(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関燃焼室内の所定の集光点にレーザ光を集光して、内燃機関の混合気に点火するレーザ点火装置において、
筒内気流に対して逆方向に向かう渦流を上記集光点近傍に発生せしめる渦流発生手段として、上記集光点近傍において、上記燃焼室内に向かって突出する突起部を設けたことを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項２】
上記渦流発生手段は、上記筒内気流に対して、上記集光点の上流側に設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項３】
上記突起部は、上記筒内気流に対して、上記集光点の下流側に設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項４】
上記突起部は、上記集光点との位置において、上記筒内気流の流れ方向対して直交方向の側面側に設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項５】
上記突起部は、平板状に形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
【請求項６】
上記突起部は、上記集光点を覆うように略椀型に形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
【請求項７】
上記突起部は、１以上の貫通孔を具備することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
【請求項８】
上記レーザ発振部は、レーザ光を発振するレーザ発振器と該レーザ発振器の発振パルスを制御する発振パルス制御装置とで構成し、１回の点火に対して所定の発振間隔で複数回のレーザ発振を行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置の着火性の向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジン等の内燃機関においては、燃焼排気中に含まれる、窒素酸化物、二酸化炭素等の環境荷物質の低減を図るべく、更なる燃費の向上、希薄化が望まれている。燃焼効率の向上と環境負荷の低減とを同時に実現可能な機関として、機関燃焼室内にレーザ光を集光して、高いエネルギ状態とし、従来の点火プラグでは火炎伝播できない希薄な混合気を効率的に燃焼させるレーザ点火装置について種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、内燃機関の希薄化に対して、燃料と空気との混合を良好にし、燃焼効率の向上を図るべく、筒内にタンブル渦等の気流を発生させることにより、機関燃焼室内の混合気の流動を強くする傾向にある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４２５９１号公報
【特許文献２】特開平９−３２４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、レーザ発振により燃焼室内に形成された火炎核が、筒内の強い気流に乗って流されてしまう虞がある。その結果、火炎核は、その周囲の限られた混合気のみに伝播するしかなく、燃焼速度が低下し、不安定な着火となる虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、筒内気流の強い難着火性内燃機関の燃焼室内にレーザ発振を行って点火を行うレーザ点火装置において、安定した着火を実現できる信頼性の高いレーザ点火装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明では、内燃機関燃焼室内の所定の集光点にレーザ光を集光して、内燃機関の混合気に点火するレーザ点火装置において、筒内気流に対して逆方向に向かう渦流を上記集光点近傍に発生せしめる渦流発生手段として、上記集光点近傍において、上記燃焼室内に向かって突出する突起部を設ける。
【０００８】
請求項１の発明によれば、上記筒内気流が、上記渦流発生手段として設けた上記突起部に衝突したときに、その周辺に上記集光点近傍において筒内気流とは逆方向に向かう渦流が発生するので、集光点に集光されたレーザ光のエネルギによって発生した初期火炎核が上記集光点の近傍に滞留すると共に初期火炎核に乱れが生じる。このため、初期火炎核の周囲の混合気との反応性が向上し、エネルギの高い拡大火炎核へと成長し、燃焼速度が加速度的に上昇する。
また、上記筒内気流に対して上記突起部の下流側は特に気流の速度が遅くなり、淀み部が形成される。上記初期火炎核が該淀み部に保持され、これに、上記筒内気流によって次々と混合気が送り込まれ、更に、上記渦流によって該混合気が上記初期火炎核内に取り込まれる。
このため、極めて反応性の高い拡大火炎核へと成長し、燃焼速度が加速度的に上昇する。
したがって、筒内気流を強化した難着火性の希薄燃焼機関においても安定した着火を示すレーザ点火装置が実現できる。
【００１１】
また、請求項２の発明のように、上記突起部は、上記筒内気流に対して、上記集光点の上流側に設けても良いし、請求項３の発明のように、上記突起部は、上記筒内気流に対して、上記集光点の下流側に設けても良い。
更に、請求項４の発明のように、上記突起部は、上記集光点との位置において、上記筒内気流の流れ方向対して直交方向の側面側に設けても良い。
【００１２】
請求項２ないし４のいずれの発明においても、上記突起部の周辺に渦流が形成されて、火炎核の成長が促進されるので、極めて着火性に優れたレーザ点火装置が実現できる。
【００１３】
更に具体的には、請求項５の発明のように、上記突起部は、平板状に形成する。
【００１４】
請求項５の発明によれば、上記筒内気流が上記突起部に衝突した時に上記突起部の周辺に渦流が形成されされて、火炎核の成長が促進されるので、極めて着火性に優れたレーザ点火装置が実現できる。
【００１５】
請求項６の発明では、上記突起部は、上記集光点を覆うように略椀型に形成する。
【００１６】
請求項６の発明によれば、上記突起部で発生する渦流の回転力が増強され、初期火炎核と混合気とが良好に撹拌される。このため燃焼速度が更に加速され、極めて反応性の高い拡大火炎核に成長する。したがって、更に着火性に優れたレーザ点火装置を実現できる。
【００１７】
請求項７の発明では、上記突起部は、１以上の貫通孔を具備する。
【００１８】
請求項７の発明によれば、上記突起部の周辺に形成される渦流に加え、上記貫通孔を通過する気流及びその気流の周囲にも渦流が発生し、集光点近傍に複雑な気流の乱れが生じる。このため、初期火炎核と混合気とが良好に撹拌され、燃焼速度が更に加速され、極めて反応性の高い拡大火炎核に成長する。したがって、更に着火性に優れたレーザ点火装置を実現できる。
【００１９】
請求項８の発明では、上記レーザ発振部は、レーザ光を発振するレーザ発振器と該レーザ発振器の発振パルスを制御する発振パルス制御装置とで構成し、１回の点火に対して所定の発振間隔で複数回のレーザ発振を行う。
【００２０】
請求項８の発明によれば、渦流による初期火炎核の乱れに加えて、複数回のレーザ光を所定の発振間隔で照射することにより、初期火炎核に複数回に渡りエネルギを与えつつ、初期火炎核に乱れを発生させることができる。初期火炎核の表面積を拡大しつつ、初期火炎核の周囲に存在する混合気との撹拌を促して、拡大火炎核の飛躍的な成長を図ることができる。このため、極めて高いエネルギを持ち反応性に優れた拡大火炎核に成長するので、更に着火性に優れたレーザ点火装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１の全体構成について、図１を参照して説明する。
レーザ点火装置１は、レーザ光を所定の発振周期で発振するレーザ発振部１０と、内燃機関３０のシリンダヘッド２１０に載置される集光部１２とレーザ発振部１０と集光部１２とを繋ぐ送光部１１とによって構成されている。内燃機関３０の運転状況に応じて電子制御装置ＥＣＵ２０から発せられる点火信号に従って、発振パルス制御装置ＰＣＵ１００が、レーザ発信装置１０１からのレーザ発振を制御している。送光部１１を介して集光部１２ｚに入光されたレーザ光は、内燃機関３０の燃焼室３００内における特定の集光点ＦＰに集光され、極めて高いエネルギが集光点ＦＰに集中し、火炎核を形成することができる。本実施形態において、集光部１２の先端側には、本発明の要部である、渦流発生手段として、燃焼室３００内に向かって突出する略平板状の突起部１３が形成されている。尚、突起部１３は、集光部１２の先端に形成しても良いし、集光部１２を固定しているシリンダヘッド１３の一部を燃焼室内に向かって突設するように形成しても良い。本実施形態において、突起部１３は、筒内気流に対して集光点ＦＰの上流側に形成してある。
【００２２】
レーザ発振器１０１としては、公知のレーザ発振器を適宜採用することができる。例えば、カンタイプの半導体レーザが設けられ、ＰＣＵ１００は、半導体レーザに供給される電流を制御して、半導体レーザから発振されるレーザ光のレーザ発振間隔及び発振エネルギの制御を行っている。
集光部１２は、図略のコリメートレンズ（群レンズ）と集光レンズ１２１とによって構成され、半導体レーザから発振されたレーザ光を直接燃焼室３００内の集光点ＦＰに集光している。
尚、本実施形態においては、半導体レーザとコリメートレンズとの間に光ファイバー等のレーザ光を伝送する伝送部１１を介装して、レーザ発振部１０と集光部１２とを別体に設けた構成としてあるが、レーザ発振部１０と集光部１２とを筒状のハウジング内に一体に設けて、シリンダヘッド３１０に装着する構成としても良い。
【００２３】
また、レーザ発振部１０は、図略のバータイプの励起用半導体レーザと、励起用半導体レーザから発振されるレーザ光によって励起される固体レーザと、シャッタ素子（Ｑスイッチ）と、反射鏡と、出力鏡とを具備する構成としても良い。
励起用半導体レーザから発振されたレーザ光により、固体レーザとシャッタ素子が共に励起され、シャッタ素子内のエネルギが、そのシャッタ素子自身の物性によって決定されるある閾値を超えた瞬間にシャッタが開き、すなわちシャッタ素子が固体レーザから発振されるレーザ光に対して透明になり、レーザ光が反射鏡と出力鏡との間を往復する毎に共振し、増幅され、瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光を取り出すことができる。
本実施形態において、固体レーザから発振されるレーザ光のレーザ発振間隔及び発振エネルギは、励起用半導体レーザに供給される電流又は、固体レーザを構成する発光素子の特性、若しくは、シャッタ素子の特性によって制御することができる。
更に、レーザ発振部は、固体レーザの側面から励起用レーザ光を照射する構造でも良いし、固体レーザの端面に励起用レーザ光を照射する構造でも良い。
【００２４】
内燃機関３０は、シリンダヘッド３１０とシリンダ３２０とピストン３３０とによって構成され、シリンダヘッド３１０の内壁とシリンダ３２０の内周壁とピストン３３０の上面とによって燃焼室３００が区画されている。
シリンダヘッド３１０には、吸気筒３１１と排気筒３１２とが形成され、それぞれの気筒３１１、３１２と燃焼室３００とは、吸気バルブ３１３、排気バルブ３１４によって開閉されている。燃焼室３００内に吸気筒３１１から導入された空気と図略の燃料噴射装置によって燃料室内３００に供給された燃料とを混合し、ピストン３３０によって圧縮し、所定のクランク角において、本発明のレーザ点火装置１によって混合気が点火される。  
【００２５】
図２を参照して、本発明の作用原理について説明する。
燃焼室３００内に流れるタンブル渦等の筒内気流ＦＬＴＭＢが突起部１３に衝突すると、突起部１３の下流側に筒内気流ＦＬＴＭＢと逆向き渦流ＦＬＶＲＸが発生し、突起部１３の下流側に気流の速度が遅い淀み部ＦＬＳＴＧが形成される。
レーザ点火装置１から発振されたレーザ光が集光部１２の集光レンズ１２１によって集光点ＦＰに集光され、そのエネルギによって集光点ＦＰの周囲の混合気が初期火炎核ＦＫＩＮＴを形成する。
この時、淀み部ＦＬＳＴＧによって初期火炎核ＦＫＩＮＴの一部が集光点ＦＰの近くに保持される。更に、後続の複数回のレーザ発振によって初期火炎核ＦＫＩＮＴに高いエネルギが加えられると共に初期火炎核ＦＫＩＮＴに乱れを生じて、周囲の混合気との反応性が高くなる。更に、初期火炎核ＦＫＩＮＴの周囲の混合気のみならず、筒内気流ＦＬＴＭＢに乗って送られた新しい混合気が、次々と渦流ＦＬＶＲＸによって初期火炎核ＦＫＩＮＴ内部に取り込まれるので、燃焼速度が更に加速され、拡大火炎核ＦＫＧＲＷとして、極めて大きなエネルギを持った火炎核に成長し、機関燃焼室３００内の希薄な混合気に点火することができる。
【００２６】
突起部１３を設けた本実施形態におけるレーザ点火装置１を実際のガソリンエンジンに適用した結果を実施例とし、突起部１３を設けていない従来のレーザ点火装置１ｚを用いた結果を比較例として、図３及び図４に示す。
図３（ａ）に示すように、実施例は比較例よりも筒内圧力ＰＣＹＬの立ち上がりが早く、燃焼割合の変化速度も速いことが判明した。
また、図３（ｂ）に示すように、点火から燃焼割合１０％に到達するまでのクランク角で定義される初期燃焼及び燃焼割合１０％から９０％までのクランク角で定義される主燃焼のいずれも、本発明の実施例が比較例よりも短くなり、早期に安定した着火が得られることが確認された。
【００２７】
更に、比較例における連続５００サイクルでの図示平均有効圧と、実施例における連続５００サイクルでの図示平均有効圧とを測定し、（図示平均有効圧の標準偏差）／（図示平均有効圧の平均値）で定義される燃焼変動（％）を調査し、その結果を図４に示す。図４に示すように、本発明によれば、燃焼変動も従来に比べ大幅に低減され、安定した点火が実現できることが確認された。
【００２８】
図５に本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置１ａの要部である集光部１２ａ及び突起部１３ａの概要を示し、本図（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、要部斜視図である。本実施形態においては、上記第１の実施形態と基本構成を同じくし、突起部１３ａを、集光点ＦＰを覆うように略椀型に形成した点が相違する。
上記実施形態と同様、本図（ａ）に示すように突起部１３ａはシリンダヘッド３１０の一部を突出せしめて形成しても良いし、本図（ｂ）に示すように、集光部１２ａの先端の一部を突出せしめて形成しても良い。
本実施形態によれば、突起部１３ａが集光点ＦＰを覆うように湾曲しているので、筒内気流ＦＬＴＭＢが突起部１３ａを通過するときに発生するＦＬＶＲＸにより強い回転力を生じ、初期火炎核ＦＫＩＮＴ内部への混合気の導入を良好にしつつ、初期火炎核ＦＫＩＮＴを突起部１３ａの近傍に保持する効果が更に高くなる。
このため複数回のレーザ発振が行われたときに、極めて効率よく、火炎核の成長が促され、より高いエネルギを持った拡大火炎核ＦＫＧＲＷを形成し、更に良好な着火安定性が維持できると期待できる。
【００２９】
図６に本発明の第３の実施形態として、突起部１３ｂを集光点ＦＰの位置よりもシリンダヘッド３１０に近い高さＨで設けた場合を示す。
本実施形態において、突起部１３ｂが効果を発揮できる大きさ（厚みｔ、幅Ｗ、高さＨ）の限界について調査した。
本発明者の鋭意調査により、突起部１３ｂは、厚みｔが０．３ｍｍ以上、幅Ｗが２ｍｍ以上、高さＨが２ｍｍ以上あれば、集光点ＦＰより低くても、図６（ｃ）に示すように、突起部１３ｂの周囲に渦流ＦＬＶＲＸが形成され、突起部１３ｂの下流側に形成された淀み部ＦＬＳＴＧによって、初期火炎核ＦＫＩＮＴが保持され、渦流ＦＬＶＲＸと複数回のレーザ発振とによって、初期火炎核ＦＫＩＮＴに乱れを生じ、燃焼速度が加速され、大きな拡大火炎核ＦＫＧＲＷに成長し、極めて良好な着火性を示すことが判明した。
【００３０】
図７に本発明の第４の実施形態として、突起部１３ｃを集光点ＦＰに対して筒内気流ＦＬＴＭＢの下流側に形成した場合を示す。突起部１３ｃの周囲に渦流ＦＬＶＲＸが形成され、突起部１３ｃの下流側に淀み部ＦＬＳＴＧが形成されるので、このような構成においても上記実施形態と同様の効果が得られる。尚、本実施形態において、上記第２の実施形態に示したように、突起部１３ｃは、集光点ＦＰを覆うように略椀型に形成しても良い。
【００３１】
図８に、本発明の第５の実施形態として、貫通孔１３１を有する突起部１３ｄを設けた場合を示す。本実施形態によれば、突起部１３ｄ全体が障壁となって筒内気流ＦＬＴＭＢに渦流ＦＬＶＲＸを形成するのに加えて、貫通孔１３１を通過する気流にも渦流が形成されるので、初期火炎核ＦＫＩＮＴが複雑な渦流によって撹拌されつつ突起部１３ｄの近傍に保持されるので、複数回のレーザ発振によって加えられたエネルギが、極めて効果的に火炎核の成長に利用でき、更に高いエネルギを持った拡大火炎核ＦＫＧＲＷが形成され、極めて良好な着火性を確保できる。
【００３２】
図９に、本発明の第６の実施形態として、複数の突起部１３ｅを設けた場合を示す。本図（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部斜視図、（ｃ）は、要部下面図である。本図に示すように、筒内気流ＦＬＴＭＢの流れ方向に対して平行となるように突起部１３ｅを形成した場合でも、本図（ａ）、（ｃ）に示すように、突起部１３ｅの周囲に右図流ＦＬＶＲＸが形成されるので、集光点ＦＰ近傍の流れに複雑な淀み部が発生し、初期火炎核ＦＫＩＮＴが集光点ＦＰの近傍に保持されるので、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
また、複数の突起部１３ｅを筒内気流ＦＬＴＭＢに対して上流側と下流側とに設けても良い。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要部である渦流発生手段を設けて、発生した渦流を利用して、レーザ発振により発生した火炎核の成長を促進せしめて、難着火性の内燃機関において安定した着火を行うレーザ点火装置を実現する本発明の趣旨に反しない限りにおいて、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の構成を示す全体図。
【図２】本発明の第１の実施形態における効果を説明する要部断面図。
【図３】本発明の効果を比較例と共に示す特性図、（ａ）は、クランク角と筒内圧力、燃焼割合の関係を示す特性図、（ｂ）は、初期燃焼及び主燃焼に対する効果を示す特性図。
【図４】燃焼変動に対する本発明の効果を比較例と共に示す特性図。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部斜視図。
【図６】本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はその効果を示す要部断面図。
【図７】本発明の第４の実施形態におけるレーザ点火装置の要部断面図。
【図８】本発明の第５の実施形態におけるレーザ点火装置の要部断面図。
【図９】本発明の第６の実施形態におけるレーザ点火装置を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部斜視図、（ｃ）は要部下面図。
【符号の説明】
【００３５】
１  レーザ点火装置
１０  レーザ発振部
１００  発振パルス制御装置（ＰＣＵ）
１０１  レーザ発振器
１１  送光部
１２  集光部
１３  突起部（渦流発生手段）
２０  発振制御装置（ＰＣＵ）
３０  内燃機関
３００  燃焼室
ＦＰ  集光点
ＦＫＩＮＴ  初期火炎核
ＦＫＧＲＷ  拡大火炎核
ＦＬＴＭＢ  筒内気流
ＦＬＶＲＸ  渦流
【図１】
0004948478.tif 000002
【図２】
0004948478.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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