼室本体６１、ピストン６２、蓋部６３、主圧力調整部６４、主圧力計６５、及び主ガス導入部６６を備えている。燃焼室本体６１は円柱状の主燃焼室６７を有する。
【００２２】
燃焼室本体６１の一方の端部６１ａには蓋部６３が固定され、他方の端部６１ｂ側からピストン６２が挿入されている。ピストン６２は主燃焼室６７の中心軸６１ｃに沿った方向に移動可能に構成されている。このピストン６２が中心軸６１ｃに沿った方向に移動することにより、主燃焼室６７内の混合気を圧縮又は膨張させる。主圧力計６５は、主燃焼室６７の内壁面に設けられている。主圧力調整部６４及び主ガス導入部６６は燃焼室本体６１の外側面に設けられている。主圧力調整部６４は、燃焼室本体６１の外壁面から主燃焼室６７に貫通する貫通孔６４ａを介して主燃焼室６７と接続されている。主ガス導入部６６は、燃焼室本体６１の外壁面から主燃焼室６７に貫通する貫通孔６６ａを介して主燃焼室６７と接続されている。
【００２３】
副燃焼部８０は、燃焼室本体６１の外側の側面に設けられている。副燃焼部８０は副燃焼室本体８１、副圧力調整部８２、副ガス導入部８３、及びレーザ光導入部８４を備えている。副燃焼室本体８１は直方体状の副燃焼室８５を有する。
【００２４】
副燃焼室本体８１は、貫通孔８６を有している。貫通孔８６の一方の端部は副燃焼室８５の壁面に設けられ、他方の端部は主燃焼室６７の壁面に設けられている。貫通孔８６が設けられた壁面と互いに向かい合う別の壁面には、レーザ光導入部８４が設けられている。レーザ光導入部８４は例えば石英ガラスからなる。レーザ光導入部８４と互いに直交する一の壁面には、副ガス導入部８３が設けられ、他の壁面には副圧力調整部８２が設けられている。
【００２５】
圧力制御部９１は、主圧力調整部６４に接続されている。圧力制御部９１は主圧力調整部６４が備える弁を調整することにより、主燃焼室６７の内部圧力を制御する。また、圧力制御部９１は、副圧力調整部８２に接続されている。圧力制御部９１は副圧力調整部８２が備える弁を調整することにより、副燃焼室８５の内部圧力を制御する。
【００２６】
ガス導入制御部９２は、主ガス導入部６６に接続されている。ガス導入制御部９２は、主ガス導入部６６を介して所望の混合気を主燃焼室６７内に導入する。また、ガス導入制御部９２は、副ガス導入部８３に接続されている。ガス導入制御部９２は、副ガス導入部８３を介して所望の混合気を副燃焼室８５内に導入する。
【００２７】
以上のようにして構成されたレーザ着火装置１を備えたエンジン装置１００においては、まず、レーザ光源１１からレーザ光Ｌが出射される。レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌは、コリメータ１２を通過してミラー１３に到達する。ミラー１３に到達したレーザ光Ｌは、ミラー１３によりターゲット部２０に照射されるように光路の方向が転換される。光路の方向が転換されたレーザ光Ｌは、レンズ１４に到達する。レーザ光Ｌは、レンズ１４を通過するときに集光点位置Ｐに集光するように屈折される。レンズ１４を通過したレーザ光Ｌは、レーザ光導入部８４を通過して、例えばターゲット部２０の表面に集光される。
【００２８】
このとき、主燃焼室６７内及び副燃焼室８５内には、所望の混合比を有する混合気がガス導入制御部９２により導入されている。また、主燃焼室６７内及び副燃焼室８５内は、圧力制御部９１により所望の圧力に調整されている。レーザ光Ｌが集光されたターゲット部の２０の表面ではプラズマが発生する。このプラズマにより、副燃焼室８５に導入された混合気が着火され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、貫通孔８６を介して主燃焼室６７へ噴出される。この噴出された燃焼ガスにより、主燃焼室６７内に導入された希薄予混合気が着火され、急速に燃焼する。
【００２９】
図２は、本実施形態に係るレーザ着火装置１の作用を説明するための図であり、主燃焼室６７及び副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示している。主燃焼室６７の内部圧力は主圧力計６５により測定され、副燃焼室８５の内部圧力は圧力計８７により測定される。図２においてグラフＧ１は主燃焼室６７の内部圧力の経時変化を示し、グラフＧ２は副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示す。レーザ光Ｌは時間Ｔ１において照射される。グラフＧ１を参照すると、時間Ｔ１の後に急激に内部圧力が高まっており、主燃焼室６７内の混合気に着火されていることがわかる。また、主燃焼室６７の内部圧力と副燃焼室８５の内部圧力との圧力差ΔＰが大きいほど燃焼しやすく、燃焼効率が高いことが予想される。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ着火装置１では、レーザ光源１１にマイクロチップレーザを用いている。図３を参照して、マイクロチップレーザが奏する作用効果を説明する。図３は、本実施形態に係るレーザ着火装置１の作用効果を説明するための図である。図３の（ａ）部は従来のレーザ光源から出射されるレーザ光ＬＨが有する強度範囲Ｉ１を示している。図３の（ｂ）部は本実施形態に係るレーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌが有する強度範囲Ｉ２を示している。レーザ光ＬＨが有するエネルギーは、レーザ光Ｌが有するエネルギーと同じであるとする。図３の（ａ）部と図３の（ｂ）部とを参照すると、レーザ光ＬＨと同じエネルギーを有するレーザ光Ｌであっても、レーザ光Ｌはレーザ品質を示すＭ２値を１．２以下にできるので、レーザ光Ｌの光径を例えば数ｍｍに設定できる。そのため、レーザ光Ｌの単位面積当たりのエネルギー量を高めることができる。このため、混合気に着火するためのプラズマをターゲット部２０に発生させることができるレーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２を広く確保することが可能となる。したがって、レーザ光の集光点位置Ｐがターゲット部２０からずれたとしても、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができる。
【００３１】
また、レーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２を広く確保することが可能となるので、中心軸６１ｃに沿った方向に移動するピストン６２の上面６２ａにターゲット部２０を配置したときでも、上面６２ａの移動範囲がレーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２に含まれていれば、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができる。また、複数の集光点位置Ｐにおいて同時に着火させる方法と同等の効果を有する。また、マイクロチップレーザは、レーザ媒質を半導体レーザと同等の寸法にすることができるので、レーザ光源１１を容易に小型にすることができる。
【００３２】
また、本実施形態に係るレーザ着火装置１では、副燃焼室８５内に配置されたターゲット部２０と、副燃焼室８５外に配置され、ターゲット部２０に照射するためのレーザ光Ｌを出射するレーザ光源１１とを備えている。レーザ着火装置１では、副燃焼室８５内に配置されたターゲット部２０にレーザ光Ｌを照射してプラズマを発生させることにより、混合気に着火する。このようなターゲットブレイクダウン方式による着火方式では、混合気を直接に着火するガスブレイクダウン方式よりも着火に必要なレーザ光Ｌのエネルギーが小さい。したがって、着火に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができる。さらに、レーザ光導入部８４を透過するレーザ光Ｌのエネルギーを低減することができるので、レーザ光導入部８４が損傷する可能性を低減することが可能となる。また、ターゲット部２０に照射されるレーザ光Ｌのエネルギーを低減することができるので、プラズマが発生することにより減少するターゲット部２０の減少量を低減することができる。したがって、レーザ光導入部８４及びターゲット部２０を交換する回数を低減することが可能となるので、レーザ着火装置１の寿命を長くすることができる。そして、レーザ光Ｌのエネルギーが小さいので、レーザ光Ｌを制御するレーザ光制御部１５を容易に小型にすることができる。また、レーザ着火装置１の製造コストを低減することができる。
【００３３】
また、ターゲット部２０の損耗により集光点位置Ｐとターゲット部２０の位置とに徐々にずれが生じる。そのため、従来のターゲットブレイクダウン方式を用いた着火装置では、レーザ光の集光点位置の調整、又はターゲット部の交換が必要である。一方、本実施形態に係るレーザ着火装置１では、レーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２を広く確保することができるので、集光点位置Ｐを頻繁に調整したり、ターゲット部２０を交換することなく、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができる。
【００３４】
また、従来のプラグを用いた着火装置では、燃焼室内の圧力が高くなると放電電圧が高まるので、プラグの寿命が短くなる。一方、本実施形態に係るレーザ着火装置１は、レーザ光Ｌをターゲット部２０に照射して発生させたプラズマにより混合気に着火するので、プラグを用いる必要がない。したがって、プラグを用いた着火装置よりもレーザ着火装置１の寿命を長くすることができる。
【００３５】
また、本実施形態に係るレーザ着火装置１は、混合気に着火するためのプラズマをターゲット部２０に発生させることができるレーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２、及びレーザ光Ｌの集光点位置Ｐを調整する光学系であるレンズ１４をさらに備えていることが好ましい。このような構成により、レーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２及び集光点位置Ｐをターゲット部２０に対して所望の位置に調整することができる。
【００３６】
また、本実施形態に係るレーザ着火装置１では、光学系であるレンズ１４により、強度範囲Ｉ２がターゲット部２０を含み、かつ集光点位置Ｐがターゲット部２０の手前に位置するように、強度範囲Ｉ２及び集光点位置Ｐを調整することが好ましい。このようにレーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２を調整することにより、レーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２にターゲット部２０が含まれるので、確実にプラズマを発生させて混合気に着火することができる。さらに、レーザ光Ｌの集光点位置Ｐをターゲット部２０の手前に調節する、すなわち副燃焼室８５内における混合気に集光点位置Ｐを調節することにより、集光点位置Ｐにおいて混合気に直接に着火することができる。したがって、ターゲットブレイクダウン及びガスブレイクダウンを共に発生させることができるので、より確実に混合気に着火することができる。さらに、希薄な予混合気や低発熱量の燃料を燃焼させるときには、ターゲット部２０への熱損失が問題となる。一方、本実施形態に係るレーザ着火装置１は、ターゲットブレイクダウンとガスブレイクダウンを同時に発生させることができるので、上述した問題を解決することができる。特に、燃焼速度の遅いバイオガス等の利用時に有用である。
【００３７】
＜実施例１＞
本実施形態に係るレーザ着火装置１を備えるエンジン装置１００を用いて、本実施形態に係るレーザ着火装置１の効果を確認した。マイクロチップレーザであるレーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌは、（１）パルスの繰り返し周波数を数Ｈｚ以上、（２）エネルギーを１パルスあたり０．１５ｍＪ以上、（３）パルス幅を１ｎｓｅｃ以下、（４）ビーム品質を１．２以下、（５）レーザ波長を混合気の吸収波長領域である５３２ｎｍに設定した。また、主燃焼室６７及び副燃焼室８５は、（１）副燃焼室容積を２．４５ｃｍ３、（２）燃焼時の主燃焼室容積を７５．６０ｃｍ３、（３）圧縮比を７．２９、（４）圧縮前温度を８０℃に設定した。燃料にはメタンを用いた。メタンと空気の混合比を示す等量比は、主燃焼室６７では０．６に設定し、副燃焼室８５では１．２５に設定した。また充填圧は、主燃焼室６７では０．３４８ＭＰａに設定し、副燃焼室８５では０．３４８ＭＰａに設定した。
【００３８】
図４及び図５は本実施形態に係るレーザ着火装置１の効果を説明するための図であり、主燃焼室６７及び副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示している。図４は、エネルギーを１パルスあたり０．９４ｍＪに設定したレーザ光Ｌをターゲット部２０に照射して、主燃焼室６７内の混合気を燃焼させたときの内部圧力の経時変化を示している。さらに、図４のグラフＧ３は主燃焼室６７の内部圧力の経時変化を示し、グラフＧ４は副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示す。グラフＧ３を確認すると、区間Ｚ１において内部圧力が急激に高まっているので、この区間Ｚ１において主燃焼室６７内の混合気の燃焼が発生したことがわかる。
【００３９】
図５は、エネルギーを１パルスあたり０．２１ｍＪに設定したレーザ光Ｌをターゲット部２０に照射して、主燃焼室６７内の混合気を燃焼させたときの内部圧力の経時変化を示している。さらに、図５のグラフＧ５は主燃焼室６７の内部圧力の経時変化を示し、グラフＧ６は副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示す。グラフＧ５を確認すると、区間Ｚ２において内部圧力が急激に高まっているので、この区間Ｚ２において主燃焼室６７内における混合気の燃焼が発生したことがわかる。
【００４０】
＜実施例２＞
次に、着火可能なレーザ光Ｌのエネルギーについて確認した。ここでは、レーザ光Ｌの集光点位置Ｐを所望の位置に調節し、レーザ光Ｌのエネルギーを変化させて主燃焼室６７の混合気に着火できるか否かを確認した。レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌをコリメータ１２によりコリメートし、レンズ１４により集光してターゲット部２０に照射した。集光点位置Ｐは、ターゲット部２０のレーザ光Ｌの照射面から２ｍｍ手前に調節された。
【００４１】
図６は、ターゲット部２０に照射されたレーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギーと着火の成否との関係を示す。点Ｄ１から点Ｄ８の各点は、着火が成功したことを示す。点Ｄ１から点Ｄ７の各点はレンズ１４が有する焦点距離が１００ｍｍである場合の結果を示す。点Ｄ８はレンズ１４が有する焦点距離が１５０ｍｍである場合の結果を示す。図６の点Ｄ１から点Ｄ７を確認すると、焦点距離が１００ｍｍのレンズ１４を用いた場合には、１パルスあたりのエネルギーが０．２１ｍＪから０．９４ｍＪの範囲において着火が成功していることがわかる。さらに、図６の点Ｄ８を確認すると、焦点距離が１５０ｍｍのレンズ１４を用いた場合には、１パルスあたりのエネルギーが０．１５ｍＪの場合でも着火が成功していることがわかる。これは、レーザ光源１１にマイクロチップレーザを用いており、且つ長い焦点距離を有するレンズ１４を備えているので、レーザ光Ｌのエネルギーを例えば１パルスあたり０．１５ｍＪまで低減しても着火が可能であることを示している。
【００４２】
＜第３実施例＞
次に、レーザ光Ｌの強度範囲Ｉ２の長さを確認した。ここでは、レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギーを所望の量に設定し、集光点位置Ｐを変化させて主燃焼室６７内の混合気に着火できるか否かを確認した。本実施例では、レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギーを０．７ｍＪに設定した。また、本実施例では、集光点位置Ｐについて、ターゲット部２０の手前側を正の方向とし、手前側と逆の方向を負の方向と設定した。そして、集光点位置Ｐを＋２ｍｍから−１０ｍｍの間で段階的に調整した。図７は、集光点位置Ｐと着火の成否との関係を示す。点Ｍ１から点Ｍ１１は、着火が成功したことを示す。図７を参照すると、ターゲット部２０に対して＋２ｍｍから−１０ｍｍの間に集光点位置Ｐを調整したときには、主燃焼室６７内の混合気に着火できることがわかる。したがって、本実施形態に係るレーザ着火装置１を上述した条件において動作させた場合には、長さが１２ｍｍの強度範囲Ｉ２を確保できていることを確認した。
【００４３】
＜第４実施例＞
次に、ガスブレイクダウンによる着火の成否を確認した。本実施例では、（１）副燃焼室容積を９．６ｃｍ３、（２）燃焼時の主燃焼室容積を１６８ｃｍ３、（３）圧縮比を６．２８、（４）圧縮前温度を１００℃に設定した。さらに、メタンと空気の混合比を示す等量比は、主燃焼室６７では０．６に設定し、副燃焼室８５では１．２５に設定した。また充填圧は、主燃焼室６７では０．２５０ＭＰａに設定し、副燃焼室８５では０．２５０ＭＰａに設定した。レーザ光Ｌの集光点位置Ｐの位置は、ターゲット部２０の手前１０ｍｍの位置に調整した。この集光点位置Ｐは、副燃焼室８５の上下壁の中央である。レーザ光Ｌの波長は５３２ｎｍに設定した。レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギーを１．０２ｍＪに設定した。レンズ１４は、焦点距離が１５０ｍｍのレンズを用いた。上述した設定は、副燃焼室８５内における混合気に集光するガスブレイクダウンを発生させることを狙ったものである。
【００４４】
図８は、主燃焼室６７及び副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示す。グラフＧ７は副燃焼室８５の内部圧力の経時変化を示し、グラフＧ８は主燃焼室６７の内部圧力の経時変化を示す。図８のグラフＧ７を参照すると、区間Ｚ３において、副燃焼室８５の内部圧力が急激に高まっていることがわかる。本実施形態に係るレーザ着火装置１を上述したような条件で動作させることにより、ガスブレイクダウンによる着火が可能であることが確認された。
【００４５】
＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係るレーザ着火装置１は、自動車用エンジンだけでなく、コージェネレーションシステムに用いられるガスエンジンに適用することもできる。本発明に係るレーザ着火装置１を適用することにより、コージェネレーションシステムの熱効率を向上させることができる。また、プラグよりも寿命を長くできるので、メンテナンス費用を削減できる。
【符号の説明】
【００４６】
１…レーザ着火装置、１１…レーザ光源、２０…ターゲット部、６７…主燃焼室、８５…副燃焼室、Ｌ…レーザ光。
【図１】
2012219661.tif 000003
【図２】
2012219661.tif 000004
【図３】
2012219661.tif 000005
【図４】
2012219661.tif 000006
【図５】
2012219661.tif 000007
【図６】
2012219661.tif 000008
【図７】
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【図８】
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