(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生するレーザ装置から出射されたレーザ光を、シリンダヘッドのレーザ光通路に設けられた集光用のレンズ及び入射用の透明窓を経て燃焼室に透過せしめ、燃焼室内にプラズマを発生させることにより、同燃料室内に噴射された燃料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、上記レーザ装置とレンズとの間に、上記レーザ光を複数の光束に分割する分割手段を設置し、分割された上記光束を上記レンズに互いに異なった位置から入射させ上記燃焼室内の一点で集光させるよう構成したことを特徴とするエンジンのレーザ光入射装置。
【請求項２】
上記分割手段が、上記レーザ光を複数の平行な光束に分割するように構成された請求項１記載のエンジンのレーザ光入射装置。
【請求項３】
レーザ光を発生するレーザ装置から出射されたレーザ光を、シリンダヘッドのレーザ光通路に設けられた集光用のレンズ及び入射用の透明窓を経て燃焼室に透過せしめ、燃焼室内にプラズマを発生させることにより、同燃料室内に噴射された燃料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、上記レーザ装置とレンズとの間に、上記レーザ光を複数の互いに交叉する光束に分割する分割手段を設置したことを特徴とするエンジンのレーザ光入射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はメタノールエンジン等、比較的難着火性の液体燃料を使用する液体燃料エンジンのレーザ光入射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタノール等の比較的難着火性の液体燃料を使用する液体燃料エンジンにおいては、レーザ光によって噴射燃料中にプラズマを発生せしめて、これを着火燃焼せしめる手段が提供されている。
【０００３】
かかるレーザ光着火装置の従来の１例が図３に示されている。図３において、４はエンジンのシリンダヘッド、６はピストン、２０は燃焼室、８は同燃焼室２０内に燃料を噴射する噴射ノズルである。
【０００４】
１はレーザ光を発生するレーザ装置、、３は集光用のレンズ、５は上記燃焼室２０に臨んで設けられた入射用の透明な窓である。
【０００５】
上記のように構成されたレーザ光着火装置において、メタノール燃料に間接的に着火せしめる場合は、レーザ装置１から出射されたレーザ光２はレンズ３で集光され、シリンダヘッド４に、燃焼室２０に臨んで設けられた窓５を透過して、ピストン６の上面に焦点を結んでプラズマ光７を発生し、噴射ノズル８から噴射されたメタノール燃料９を着火燃焼せしめる。
【０００６】
またメタノール燃料に直接着火せしめる場合は、噴射されたメタノール燃料９上に集光しプラズマを発生させて、上記と同様にメタノール燃料９を着火燃焼せしめる。上記レーザ光２の発生タイミングは、図示しないエンジン回転検出装置により制御され、メタノール燃料９の噴射と同期して燃焼に最適なタイミングで発光する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の液体燃料エンジンのレーザ光入射装置には、次のような問題点がある。即ち、レーザ装置１から出射されレンズ３で集光され燃焼室２０への入射用の窓５を透過するレーザ光２は、上記レンズ３で集光されたときのレーザ光よりも細くなっている。
【０００８】
このため、上記燃焼室２０のレーザ集光装置がレーザ入射用の窓５に近い場合、この窓５を透過するレーザ光は細く集光されることとなり、窓５の位置でのレーザ光２のエネルギ密度がガラスの耐エネルギ強度以上となって、ガラス製の上記窓５が破損することがある。
【０００９】
また、上記レーザ光２の発光時間はごく短時間で、レーザ光２の焦点位置近傍にメタノール燃料の粒子が少なければプラズマを発生させることができず、又、発生してもそのエネルギは極く弱いため、最初の着火燃焼を周囲のメタノール燃料に伝播させることができないことから、確実な燃焼が持続できない。
【００１０】
本発明の第１の目的は、レーザ光による良好な着火・性能を保持しつつ入射用の窓の破損の発生を防止し、耐久性、信頼性が向上せしめられたレーザ着火式エンジンを提供することである。また第２の目的は、燃焼室内におけるプラズマの発生部位を拡大することにより、着火性が向上し、安定した着火・燃焼がなされるレーザ着火式エンジンを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記のような、レーザ光を利用して、メタノール燃料等の比較的難着火性の燃料に着火するようにしたエンジンのレーザ光の入射装置において、レーザ光入射用の窓と、燃焼室内のレーザ光が焦点を結ぶべき位置が近い場合、上記窓の破損を避けるには、窓におけるエネルギ密度を小さくすることにより、レンズの焦点距離を短くするか、あるいはレンズに入射するレーザ光のビーム径を大きくすることが考えられる。
【００１２】
然るに、レンズにより集光されたレーザ光の直径は、レンズの焦点距離に比例し、レンズに入射するレーザ光の直径に反比例する。このため、レンズの焦点距離を短くしたり、レーザ光の径を大きくすると、燃焼室内の焦点位置でのビーム径が小さくなり、またプラズマが発生する領域が狭くなるため、プラズマが燃料と衝突する確率が小さくなることにより、着火し難くなる。
【００１３】
本発明はかかる現象の発生を避けるためにレーザ光を複数に分割して燃焼室内に入射するようにしたものであり、その要旨とする具体的手段は、レーザ光を発生するレーザ装置から出射されたレーザ光を、シリンダヘッドのレーザ光通路に設けられた集光用のレンズ及び入射用の透明窓を経て燃焼室に透過せしめ、燃焼室内にプラズマを発生させることにより、同燃料室内に噴射された燃料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、上記レーザ装置とレンズとの間に、上記レーザ光を複数の光束に分割する分割手段を設置し、分割された上記光束を上記レンズに互いに異なった位置から入射させ上記燃焼室内の一点で集光させるよう構成したことを特徴とするエンジンのレーザ光入射装置にある。
【００１４】
上記手段によれば、レーザ装置から出射されたレーザ光は上記集光用のレンズに入る前にビームスプリッタ及び反射ミラー等の分割手段により上記出射されたレーザ光に対して複数の光束に分割される。そして、上記分割手段によって複数のレーザ光のレンズ及び窓を経た入射方向を調整することにより、複数レーザ光のレンズでの透過状態及び燃焼室内での集光状態が調整可能となる。
【００１５】
そこで、好適な具体的手段は、上記手段において、上記分割手段を、上記レーザ光を複数の平行な光束に分割するように構成することである。
【００１６】
かかる手段によれば、上記ビームスプリッタと反射ミラー等の分割手段を複数個配し、分割されたそれぞれのレーザ光の強度を元のレーザ光の強度より小さくする。これらのレーザ光は集光用のレンズに互いにずれた位置から入射せしめられるが、燃焼室内において各レーザ光はレンズの焦点で一点に集光せしめられる。このため燃焼室内ではプラズマを発生させるのに足りるレーザ強度を有するが、レーザ光の入射用の窓でのレーザ光のエネルギ強度は、単一のレーザ光で入射した場合よりごく小さいエネルギ密度に抑えることができ、窓の耐エネルギ強度以下にせしめる。これによって窓の破損が防止される。
【００１７】
さらに他の好適な具体的手段は、上記分割手段が、上記レーザ光を複数の互いに交叉する光束に分割するように構成されたことである。
【００１８】
かかる手段によれば、ビームスプリッタと反射ミラー等の分割手段を複数個配してレーザ光を互いに交叉するように複数に分割する。これらのレーザ光は集光用のレンズに入射された後、燃焼室内の異なった位置に集光せしめられる。このため、レーザ光のプラズマ発生領域を増すことができ、メタノール燃料等の難着火性燃料の着火確率を高くすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図２を参照して本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１には本発明の実施の第１形態に係る液体燃料エンジンの着火装置の構成図が示されている。
【００２０】
図１において、４はエンジンのシリンダヘッド、６はピストン、２０は同ピストン６の上面とシリンダヘッド４の下面との間に形成される燃焼室、８は同燃焼室内にメタノール等の液体燃料を噴射する噴射ノズルである。
【００２１】
１はレーザ光２を発射するレーザ装置、３はシリンダヘッド４のレーザ光通路孔４１の上部に固着された集光用のレンズ、５は上記レーザ光通路孔４１の下部に上記燃焼室２０に臨んで固着され透明体からなる入射用の窓である。
【００２２】
１０ａ，１０ｂは上記レーザ装置１からのレーザ光２の光線路中に直列に設けられた複数個（この実施形態では２個）のビームスプリッタ、１１ａ，１１ｂは反射ミラーである。
【００２３】
上記のように構成されたレーザ光による着火装置において、レーザ装置１から出射されたレーザ光２は、ビームスプリッタ１０ａでその一部を反射されて全反射用の反射ミラー１１ａでレーザ光２と平行になるように反射されレーザ光２ａとなる。上記ビームスプリッタ１０ａを透過したレーザ光２は、次いでビームスプリッタ１１ｂでその１部を反射されて全反射用の反射ミラー１１ｂで上記レーザ光２と平行になるように反射されレーザ光２ｂとなる。このとき上記ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂの反射率は、ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂによって分割された後のレーザ光２ａ，２ｂ，２ｃの強度が等しくなるように選定する。この実施形態の場合、１１ａの反射率は３３％、１１ｂの反射率は５０％にする。
【００２４】
上記ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂで分割されたレーザ光２ａ，２ｂ，２ｃはレンズ３に異なった位置から入射して集光され、エンジンのシリンダヘッド４に設けられた窓５を透過して燃焼室２０内のレンズ焦点で集光する。ピストン６から発生するプラズマで着火させる場合はピストン６上に集光させてプラズマ光７を発生せしめ、噴射ノズル８から噴射されたメタノール燃料９を着火燃焼させる。また同メタノール燃料９に直接着火する場合は、噴射されたメタノール燃料９に集光しプラズマ光７を発生せしめて、上記と同様にメタノールを着火燃焼させる。
【００２５】
図２には本発明の実施の第２形態に係る液体燃料エンジンのレーザ光による着火装置の構成図が示されている。この実施形態においては、複数のビームスプリッタで一部を反射されこれに対応する複数の全反射ミラーで反射されたレーザ光を集光用のレンズを介して燃焼室２０内の異なる位置で集光させ、レーザ光のプラズマ発生領域を拡大するように構成されている。
【００２６】
即ち図２において、１０ｂ，１０ａはビームスプリッタ、１１ａは同ビームスプリッタ１０ａからのレーザ光を全反射する反射ミラー、１１ｂは上記ビームスプリッタ１０ｂからのレーザ光を全反射する反射ミラーであり、これらビームスプリッタ１０ａ，１０ｂ及び反射ミラー１１ａ，１１ｂは後述するように、同反射ミラー１１ａ，１１ｂから集光用のレンズ３を経たレーザ光が燃焼室２０内の異なる位置で集光するようにその位置及び角度が設定されている。
【００２７】
上記のように構成されたレーザ光による着火装置において、レーザ装置１から出射されたレーザ光２は、ビームスプリッタ１０ｂでその一部が反射され、さらに全反射用の反射ミラー１１ｂで反射されレーザ光２ｂ’となる。一方、ビームスプリッタ１０ｂを透過した方のレーザ光２は、次にビームスプリッタ１１ａでその一部が反射され、さらに全反射用の反射ミラー１１ａで反射されレーザ光２ａとなる。
【００２８】
従って、レーザ装置１から出射されたレーザ光２は、ビームスプリッタ１０ｂ，１０ａ及び全反射用の反射ミラー１１ｂ，１１ａにより、互いに交叉する３つのレーザ光２ａ，２ｂ，２ｃに分割されることとなる。このとき上記ビームスプリッタ１０ｂ，１０ａの反射率は、分割された後のレーザ光強度が等しくなるように選定し、この実施形態においては、反射ミラー１１ａは３３％、反射ミラー１１ｂは５０％にする。
【００２９】
上記のようにしてビームスプリッタ１０ａ，１０ｂで分割された互いに交叉するレーザ光２ａ，２ｂ，２ｃは集光用のレンズ３に異なった位置から入射して、シリンダヘッド４に設けられた窓５を透過して燃焼室２０のレンズ焦点で集光せしめられ、噴射ノズル８から噴射されたメタノール燃料９の噴霧からプラズマ光７ａ，７ｂ，７ｃを発生させ、メタノール燃料９を着火燃焼せしめる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、本発明によれば、レーザ装置とレンズとの間に設けた分割手段によって分割されたレーザ光の、レンズ及び窓と経た入射方向を調整することにより、複数のレーザ光がレンズに異なった位置から入射するよう透過状況を変え、燃焼室内で一点で集光させるよう集光状態を調整することができる。
【００３１】
そして請求項２のように構成すれば、レーザ光を平行な複数の光束に分割してレンズに入射することにより、レーザ入射用の窓におけるレーザ光の強度を小さくすることができるとともに、レンズの焦点位置でのエネルギ強度は分割前のレベルを確保できるため、燃料への着火性能は良好に保持される。これによって、良好な着火性能を保持して入射用の窓の破損を防止することができ、耐久性、信頼性が向上されたレーザ着火式エンジンが得られる。
【００３２】
また、請求項３のように構成すれば、レーザ光を互いに交叉するような複数の光束に分割してレンズに入射することにより、燃焼室内におけるプラズマの発生領域を拡大することができ、レーザが集光した各点で燃料に着火燃焼させることができるので、難着火性燃料等ができ、安定した着火、燃焼を保持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係るレーザ着火式エンジンのレーザ光入射装置の構成図。
【図２】本発明の実施の第２形態に係る図１応当図。
【図３】従来のレーザ光入射装置の１例を示す図１応当図。
【符号の説明】
１                      レーザ装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ    レーザ光
３                      レンズ
４                      シリンダヘッド
５                      窓
６                      ピストン
７ａ，７ｂ，７ｃ        プラズマ
８                      噴射ノズル
９                      メタノール燃料
１０ａ，１０ｂ          ビームスプリッタ
１１ａ，１１ｂ          反射ミラー
２０                    燃焼室
４１                    レーザ光通路孔
【図１】
0004021954.tif 000002
【図２】
0004021954.tif 000003
【図３】
0004021954.tif 000004