JP2005240780A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 １台のレーザ発信装置で多気筒にレーザ光を正確に分配可能とするとともに、エンジンの起動時及び全運転域において着火タイミングを自在に調整可能とした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】 レーザ発信装置から発信されたレーザ光を各シリンダに伝送し、シリンダ内に照射してプラズマを発生させ、該プラズマにより前記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、回転駆動されるとともに、回転軸の円周方向に沿って複数個異なる傾斜角で以って傾斜して設けられ、前記レーザ発信装置からのレーザ光を反射する部分ミラーを備え、前記レーザ伝送通路は前記部分ミラーと同数設けられてそれぞれの入光部を前記各部分ミラーで反射されたレーザ光を入光可能な位置に配置されてなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

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レーザ伝送通路を通してエンジンの各シリンダに伝送し、該レーザ光をシリンダ内に照射して発生させた該プラズマによりシリンダ内の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する。

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。

かかるレーザ着火方式を備えたメタノール等の低セタン価燃料エンジンとして、特許文献１（特開平１０−１２２１１５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、メタノール等の低セタン価の燃料を使用するエンジンにおいて、燃料噴射弁と噴射燃料に点火するための標的流体を噴射する標的噴射弁を、燃料噴射方向と標的流体の噴射方向とが交叉するように設置し、前記燃料の噴霧と標的流体の噴霧との交叉部近傍域にレーザ光を照射するパルスレーザ装置を備えて、大型エンジンのように点火点の多いエンジンにおいても、自由に点火点を選定可能として、確実な着火と高い燃焼性能が得られるように構成している。

特開平１０−１２２１１５号公報

ガスエンジン等の予混合燃焼エンジンにおいては、エンジンの起動時における回転の立ち上がりを滑らかにするには、制御すべき種々の因子があるが、時々刻々のエンジン回転数に見合う最適着火タイミングを与えることはきわめて重要な因子である。
スターターモータ付きのエンジンにおいては、該スターターモータの回転数１５０〜２００ｒｐｍ程度からエンジンの定格回転数までは１０倍程度の隔たりがあるため、妥当な着火タイミングで着火燃焼されないと、起動時に失火が発生したり不完全燃焼が発生して、円滑な起動がなされないという事態が発生しやすい。
また、エンジンにおいては、定格回転数での運転時において、エンジン性能を改善するため着火タイミングを自在に変更可能となることが要求される。

しかしながら、前記特許文献１にて提供されているような、１台のレーザ発信装置で多気筒にレーザ光を分配する装置にあっては、多気筒で着火タイミングが固定されていることが条件であることから、前記のように着火タイミングを自在に変更できず、所要の機動性及びエンジン性能を得るのは困難を伴う。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、１台のレーザ発信装置で多気筒にレーザ光を正確に分配可能とするとともに、エンジンの起動時及び全運転域において着火タイミングを自在に調整可能とした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。

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、レーザ伝送管等のレーザ伝送通路を通してエンジンの各シリンダに伝送し、該レーザ光をシリンダ内に照射して発生させた該プラズマによりシリンダ内の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、回転駆動されるとともに、回転軸の円周方向に沿ってそれぞれ異なる傾斜角で以って傾斜して設けられ、前記レーザ発信装置からのレーザ光を反射する複数個の部分ミラーを備えるとともに、前記レーザ伝送通路は前記複数個の部分ミラーと同数設けられて前記各部分ミラーでそれぞれ異なる方向に反射されたレーザ光を入光可能な位置にそれぞれの入光部を配置されてなることを特徴とする。

かかる発明において好ましくは、前記部分ミラーは、前記エンジンの回転に同期して回転駆動されるとともに、前記エンジンのシリンダ数と同数かつ各シリンダ毎に異なる傾斜角で以って傾斜して設けられ、前記レーザ伝送通路は前記シリンダ数と同数設けられて前記各部分ミラーからの反射光を入光可能に配置されてなる。
また、レーザ発信装置から発信されたレーザ光を集光レンズで集光し、前記各部分ミラーを、各シリンダの着火順序に従い前記集光レンズを経たレーザ光が順次反射するように前記エンジンの回転に同期して回転可能に構成する。

かかる発明によれば、レーザ発信装置から発射されたレーザ光は、集光レンズ（第１の集光レンズ）を介して、エンジンの各シリンダの着火順序に対応した傾斜角で以って傾斜して設けられた各シリンダに対応する部分ミラーの表面で、前記エンジンの回転に同期して各シリンダの着火順序で順次集光した後、該部分ミラーの表面で反射して、前記シリンダ数と同数設けられて前記各部分ミラーからの反射光を入光可能に配置された各シリンダ毎のレーザ伝送通路の入光部から該レーザ伝送通路に入光し、第２の集光レンズを経て各シリンダの燃焼室内に照射される。

従って、かかる発明によれば、回転軸の円周方向に沿ってエンジンの各シリンダ毎に異なる傾斜角、好ましくは各シリンダの着火順序に対応した傾斜角で以って傾斜して設けられた各シリンダに対応する部分ミラーの表面にレーザ光を集光させて、各シリンダに対応する部分ミラーからの反射光を各シリンダ毎のレーザ伝送通路に入光するように構成したので、同一の部分ミラーの領域ではレーザ発信装置からのレーザ光はその照射タイミングに関係なく該部分ミラーで反射されて、対応するシリンダのレーザ伝送通路に入光せしめ、当該シリンダの燃焼室内に照射することができる。
これにより、エンジンのシリンダ数と同数の前記部分ミラーを、各シリンダの着火順序に対応した傾斜角で以って傾斜して設けるのみで、レーザ光の各シリンダへの分配と照射タイミングの変化の双方を同時に実現できる。

また、前記部分ミラーをエンジンの回転に連動して回転させ、１台のレーザ発信装置からレーザ光を発射させ、前記のように該部分ミラーの表面で反射させれば、１台のレーザ発信装置で複数のシリンダへ所要の照射タイミングでレーザ光を照射でき、少ない構成部品でかつ低コストの装置で以って、多シリンダへのレーザ光の分配が可能となるとともに、光学系の調整が容易となる。

かかる発明において好ましくは、前記エンジンの回転数（エンジン回転数）を検出する回転数センサと、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、該回転数センサ及びクランク角センサから入力されるエンジン回転数及びクランク角センサの検出値に基づき前記レーザ発信装置からのレーザ光の照射タイミングを制御するレーザコントローラを備えてなる。
このように構成すれば、エンジンの運転条件に最適のレーザ光の照射タイミングで以ってレーザ光を発射し、エンジンの各シリンダの着火順序に対応した傾斜角で以って傾斜して設けられた各シリンダに対応する部分ミラーを介して各シリンダの燃焼室内のターゲットに高精度で照射することができる。

本発明によれば、各シリンダ毎に異なる傾斜角、好ましくは各シリンダの着火順序に対応した傾斜角で以って傾斜して設けられた同一の部分ミラーの領域では、レーザ発信装置からのレーザ光はその照射タイミングに関係なく該部分ミラーで反射されて、対応するシリンダのレーザ伝送通路に入光せしめ、当該シリンダの燃焼室内に照射することができ、これにより、エンジンのシリンダ数と同数の前記部分ミラーを、各シリンダの着火順序に対応した傾斜角で以って傾斜して設けるのみで、レーザ光の各シリンダへの分配と照射タイミングの変化の双方を同時に実現できる。
また、１台のレーザ発信装置で複数のシリンダへ所要の照射タイミングでレーザ光を照射でき、少ない構成部品でかつ低コストの装置で以って、多シリンダへのレーザ光の分配が可能となるとともに、光学系の調整が容易となる。

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。

図１は本発明の第１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エンジンの全体構成図、図２は前記第１実施例における作用説明図である。図３は第２実施例を示し、（Ａ）は部分ミラーの概略正面図、（Ｂ）は作用説明図である。

全体構成を示す図１において、１００はエンジンで、ディーゼルエンジンあるいはガスエンジンからなり、この例では４シリンダのエンジンを示す。３１０は該エンジン１００のシリンダヘッド、１０１はカム軸である。該カム軸１０１は、具体的には、図示しない燃料カムを備えた燃料カム軸で、該燃料カムによって図示しない燃料噴射ポンプが駆動される。
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、５は該レーザ光２を後述する部分ミラー３１、３２、３３、３４上に集光する第１の集光レンズであり、該レーザ発信装置１及び第１の集光レンズ５は、エンジン１台あるいは複数シリンダに付き１組設けられている。

３０は回転ミラーで、次のように構成される。
３はミラー円板で、前記エンジン１００のカム軸１０１に接続軸１０２を介して連結されるミラー回転軸４に固定され、該カム軸１０１の回転に同期して回転駆動される。
３１は＃１シリンダ用の部分ミラー、３２は＃２シリンダ用の部分ミラー、３３は＃３シリンダ用の部分ミラー、３４は＃４シリンダ用の部分ミラーであり、前記エンジン１００のシリンダ数と同数設けられており、各部分ミラー３１、３２、３３、３４は前記ミラー円板３の外周に固定されて、該ミラー円板３により前記カム軸１０１の回転に同期して回転せしめられる。
図２に示されるように、前記各部分ミラー３１、３４、３３、３２は、各シリンダの着火順序（この場合は＃１→＃４→＃３→＃２）に対応して設定された前記ミラー回転軸４の軸心に対する傾斜角β１、β４、β３、β２で以って傾斜して設けられている。

５１は＃１シリンダ用のレーザ伝送管、５４は＃４シリンダ用のレーザ伝送管、５３は＃３シリンダ用のレーザ伝送管、５２は＃２シリンダ用のレーザ伝送管で、該レーザ伝送管５１、５４、５３、５２は前記エンジン１００のシリンダ数と同数設けられている。前記各レーザ伝送管５１、５４、５３、５２の入光部Ｓ１、Ｓ４、Ｓ３、Ｓ２は、前記各部分ミラー３１、３４、３３、３２からの反射光２ａの光路に設置されて、前記各部分ミラー３１、３４、３３、３２からの反射光２ａが各レーザ伝送管５１、５４、５３、５２内に効率良く入光するようになっている。前記レーザ伝送管５１、５４、５３、５２に代えて光ファイバーを用いてもよい。
また、前記各部分ミラー３１、３４、３３、３２の傾斜角β１、β４、β３、β２は、該部分ミラー３１、３４、３３、３２が該部分ミラーの回転により、例えば＃１シリンダの部分ミラー３１の場合は、前記集光レンズ５を経たレーザ光２が該部分ミラー３１上で集光する位置にきたとき、該部分ミラー３１からの反射光２ａが＃１シリンダの前記レーザ伝送管５１の入光部Ｓ１に入光するような角度に設定される。

２２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コントローラである。２０はエンジンの回転数を検出する回転数センサ、２１はエンジン１００のクランク角を検出するクランク角センサで、タイミング円板等よりなる。
前記回転数センサ２０からのエンジン回転数の検出値及びクランク角センサ２１からのクランク角の検出値（特に上死点の検出値）は、前記レーザコントローラ２２に入力される。該レーザコントローラ２２は、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、前記レーザ発信装置１からのレーザ光の発射タイミングを制御する。

かかる実施例において、前記回転数センサ２０からのエンジンの回転数の検出値及び前記クランク角センサ２１からのクランク角の検出値は、レーザコントローラ２２に入力される。該レーザコントローラ２２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、前記部分ミラー３１、３４、３３、３２の回転と同期させて、前記レーザ発信装置１からレーザ光を発射せしめる。

前記のようにして、１台のレーザ発信装置１から発射されたレーザ光は、第１の集光レンズ５を介して、エンジン１００の各シリンダの着火順序に対応した傾斜角β１、β４、β３、β２で以って傾斜して設けられた各シリンダに対応する部分ミラー３１、３４、３３、３２の表面で、前記エンジン１００の回転に同期して各シリンダの着火順序で順次集光した後、該部分ミラー３１、３４、３３、３２の表面で反射せしめられる。
該部分ミラー３１、３４、３３、３２からの反射光２ａは、前記のように、シリンダ数と同数設けられて入光部Ｓ１、Ｓ４、Ｓ３、Ｓ２が前記反射光２ａを入光可能に配置された各シリンダ毎のレーザ伝送管５１、５４、５３、５２に入光し、該レーザ伝送管５１、５４、５３、５２を通り、各シリンダに装着された第２の集光レンズ１５を透過して燃焼室（図示せず）に到達し、該燃焼室内のターゲット（図示せず）の方向に順次照射される。

図３に示される第２実施例は、６シリンダエンジンに本発明を適用したもので、着火順序は、＃１→＃６→＃２→＃４→＃３→＃５シリンダとなっている。
３１は＃１シリンダ用の部分ミラー、３６は＃６シリンダ用の部分ミラー、３２は＃２シリンダ用の部分ミラー、３４は＃４シリンダ用の部分ミラー、３３は＃３シリンダ用の部分ミラー、３５は＃５シリンダ用の部分ミラーで、前記エンジン１００のシリンダ数と同数（６個）設けられており、各部分ミラー３１、３６、３２、３４、３３、３５の傾斜角β１、β６、β２、β４、β３、β５は、前記第１実施例と同様な手段で設定されている。

また、Ｓ１は＃１シリンダ用のレーザ伝送管の入光部、Ｓ６は＃６シリンダ用のレーザ伝送管の入光部、Ｓ２は＃２シリンダ用のレーザ伝送管の入光部、Ｓ４は＃４シリンダ用のレーザ伝送管の入光部、Ｓ３は＃３シリンダ用のレーザ伝送管の入光部、Ｓ５は＃５シリンダ用のレーザ伝送管の入光部で、前記各シリンダの入光部Ｓ１、Ｓ６、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ３、Ｓ５は、前記第１実施例と同様な手段で配置されている。
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。

かかる第１、第２実施例によれば、ミラー回転軸４の円周方向に沿ってエンジン１００の各シリンダの着火順序に対応した傾斜角β１、β４、β３、β２（あるいはβ１、β６、β２、β４、β３、β５）で以って傾斜して設けられた各シリンダに対応する部分ミラー３１、３４、３３、３２（あるいは３１、３６、３２、３４、３３、３５）の表面にレーザ光２を集光させて、各シリンダに対応する部分ミラーからの反射光２ａを各シリンダ毎のレーザ伝送管５１、５４、５３、５２に入光するように構成したので、同一の部分ミラー（例えば部分ミラー５１）の領域ではレーザ発信装置１からのレーザ光２はその発射タイミング（照射タイミング）に関係なく該部分ミラー（例えば部分ミラー３１）で反射されて、対応するシリンダのレーザ伝送管（例えばレーザ伝送管５１）に入光せしめ、当該シリンダの燃焼室内に照射することができる。
これにより、エンジンのシリンダ数と同数の前記部分ミラー３１、３４、３３、３２（あるいは３１、３６、３２、３４、３３、３５）を、各シリンダの着火順序に対応した傾斜角角β１、β４、β３、β２（あるいはβ１、β６、β２、β４、β３、β５）で以って傾斜して設けるのみで、レーザ光２の各シリンダへの分配と発射タイミング（照射タイミング）の変化の双方を同時に実現できる。

また、前記部分ミラー３１、３４、３３、３２（あるいは３１、３６、３２、３４、３３、３５）をエンジンの回転に連動して回転させ、１台のレーザ発信装置１からレーザ光２を発射させ、前記のように該部分ミラー３１、３４、３３、３２（あるいは３１、３６、３２、３４、３３、３５）の表面で反射させれば、１台のレーザ発信装置１で複数のシリンダへ所要の発射タイミング（照射タイミング）でレーザ光２を照射でき、少ない構成部品でかつ低コストの装置で以って、多シリンダへのレーザ光２の分配が可能となる。

また、レーザコントローラ２２に、回転数センサ２０及びクランク角センサ２１から入力されるエンジン回転数及びクランク角センサ２１の検出値に基づき前記レーザ発信装置１からのレーザ光２の照射タイミングを制御するので、エンジン１００の運転条件に最適のレーザ光２の発射タイミング（照射タイミング）で以ってレーザ光２を発射し、該レーザ光２をエンジン１００の各シリンダの着火順序に対応した傾斜角β１、β４、β３、β２（あるいはβ１、β６、β２、β４、β３、β５）で以って傾斜して設けられた各シリンダに対応する部分ミラー３１、３４、３３、３２（あるいは３１、３６、３２、３４、３３、３５）を介して第２の集光レンズを経て各シリンダの燃焼室に高精度で照射することができる。

本発明によれば、１台のレーザ発信装置で多気筒にレーザ光を正確に分配可能となるとともに、エンジンの起動時及び全運転域において着火タイミングを自在に調整可能とした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ができる。

本発明の第１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エンジンの全体構成図である。 前記第１実施例における作用説明図である。 第２実施例を示し、（Ａ）は部分ミラーの概略正面図、（Ｂ）は作用説明図である。

符号の説明

１ レーザ発信装置
２ レーザ光
２ａ 反射光
３ ミラー円板
３０ 回転ミラー
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 部分ミラー
４ ミラー回転軸
５ 第１の集光レンズ
１５ 第２の集光レンズ
２０ 回転数センサ
２１ クランク角センサ
２２ レーザコントローラ
３１０ シリンダヘッド
５１、５２、５３、５４ レーザ伝送管
１００ エンジン
１０１ カム軸
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 入光部

Claims (4)

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、レーザ伝送管等のレーザ伝送通路を通してエンジンの各シリンダに伝送し、該レーザ光をシリンダ内に照射して発生させた該プラズマによりシリンダ内の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、回転駆動されるとともに、回転軸の円周方向に沿ってそれぞれ異なる傾斜角で以って傾斜して設けられ、前記レーザ発信装置からのレーザ光を反射する複数個の部分ミラーを備えるとともに、前記レーザ伝送通路は前記複数個の部分ミラーと同数設けられて、前記各部分ミラーでそれぞれ異なる方向に反射されたレーザ光を入光可能な位置にそれぞれの入光部を配置されてなる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。
2. 前記部分ミラーは、前記エンジンの回転に同期して回転駆動されるとともに、前記エンジンのシリンダ数と同数かつ各シリンダ毎に異なる傾斜角で以って傾斜して設けられ、前記レーザ伝送通路は前記シリンダ数と同数設けられて前記各部分ミラーからの反射光を入光可能に配置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。
3. レーザ発信装置から発信されたレーザ光を集光レンズで集光し、前記各部分ミラーを、各シリンダの着火順序に従い前記集光レンズを経たレーザ光が順次反射するように前記エンジンの回転に同期して回転可能に構成したことを特徴とする請求項２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。
4. 前記エンジンの回転数（エンジン回転数）を検出する回転数センサと、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、該回転数センサ及びクランク角センサから入力されるエンジン回転数及びクランク角センサの検出値に基づき前記レーザ発信装置からのレーザ光の照射タイミングを制御するレーザコントローラを備え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。

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