JP2005240782A - 着火時期変更時のレーザ焦点調整装置を備えたレーザ着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 固定ターゲット方式のレーザ着火式エンジンにおいて、着火時期を変更する必要がある場合に、ピストン表面に固定されたターゲット部材へ投射されるレーザ光の焦点位置を変更できるレーザ光ガイドを備えたレーザ着火エンジンを提供すること。
【解決手段】 ピストン表面にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式エンジンにおいて、レーザ発射装置から導かれたレーザ光を燃焼室に投射するレーザ光ガイドが１個の集光レンズ或は２個の集光レンズを組合せた集光レンズ系と集光されたレーザ光を透過する気密石英ガラスを有し、該レーザ光の光路に沿って前記集光レンズ或は集光レンズ系のうちの１個の集光レンズの位置が変更可能に構成する。
【選択図】 図１

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、レーザ発射装置から発射されたレーザ光をシリンダヘッドに装着されたレーザ光ガイドを介して燃焼室表面に配設されたターゲット部材に照射して発生するプラズマにより燃焼室の混合ガスを着火させるように構成されたレーザ着火式エンジンであって、着火時期変更時にレーザ光の焦点を前記ターゲット部材に合わせるための調整装置を備え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ガスを着火させ、その燃焼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その燃焼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簡易で且つ、希薄混合気中における着火性能に優れた方式として、レーザ光を燃焼室表面に固定されたターゲット部材に照射してプラズマを発生させて燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式が提案されている。また、燃焼室中の混合気に焦点を当ててレーザ光線を照射する方式のレーザ着火式エンジンも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−１６８１８５号公報

上死点におけるピストン頂面位置を基準にした場合、クランク角変化に対応するピストン頂面の位置のずれは、例えばストローク２００mmのエンジン（シリンダ径１７０mm程度）の場合、クランク角±５°の変化でピストン頂面の動きは約±０．５mm、±１０°の変化で約±２mm変化する。従って、着火時期を１０°前後変えると、シリンダヘッドに固定したレーザ光ガイドからピストンに固定されたターゲット部材までの距離は上死点位置に比例して±２mm前後変化することになる。この距離変化はストロークに比例するので、ストロークが大きいエンジンではさらに拡大する。このような場合、レーザ光の焦点がターゲット部材から大幅にずれることになるので発生するプラズマが非常に弱くなり、着火できなくてエンジン停止に至ることもある。固定ターゲット方式における焦点ずれの許容範囲は経験上０．５mm以内である。

発電用エンジンでは定回転数、定負荷で運転される場合が多いが、この場合は、着火時期を変更する必要がないが、起動時や用途に応じて着火時期を変更する必要が生じることがある。回転数や負荷が変動するエンジンでは性能向上のために回転数や負荷に応じて着火時期を変更する必要が生じる。

また、ターゲット式レーザ着火エンジンでは、運転時間とともにターゲット部材が損耗してレーザ光照射により発生するプラズマの強度が低下し着火が不安定になる。このプラズマ強度の経時変化はターゲット部材が損耗する分ターゲット部材表面がレーザ光の焦点からずれることが主要因である。これに対応するために、レーザエネルギを増大してプラズマ強度を維持する方法を採用することも可能ではあるが、そのためには予め容量の大きいレーザ発射装置を備えておく必要があってコストアップを齎し、また、ターゲット部材の損耗を予測し、予測した損耗に応じてレーザ光のエネルギを増大するという予測による対処となるので、的確な有利な方策ではない。

前記特許文献１には燃焼室にレーザ光を導入するレーザ光ガイドに凸レンズと凹レンズを組み合わせ、凹レンズを移動して焦点距離を制御する方式が開示されているが、これは固定ターゲット方式ではなく混合気のある部分に焦点を合わせる方式であり、焦点距離の調整はかなり大幅になる。

本発明は、上記した問題に鑑み、固定ターゲット方式のレーザ着火式エンジンにおいて、着火時期を変更する必要がある場合に、ピストン表面に固定されたターゲット部材へ投射されるレーザ光の焦点位置を変更できるレーザ光ガイドを備えたレーザ着火式エンジンを提供することを第１の目的とする。さらに第２の目的は、ターゲット部材の損耗を検知して損耗に応じてレーザ光の焦点を制御できるレーザ着火式エンジンを提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、ピストン表面にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式エンジンにおいて、レーザ発射装置から導かれたレーザ光を燃焼室に投射するレーザ光ガイドが１個の集光レンズと該集光レンズで集光されたレーザ光を透過する気密石英ガラスを有し、該レーザ光の光路に沿って前記集光レンズの位置が変更可能に構成されたことを特徴とする。

かかる発明によれば、ピストン表面に固定されたターゲット部材に焦点を合わせてレーザ光を投射するレーザ光ガイドに設けられた集光レンズの位置を変えることによって、レーザ光投射時期即ち着火時期変更によりレンズからターゲット部材までの距離が変わった場合でも焦点を該ターゲット部材に合わせることができる。

本発明は、レーザ発射装置から導かれたレーザ光を燃焼室に投射するレーザ光ガイドが、燃焼室から遠い側の第１の集光レンズと燃焼室に近い側の第２の集光レンズからなる組合せレンズと、該組合せレンズで集光されたレーザ光を透過する気密石英ガラスを有し、該レーザ光の光路に沿って前記第１の集光レンズの位置が変更可能に構成してもよい。前記第１の集光レンズを移動することにより第１の集光レンズと第２の集光レンズ間の距離を変えることによって組合せレンズの焦点距離を変えることができるので、レーザ光投射時期即ち着火時期変更によりレンズからターゲット部材までの距離が変わった場合でも焦点を該ターゲット部材に合わせることができる。

前記集光レンズ或は第１の集光レンズを保持する集光レンズ保持部材或は第１集光レンズ保持部材はレンズ保持部材収納体に螺合して集光レンズ保持部材或は第１集光レンズ保持部材から延びる調整部材を前記レンズ保持部材収納体から突出させ、これを回転することにより前記集光レンズ或は第１の集光レンズをレーザ光の光路に沿って移動できるようにするのがよい。
前記レンズ保持部材の回転は、該レンズ保持部材の前記レンズ保持部材収納体からの突出部にレバーを取り付けて該レバーにより回転させてもよいし、或はレンズ保持部材の突出部に歯車を設けるとともに、該歯車に噛合ってこれを回転駆動する駆動装置を設けて該駆動装置により回転させてもよい。

前記レバーは手動で操作され、起動時やエンジンの用途等に応じて焦点位置を変更或は設定する際に安価で手軽に操作を行うことができる。駆動装置で回転駆動する構成では、エンジン回転数や負荷に応じて着火時期を変える際に回転数や負荷を検出するセンサを設けて該センサからの検知信号により着火時期をコントロールするコントローラを設ければ、該コントローラの出力信号に応じて自動的にレーザ光の焦点をピストンに固定されたターゲット部材に合わせることができる。

また、駆動装置で回転駆動する構成の場合、燃焼室に対面する気密石英ガラスの背後に輝度センサを設けてターゲット部材表面で発生するプラズマの輝度を検知し、該検知信号を分析し予め入力されたデータと照合比較してその判定結果に応じて前記集光レンズ或は第１レンズの位置を制御するコントローラを備えることもよい。さらに、該コントローラは前記判定結果に応じてレーザ発射装置の発射レーザエネルギの強弱を制御できるように構成してもよい。

本発明によれば、ピストンに固定されたターゲット部材の該ターゲット部材にレーザ光を投射するレーザ光ガイドからの距離がレーザ光発射時期やターゲット部材の損耗によって変化するのに応じて前記レーザ光ガイドの焦点位置を変更或は制御できるので、起動時の着火時期変更やエンジンの使用経年によるターゲット部材の損耗やエンジン回転数や負荷に応じた着火時期の変更要望に対応することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。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、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態の要部断面図を示し、図２は本発明の第２実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態の要部断面図を示し、図３は本発明の第３実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態の要部断面図を示す。図４は本発明のレーザ光ガイドが装着されたレーザ着火式エンジンの全体構成図を示し、図５は本発明の第２実施例の組合せレンズの場合のレンズ間隔と焦点距離との関係を示すグラフである。

図１において、１はシリンダヘッド、２はピストン、３は燃焼室、４はピストン表面に固定されたターゲット部材である。前記シリンダヘッド１にはレーザ光ガイド１０が装着されている。該レーザ光ガイド１０は、図示しないレーザ発射装置からレーザ光を導いて来る光ファイバーの末端部２１が固定され、光ファイバーで導いて来られたレーザ光を集光して前記ターゲット４に集中させる集光レンズ１２と集光されたレーザ光を透過する耐熱且つ気密ガラスである石英ガラス１７を有している。

前記レーザ光ガイド１０は次のように構成されている。即ち、集光レンズ保持部材１３はその外周の雄ネジ１３ａがレンズ保持部材収納体１１内周の雌ネジに１１ａに螺合されている。該集光レンズ保持部材１３には調整レバー部材２０が固定され、該調整レバー部材２０を回転することにより前記集光レンズ保持部材１３を上下に移動することができる。前記集光レンズ保持部材収納体１１の先端部内周側には前記気密石英ガラス１７が中心に穴を有する気密石英ガラス固定部材１８によりパッキン１９を介して固定されている。
そして、前記レンズ保持部材収納体１１はその先端部外周の雄ネジ１１ｂが前記シリンダヘッド１のレーザ光ガイド取付け穴の雌ネジ１ａに螺合されてパッキン１１ｃを介してシリンダヘッド１に固定されている。前記集光レンズ保持部材１３は集光レンズ１２を埋め込んだように描かれているが、実際には該保持部材は２分割して前記集光レンズ１２を挟んで固定するように構成される。２１はレーザ光を導いて来る光ファイバーでその先端が前記集光レンズ１２に対面するように前記レンズ保持部材収納体１１図示しないブラケットにより保持される。

このような構成により、前記調整レバー部材２０を手動にて回転することにより前記集光レンズ１２を上下に移動することができ、該集光レンズ１２と前記ターゲット部材４との距離を調節することができる。これにより、着火時期を変更した場合に着火時における前記ターゲット部材４の上下方向位置が変わるのに対応してレーザ光の焦点が該ターゲット部材４の表面に来るように前記集光レンズの位置を調節することが可能となる。

本発明の第２実施例のレーザ光ガイド１０がシリンダヘッドに装着された状態を示す図２において、図１の場合と形状は若干異なっても機能的に同等な構成部品には図１と同じ符号が付してある。図１との違いは図１では集光レンズ１２が１個であるのに対して図２では第１の集光レンズ１３と第２の集光レンズ１４が設けられていることである。
該第２の集光レンズ１４は集光レンズ保持部材収納体１１の先端部に固定された気密石英ガラス１７の上側に中心に穴を有するレンズ受け部材１５と中心に穴を有するレンズ固定部材１６に挟まれて該固定部材によりレンズ保持部材収納体１１にネジ締めにより固定されている。該レンズ保持部材収納体１１の上部の雌ネジには調整レバー部材２０が固定された第１集光レンズ保持部材１３が螺合され、該第１集光レンズ保持部材１３は前記調整レバー部材２０を手動で回転することにより上下に移動できる。これにより前記第２集光レンズ１４と第１第２集光レンズ１２との間隔を変えて組合せレンズの焦点距離を変えることができる。

組合せレンズの焦点距離fは、第１レンズの焦点距離をｆ₁、第２レンズの焦点距離をｆ₂、両レンズ間の距離をｄとすると、
ｆ=ｆ₁×ｆ₂／（ｆ₁+ｆ₂−d)
である。図５に、ｆ₁＝ｆ₂＝１００mmとした場合のｆをレンズ間距離ｄに対して描いてある。組合せレンズの場合レンズ間距離の変化に対する焦点距離の変化が緩やかである。組合せレンズの場合はレンズ１個の場合比べてレーザ光ガイドの構造が複雑になりコストアップとなるが、焦点距離調整の精度を上げることができ、微小調節の際には有利である。

図３は本発明の第３実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上面図である。図３において、図１の場合と形状は若干異なっても機能的に同等な構成部品には図１と同じ符号が付してある。図１との相違は、集光レンズ保持部材１３を手動ではなくサーボモータ４２により回転するように構成されていることである。図３において、気密石英ガラス１７は気密石英ガラス保持部材３１に装着されて中心に穴を有する気密石英ガラス固定部材３２によりパッキン１７ａ、１７ｂを介して螺合・固定（３１ａ、３２ａ）されている。レンズ保持部材収納体１１は、その外周の雄ネジがシリンダヘッド１のレーザ光ガイド１０取付け穴の上部に設けられた雌ネジ１ａに螺合してパッキン１１ｃ、３１ｂを介して前記気密石英ガラス保持部材３１をシリンダヘッド１に締め付けている。

集光レンズ１２は集光レンズ保持部材１３に中心に穴を有する固定部材１２ａにより固定されている。前記集光レンズ保持部材１３は前記レンズ保持部材収納体１１に螺合（１３ａ）され、上端部にはウォームホイール２２が設けられている。光ファイバー２１は先端が前記集光レンズ１２に対面し集合レンズ保持部材１３の中心穴を貫通して光ファイバー固定ブラケット２３に中心穴を有する固定ネジ２４を介して保持されている。

前記集合レンズ保持部材上端部に設けられたウォームホイール２２にはモータ４２で回転されるウォーム４１が噛合っている。該ウォーム４１の回転により前記集合レンズ保持部材１３が回転されると該保持部材１３は上下方向に移動される。この回転伝達機構はウォーム〜ウォームホイール以外の機構とすることもできる。これにより前記集合レンズ１２の位置を変更することができる。５１は輝度センサで、前記気密石英ガラス１７の背後側に設けられている。該輝度センサ５１により前記ターゲット部材４の表面におけるプラズマの輝度が検知される。

図３は集合レンズが１個の場合であるが、図２のように集合レンズが２個の場合についても第１集合レンズ保持部材１３を図３の場合と同様にモータで回転できるように構成することができ、気密石英ガラス１７の背後側に輝度センサを配置することができる。

次に、本発明によるレーザ光ガイドを装着したレーザ着火式エンジンの全体構成につき、４気筒エンジンを例にとって図４を参照して説明する。図４（Ａ）において、１００は４気筒エンジン、１１１ａ〜ｄはシリンダヘッド、１１２はカム軸であり、該カム軸１１２の端部には回転センサ１１３と爆発上死点を検出する上死点センサ１１４は配設されている。これらのセンサはクランク軸端部に設けてもよい。４サイクルエンジンの場合はカム軸の回転数はクランク軸回転数の１／２となる。１１５は回転ミラー保持体で各気筒に対応する平面鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４が設けられ、エンジンのカム軸と同期して回転される。通常、該回転ミラー保持体はカム軸１１２の延長上或はカム軸１１２或はクランク軸に機械的に連結されてカム軸と同じ回転数で回転する軸に取り付けられる。１１６はパルスレーザ発射装置、１１７は集光レンズ、１２０はコントローラである。

図４（Ａ）においては、前記回転ミラー保持体１１５は説明の便宜のため９０°回転して表示されており、側面から見ると図４（Ｂ）に示すようになる。勿論これは光路表現上の問題であり、エンジン１００に対する相対的位置を規定するものではない。Ｘは前記回転ミラー保持体１１５の回転方向を示し、平面鏡面ＢＥＭ１〜ＢＥＭ４は着火順序１−４−２−３の順序で前記回転方向Ｘとは逆方向に配置してある。Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃、Ｆ₄は前記平面鏡面で反射されたレーザ光を各シリンダヘッドに装着されたレーザ光ガイド１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに導く光ファイバーである。

前記パルスレーザ発射装置１１６はパルスレーザを前記回転ミラー保持体１１５の回転軸１１５ａに直交するように平面鏡面ＢＥＭに向かって発射する。発射されたパルスレーザは前記集光レンズ１１７を通って平面鏡面ＢＥＭ１でＳ₁の方向に反射される。この場合のレーザ光路に対する平面鏡面ＢＥＭ１の傾斜角はβ₁である。該レーザ光Ｓ₁は、光ファイバーＦ₁の入射点Ｉ₁から入射し、No.1シリンダのレーザ光ガイド１１０ａに導かれてエンジンのピストンに固定されたターゲット部材に照射される。前記回転ミラー保持体１１５が回転してＢＥＭ４の平面鏡面が上側に来た時にはレーザ光は光ファイバーＦ₄の入射部Ｉ₄から入射してレーザ光ガイド１１０ｄに導かれる。各光ファイバーの入射点を一致させることはできないので、各平面鏡面の傾斜角は反射光が各入射点に入射するように設定されている。

前記コントローラには前記回転センサ及び上死点検出センサの出力が夫々電線１１３ａ、１１３ｂを介して入力され、前記パルスレーザ発射装置１１６の発射時期を制御する信号が電線１１６ａを介してパルスレーザ発射装置１１６に送られる。図示してないが負荷を検出して前記コントローラに入力し、エンジン回転数とともに負荷に応じてレーザ発射時期を制御するようにしてもよい。図３の第３実施例によるレーザ光ガイドを用いる場合は、輝度センサによってターゲット部材表面におけるプラズマの輝度を検出し、これを前記コントローラに入力して分析し、予め入力されているデータと照合・比較してその判定結果に応じて前記パルスレーザ発射装置１１６の発射レーザエネルギの強弱を制御することができる。

本発明によれば、着火時期を変更によるシリンダヘッドに装着されたレーザ光ガイドからピストンに固定されたターゲット部材までの距離の変化に対応していつでもレーザ光の焦点がいつでも前記ターゲット部材表面に来るように制御することができる。これにより、着火時期を最適に制御し、或はターゲット部材の損耗による前記距離の変化に対応することができ、エンジン性能の向上、ターゲット部材の使用寿命の延長を達成することができる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実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態の要部断面図である。 本発明の第２実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態の要部断面図である。 本発明の第３実施例のレーザ光ガイドがシリンダヘッドに装着された状態の要部断面図である。 本発明のレーザ光ガイドが装着されたレーザ着火式エンジンの全体構成図であり、（Ａ）はエンジン本体を含めた構成を示し、（Ｂ）は回転ミラー保持体を側面から見た状態を示す図である。 本発明の第２実施例の組合せレンズの場合のレンズ間隔と焦点距離との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ ピストン
３ 燃焼室
４ ターゲット部材
１０ レーザ光ガイド
１１ レンズ保持部材収納体
１２ 集光レンズ或は第１の集光レンズ
１３ 集光レンズ保持部材或は第１集光レンズ保持部材
１４ 第２集光レンズ
１５ 集光レンズ受け部材
１６ 固定部材
１７ 気密石英ガラス
１８ 気密石英ガラス固定部材
１９ パッキン
２０ 調整レバー部材
２１ 光ファイバー
２２ ウォームホイール
２３ 光ファイバー固定ブラケット
２４ 固定ネジ
３１ 気密石英ガラス保持部材
３２ 気密石英ガラス固定部材
４１ ウォーム
４２ モータ

Claims (8)

1. ピストン表面にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式エンジンにおいて、レーザ発射装置から導かれたレーザ光を燃焼室に投射するレーザ光ガイドが１個の集光レンズと該集光レンズで集光されたレーザ光を透過する気密石英ガラスを有し、該レーザ光の光路に沿って前記集光レンズの位置が変更可能に構成されたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
2. ピストン表面にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式エンジンにおいて、レーザ発射装置から導かれたレーザ光を燃焼室に投射するレーザ光ガイドが燃焼室から遠い側の第１の集光レンズと燃焼室に近い側の第２の集光レンズからなる組合せレンズと、該組合せレンズで集光されたレーザ光を透過する石英ガラスを有し、該レーザ光の光路に沿って前記第１の集光レンズの位置が変更可能に構成されたことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
3. 前記レーザ光ガイドは、前記集光レンズが外周にネジ部を有するレンズ保持部材に固定され、該レンズ保持部材が内周にネジ部を有するとともに燃焼室に対面する端部に気密石英ガラスが固定されたレンズ保持部材収納体に螺合され、前記レンズ保持部材には前記レンズ保持部材収納体の他端を越えて延長する調整部材が固定されて、該調整部材を回転することにより前記集光レンズを前記レーザ光の光路に沿って移動できるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ着火式エンジン。
4. 前記レーザ光ガイドは、前記組合せレンズの第２の集光レンズが燃焼室に対面する端部に気密石英ガラスが固定されたレンズ保持部材収納体の前記気密石英ガラスの背後側に固定され、第１の集光レンズは外周にネジ部を有する第１集光レンズ保持部材に固定され、該第１集光レンズ保持部材は前記レンズ保持部材収納体に固定された前記第２の集光レンズの背後側に螺合され、前記第１集光レンズ保持部材には前記レンズ保持部材収納体の他端を越えて延長する調整部材が固定され、該調整部材を回転することにより前記第１集光レンズを前記レーザ光の光路に沿って移動できるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ着火式エンジン。
5. 前記調整部材の前記レンズ保持部材収納体を越えて延長した端部に歯車が設けられるとともに、該歯車に噛合ってこれを回転駆動する駆動装置が設けられていることを特徴とする請求項３或は４の何れかの項に記載のレーザ着火式エンジン。
6. レーザ着火式エンジンにおいて、エンジン回転数や負荷に応じて前記駆動装置を介して前記集光レンズ或は第１集光レンズの移動を制御するコントローラを備えたことを特徴とする請求項５記載のレーザ着火式エンジン。
7. レーザ着火式エンジンにおいて、燃焼室に対面する気密石英ガラスの背後側に前記ターゲット部材表面における輝度を検知できるように輝度センサを設けるとともに、レーザ照射時の輝度センサの出力を分析して予め入力されたデータと照合比較しその判定結果の信号を前記駆動装置に送って前記集光レンズ或は第１集光レンズの移動を制御するコントローラを備えたことを特徴とする請求項５記載のレーザ着火式エンジン。
8. レーザ着火式エンジンにおいて、前記コントローラが前記判定結果に応じて前記集光レンズ或は第１集光レンズの移動を制御するとともにレーザ発射装置の発射レーザエネルギの強弱をも制御することを特徴とする請求項７記載のレーザ着火式エンジン。

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