JP2008045496A - 光センサ内蔵レーザ着火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室の形状や部品点数に影響を及ぼすことなく、レーザ着火および燃焼状態のモニタを実現できる装置を提供する。
【解決手段】レーザ光７０を発するレーザ光源１１と、一端がレーザ光源１１に、他端が燃焼室４に連結された鏡筒１２と、鏡筒１２の燃焼室４側の一端に設けられたレーザ光照射窓１３と、鏡筒１２内部に設けたレンズ１４と、レンズ１４に対してレーザ光源１１側に設けた光検知部とを備えた光センサ内蔵レーザ着火装置１０において、レンズ１４によりレーザ光７０を燃焼室４内に集光して、混合気を着火させるとともに、レーザ光源１１側の光検知部１５によりレンズ１４を透過した燃焼光を検知する。すなわち、従来は別個に設けられていたレーザ着火装置と光検知部の光学系とを、共有、一体化させる。これにより、装置の構成が簡略化できるとともに、部品点数の低減によりコストが削減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に適用される光センサ内蔵レーザ着火装置に関し、具体的には、主として自動車用、発電用等の内燃機関に用いられる光センサ内蔵レーザ着火装置に関するものである。

従来から、代表的な内燃機関として、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが知られているが、前者は排気ガスがクリーンであるが燃費が劣り、後者は燃費に優れるがＮＯｘや粒子状物質（ＰＭ）排出量が多いという問題があった。そこで、地球環境の保護、温暖化防止という観点から、低燃費で排気ガスがクリーンなエンジンを実現するものとして、混合気を高圧縮して自発着火させる「予混合圧縮着火技術」が注目されている。しかしながら、予混合圧縮着火式エンジンは、着火が不安定という欠点があるため、着火燃焼を促進する補助的着火手段が種々提案されている。

その一つであるレーザ着火は、高出力レーザパルスをレンズにより集光した焦点に発生するプラズマを起点として着火するものである。レーザ着火は、従来からガソリンエンジンに採用されているスパークプラグに比べ、高圧縮比でも着火性が悪化しない、焦点位置調節により燃焼室内の任意の位置での着火が可能であるといった利点を有する。さらに、電気的ノイズの発生源にならない、付着した汚れによる短絡がないといった利点もある。そこで近年、レーザ着火に関する技術開発が進んでいる。

また、排気ガス浄化や燃費向上のためには、排気ガスの処理のみならず、燃焼を常に適切に制御することが必要となる。燃焼を制御するためには、排気ガスの成分を測定するだけではなく、燃焼状態をリアルタイムで直接モニタすることが望ましい。燃焼状態のモニタ手段としては、圧力センサや光センサ等が知られており、これらのうち光センサは、燃焼光を直接観察するため、燃焼状態について、圧力センサよりも多くの情報を得ることが可能である。

そこで、かかるレーザ着火装置および光センサを備えたレーザ着火式エンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のエンジンでは、別個のレーザ集光装置（レーザ着火装置）および光センサが、隣接してシリンダヘッドに嵌め込まれている。
特開２００５−４２５９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のレーザ着火式エンジンでは、混合気への着火手段として必要なレーザ集光装置とは別に、燃焼状態を検知するための光センサがシリンダヘッドに嵌め込まれている。すなわち、燃焼室内に、エンジン部品以外に光センサが存在する構造となるため、燃焼室の形状、ひいてはエンジンの特性に影響を及ぼす虞がある。また、レーザ集光装置、光センサという二つの光デバイスが独立して設けられているために構成が複雑化し、部品点数が増加するため、組立て工数やコストの増大を招くという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、燃焼室の形状や部品点数に影響を及ぼすことなく、レーザ着火および燃焼状態のモニタを実現できる装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の光センサ内蔵レーザ着火装置は、レーザ光を発するレーザ発生機構と、前記レーザ発生機構と内燃機関の燃焼室との間に設けられ、前記燃焼室と外気とを隔離するとともに、前記レーザ光を前記燃焼室内に射出するためのレーザ光照射窓と、前記レーザ発生機構と前記レーザ光照射窓との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記燃焼室内に前記レーザ光の焦点が位置するように該レーザ光を集光させるレンズと、前記レーザ光の光路方向において前記レンズよりも前記レーザ発生機構側に位置し、前記燃焼室内で発生する燃焼光を前記レンズを介して検知する光検知部とを備えている。

また、請求項２に係る発明の光センサ内蔵レーザ着火装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記光検知部が、前記レンズと前記レーザ発生機構との間であって前記光路を除いた部位に設けられた、前記燃焼光を受光する受光素子であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の光センサ内蔵レーザ着火装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記レーザ発生機構と前記レンズとの間に設けられ、前記レーザ光を透過するとともに前記燃焼光のうち特定の波長域の光を前記光路とは異なる方向へ反射させる波長選択素子をさらに備え、前記光検知部が、前記燃焼光を前記波長選択素子を介して受光する受光素子であることを特徴とする。

さらに請求項４に係る発明の光センサ内蔵レーザ着火装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光検知部が、前記レーザ光の光路方向において前記レンズよりも前記レーザ発生機構側に位置する前記レンズの焦平面上に設けられることを特徴とする。

さらに請求項５に係る発明の光センサ内蔵レーザ着火装置は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の構成に加え、前記レンズが前記レーザ光照射窓を兼用することを特徴とする。

請求項１に係る光センサ内蔵レーザ着火装置は、レーザ発生機構からのレーザ光をレンズによって燃焼室内に集光し、焦点に発生するプラズマにより燃焼室内の混合気に着火させるとともに、燃焼室内で発生する燃焼光を、同じレンズを介してレーザ発生機構に位置する光検知部で検知するものである。つまり、ともに光デバイスであるレーザ着火装置及び光検知部の光学系を、可能な限り共有、一体化させたものである。このような構成にすれば、独立した別の光デバイスを燃焼室に取付ける必要がないため、燃焼室の形状やエンジン特性への影響を抑えることができる。また、装置の構成が簡略化できるとともに、部品点数が低減されるため、組立て工数やコストが削減できる。

ところで、請求項１に係る光センサ内蔵レーザ着火装置により、レーザ光による混合気の着火と燃焼室内で発生する燃焼光の検知とを同一の装置で行うと、レーザ光と燃焼光との両方が同一の装置内を透過することになる。そこで、光検知部をレンズとレーザ発生機構との間に設ける場合には、請求項２に係る発明のように、レーザ光路以外の部位に受光素子を配置することにより、着火のためのレーザ光を妨害することなく燃焼光を検知することができる。

また、請求項３に係る発明では、レンズとレーザ発生機構との間に波長選択素子を設け、レーザ発生機構からのレーザ光は透過させる一方で、燃焼室からレーザ光照射窓を通してレンズを透過する燃焼光のうちの特定波長成分だけを、波長選択素子を介してレーザ光路とは異なる方向へ反射させる。そして反射された特定波長成分を受光素子で検知する。このような構成とすることにより、光検知部の設置位置の自由度を向上することができる。すなわち、光検知部を燃焼室からできるだけ離れた位置に設けることができる。

また、請求項４に係る発明のように、光検知部を焦平面上に配置して、レンズを透過した光が最良の鮮鋭な像を結ぶ焦平面上で燃焼光の検知を行うことにより、燃焼状態を高精度に検知することが可能となる。

さらに、請求項５にかかる発明では、レーザ光を集光するレンズがレーザ光照射窓を兼用している。これにより、構成をさらに簡略化できるとともに、部品点数の削減により、組立て工数やコストを低減することができる。

以下、本発明を具体化した光センサ内蔵レーザ着火装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

<第１の実施形態>
以下、図１〜３を参照して、本発明に係る光センサ内蔵レーザ着火装置の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係るに係る光センサ内蔵レーザ着火装置１０をポート噴射型のエンジン１００の燃焼室に装着した場合の、概略構成を示す断面図である。図２は、光センサ内蔵レーザ着火装置１０の光軸に沿った縦断面図である。図３は、エンジン１００の燃焼制御方法を説明するブロック図である。

図１に示すように、エンジン１００は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２、シリンダブロック２内を往復運動するピストン３を構成の主体とする。そしてこれらシリンダヘッド１、シリンダブロック２およびピストン３で囲まれる空間が燃焼室４である。また、シリンダヘッド１は、吸気の流路である吸気ポート５、吸気ポート５を開閉する吸気弁６、排気の流路である排気ポート７、排気ポート７を開閉する排気弁８等を備えている。なお、吸気ポート５内には、燃料を噴射する燃料噴射装置９が設けられている。また、光センサ内蔵レーザ着火装置１０は、エンジン１００のシリンダヘッド１に設置されている。

また、図２に示すように、光センサ内蔵レーザ着火装置１０は、レーザ光源１１、鏡筒１２、レーザ光照射窓１３、レンズ１４および光検知部１５から構成されている。

レーザ光を発するレーザ光源１１には特に限定はないが、効率と出力の観点から、レーザダイオード励起固体レーザが好適に用いられる。レーザ媒質としては、安定性、耐久性に優れるＮｄ：ＹＡＧやＹｂ：ＹＡＧなどのレーザ結晶が好ましい。また、レーザパルスの射出タイミングは、パルスタイミング能動Ｑスイッチの制御、またはレーザダイオード駆動制御と受動Ｑスイッチとを組み合わせることにより行われることが好ましい。なお、レーザ光源１１が「レーザ発生機構」に相当する。

鏡筒１２は、一端がレーザ光源１１に、他端が燃焼室４に連結された円筒形のハウジングで、レンズ１４を筒内に支持するとともに、レーザ光７０がその内部を貫通してレーザ光源１１から燃焼室４へ達するよう設けられている。鏡筒の材質には特に限定はないが、燃焼室近傍に設置されることを考慮し、ＳＵＳ３０４などの耐熱性に優れた金属を用いることが好ましい。

鏡筒１２の燃焼室４側の一端は燃焼室４に面して開口しており、その開口部に、燃焼室４を鏡筒内の外気からシールするとともに、鏡筒１２を貫通したレーザ光７０を燃焼室４に射出するためのレーザ光照射窓１３が設けられている。また、レーザ光照射窓１３の燃焼室４側の表面は燃焼雰囲気に直に曝されるため、燃焼ガスなどで汚れが付着しやすい。よって、レーザ光照射窓１３は、汚れが焼失するよう十分に高温の部位に設けられるため、耐熱性が要求される。そこで、レーザ光照射窓１３の材料としては、透光性を有し、耐熱性に優れる材料が好ましい。好適な材料の例として、透光性アルミナやサファイア、透明ＹＡＧなどのイオン結晶性材料が挙げられる。

レンズ１４は、レーザ光源１１から発せられ鏡筒１２を貫通するレーザ光７０を、燃焼室４内の所望の位置に集光するように、鏡筒１２内のレーザ光７０の光路上に設置されている。レンズの材料としては特に限定はなく、一般的な光学ガラスの他、透光性を有する単結晶やセラミックスを使用することができる。耐熱性を考慮すると、光学ガラスよりも透光性の単結晶またはセラミックスが好ましい。特に、セラミックスを使用した場合、単結晶バルク体を材料とした場合よりも材料コストが低く抑えられる。さらに、セラミックスの成形加工時にレンズに近い形状とすることにより、研磨コストを抑えることも可能である。また、透光性の面では、光学的に等方性の材料が特に優れている。よって、透光性、耐熱性の両面で優れた透明ＹＡＧセラミックスは、特に好適な材料の一例である。

光検知部１５は、レーザ光の光路方向においてレンズ１４よりもレーザ光源１１側の鏡筒１２内に設けられている。光検知部１５は、燃焼室４内で発生し、レーザ光照射窓１３およびレンズ１４を透過してきた燃焼光を検知する。光検知部１５は、燃焼状態データを外部に出力するためのケーブル（図示せず）により、コントローラ６０（図３参照）に連結されている。なお、燃焼状態を高精度に検知するためには、光検知部１５をレンズ１４の焦平面上に設けることが望ましい。

光検知部１５としては、所望の周波数帯に感度を有する受光素子を用いることができる。受光素子は、所望の周波数帯に感度を有していれば特に他の限定はなく、例えば、フォトトランジスタ、フォトダイオード、ＣＣＤ等を使用することができる。燃焼光の具体的な検知方法としては、例えば、レンズ１４の焦平面の平均光を測定してもよいし、フォトダイオードを二次元アレイ状に並べたＣＣＤイメージセンサにより、画像データを収集してもよい。

図３に示すように、コントローラ６０には、光検知部１５により検知された燃焼室４内の燃焼光のデータが入力される。また、コントローラ６０には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器６１およびクランク角を検出するクランク角検出器６２（いずれも図１では図示省略）が接続されており、各々から、エンジン回転数およびクランク角がコントローラ６０に入力される。コントローラ６０は、これらの信号に基づいて演算を行い、演算結果に応じた制御信号を燃料噴射装置９およびレーザ光源１１へと出力する。

上記のように構成された第１の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置１０の動作について説明する。

図２に示すように、レーザ光源１１が、能動Ｑスイッチ等を用いてレーザ光７０を所定のパルスタイミングで射出する。レーザ光７０のパルス射出タイミングは、通常、図３に示すエンジン回転数検出器６１により検出されたエンジン回転数と、クランク角検出器６２により検出されたクランク角とに応じて、コントローラ６０で制御されている。レーザ光７０は、レーザ光源１１に連結された鏡筒１２内部を通り、鏡筒１２内に支持されたレンズ１４に入射する。レンズ１４は、入射したレーザ光７０を鏡筒１２の燃焼室４側の一端に設けられたレーザ光照射窓１３を通して、燃焼室４内の所定の位置の焦点８０に集光させる。一方、図１に示すように、燃焼室４内には、吸気ポート５内で燃料噴射装置９から噴射された燃料と吸気とを混合して形成された混合気が、吸気弁６を介して供給されている。なお、燃料噴射装置９の燃料噴射量は、図３に示すエンジン回転数検出器６１により検出されたエンジン回転数と、クランク角検出器６２により検出されたクランク角とに応じて、コントローラ６０で制御されている。図２に示す燃焼室４内の焦点８０において、集光されたレーザ光７０がプラズマを発生させることにより、この混合気を着火、燃焼させることができる。

一方、燃焼室４内で発生した燃焼光は、レーザ光７０とは逆に、レーザ光照射窓１３を通して鏡筒１２内のレンズ１４に入射する。レンズ１４を透過した燃焼光は、レーザ光源１１側の鏡筒１２内に設けられた光検知部１５で検知され、図示しないケーブルを経て、燃焼状態を表す電気信号としてコントローラ６０に入力される。また、エンジン回転数検出器６１により検出されたエンジン回転数と、クランク角検出器６２により検出されたクランク角の検出値信号も、コントローラ６０に入力される。

コントローラ６０には、クランク角およびエンジン回転数に対応した正常燃焼時の燃焼光データが記憶されており、コントローラ６０は、この正常燃焼時データと実際に検出された燃焼光データとを比較することにより、ノッキング、失火などの異常の有無を判断する。異常燃焼であると判断された場合には、コントローラ６０は、検出されたエンジン回転数およびクランク角に応じて正常燃焼を実現する補正量を演算し、レーザ光源１１のレーザパルス射出タイミングおよび燃料噴射装置９の燃料噴射量を補正制御する。

以上説明したように、本実施形態の光センサ内蔵レーザ着火装置によれば、レーザ光源１１から発したレーザ光７０をレンズ１４によって燃焼室４内に集光し、燃焼室４内の混合気に着火させるとともに、燃焼室４内で発生する燃焼光を、同じレンズ１４を通してレーザ光源１１側に設けた光検知部１５で検知することができる。つまり、レーザ着火装置及び光センサの光学系を共有、一体化させている。これにより、装置構成が簡略化できるとともに、部品点数の低減により、組立て工数やコストが削減できる。さらに、光検知部１５をレンズ１４の焦平面上に配置した場合には、燃焼状態の高精度な検知が可能である。

<第２の実施形態>
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置２０について、第１の実施形態と異なる構成を主として説明する。図４は、光センサ内蔵レーザ着火装置２０の光軸に沿った縦断面図である。なお、本実施形態の光センサ内蔵レーザ着火装置２０をポート噴射型のエンジン１００に装着した場合の概略断面図は、図１と同様である。

図４に示すように、光センサ内蔵レーザ着火装置２０は、第１の実施形態と同様のレーザ光源１１、鏡筒１２、レーザ光照射窓１３、レンズ１４を有する。一方、光検知部１５は、レンズ１４とレーザ光源１１側との間で、鏡筒１２内のレーザ光７０の光路以外の部位に、複数の光ファイバ１５１を環状に配置するとともに、レーザ光の光路方向であってレーザ光源１１に対し燃焼室４とは反対側に位置したセンサ１５２まで光ファイバ１５１に入射した光を伝送する構成となっている。本実施形態では、光ファイバ１５１およびセンサ１５２が「光検知部」に相当する。なお、第１の実施形態と同様に、燃焼状態を高精度に検知するためには、光ファイバ１５１の入射端をレンズ１４の焦平面上に設けることが望ましい。

上記のように構成された第２の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置２０の動作について説明する。

図４に示すように、第１の実施形態と同様、レーザ光源１１が発したレーザ光７０は、レンズ１４により集光され、燃焼室４内の混合気を着火、燃焼させる。一方、燃焼室４内で発生した燃焼光は、レーザ光７０とは逆に、レーザ光照射窓１３およびレンズ１４を透過して、レーザ光７０の光路を除いて鏡筒１２内に環状に設けられた光ファイバ１５１の入射端に入射する。光ファイバ１５１により伝送された燃焼光は、センサ１５２で検知され、図示しないケーブルを経て、図３に示すコントローラ６０に入力される。コントローラ６０に燃焼光データが入力された後の動作は、第１の実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態において、光ファイバ１５１およびセンサ１５２から構成される光検知部１５は、レーザ光７０の光路以外の部位に設けられている。よって、着火に用いられるレーザ光７０の進行が阻害されることがない。また、光ファイバ１５１による燃焼光の伝送が可能なため、センサ１５２を、高熱となる燃焼室４からできるだけ離れた所望の位置に設けることが可能となる。さらに、光ファイバ１５１をレンズ１４の焦平面上に配置した場合には、燃焼状態の高精度な検知が可能である。

なお、本実施形態では、光検知部１５を光ファイバ１５１およびセンサ１５２で構成したが、例えば、鏡筒１２内のレーザ光７０の光路以外の部位にフォトダイオードを二次元アレイ状に並べたＣＣＤイメージセンサを配置する構成等も可能である。

<第３の実施形態>
次に、図５および図６を参照して、本発明に係る光センサ内蔵レーザ着火装置の第３の実施形態について、第１の実施形態と異なる構成を主として説明する。図５は、光センサ内蔵レーザ着火装置３０の光軸に沿った縦断面図である。図６は、波長選択素子１６の構成を変形した一例である光センサ内蔵レーザ着火装置３１の光軸に沿った縦断面図である。なお、本実施形態の光センサ内蔵レーザ着火装置３０、３１をポート噴射型のエンジン１００に装着した場合の概略断面図は、図１と同様である。

図５に示すように、光センサ内蔵レーザ着火装置３０は、第１の実施形態と同様のレーザ光源１１、鏡筒１２、レーザ光照射窓１３、レンズ１４を有する。加えて、レーザ光源１１とレンズ１４の間のレーザ光７０の光路上には、波長選択素子１６が設けられている。

波長選択素子１６は、レーザ光源１１が発するレーザ光７０を燃焼室４方向へ透過する。一方、燃焼室４内で発生し、レーザ光照射窓１３およびレンズ１４を透過してきた燃焼光のうち、特定の波長域の光をレーザ光７０の光路とは異なる方向へ反射させる。波長選択素子１６には特に限定はなく、燃焼光のうち特定の波長域の光を、本来の進行方向とは異なる方向へ逸らすことができればよい。そこで、例えば、ダイクロイックミラーやビームスプリッタを波長選択素子１６として用いることができる。

レーザ光の光路方向においてレンズ１４よりもレーザ光源１１側であって、波長選択素子１６により反射された特定波長成分の進行方向上に、光検知部１５が設けられている。光検知部１５は、波長選択素子１６により反射された燃焼光の特定波長成分を検知する。光検知部１５の具体的な構成や燃焼光の検知方法は、第１の実施形態と同様とすることができる。なお、燃焼状態を高精度に検知するためには、第１の実施形態と同様、光検知部１５を、波長選択素子１６を介したレンズ１４の焦平面上に設けることが望ましい。

上記のように構成された第３の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置３０の動作について説明する。

図５に示すように、第１実施形態と同様、レーザ光源１１が発するレーザ光７０は、レンズ１４により集光され、燃焼室４内の混合気を着火、燃焼させる。一方、燃焼室４内で発生した燃焼光は、レーザ光７０とは逆に、レーザ光照射窓１３を通して鏡筒１２内のレンズ１４に入射する。レンズ１４を透過した燃焼光は、レンズ１４とレーザ光源１１との間のレーザ光７０の光路上に設けられた波長選択素子１６へと進行する。波長選択素子１６は、この燃焼光の特定波長成分のみを、レーザ光７０の光路とは異なる方向に反射する。反射された特定波長成分は、光検知部１５で検知され、図示しないケーブルを経て、図３に示すコントローラ６０に入力される。コントローラ６０に燃焼光データが入力された後の動作は、第１の実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態の光センサ内蔵レーザ着火装置３０では、波長選択素子１６を設けることにより、光検知部１５を、レンズ１４とレーザ光源１１との間以外の位置に配置することができる。すなわち、光検知部１５を燃焼室４からできるだけ離れた位置に設けることができる。さらに、光検知部１５を、波長選択素子１６を介したレンズ１４の焦平面上に設けた場合には、高精度に燃焼状態を感知することができる。

図６は、波長選択素子１６の構成を変形した一例である。図５の光センサ内蔵レーザ着火装置３１は、レンズ１４とレーザ光源１１との間のレーザ光７０の光路上にダイクロイックミラー１６１を備え、ダイクロイックミラー１６１により燃焼光の特定波長成分が反射された方向に、さらに全反射ミラー１６２を備えている。全反射ミラー１６２により全反射された特定波長成分の進行方向には、光検知部１５が設けられている。このように、ダイクロイックミラー１６１と光検知部１５との間にさらに全反射ミラー１６２を設けることにより、光検知部１５の設置位置の自由度をさらに高めることができる。なお、図６の光センサ内蔵レーザ着火装置３１においては、ダイクロイックミラー１６１と全反射ミラー１６２が「波長選択素子」に相当する。

<第４の実施形態>
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置４０について、第１の実施形態と異なる構成を主として説明する。図７は、光センサ内蔵レーザ着火装置４０の光軸に沿った縦断面図である。なお、本実施形態の光センサ内蔵レーザ着火装置４０をポート噴射型のエンジン１００に装着した場合の概略断面図は、図１と同様である。

図７に示すように、光センサ内蔵レーザ着火装置４０は、第１の実施形態と同様に、レーザ光源１１、鏡筒１２および光検知部１５を有する。一方、第１の実施形態とは異なり、レンズ１４がレーザ光照射窓１３を兼用している。すなわち、鏡筒１２の燃焼室４側の開口部に、レンズ１４のみが設けられた構成となっている。

レンズ１４の材料は、第１の実施形態では、特に限定はなく、一般的な光学ガラスの他、透光性を有する単結晶やセラミックスを使用することが可能である。しかしながら、本実施形態の構成では、レンズ１４の燃焼室４側の表面は非常な高温に曝されることになるため、レンズ１４には透光性とともに十分な耐熱性が要求される。よって、耐熱性の低い光学ガラスよりも、透光性アルミナや透明ＹＡＧなどのイオン結晶性材料を使用することが好ましい。また、レンズ１４をセラミックスで構成した場合、単結晶バルク体を材料とした場合よりもコストを抑えることができるため、より好ましい。また、透光性の面では、光学的に等方性の材料が特に優れている。よって、透光性、耐熱性の両面で優れた透明ＹＡＧセラミックスは、特に好適な材料の一例である。

光検知部１５は、第１実施形態と同様に、鏡筒１２内のレンズ１４とレーザ光源１１との間に設けられ、燃焼室４内で発生し、レンズ１４を透過した燃焼光を検知する。光検知部１５の具体的な構成や燃焼光の検知方法は、第１実施形態と同様とすることができる。なお、燃焼光を高精度に検知するためには、光検知部１５をレンズ１４の焦平面上に設けることが望ましい。ただし、本実施形態では、レンズ１４が燃焼室４を臨む窓を兼ねているため、光検知部１５を設けるレンズ１４の焦平面が、燃焼室４の近傍に位置する可能性がある。この場合は、図４に示す第２の実施形態と同様に、光検知部１５を光ファイバおよびセンサで構成し、センサを高熱となる燃焼室４からできるだけ離れた所望の位置に設けることが望ましい。

上記のように構成された第４の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置４０の動作について説明する。

レーザ光源１１がレーザ光７０を所定のパルスタイミングで射出すると、レーザ光７０は、レーザ光源１１に連結された鏡筒１２内部を通り、鏡筒１２の燃焼室４側の一端に設けられたレンズ１４に入射する。レンズ１４は、入射したレーザ光７０を燃焼室４内の所定の位置の焦点８０に集光させ、プラズマを発生させる。このプラズマにより、図１に示す吸気ポート５内で燃料噴射装置９から噴射された燃料と吸気とを混合して形成され、吸気弁６を介して燃焼室４内に供給された混合気を着火、燃焼させることができる。

一方、燃焼室４内で発生した燃焼光は、レーザ光７０とは逆に、燃焼室４を臨むレンズ１４に入射する。レンズ１４を透過した燃焼光は、鏡筒１２内のレーザ光源１１側に設けられた光検知部１５で検知され、図示しないケーブルを経て、図３に示すコントローラ６０に入力される。コントローラ６０に燃焼光データが入力された後の動作は、第１の実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態の光センサ内蔵レーザ着火装置では、レンズ１４が、燃焼室４と外気とを隔離し、レーザ光７０を透過させる窓の役割を果たすとともに、レーザ光７０を燃焼室４内に集光する役割を果たしている。すなわち、第１の実施形態のレーザ光照射窓１３を省略した構成となっている。したがって、構成をさらに簡略化できるとともに、部品点数の削減により、組立て工数やコストを低減することができる。特に、レンズ１４を透明ＹＡＧセラミックスで構成した場合には、コストを抑えながら、透光性、耐熱性に優れる高品質なレンズを備えた装置を得ることができる。

なお、本実施形態では、レンズ１４とレーザ光源１１との間に設けられた光検知部１５が燃焼光を検知する構成となっているが、第３の実施形態のように構成してもよい。すなわち、波長選択素子１６を付加し、光検知部１５が波長選択素子１６を介して燃焼光を検知する構成とすることも可能である。

なお、上記第１〜第４の実施形態に示される光センサ内蔵レーザ着火装置の構成は例示であり、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。

例えば、第１〜第４の実施形態では、本発明に係る光センサ内蔵レーザ着火装置をポート噴射型のエンジンに装着しているが、筒内噴射式のエンジンなど、他のエンジンにも適用可能である。また、これらの実施形態では、本発明に係る光センサ内蔵レーザ着火装置は燃焼室頂部近傍に設けられているが、上記構成は一例であり、燃焼室を臨む他の位置に配置することも可能である。

また、上記第１〜第４の実施形態では、レーザ光源１１と燃焼室４との間に鏡筒１２を設けたが、レーザ光７０がレンズ１４により燃焼室４内で集光される構成となっていればよい。よって、例えば、光伝送管や光ファイバーを用いてレーザ光７０を伝送する構成とすることができる。

第１の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置１０を、ポート噴射式のエンジン１００に装着した場合の、概略構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置１０の光軸に沿った断面図である。 第１の実施形態におけるエンジン１００の燃焼制御方法を説明するブロック図である。 第２の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置２０の光軸に沿った断面図である。 第３の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置３０の光軸に沿った断面図である。 第３の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置３１の光軸に沿った断面図である。 第４の実施形態に係る光センサ内蔵レーザ着火装置４０の光軸に沿った断面図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気弁
７ 排気ポート
８ 排気弁
９ 燃料噴射装置
１０，２０，３０，３１，４０ 光センサ内蔵レーザ着火装置
１１ レーザ光源
１２ 鏡筒
１３ レーザ光照射窓
１４ レンズ
１５ 光検知部
１５１ 光ファイバ
１５２ センサ
１６ 波長選択素子
１６１ ダイクロイックミラー
１６２ 全反射ミラー
６０ コントローラ
６１ エンジン回転数検出器
６２ クランク角検出器
７０ レーザ光路
８０ 焦点

Claims (5)

1. レーザ光を発するレーザ発生機構と、
   前記レーザ発生機構と内燃機関の燃焼室との間に設けられ、前記燃焼室と外気とを隔離するとともに、前記レーザ光を前記燃焼室内に射出するためのレーザ光照射窓と、
   前記レーザ発生機構と前記レーザ光照射窓との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記燃焼室内に前記レーザ光の焦点が位置するように該レーザ光を集光させるレンズと、
   前記レーザ光の光路方向において前記レンズよりも前記レーザ発生機構側に位置し、前記燃焼室内で発生する燃焼光を前記レンズを介して検知する光検知部と
   を備えたことを特徴とする光センサ内蔵レーザ着火装置。
2. 前記光検知部は、前記レンズと前記レーザ発生機構との間であって前記光路を除いた部位に設けられた、前記燃焼光を受光する受光素子であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ内蔵レーザ着火装置。
3. 前記レーザ発生機構と前記レンズとの間に設けられ、前記レーザ光を透過すると共に前記燃焼光のうち特定の波長域の光を前記光路とは異なる方向へ反射させる波長選択素子をさらに備え、
   前記光検知部は、前記燃焼光を前記波長選択素子を介して受光する受光素子であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ内蔵レーザ着火装置。
4. 前記光検知部は、前記レーザ光の光路方向において前記レンズよりも前記レーザ発生機構側に位置する前記レンズの焦平面上に設けられることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光センサ内蔵レーザ着火装置。
5. 前記レンズが前記レーザ光照射窓を兼用することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の光センサ内蔵レーザ着火装置。
   

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