JP2006112254A - レーザ着火式エンジン及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光のターゲットの一点への集中照射を回避してかかるレーザ光の一点集中照射によるターゲットの寿命低下を防止し、該ターゲットの寿命低下によるレーザ着火不良及びこれに伴う燃焼不良の発生を防止するとともに、ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害発生を抑制し得るレーザ着火式エンジンを提供する。
【解決手段】 レーザ発振装置からのレーザ光を、ピストンの上部に形成された燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより燃焼室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、前記燃焼室に臨んで設けられた吸気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁の一面をレーザ光を照射可能にしたターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながら前記ターゲットにレーザ光を照射するように構成したことを特徴とする。
【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レーザ着火式エンジンに適用され、レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送管、光ファイバー等のレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室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。

しかしながら、前記点火プラグ着火方式は運転時間の経過とともに点火プラグギャップが増大して着火性能が低下し易く、かつ筒内有効平均圧力の上昇が制限されるという課題があり、また前記パイロット燃料噴射着火方式は前記課題は解決可能であるが、高圧の燃料噴射システムを必要とするため構造が複雑かつ高コストになるという課題を有している。
そこで、予混合希薄燃焼ガスエンジンにおいては、前記点火プラグ着火方式及びパイロット燃料噴射着火方式に代わる着火方式として、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予混合希薄燃焼ガスエンジンとして、特許文献１（特開平８−９３６２０号公報）、及び特許文献２（特開平９−４２１３８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、複数シリンダのシリンダヘッドの上方にミラーを設け、レーザ発振装置からクランク角に同期して着火順序で発射されたレーザ光を前記各ミラーに反射させて、シリンダヘッドに装着されたレーザ光ガイド内に導入し、該レーザ光ガイド内を通して燃焼室内のターゲットに照射するように構成されている。
また、特許文献２の技術においては、レーザ発振装置とピストン表面上に設けた１個のターゲットとの間のレーザ光の光路内にエンジン回転によってレーザ光を常時ターゲット上に照射できるように焦点可変装置を装備している。

特開平８−９３６２０号公報 特開平９−４２１３８号公報

レーザ着火式エンジンには、ピストン等の燃焼室構成部材に固定した耐熱金属製の固体ターゲットにレーザ光を照射する固定ターゲットレーザ着火方式と、燃焼室内のガスに直接レーザ光を照射する吸収式レーザ着火方式とがある。
このうち固定ターゲットレーザ着火方式は、前記固体ターゲットにレーザ光を照射することにより、数ｍｊ（ミリジュール）〜１０数ｍｊ程度のレーザ光源出力で以って数１０万℃という超高温のプラズマを発生させることが可能となる。

然るに、前記特許文献１（特開平８−９３６２０号公報）、及び特許文献２（特開平９−４２１３８号公報）に開示されているような固定ターゲットレーザ着火方式のレーザ着火式エンジンにおいては、前述のように、固体ターゲットの一点にレーザ光を集中照射することにより数１０万℃という超高温のプラズマを発生させるようになっているため、該固体ターゲットのレーザ光照射点が前記のようなレーザ光の集中照射による超高温のプラズマ発生に伴い焼損を発生し易くなる。
このため、かかる従来技術にあっては、前記のようなレーザ光の一点集中照射によって固定ターゲットの寿命が短くなり、レーザ着火不良及びこれに伴う燃焼不良が発生し易くなり、また固定ターゲットの交換を必要とする事態が発生し易くなって、該固定ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害を生ずる。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、レーザ光のターゲットの一点への集中照射を回避して、かかるレーザ光の一点集中照射によるターゲットの寿命低下を防止し、該ターゲットの寿命低下によるレーザ着火不良及びこれに伴う燃焼不良の発生を防止するとともに、ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害発生を抑制し得る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、レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、ピストンの上部に形成された主燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより前記主燃焼室内のガスに着火するように構成された単室レーザ着火式エンジンにおいて、前記主燃焼室に臨んで設けられた給気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁の一面を前記レーザ光集光手段を経た前記レーザ光を照射可能にした前記ターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながら前記ターゲットに前記レーザ光を照射するように構成したことを特徴とする。

また本発明は、レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、ピストンの上部に形成された主燃焼室と副室噴口を介して連通された副室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより前記副室内のガスに着火するように構成された副室レーザ着火式エンジンにおいて、前記副室に臨んで設けられた副室ガス供給弁からなる開閉弁の一面を前記レーザ光集光手段を経た前記レーザ光を照射可能にした前記ターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながら前記ターゲットに前記レーザ光を照射するように構成したことを特徴とする。

さらに本発明は、前記のように構成された単室レーザ着火式エンジン及び副室レーザ着火式エンジンの運転方法として、前記燃焼室に臨んで設けられた給気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁を微少量移動させながら該開閉弁の一面を前記ターゲットとして前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ着火式エンジンの運転方法を提案する。

かかる発明によれば、エンジンの主燃焼室に臨んで設けられた給気弁または排気弁の一面、あるいは単室レーザ着火式エンジンにおけるガス供給弁の一面、あるいは副室レーザ着火式エンジンにおける副室ガス供給弁等の開閉弁の一面をレーザ光集光手段を経たレーザ光を照射可能にしたターゲットとし、前記ターゲットを開閉弁移動手段により微少量移動させてレーザ光の照射点を移動させつつ該ターゲットにレーザ光を照射することが可能となる。
従って、レーザ光をターゲットの異なる部位に順次照射することが可能となって、従来技術のようにターゲットの一点にレーザ光を集中照射するのを回避でき、ターゲットの寿命を延長できる。これにより、従来技術のようなターゲットへのレーザ光集中照射による該ターゲットの焼損の発生を防止でき、またターゲットの交換頻度を大幅に低減可能となり、該ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害の発生を防止できる。

かかる発明において、好ましくは次の前記開閉弁及び前記開閉弁移動手段を次の３つの態様に構成する。
（１）前記開閉弁をポペット弁に構成するとともに、開閉弁移動手段は、前記開閉弁のターゲットを弁軸中心回りに微少量回動させる開閉弁回転装置からなる。
このように構成すれば、ポペット弁に構成された開閉弁を微小速度で回転させながら該開閉弁の表面にレーザ光を照射することにより、開閉弁の周方向の異なる部位をレーザ光の照射点とすることができて、レーザ光の集中照射を回避できる。また、吸気弁回転装置あるいは排気弁回転装置を備えたエンジンの場合は、かかる回転装置をそのまま利用することにより、開閉弁回転装置は不要となる。

（２）前記開閉弁をポペット弁に構成するとともに、前記開閉弁移動手段は、前記開閉弁のターゲットを弁軸の軸線方向に往復動させる開閉弁往復動装置からなる。
このように構成すれば、ポペット弁に構成された開閉弁を弁軸の軸線方向に往復動させながら該開閉弁の表面にレーザ光を照射することにより、開閉弁の軸線方向の異なる部位をレーザ光の照射点とすることができて、レーザ光の集中照射を回避できる。

（３）前記開閉弁をポペット弁に構成するとともに、前記開閉弁のターゲットを該開閉弁及び弁座のシート部の摩耗により弁軸の軸線方向に微少量移動させる。
このように構成すれば、ポペット弁に構成された開閉弁及び弁座のシート部が運転時間の経過とともに摩耗して行き、かかるシート部の摩耗によってレーザ光の燃焼室入光部に対する該開閉弁の軸線方向位置が上方つまり弁の閉止側にずれるのを利用して、開閉弁の軸線方向の異なる部位をレーザ光の照射点とすることが可能となり、レーザ光の集中照射を回避できる。
また、この場合は開閉弁及び弁座のシート部が運転時間の経過とともに摩耗して行く現象を利用するので、格別な開閉弁移動手段を必要とせず、構造が簡単となる。

また本発明は、レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室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、前記レーザ光伝送手段を光ファイバーで構成し、該光ファイバーのレーザ光集光手段側の先端部に温度によって熱変形を行い該光ファイバーの先端部の向きを変化させる熱変形部材を接続するとともに、該熱変形部材の温度を制御する温度制御装置を設け、前記温度制御装置によって前記熱変形部材の温度を調節することにより前記光ファイバーの先端部の向きを所要の方向に設定するように構成したことを特徴とする。
かかる発明によれば、光ファイバーの端部にバイメタル、形状記憶合金等の熱変形部材を接続し、該熱変形部材の温度を温度制御装置によって変化させることにより、該熱変形部材を伸縮させ（変形させ）て、光ファイバーの向きを微小量変化させることが可能となる。
これにより、光ファイバーからのレーザ光の入光方向を微小変化させてターゲットのレーザ光の照射点を移動させることが可能となり、レーザ光の集中照射を回避できる。

また本発明は、前記レーザ着火式エンジンにおいて、前記レーザ光伝送手段を光ファイバーで構成し、該光ファイバーのレーザ光集光手段側の先端部を流体圧によって変位する流体圧変位手段の出力端を連結するとともに、前記流体圧変位手段の流体圧を制御する流体圧制御手段を設け、前記流体圧制御手段によって前記流体圧変位手段の出力端に位置を変化させることにより前記光ファイバーの先端部の向きを所要の方向に設定するように構成したことを特徴とする。
かかる発明によれば、光ファイバーの端部にダイヤフラム、流体圧シリンダ等の流体圧変位手段の出力端を連結し、該流体圧変位手段の流体圧を流体圧制御手段によって変化させることにより、出力端の位置を変化させて、光ファイバーの向きを微小量変化させることが可能となる。
これにより、光ファイバーからのレーザ光の入光方向を微小変化させてターゲットのレーザ光の照射点を移動させることが可能となり、レーザ光の集中照射を回避できる。

また本発明は、光ファイバーのレーザ光集光手段側の先端部に温度によって熱変形を行い該光ファイバーの先端部の向きを変化させる熱変形部材を接続するとともに、該熱変形部材の温度を制御する温度制御装置を設け、前記温度制御装置によって前記熱変形部材の温度を調節することにより光ファイバーの先端部の向きを所要の方向に設定するように構成した光ファイバーの移動手段、あるいは、
光ファイバーのレーザ光集光手段側の先端部を流体圧によって変位する流体圧変位手段の出力端を連結するとともに、前記流体圧変位手段の流体圧を制御する流体圧制御手段を設け、前記流体圧制御手段によって流体圧変位手段の出力端に位置を変化させることにより光ファイバーの先端部の向きを所要の方向に設定するように構成した光ファイバーの移動手段のいずれか一方と、
主燃焼室に臨んで設けられた給気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁の一面をレーザ光集光手段を経たレーザ光を照射可能にしたターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながらターゲットにレーザ光を照射するように構成したターゲットの移動手段とを組み合わせた構成とすることもできる。
このように構成すれば、光ファイバーの先端部を好ましくは上下動させる前記光ファイバー移動手段と、該光ファイバーからのレーザ光が照射されるターゲットを弁回転装置によって微少量回動させてレーザ光の照射点を移動させるターゲットの移動手段とを組み合わせることにより、光ファイバーの出光側とこれを受けるターゲット側とが面上で交差するようになり、該レーザ光の集中照射の回避効果がより大きくなる。

本発明によれば、エンジンの燃焼室に臨んで設けられた開閉弁の一面をレーザ光集光手段を経たレーザ光を照射可能にしたターゲットとし、前記ターゲットを開閉弁移動手段により微少量移動させてレーザ光の照射点を移動させつつ該ターゲットにレーザ光を照射することができて、レーザ光をターゲットの異なる部位に順次照射することが可能となり、レーザ光をターゲットの一点に集中照射するのを回避できて、ターゲットの寿命を延長できる。
これにより、従来技術のようなターゲットへのレーザ光集中照射による該ターゲットの焼損の発生を防止でき、またターゲットの交換頻度を大幅に低減できて、該ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害の発生を防止できる。

また本発明によれば、光ファイバーの端部に熱変形部材を接続し、該熱変形部材の温度を変化させることにより該熱変形部材を伸縮させ（変形させ）て、光ファイバーの向きを微小量変化させ、あるいは光ファイバーの端部に流体圧変位手段の出力端を連結し、該流体圧変位手段の流体圧を変化させることにより、出力端の位置を変化させて光ファイバーの向きを微小量変化させることにより、光ファイバーからのレーザ光の入光方向を微小変化させてターゲットのレーザ光の照射点を移動させることが可能となり、レーザ光の集中照射を回避できる。

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６は本発明が適用される単室式レーザ着火式ガスエンジンにおけるレーザ光伝送システムの全体構成図である。
図６において、１２はガスエンジン（以下エンジンという）のシリンダヘッド、１０はピストン、１１はシリンダライナ、１３は該シリンダヘッド１２、ピストン１０及びシリ＋ンダライナ１１により区画形成された燃焼室、２２はコネクチングロッド、２３はクランク軸である。
また、１５は給気ポート、１４は該給気ポート１５を開閉する給気弁、１７は排気ポート、１６は該排気ポート１７を開閉する排気弁である。

１はレーザ光（レーザパルス）０２を発振するレーザ発振装置、２は前記レーザ発振装置１から発振されるレーザ光０２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制御装置である。
７は前記レーザ発振装置１からのレーザ光０２を後述するレーザ光集光装置６０に伝送するためのレーザ光伝送管である。該レーザ光伝送管７の曲がり部にはレーザ光０２を反射するミラー２０及び２１が設置されている。
６０は前記シリンダヘッド１２内に設置されたレーザ光集光装置である。
６は該レーザ光集光装置６０の集光レンズで、石英ガラス等の耐熱性を有する透明ガラスにて構成され、上面の入光面及び下面の出光面が前記レーザ光伝送管７を通して伝送されるレーザ光０２を前記燃焼室１３内のターゲット５の位置にて集光するような球面に形成されている。

８は前記集光レンズ６の入光面の上部に設置された押え部材で、該集光レンズ６の表面に傷が付かないような軟質材からなる。６ａは該集光レンズ６の下面外周とシリンダヘッド１２との間に介装されたガスケットである。
９は押えねじで、該押えねじ９をシリンダヘッド１２の取付穴内にねじ込むことにより、前記押え部材８を介して前記集光レンズ６を流体密に該取付穴内に固定している。また、前記レーザ伝送管７の端部は、前記押え部材８内に固定されている。

５１はエンジンの回転数を検出する回転数検出器、５２はエンジンの負荷を検出する負荷検出器、５３はクランク角センサを構成するタイミング円板で回転軸２３ａを介して前記クランク軸２３のクランク角を検出するものである。
３はコントローラで、前記回転数検出器５１からエンジン回転数の検出値が、前記負荷検出器５２からエンジン負荷の検出値が、前記クランク角センサ（タイミング円板）５３からエンジンのクランク角の検出値が夫々入力されて、前記エンジン回転数の検出値あるいは前記エンジン負荷の検出値に基づき、該エンジン回転数あるいはエンジン負荷に対応するレーザ光０２のパルス間隔、レーザ光エネルギー（レーザ光の強さ）等を算出するとともに、前記クランク角検出値に基づき各シリンダの着火順序に従ってのレーザ光０２の発振タイミングを算出して、前記レーザ制御装置２に入力するものである。

かかるレーザ着火式ガスエンジンの運転時において、前記回転数検出器５１からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器５２からのエンジン負荷の検出値、前記クランク角センサ５３からのクランク角の検出値は、コントローラ３に入力される。
そして該コントローラ３においては、前記エンジン回転数の検出値、エンジン負荷の検出値、及びクランク角の検出値に基づき、前記レーザ制御装置２にレーザ発振装置１からのレーザ光０２の発振タイミングの制御信号を出力する。

そして前記レーザ制御装置２は、前記コントローラ３から該レーザ制御装置２に出力されるレーザ光０２の発振タイミングの制御信号に基づき、前記レーザ発振装置１からレーザ光０２を発振せしめる。該レーザ光０２は前記レーザ光伝送管７内を前記ミラー２０、２１に反射されながら前記レーザ光集光装置６０に達する。
該レーザ光集光装置６０においては、レーザ光０２は、前記集光レンズ６の入光面から該集光レンズ６に入光し、該集光レンズ６内を透過して出光面から出光し、前記燃焼室１３内のターゲット５の位置にて集光し、混合ガス中に高温のプラズマを発生させ、該ガスを着火燃焼せしめる。

次に図１（Ａ）は本発明の第１実施例に係る副室レーザ着火式エンジンの構成を示す模式図である。図１（Ｂ）は本発明の第２実施例に係る単室式レーザ着火式エンジンの給気弁シート部近傍の要部構成を示す要部断面図である。
図１（Ａ）において、１０はエンジンのピストン、１３はシリンダヘッド１２、ピストン１０及びシリンダライナ１１（図６参照）により区画形成された主燃焼室、２５はシリンダヘッド１２（図６参照）内に形成された副室、２５ａは該副室２５と前記主燃焼室１３とを連通する副室噴口である。
２６は前記副室２５の燃料ガス入口を開閉する副室ガス弁であり、該副室ガス弁２６はこれの上部に連結された弁回転装置２７によって、超低速でステップ的あるいは連続的に、図のＮ矢印のようにある方向に回動せしめられている。かかる弁回転装置２７は、従来使用されている排気弁回転装置、給気弁回転装置と同様な装置を用いることができる。あるいは既に副室ガス弁２６に弁回転装置２７が装着されている場合はこれを用いる。

１はレーザ光０２を発振するレーザ発振装置、２は前記レーザ発振装置１から発振されるレーザ光０２のパルス間隔、レーザ光エネルギー等を制御するレーザ制御装置である。５０は前記レーザ光０２を伝送する光ファイバーである。
５１はエンジンの回転数を検出する回転数検出器、５２はエンジンの負荷を検出する負荷検出器、５３はクランク角を検出するクランク角センサ、３はコントローラでこれらの構成は図６と同様である。
この実施例においては、前記レーザ発振装置１から、エンジン回転数あるいはエンジン負荷に対応するパルス間隔、レーザ光エネルギー、照射タイミングで以って発振されたレーザ光０２は、前記のようにして弁回転装置２７によって超低速でステップ的に回動せしめられている副室ガス弁２６の外周面２６ａに照射される。

また、図示を省略したが、主室ガス弁が主燃焼室１３に臨んで設けられている単室レーザ着火式エンジンについても、前記副室レーザ着火式エンジンの場合と全く同様に、弁回転装置２７によって超低速でステップ的あるいは連続的に、図１のＮ矢印のようにある方向に回動せしめられている主室ガス弁の外周面にレーザ光０２を照射するように構成することができる。

また第２実施例を示す図１（Ｂ）において、１３は主燃焼室、１５は給気ポート、１４は該給気ポート１５を開閉する給気弁、１２ａはシリンダヘッド１２に固着された弁座である。前記給気弁１４は公知の給気弁開閉装置によって、超低速でステップ的あるいは連続的に、図のＮ矢印のようにある方向に回動せしめられている。
この実施例においては、前記レーザ発振装置１から、エンジン回転数あるいはエンジン負荷に対応するパルス間隔、レーザ光エネルギー、照射タイミングで以って発振されたレーザ光０２は、前記のようにして弁回転装置２７によって回動せしめられている給気弁１４の外周面１４ａに照射される。

また、図示を省略したが、前記排気弁１６についても、前記第２実施例に係る給気弁１４の場合と全く同様に、弁回転装置２７によって超低速でステップ的あるいは連続的に、図のＮ矢印のようにある方向に回動せしめられている排気弁１６の外周面にレーザ光０２を照射するように構成することができる。

かかる第１、第２実施例によれば、副室レーザ着火式エンジンにおける副室ガス弁２６の一面、単室レーザ着火式エンジンにおける主室ガス弁の一面、主燃焼室１３に臨んで設けられた給気弁１４または排気弁１６の一面等の開閉弁を、レーザ光０２を照射可能にしたターゲットとし、前記ターゲットを開閉弁移動手段を構成する弁回転装置２７によって微少量回動させてレーザ光０２の照射点を移動させつつ該ターゲットにレーザ光０２を照射することが可能となる。
従って、レーザ光０２をターゲットの異なる部位に順次照射することが可能となって、従来技術のようにターゲットの一点にレーザ光を集中照射するのを回避でき、ターゲットの寿命を延長できる。これにより、従来技術のようなターゲットへのレーザ光集中照射による該ターゲットの焼損の発生を防止でき、またターゲットの交換頻度を大幅に低減可能となり、該ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害の発生を防止できる。

図２は本発明の第３実施例に係る副室レーザ着火式エンジンの構成を示す模式図（図１対応図）である。
この実施例においては、ポペット弁に構成された副室ガス弁２６が、これの上部に連結された弁回転装置２７によって、超低速でステップ的あるいは連続的に、図のＮ矢印のように正逆両方向に回動せしめられるとともに、既設の副室ガス弁駆動装置２８によって図のＹ矢印のように弁軸の軸線方向に往復動せしめられる。
そしてこの実施例においては、前記第１実施例と同様に、前記レーザ発振装置１から、エンジン回転数あるいはエンジン負荷に対応するパルス間隔、レーザ光エネルギー、照射タイミングで以って発振されたレーザ光０２が、前記のようにして弁回転装置２７によって回動せしめられるとともに既設の前記副室ガス弁駆動装置２８によって往復動せしめられている副室ガス弁２６の外周面２６ａに照射される。

かかる第３実施例によれば、ポペット弁に構成された既設の前記副室ガス弁駆動装置２８により弁軸の軸線方向に往復動させながら該副室ガス弁２６の表面にレーザ光を照射することにより、副室ガス弁２６の軸線方向の異なる部位をレーザ光０２の照射点とすることができるとともに、該副室ガス弁２６が前記弁回転装置２７によって回動せしめられているので、該副室ガス弁２６の円周方向の異なる部位をもレーザ光０２の照射点とすることもでき、前記第１実施例よりもレーザ光０２の照射点を分散でき、レーザ光０２の集中照射をより確実に回避できる。
その他の構成、作用効果は前記第１実施例（図１（Ａ））と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第４実施例を示し、（Ａ）は副室レーザ着火式エンジンの構成を示す模式図（図１（Ａ）対応図）、（Ｂ）は副室ガス弁２６のシート部拡大図（（Ａ）のＺ部拡大断面図）である。
この実施例においては、図３（Ａ）のように、前記第１〜第３実施例のような弁回転装置２７及び副室ガス弁駆動装置２８を除去し、次のようにしてレーザ光の照射点を移動せしめている。
即ち、かかる第４実施例においては、図３（Ｂ）のように、ポペット弁に構成された副室ガス弁２６及び弁座０２６のシート部が運転時間の経過とともに摩耗して行き、副室ガス弁２６のシート面２６ｃ及び弁座０２６のシート面２６ｂが実線から２点鎖線のように、弁軸の軸線方向に微少量Ｓだけ移動する。

そしてこの実施例においては、前記第１実施例と同様に、前記レーザ発振装置１から、エンジン回転数あるいはエンジン負荷に対応するパルス間隔、レーザ光エネルギー、照射タイミングで以って発振されたレーザ光０２が、弁軸の軸線方向に微少量Sだけ移動せしめられている副室ガス弁２６の外周面２６ａに照射される。
従って、ポペット弁に構成された副室ガス弁２６及び弁座０２６のシート部が運転時間の経過とともに摩耗して行き、かかるシート部の摩耗によってレーザ光０２の副室２５への入光部に対する該副室ガス弁２６の軸線方向位置が上方つまり弁の閉止側にずれるのを利用して、該副室ガス弁２６の軸線方向の異なる部位をレーザ光０２の照射点とすることが可能となり、レーザ光０２の集中照射を回避できる。
この場合は副室ガス弁２６及び弁座０２６のシート部が運転時間の経過とともに摩耗して行く現象を利用するので、格別な開閉弁移動手段を必要とせず、構造が簡単となる。

また、図示を省略したが、前記給気弁１４及び排気弁１６（図６参照）についても、前記第４実施例に係る副室ガス弁２６の場合と全く同様に、ポペット弁に構成された給気弁１４あるいは排気弁１６と弁座とのシート部が運転時間の経過とともに摩耗して行き、かかるシート部の摩耗によってレーザ光０２の主燃焼室１３（図６参照）への入光部に対する給気弁１４あるいはび排気弁１６の軸線方向位置が上方つまり弁の閉止側にずれるのを利用して、該給気弁１４あるいはび排気弁１６の軸線方向の異なる部位をレーザ光０２の照射点とすることが可能となり、レーザ光０２の集中照射を回避できる。

図４は本発明の第５実施例に係る光ファイバー先端部の概略構造である。
この実施例においては、レーザ光伝送手段を光ファイバー５０で構成し、該光ファイバー５０のレーザ光集光装置側（燃焼室１３側）の先端部に、外周に電熱コイル６１が巻装され、該電熱コイル６１の加熱によって熱変形を行い該光ファイバー５０の先端部の向きを変化させるバイメタル、形状記憶合金等の熱変形部材５４を接続するとともに、該熱変形部材５４の温度を制御する温度制御装置５２を設け、前記温度制御装置５２によって前記熱変形部材５４の温度を調節することにより、前記光ファイバー５０の先端部の向きを所要の方向に設定するように構成している。

かかる第５実施例によれば、光ファイバー５０の端部にバイメタル、形状記憶合金等の熱変形部材５４を接続し、該熱変形部材５４の温度を温度制御装置５２によって変化させることにより該熱変形部材５２を伸縮させ（変形させ）て、光ファイバー５０の向きを微小量変化させることが可能となる。
これにより、光ファイバー５０からのレーザ光０２の入光方向を微小変化させてターゲット５（図６参照）のレーザ光０２の照射点を移動させることが可能となり、該レーザ光０２の集中照射を回避できる。

図５は本発明の第６実施例に係る光ファイバー先端部の概略構造である。
この実施例においては、レーザ光伝送手段を光ファイバー５０で構成し、該光ファイバー５０のレーザ光集光装置側（燃焼室１３側）の先端部に、流体圧（空気圧）によって変位する流体圧変位手段を構成するダイヤフラム５５の出力軸５９を連結するとともに、該ダイヤフラム５５への加圧空気通路５７に加圧空気量を制御する流量制御弁５６を設け、弁開閉装置５８によって該流量制御弁５６の開度を調整することにより加圧空気量を制御し、前記ダイヤフラム５５の出力軸５９の変位を変化させて、前記光ファイバー５０の先端部の向きを所要の方向に設定するように構成している。
尚、図示を省略したが、前記ダイヤフラム５５に代えて油圧シリンダ等の位置制御可能な流体圧シリンダの出力端、あるいは、モータの出力端と前記光ファイバー５０の先端部とを連結し、該モータを低速で運転して前記光ファイバー５０先端部を移動させてもよい。

かかる第６実施例によれば、光ファイバー５０の端部にダイヤフラム５５の出力軸５９を連結し、該ダイヤフラム５５の空気圧を流量制御弁５６及び弁開閉装置５８によって変化させることにより出力軸５９の位置を変化させて、光ファイバー５０の向きを微小量変化させることが可能となる。
これにより、光ファイバー５０からのレーザ光０２の入光方向を微小変化させてターゲット５（図６参照）のレーザ光０２の照射点を移動させることが可能となり、該レーザ光０２の集中照射を回避できる。

本発明の第７実施例は、図４に示される第５実施例と図１（Ａ）、（Ｂ）に示される第１〜第２実施例とを組み合わせたもので、かかる第７実施例によれば、
図４に示されるように、光ファイバー５０のレーザ光集光装置側（燃焼室１３側）の先端部に、電熱コイル６１の加熱によって熱変形を行い該光ファイバー５０の先端部の向きを変化させるバイメタル、形状記憶合金等の熱変形部材５４を接続するとともに、該熱変形部材５４の温度を制御する温度制御装置５２を設け、前記温度制御装置５２によって前記熱変形部材５４の温度を調節することにより、前記光ファイバー５０の先端部の向きを所要の方向に設定することにより光ファイバー５０の先端部を主として上下方向に微小量動かすように構成する光ファイバー５０の移動手段と、
前記光ファイバー５０から出光されたレーザ光０２が照射されるターゲットを、図１（Ａ）に示されるように副室レーザ着火式エンジンにおける副室ガス弁２６の一面または単室レーザ着火式エンジンにおける主室ガス弁の一面をターゲットとし、あるいは図１（Ｂ）に示されるように給気弁１４または排気弁１６の一面をターゲットとして、該ターゲットを弁回転装置２７によって微少量回動させてレーザ光０２の照射点を移動させるターゲットの移動手段とを組み合わせることにより、光ファイバー５０の出光側とこれを受けるターゲット側とが面上で交差するようになり、該レーザ光０２の集中照射の回避効果が大きくなる。

本発明の第８実施例は、図５に示される第６実施例と図１（Ａ）、（Ｂ）に示される第１〜第２実施例とを組み合わせたもので、かかる第８実施例によれば、
図５に示されるように、光ファイバー５０のレーザ光集光装置側（燃焼室１３側）の先端部に、流体圧によって変位する流体圧変位手段を構成するダイヤフラム５５の出力軸５９を連結するとともに、該ダイヤフラム５５への加圧空気通路５７に加圧空気量を制御する流量制御弁５６を設け、弁開閉装置５８によって該流量制御弁５６の開度を調整することにより加圧空気量を制御し、前記ダイヤフラム５５の出力軸５９の変位を変化させて、前記光ファイバー５０の先端部の向きを所要の方向に設定するように構成する光ファイバー５０の移動手段と、
前記光ファイバー５０から出光されたレーザ光０２が照射されるターゲットを、図１（Ａ）に示されるように副室レーザ着火式エンジンにおける副室ガス弁２６の一面または単室レーザ着火式エンジンにおける主室ガス弁の一面をターゲットとし、あるいは図１（Ｂ）に示されるように給気弁１４または排気弁１６の一面をターゲットとして、該ターゲットを弁回転装置２７によって微少量回動させてレーザ光０２の照射点を移動させるターゲットの移動手段とを組み合わせることにより、光ファイバー５０の出光側とこれを受けるターゲット側とが面上で交差するようになり、該レーザ光０２の集中照射の回避効果が大きくなる。

本発明によれば、レーザ光のターゲットの一点への集中照射を回避して、かかるレーザ光の一点集中照射によるターゲットの寿命低下を防止し、該ターゲットの寿命低下によるレーザ着火不良及びこれに伴う燃焼不良が発生を防止するとともに、ターゲットの交換に伴なう無駄な工数の増加やエンジンの運転停止等の弊害発生を抑制し得るレーザ着火式エンジンを提供できる。

（Ａ）は本発明の第１実施例に係る副室レーザ着火式エンジンの構成を示す模式図、（Ｂ）は本発明の第２実施例に係る単室式レーザ着火式エンジンの給気弁シート部近傍の要部構成を示す要部断面図である。 本発明の第３実施例に係る副室レーザ着火式エンジンの構成を示す模式図（図１対応図）である。 （Ａ）は本発明の第４実施例に係る副室レーザ着火式エンジンの構成を示す模式図（図１（Ａ）対応図）、（Ｂ）は副室ガス弁２６のシート部拡大図（（Ａ）のＺ部拡大断面図）である。本発明の第３実施例を示す分配装置の構成図である。 本発明の第５実施例に係る光ファイバー先端部の概略構造である。 本発明の第６実施例に係る光ファイバー先端部の概略構造である。 本発明が適用される単室式レーザ着火式ガスエンジンにおけるレーザ光伝送システムの全体構成図である。

符号の説明

１ レーザ発振装置
２ レーザ制御装置
０２ レーザ光
３ コントローラ
１０ ピストン
１２ シリンダヘッド
１３ 主燃焼室
１４ 給気弁
１６ 排気弁
２５ 副室
２６ 副室ガス弁
２７ 弁回転装置
２８ 副室ガス弁駆動装置
５０ 光ファイバー
５１ 回転数検出器
５２ 負荷検出器
５３ クランク角センサ
５４ 熱変形部材
５５ ダイヤフラム

Claims (9)

1. レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、ピストンの上部に形成された主燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより前記主燃焼室内のガスに着火するように構成された単室レーザ着火式エンジンにおいて、前記主燃焼室に臨んで設けられた給気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁の一面を前記レーザ光集光手段を経た前記レーザ光を照射可能にした前記ターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながら前記ターゲットに前記レーザ光を照射するように構成したことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
2. レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、ピストンの上部に形成された主燃焼室と副室噴口を介して連通された副室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより前記副室内のガスに着火するように構成された副室レーザ着火式エンジンにおいて、前記副室に臨んで設けられた副室ガス供給弁からなる開閉弁の一面を前記レーザ光集光手段を経た前記レーザ光を照射可能にした前記ターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながら前記ターゲットに前記レーザ光を照射するように構成したことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
3. 前記開閉弁をポペット弁に構成するとともに、開閉弁移動手段は、前記開閉弁のターゲットを弁軸中心回りに微少量回動させる開閉弁回転装置からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかの項に記載のレーザ着火式エンジン。
4. 前記開閉弁をポペット弁に構成するとともに、前記開閉弁移動手段は、前記開閉弁のターゲットを弁軸の軸線方向に往復動させる開閉弁往復動装置からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかの項に記載のレーザ着火式エンジン。
5. 前記開閉弁をポペット弁に構成するとともに、前記開閉弁のターゲットを該開閉弁及び弁座のシート部の摩耗により弁軸の軸線方向に微少量移動させるようにしたことを特徴とする請求項１または２のいずれかの項に記載のレーザ着火式エンジン。
6. レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室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の運転方法において、前記燃焼室に臨んで設けられた吸気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁を微少量移動させながら該開閉弁の一面を前記ターゲットとして前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ着火式エンジンの運転方法。
7. レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室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、
   前記レーザ光伝送手段を光ファイバーで構成し、該光ファイバーのレーザ光集光手段側の先端部に温度によって熱変形を行い該光ファイバーの先端部の向きを変化させる熱変形部材を接続するとともに、該熱変形部材の温度を制御する温度制御装置を設け、前記温度制御装置によって前記熱変形部材の温度を調節することにより前記光ファイバーの先端部の向きを所要の方向に設定するように構成したことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
8. レーザ発振装置からのレーザ光をレーザ光伝送手段を通してシリンダヘッドに装着されたレーザ光集光手段に伝送し、該レーザ光集光手段から、燃焼室内のターゲットに照射して発生させたプラズマにより該燃焼室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、
   前記レーザ光伝送手段を光ファイバーで構成し、該光ファイバーのレーザ光集光手段側の先端部を流体圧によって変位する流体圧変位手段の出力端を連結するとともに、前記流体圧変位手段の流体圧を制御する流体圧制御手段を設け、前記流体圧制御手段によって前記流体圧変位手段の出力端に位置を変化させることにより前記光ファイバーの先端部の向きを所要の方向に設定するように構成したことを特徴とするレーザ着火式エンジン。
9. 前記主燃焼室に臨んで設けられた給気弁、排気弁、ガス供給弁等の開閉弁の一面を前記レーザ光集光手段を経た前記レーザ光を照射可能にした前記ターゲットに形成するとともに、該開閉弁のターゲットを微少量移動させる開閉弁移動手段を設け、前記開閉弁移動手段により前記開閉弁を微少量移動させながら前記ターゲットに前記レーザ光を照射するように構成したことを特徴とする請求項７または８のいずれかの項に記載のレーザ着火式エンジン。
   

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