JP2008291832A - レーザ点火装置およびレーザ点火型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定して燃料粒子を着火させうるレーザ点火装置を提供する。また、適切に燃料粒子を燃焼させうるレーザ点火型内燃機関を提供する。
【解決手段】 レーザ点火装置２０は、内燃機関２の燃焼室５０内にレーザビームＬＢ１を照射し集光させて、燃焼室内の燃料粒子６０を着火させ、レーザビームを放射するレーザビーム発生手段２８と、放射されたレーザビームを、燃焼室内に導き、燃焼室内で集光させる集光光学部材２１と、を有し、レーザビーム発生手段は、ＢＰＰ値が、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームを放射する低ＢＰＰレーザビーム発生手段である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームを内燃機関の燃焼室内で集光させ、燃料粒子を着火させるレーザ点火装置、および、このレーザ点火装置を備えるレーザ点火型内燃機関に関する。

内燃機関の点火にあたりスパークプラグを使用するものの他に、レーザ発振器から放射されたレーザビームをエンジンの燃焼室内で集光し、燃焼室内の混合気（燃料粒子を含む気体）を着火させるレーザ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３２９１８６号公報

特許文献１では、このレーザビームのエネルギを向上させるため、燃焼室内の圧力を算出し、これに基づいた電流をレーザ発振器に流すことで、レーザビームの出力エネルギを高めるよう制御する技術が挙げられている。

しかしながら、特許文献１では、レーザビームの品質、例えば広がり角については具体的に言及されていなかった。そこで、発明者らは使用するレーザビームの品質に着目し、レーザビームの品質と燃焼室内での着火しやすさに関係があることを見出した。

本発明は、かかる現状を鑑みてなされたものであって、安定して燃料粒子を着火させうるレーザ点火装置を提供することを目的とする。また、適切に燃料粒子を燃焼させうるレーザ点火型内燃機関を提供することを目的とする。

そして、その解決手段は、内燃機関の燃焼室内にレーザビームを照射し集光させて、上記燃焼室内の燃料粒子を着火させるレーザ点火装置であって、上記レーザビームを放射するレーザビーム発生手段と、放射された上記レーザビームを、上記燃焼室内に導き、上記燃焼室内で集光させる集光光学部材と、を有し、上記レーザビーム発生手段は、ＢＰＰ値が、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下の上記レーザビームを放射する低ＢＰＰレーザビーム発生手段であるレーザ点火装置である。

本発明のレーザ点火装置では、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを放射するレーザビーム発生手段を用いているので、レンズ径が小さく長い焦点距離の集光光学部材を用いても、適切に集光させることができる。このため、内燃機関の燃焼室内のうち、集光光学部材から離れた位置、例えば、燃焼室の中心部分付近に集光させて、より多くの燃料粒子を着火させるなど、適切な位置で、燃料粒子を着火させることができる。従って、本発明のレーザ点火装置を用いた内燃機関において、より適切な燃焼特性を得ることができる。

ところで、燃料粒子にレーザビーム照射すると、燃料粒子のうち、高いエネルギを受けたものが高温のプラズマとなり（レーザブレイクダウン）、プラズマ周辺の燃料粒子がその高温の熱によって連鎖的に着火燃焼する。その際に、プラズマになる燃料粒子が多い程、プラズマの範囲がより広がり、プラズマ周辺の燃料粒子もそれに伴って多くなる。そして、より多くの燃料粒子が着火し、素早く燃え広がって燃焼すると考えられる。発明者らは、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いた場合には、相対的に大きなＢＰＰ値のレーザビームを用いた場合よりも、プラズマの発生範囲が広いことを見出した。従って、本発明のレーザ点火装置を用いることにより、素早く安定した着火燃焼を実現できる。

ここで、ＢＰＰ値（ビームパラメータ積）とは、レーザビームの品質を示すパラメータの１つであり、焦点でのレーザビーム半径ω（ｍｍ）とレーザビームの広がりの半角度θ（ｍｒａｄ）の積で表す。
ＢＰＰ＝ω・θ（ｍｍ・ｍｒａｄ）・・・（１）

なお、レーザビーム発生手段としては、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値を持つレーザビームを放射できるものであれば良いが、さらに、燃料粒子の着火に適する、波長、繰り返しパルスの周波数等を実現できるものが良い。例えば、ＹＡＧレーザ（１．０６４μｍ）等が挙げられる。

また、集光光学部材としては、レーザビームを、燃焼室内に導き、この燃焼室内で集光させることができるものであれば良いが、耐熱性、耐振性に優れ、経時的にも光学系に変動の生じにくいものが好ましい。集光光学部材として、レンズやミラーを用いることもできるが、その少なくとも一部に、ガラス、石英等からなる光ファイバあるいは光ファイバの束を用いると良い。また、自身の端面を、凸レンズあるいは凹レンズ形状に加工した光ファイバを用いると良い。

さらに、上述のレーザ点火装置であって、前記集光光学部材は、前記燃焼室内で、前記レーザビームを線状にまたは散点状に分布して集光させる分布型集光光学部材であるレーザ点火装置とすると良い。

本発明のレーザ点火装置では、レーザビームが燃焼室内で線状または散点状に集光するので、いずれも燃焼室内の広範囲にわたって燃料粒子を着火させることができる。このため、燃料粒子をより均一に素早く燃焼させ得るなど、本発明のレーザ点火装置を用いた内燃機関において、さらに適切な燃焼特性を得ることができる。

なお、レーザビームを散点状に集光する手法としては、例えば、ハーフミラー、回折格子等で先に複数のレーザビームに分け、それぞれを、各レーザビーム用の光ファイバ、レンズなどで、燃焼室内に導き、集光させるものが挙げられる。あるいは、レーザビームを複数の光ファイバの束に入射してそのまま、燃焼室内に導き、集光させるものが挙げられる。また、レーザビームを光ファイバ、レンズなどで、燃焼室近くまで導き、集光光学部材から出射する直前で、複数のレーザビームに分けて、燃焼室内に複数のレーザビームを放射させ、それぞれ集光させるものでも良い。
また、レーザビームを線状に集光する手法としては、例えば、焦点が、円環状、楕円状、直線状等に分布する異形レンズでレーザビームを集光させるものが挙げられる。

さらに、上述のレーザ点火装置であって、前記燃焼室内での前記レーザビームの焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上であるレーザ点火装置とすると良い。

本発明のレーザ点火装置では、燃焼室内でのレーザビームの焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上であるので、燃焼室内においてレーザビームの焦点位置を大きく移動させることができる。即ち、燃焼室内においてレーザビームの焦点の合う領域が広範囲になる。このため、燃焼室内での燃料粒子の密度分布がばらついて着火燃焼に適切なレーザビームの焦点位置がずれたとしても、レーザビームの焦点を適切な位置に合わせることができるようになり、適切な燃焼特性を得ることができる。従って、適切な燃焼特性を実現するための運転条件の幅を広げることが可能となる。

さらに、他の解決手段は、燃焼室を含む内燃機関、および、上記内燃機関の上記燃焼室内にレーザビームを照射し集光させて、上記燃焼室内の燃料粒子を着火させるレーザ点火装置であって、上記レーザビームを放射するレーザビーム発生手段と、放射された上記レーザビームを、上記燃焼室内に導き、上記燃焼室内で集光させる集光光学部材と、を有するレーザ点火装置、を備えるレーザ点火型内燃機関であって、上記レーザビーム発生手段は、ＢＰＰ値が、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下の上記レーザビームを放射する低ＢＰＰレーザビーム発生手段であるレーザ点火型内燃機関である。

本発明のレーザ点火型内燃機関では、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを放射するレーザビーム発生手段を用いているので、長い焦点距離の集光光学部材を用いても、適切に集光させることができる。このため、燃焼室内のうち、集光光学部材から離れた位置、例えば、燃焼室の中心部分付近に集光させて、より多くの燃料粒子を着火させるなど、適切な位置で、燃料粒子を着火させることができる。従って、より適切な燃焼特性を得ることが可能な内燃機関とすることができる。

さらに、上述のレーザ点火型内燃機関であって、前記集光光学部材は、前記燃焼室内に導いた前記レーザビームが、上記燃焼室内に導入された前記燃料粒子の群が上記燃焼室内を移動する粒子群移動経路を貫通する光学特性を有するレーザ点火型内燃機関とすると良い。

本発明のレーザ点火装置では、燃焼室内の燃料粒子群の粒子群移動経路を、ＢＰＰ値の小さなレーザビームが貫通するので、内燃機関において多くの燃料粒子を着火させて素早く燃焼させることができる。

なお、集光光学部材の光学特性には、焦点距離、開口径など集光光学部材自身が有する特性のほか、レーザビームの進行方向、焦点の位置など、他の部材との位置関係をも含む。
また、燃料粒子を導入する手法としては、燃焼室あるいはインテークマニホールドに燃料粒子を高圧で噴射可能なインジェクタを用いる手法や、燃焼室の吸気に燃料粒子を混合投入させるキャブレタを用いる手法等が挙げられる。

さらに、上述のレーザ点火型内燃機関であって、前記集光光学部材は、前記燃焼室内で、前記レーザビームを線状にまたは散点状に分布して集光させる分布型集光光学部材であるレーザ点火型内燃機関とすると良い。

本発明のレーザ点火型内燃機関では、レーザビームを燃焼室内に線状または散点状に集光するので、いずれも燃焼室内の広範囲にわたって燃料粒子を着火させることができる。従って、燃料粒子を含む混合気をより均一に素早く燃焼させ得るなど、さらに適切な燃焼特性を得ることができる。

さらに、上述のレーザ点火型内燃機関であって、前記内燃機関は、前記燃焼室をなす燃焼室面の一部であって、金属からなる被照射面を有し、前記集光光学部材は、前記レーザビームを上記被照射面に集光させる光学特性を有するレーザ点火型内燃機関とすると良い。

本発明のレーザ点火型内燃機関では、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを放射するレーザビーム発生手段を用いているので、長い焦点距離の集光光学部材を用いても、適切に被照射面に集光させることができる。よって、レーザビームの出射位置から被照射面が離れていても、この被照射面に適切に集光させることができ、適切な燃焼特性を得ることができる。

即ち、金属表面（被照射面）にレーザビームを集光照射すると、電離した金属蒸気による高温のプラズマ（以下、単にプラズマとも言う）が吹き上がり、このプラズマに触れた燃料粒子がその高温の熱によって着火燃焼する。その際、吹き上がるプラズマの量および範囲（幅や高さ）が多い程、プラズマに触れる燃料粒子の量も多くなり、より多くの燃料粒子が着火し、素早く燃え広がる。発明者らは、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いると、相対的にＢＰＰ値の大きなレーザビームを用いた場合よりも、プラズマが広がる範囲（吹き上がり範囲）が広いことを見出した。レーザビームが進行とともに拡がる角度が小さいため、より小さなスポット（高いエネルギ密度）が得られるためと考えられる。従って、燃焼室の中央付近など、被照射面から離れた位置の燃料粒子まで着火させることができる。

なお、被照射面をなす金属としては、レーザビームによりプラズマを発生させることが可能である一方、燃焼室面の一部として、熱に対し耐熱性を有する金属または合金が好ましく、例えば、インコネル（商標名）等のＮｉ系の耐熱合金やＰｔ、Ｉｒ等の貴金属が挙げられる。

さらに、上述のレーザ点火型内燃機関であって、前記内燃機関は、前記燃焼室で往復運動を行うピストンを有し、上記ピストンは、前記燃焼室面の一部をなすピストン燃焼室側面を含み、上記ピストン燃焼室側面は、前記被照射面を含み、前記集光光学部材は、上記ピストンが、上死点またはその付近に位置するタイミングにおける、上記被照射面に前記レーザビームを集光させる光学特性を有するレーザ点火型内燃機関とすると良い。

本発明のレーザ点火型内燃機関では、集光光学部材が被照射面にレーザビームを集光させる光学特性を有している。このため、レーザビームをピストンが上死点またはその付近に位置するタイミングで、ピストン燃焼室側面の被照射面に照射すると、この被照射面からプラズマが吹き上がるので、これによって燃料粒子を着火させることができる。しかも、本発明のレーザ点火型内燃機関では、ＢＰＰ値の小さなレーザビームを用いるので、ＢＰＰ値の大きなレーザビームを用いる場合よりも、プラズマの吹き上がりを高く、広くできる。よって、燃焼室の中央付近の燃料粒子にまで着火させうるなど、より適切な燃焼特性を得ることができる。また、ＢＰＰ値の小さなレーザビームを用いているので、集光光学部材の焦点距離を長くして、レーザビームが概略集光されたレイリー長さ（スポットの大きさが焦点での大きさ（ビームウエスト）の√２倍の大きさになる光軸方向の距離）を長くとることが可能であるので、レーザビーム照射のタイミングを変化させても、ピストンの被照射面から確実にプラズマを放出させることができ、タイミング調整も容易にできる利点もある。

さらに、上述のレーザ点火型内燃機関であって、前記燃焼室内での前記レーザビームの焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上であるレーザ点火型内燃機関とすると良い。

本発明のレーザ点火型内燃機関では、燃焼室内でのレーザビームの焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上であるので、燃焼室内においてレーザビームの焦点位置を大きく移動させることができる。即ち、燃焼室内においてレーザビームの焦点の合う領域が広範囲になる。このため、燃焼室内での燃料粒子の密度分布がばらついて着火燃焼に適切なレーザビームの焦点位置がずれたとしても、レーザビームの焦点を適切な位置に合わせることができるようになり、適切な燃焼特性を得ることができる。従って、適切な燃焼特性を実現するための運転条件の幅を広げることが可能となる。

さらに、上述のレーザ点火型内燃機関であって、前記燃料粒子群の前記粒子群移動経路の方向と前記燃焼室内に照射される前記レーザビームの照射方向とがなす角度が３０°〜１５０°であるレーザ点火型内燃機関とすると良い。

本発明のレーザ点火型内燃機関では、粒子群移動経路の方向とレーザビームの照射方向とがなす角度が３０°〜１５０°となっている。このため、例えば、燃料噴射制御のばらつき等の影響で燃料噴射のタイミングが所定のタイミングからずれてしまったとしても、レーザビームは燃料粒子群の粒子群移動経路に対して着火燃焼に適切な位置近傍で交差することとなる。従って、燃料粒子を確実に着火させることができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１を、図面を参照しつつ説明する。
まず、図１は、本実施形態１にかかるレーザ点火型内燃機関（以下、エンジンとも言う）１の燃焼室付近（シリンダ上部）の概要図である。エンジン１は、シリンダ１０、ピストン４０、吸気弁１２ｂ、排気弁１３ｂ、およびインジェクタ４６からなる内燃機関２とレーザ点火装置２０とを含む。
また、内燃機関２は、シリンダ１０のシリンダブロック１８に形成されたシリンダボア１９にピストン４０が摺動可能に滑合され、シリンダボア１９の上部空間が燃焼室５０を形成している。

燃焼室５０に接続された吸気管１２の吸気孔１２ａは、シリンダブロック１８を覆うシリンダヘッド１１に取り付けられた吸気弁１２ｂの弁部により所定タイミングに開閉される。同様に、燃焼室５０に接続された排気管１３の排気孔１３ａは、シリンダヘッド１１に取り付けられた排気弁１３ｂの弁部により所定タイミングで開閉する。吸気弁１２ｂと排気弁１３ｂは、それぞれ駆動機構（図示しない）により駆動される。シリンダブロック１８のうち、吸気弁１２ｂの近傍には、インジェクタ４６が取り付けられている。このインジェクタ４６は、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクと接続されており、燃焼室５０内に燃料粒子６０を噴射する。噴射されたこの燃料粒子６０の群６１は、粒子群移動経路６１ａを移動する。

次に、シリンダヘッド１１の頂部１５に取り付けられたレーザ点火装置２０について、図２を参照しつつ説明する。レーザ点火装置２０は、レーザビーム発生器２８のほか、光ファイバ２９および集光具２７からなる集光光学部材２１を含む。
このうちレーザビーム発生器２８は、ＹＡＧレーザであり、図示しないエンジン制御装置（以下、ＥＣＵとも言う）により制御され、断面円形状のレーザビームＬＢ１を出射する。そして、このレーザビームＬＢ１は、レーザビーム発生器２８の出射部２８ａに接続された光ファイバ２９を通じて、集光具２７に入射される。
この光ファイバ２９は、この軸心に石英ガラスからなるコア２９ｘを有し、この周りをコア２９ｘと屈折率の異なる、石英ガラスからなるクラッド２９ｙが取り囲み、この外周を樹脂カバー２９ａが覆う。レーザビーム発生器２８から出射したレーザビームＬＢ１は、コア２９ｘを通過して、集光具２７に入射する。
集光具２７は、円筒形状のケーシング２３、凸レンズ２２、および保護ガラス２４を有する。このうち、ケーシング２３の中空部２３ｍがレーザビームＬＢ１の進路を構成し、ケーシング２３の内側面２３ａに、凸レンズ２２のレンズ側面２２ｓが接合して、この凸レンズ２２が固定されている。また、保護ガラス２４はケーシング２３の先端面２３ｆをなしている。
凸レンズ２２は両面にレンズ面２２ａをそれぞれ有し、ケーシング２３の中空部２３ｍを通過して入射されるレーザビームＬＢ１を集光する。そして、集光されたレーザビームＬＢ１は、耐熱性を有する円板形状の保護ガラス２４を通じて出射される。

エンジン１は、吸気行程、圧縮行程、爆発行程、および、排気行程からなるサイクルを繰り返す。ここでは吸気行程および圧縮行程について説明する。
まず、吸気行程では、シリンダヘッド１１の吸気弁１２ｂを開き、他側の排気弁１３ｂを閉じて、ピストン４０のシリンダ内での下降によって吸気弁１２ｂから空気が燃焼室５０に吸入させる。
次いで、圧縮行程では、吸気弁１２ｂおよび排気弁１３ｂを閉じ、ピストン４０の上昇に伴って燃焼室５０の体積を小さくして、燃焼室５０内の空気が圧縮する。そして、この圧縮行程の中期において、圧縮されたガスに向けて、インジェクタ４６から霧状の燃料粒子６０を噴射する。その後、ピストン４０が上死点あるいはその直前に位置するタイミングで、レーザ点火装置２０によってレーザビームＬＢ１を照射し、燃料粒子６０を着火させる。具体的には、燃料粒子６０のうち、高エネルギのレーザビームＬＢ１を照射されたものは、着火してプラズマＰＬ１となる（図１参照）
レーザビームＬＢ１の焦点位置ＦＰ１は、凸レンズ２２の位置や焦点距離等の調整により、燃焼室５０の中心付近としている（図１参照）。これにより、照射されたレーザビームＬＢ１は、燃料粒子６０の群６１の粒子群移動経路６１ａを貫通して焦点位置ＦＰ１に集光されることになる。

本実施形態１にかかるエンジン１では、ＢＰＰ値の小さいレーザビームＬＢ１を放射するレーザビーム発生器２８を用いているので、レンズ径が小さく長い焦点距離の凸レンズ２２を用いても、ごく小さなスポットとして適切に集光させることができる。このため、焦点位置ＦＰ１を燃焼室５０内のうち、凸レンズ２２から離れた位置、例えば、燃焼室５０の中心付近として、この中心付近の燃料粒子６０を着火させるなど、適切な位置で、燃料粒子６０を着火させることができる。また、ＢＰＰ値の小さなレーザビームＬＢ１を粒子群移動経路６１ａを貫通させるので、多くの燃料粒子６０を着火させることができる。従って、より適切な燃焼特性を得ることができる。さらに、燃焼室５０内でのレーザビームＬＢ１の焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上であるので、燃焼室５０内においてレーザビームＬＢ１の焦点の合う領域が広範囲になる。このため、適切な燃焼特性を実現するためのエンジン１の運転条件の幅を広げることが可能となる。また、粒子群移動経路６１ａの方向Ｋ１とレーザビームＬＢ１の照射方向Ｋ２とがなす角度αは３０°〜１５０°（本実施形態ではα＝９０°）になっているので、レーザビームＬＢ１は燃料粒子群６１の粒子群移動経路６１ａに交差し、燃料粒子６０を確実に着火させることができる。

ところで、発明者らは、実施形態１にかかるレーザ点火装置２０を用いて、レーザビームＬＢ１のＢＰＰ値の違いによるプラズマの発生量の関係を検証する実験を実施した。

まず、０．１ＭＰａで加圧したチャンバを、エンジンの燃焼室に見立てて、その内部へ燃料粒子の連続噴射可能なインジェクタを設けた。そして、レーザビームがその燃料粒子の群を貫通するよう、燃料粒子群の外部に焦点位置ＦＰ１を設定し、レーザビームを放射した。その際、レーザビームの放射により生成したプラズマをチャンバの外部からカメラで捉え、プラズマの面積の大きさを定量的に評価した。
この実験では、レーザビーム発生器２８として、凸レンズ２２に入射されるレーザビームＬＢ１のＢＰＰ値が、２，４，８，１０，１６，２５，４０，８０，１００ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）の合計９種類のものを用いて、それぞれ実験を行った。なお、インジェクタの噴射圧は０．２５ＭＰａ、噴射量は２５０ｍｌ／ｍｉｎ、噴射角は２５度とし、燃料はハイオクガソリンを使用した。さらに、噴射空間中の焦点位置、および焦点位置でのスポット径は同じとし、使用する各ＹＡＧレーザのレーザエネルギを、いずれも３０ｍＪとした。

図３は、用いたレーザビームのＢＰＰ値と、発生したプラズマ面積との関係を示すグラフである。このグラフによれば、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）より大きいＢＰＰ値を持つレーザビームＬＢ１を用いた場合、そのプラズマ面積が約２０００μｍ2程度となる。これに対し、それよりも小さなＢＰＰ値のレーザビームを用いると、そのプラズマ面積が５０００μｍ2以下と格段に大きくできることが判る。

ところで、燃料粒子にレーザビーム照射すると、燃料粒子のうち、高いエネルギを受けたものが高温のプラズマとなり（レーザブレイクダウン）、プラズマ周辺の燃料粒子がその高温の熱によって連鎖的に着火燃焼する。その際に、プラズマになる燃料粒子が多い程、プラズマの範囲がより広がり、プラズマ周辺の燃料粒子もそれに伴って多くなる。従って、より多くの燃料粒子が着火し、素早く燃え広がって燃焼すると考えられる。
上述の実験の結果によれば、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値のレーザビームを用いた場合には、それより大きなＢＰＰ値のレーザビームを用いた場合よりも、プラズマの発生範囲が格段に広い。従って、本実施形態１のレーザ点火装置２０において、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値を持つレーザビームＬＢ１を放射するレーザビーム発生器２８を用いると、より素早く安定した着火燃焼を実現できることが判る。

（変形形態１）
ついで、本発明の変形形態１を、図４、図５を参照しつつ説明する。
なお、実施形態１では、レーザビームＬＢ１を１点に集光したのに対し、本変形形態１では、スプリットミラー１２５を使用してレーザビームＬＢ２を２つに分けて２点に集光する点で、前述の実施形態１と異なる。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。

まず、本変形形態１にかかるエンジン１０１のレーザ点火装置１２０は、ＢＰＰ値が２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＢ２を放射するレーザビーム発生器２８を有する。このほか、分布型集光光学部材１２１をなす光ファイバ２９および集光具１２７を含む。この集光具１２７は、円筒形状のケーシング１２３、２つの凸レンズ１２２ａ，１２２ｂ、保護ガラス１２４、スプリットミラー１２５、隔壁１２３ｘ、レンズ下方固定板１２３ｙ、レンズ上方固定板１２３ｚ、および反射ミラー１２６からなる（図５（ａ）参照）。
このうち、スプリットミラー１２５は、ケーシング１２３の内側面１２３ａに担持されており、光ファイバ２９から入射するレーザビームＬＢ２を、直進する第１レーザビームＬＢ２ａと、反射させて反射ミラー１２６に入射させる第２レーザビームＬＢ２ｂとに分ける。さらに、反射ミラー１２６もケーシング１２３の内側面１２３ａに担持されており、スプリットミラーからの第２レーザビームＬＢ２ｂを反射して、第２凸レンズ１２２ｂに入射させる。
第１凸レンズ１２２ａは、隔壁１２３ｘとケーシング１２３の内側面１２３ａとの間にあるレンズ下方固定板１２３ｙおよびレンズ上方固定板１２３ｚに挟み込まれて固定されている。但し、第１凸レンズ１２２ａの両面のレンズ面１２２ａｆのうち、これらを通過する第１レーザビームＬＢ２ａの光路より大きな面積が、レンズ下方固定板１２３ｙおよびレンズ上方固定板１２３ｚから露出している（図５（ｂ）参照）。第２凸レンズ１２２ｂも同様に、両面のレンズ面１２２ｂｆが露出する状態でレンズ下方固定板１２３ｙおよびレンズ上方固定板１２３ｚに挟み込まれて固定されている。そして、第１凸レンズ１２２ａは、スプリットミラー１２５を介して入射した第１レーザビームＬＢ２ａを、第２凸レンズ１２２ｂは、反射ミラー１２６を介して入射した第２レーザビームＬＢ２ｂを、それぞれ集光する。そして、集光されたレーザビームＬＢ２ａ，ＬＢ２ｂは、保護ガラス１２４を通じて出射される。

かくして、本変形形態１にかかるレーザ点火装置１２０およびエンジン１０１では、燃焼室５０の中心付近の焦点位置ＦＰ２ａ，ＦＰ２ｂの２カ所にそれぞれ第１レーザビームＬＢ２ａおよび第２レーザビームＬＢ２ｂを集光させることができる（図４参照）。

このように、本変形形態１にかかるレーザ点火装置１２０およびエンジン１０１では、レーザビームＬＢ２を燃焼室５０内で２点に集光させることができるので、さらに燃焼室５０内の広範囲にわたって燃料粒子６０を着火させることができる。このため、燃料粒子６０をより均一に素早く燃焼させうるなど、本変形形態１のレーザ点火装置１２０を用いたエンジン１０１において、さらに適切な燃焼特性を得ることができる。

（変形形態２）
本発明の変形形態２を、図６、図７を参照しつつ説明する。
なお、本変形形態２では、円錐レンズ２２８を使用して、レーザビームＬＢ３を円環状に集光する点で、前述の実施形態１等と異なる。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。

まず、本変形形態２にかかるエンジン２０１のレーザ点火装置２２０は、ＢＰＰ値が２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＢ３を放射するレーザビーム発生器２８を有する。このほか、分布型集光光学部材２２１をなす光ファイバ２９および集光具２２７を含む。この集光具２２７は、円筒形状のケーシング２２３、凸レンズ２２２、保護ガラス２２４、および円錐レンズ２２７からなる（図７参照）。
このうち、円錐レンズ２２７は、そのレンズ側面２２８ｓをケーシング２２３の内側面２２３ａとに接合して、ケーシング２２３に固定している。この円錐レンズ２２８は、光ファイバ２９から入射する円柱状のレーザビームを、円環状のレーザビームＬＢ３に変えて、凸レンズ２２２に向けて出射する。凸レンズ２２２は、このレーザビームＬＢ３を集光する。

かくして、本変形形態２にかかるレーザ点火装置２２０およびエンジン２０１では、燃焼室５０の中心付近の焦点位置ＦＰ３に、レーザビームＬＢ３を円環状に集光させることができる（図６参照）。

このように、本変形形態２にかかるレーザ点火装置２２０およびエンジン２０１では、レーザビームＬＢ３を燃焼室５０内で円環状に集光させることができるので、実施形態１等に比べてさらに燃焼室５０内の広範囲にわたって燃料粒子６０を着火させることができる。このため、燃料粒子６０をより均一に素早く燃焼させ得るなど、本変形形態２のレーザ点火装置２２０を用いたエンジン２０１において、さらに適切な燃焼特性を得ることができる。

（実施形態２）
次いで、本発明の実施形態２を、図８、図９を参照しつつ説明する。
本実施形態２は、レーザビームを焦点位置が燃焼室５０内の空間ではなく、ピストン３４０のヘッド表面３４３の被照射面３８１上に集光させる点で、前述の実施形態１と異なる。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。

まず、本実施形態２にかかるエンジン３０１のピストン３４０は、Ｎｉ系の耐熱合金からなるチップ形状の被照射体３８０を含む。この被照射体３８０の被照射面３８１は、燃焼室５０の燃焼室面５１の一部であるピストンヘッド３４２のヘッド表面３４３の一部をなしている。また、レーザビーム発生器２８および集光光学部材３２１からなるレーザ点火装置３２０は、実施形態１のレーザ点火装置２０と同様、シリンダヘッド１１の頂部１５から燃焼室５０に集光具３２７（保護ガラス３２４）を露出している。そして、この集光具３２７のケーシング３２３内に凸レンズ３２２が固定されている。但し、この凸レンズ３２２は、ピストン３４０が上死点またはその付近に位置するタイミングにおいて、その焦点が被照射面３８１上に位置するよう調整されている。

本実施形態２のエンジン３０１でも、ＢＰＰ値が２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＢ４を放射するレーザビーム発生器２８を用いているので、長い焦点距離の凸レンズ３２２を用いても、適切に被照射面３８１に集光させることができる。従って、レーザビームＬＢ４を、ピストン３４０が上死点またはその付近に位置するタイミングで、ピストン３４０のヘッド表面３４３の被照射面３８１に照射すると、この被照射面３８１上の焦点が高温となり、図８で示すようにプラズマＰＬ２が高く吹き上がる。このプラズマＰＬ２がインジェクタ４６から噴射された燃料粒子６０の群６１に届くと、燃料粒子６０を着火させることができる。
しかも、本実施形態２のエンジン３０１では、ＢＰＰ値の小さなレーザビームＬＢ４を用いるので、ＢＰＰ値の大きなレーザビームを用いた場合よりも、プラズマの吹き上がりを高く、広くできる。よって、燃焼室５０の中央付近の燃料粒子６０（燃料粒子の群６１）にまで着火させうるなど、広範囲に燃料粒子６０を着火できるから、より適切な燃焼特性を得ることができる。
また、ＢＰＰ値の小さなレーザビームＬＢ４を用いているので、凸レンズ３２２の焦点距離を長くして、レイリー長さを長くとることが可能である。このため、エンジン３０１の運転状態に応じて、レーザビームＬＢ４の照射タイミングを変化させても、ピストン３４０の被照射面３８１から確実にプラズマＰＬ２を放出させることができ、点火時期のタイミング調整も、容易にできる利点もある。

ところで、発明者らは、実施形態２にかかるレーザ点火装置３２０を用いて、ＢＰＰ値の違いによるプラズマの発生量の関係を検証する実験を実施した。

０．１ＭＰａで加圧したチャンバ内に照射体を配置し、その表面（照射面）を焦点として外部からレーザビームを照射した。その際、レーザビームの放射により生成したプラズマを外部からカメラで捉え、その面積の大きさとアスペクト比を定量的に評価した。
本実験では、レーザビーム発生器２８として、凸レンズ３２２に入射されるレーザビームＬＢ４のＢＰＰ値が、２，４，８，１０，１６，２５，４０，８０，１００ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）の合計９種類についてそれぞれ実験を行った。なお、照射体はＮｉ系耐熱合金材、スポット径はφ０．２ｍｍとし、使用する各ＹＡＧレーザのレーザエネルギを、いずれも４００ｍＪとした。

図９は、用いたレーザビームＬＢ４のＢＰＰ値と、発生したプラズマ面積（棒グラフ、左軸）およびアスペクト比（折れ線グラフ、右軸）との関係を示すグラフである。このグラフによれば、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）より大きいＢＰＰ値を持つレーザビームＬＢ４を用いた場合には、発生するプラズマ面積が約９０００μｍ2以下となる。これに対し、それよりも小さなＢＰＰ値のレーザビームを用いると、そのプラズマ面積が１５０００μｍ2程度と格段に大きくできることが判る。アスペクト比についても、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）より大きいＢＰＰ値では、そのアスペクト比が約２〜３程度であるのに対し、それよりも小さなＢＰＰ値では、アスペクト比が５〜６程度に格段に大きくできることが判る。

ところで、金属表面（被照射面）にレーザビームを集光照射すると、プラズマが吹き上がり、このプラズマに触れた燃料粒子がその高温の熱によって着火燃焼する。その際、吹き上がるプラズマが広がる程、プラズマに触れる燃料粒子の量も多くなり、より多くの燃料粒子が着火し、素早く燃え広がる。また、高く吹き上がると、焦点位置から離れた部位、例えば、燃焼室５０の中央部分の燃料粒子６０（燃料粒子の群６１）にまで着火させることができる。
上述の実験の結果によれば、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値のレーザビームを用いた場合には、それより大きなＢＰＰ値のレーザビームを用いた場合よりも、プラズマの発生範囲が格段に広くまた高く吹き上がる。従って、本実施形態２のレーザ点火装置３２０において、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値を持つレーザビームＬＢ４を放射するレーザビーム発生器２８を用いると、より素早く安定した着火燃焼を実現できることが判る。

以上において、本発明を、実施形態１，２、変形形態１，２に即して説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態２では、ピストンヘッドのヘッド表面に被照射面を設けたが、燃焼室をなす燃焼室側面のうち、いずれの部分を被照射面としても良い。また、変形形態１では、レーザビームを２点の焦点に集光させたが、３点以上の複数の焦点に分けて、集光させても良い。さらに、変形形態２では、レーザビームを円環状に集光させたが、集光の形状が、例えば、楕円形状や、線分形状など適宜の形状としても良い。

実施形態１にかかるエンジンの燃焼室付近の概要図である。 実施形態１にかかるレーザ点火装置の概要図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はこれに含まれる集光光学部材の拡大断面図である。 実施形態１にかかるプラズマ面積と照射したレーザビームのＢＰＰ値との相関を示すグラフである。 変形形態１にかかるエンジンの燃焼室付近の概要図である。 変形形態１にかかるレーザ点火装置に含まれる集光光学部材の説明図であり、（ａ）は拡大断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 変形形態２にかかるエンジンの燃焼室付近の概要図である。 変形形態２にかかるレーザ点火装置に含まれる集光光学部材の拡大断面図である。 実施形態２にかかるエンジンの燃焼室付近の概要図である。 実施形態２にかかるプラズマ面積およびアスペクト比と照射したレーザビームのＢＰＰ値との相関を示すグラフである。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１ エンジン（レーザ点火型内燃機関）
２ 内燃機関
２０，１２０，２２０，３２０ レーザ点火装置
２１，１２１，２２１，３２１ 集光光学部材
２８ レーザビーム発生器（レーザビーム発生手段）
５０ 燃焼室
５１ 燃焼室面
６０ 燃料粒子
６１ （燃料粒子の）群
６１ａ 粒子群移動経路
３４０ ピストン
３４３ ヘッド表面（ピストン燃焼室側面）
３８１ 被照射面
ＬＢ１ レーザビーム
ＬＢ２ レーザビーム
ＬＢ３ レーザビーム
ＬＢ４ レーザビーム

Claims (10)

1. 内燃機関の燃焼室内にレーザビームを照射し集光させて、上記燃焼室内の燃料粒子を着火させるレーザ点火装置であって、
   上記レーザビームを放射するレーザビーム発生手段と、
   放射された上記レーザビームを、上記燃焼室内に導き、上記燃焼室内で集光させる集光光学部材と、を有し、
   上記レーザビーム発生手段は、
   ＢＰＰ値が、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下の上記レーザビームを放射する
   低ＢＰＰレーザビーム発生手段である
   レーザ点火装置。
2. 請求項１に記載のレーザ点火装置であって、
   前記集光光学部材は、
   前記燃焼室内で、前記レーザビームを線状にまたは散点状に分布して集光させる
   分布型集光光学部材である
   レーザ点火装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ点火装置であって、
   前記燃焼室内での前記レーザビームの焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上である
   レーザ点火装置。
4. 燃焼室を含む内燃機関、および、
   上記内燃機関の上記燃焼室内にレーザビームを照射し集光させて、上記燃焼室内の燃料粒子を着火させるレーザ点火装置であって、
   上記レーザビームを放射するレーザビーム発生手段と、
   放射された上記レーザビームを、上記燃焼室内に導き、上記燃焼室内で集光させる集光光学部材と、を有する
   レーザ点火装置、を備える
   レーザ点火型内燃機関であって、
   上記レーザビーム発生手段は、
   ＢＰＰ値が、２０ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下の上記レーザビームを放射する
   低ＢＰＰレーザビーム発生手段である
   レーザ点火型内燃機関。
5. 請求項４に記載のレーザ点火型内燃機関であって、
   前記集光光学部材は、前記燃焼室内に導いた前記レーザビームが、上記燃焼室内に導入された前記燃料粒子の群が上記燃焼室内を移動する粒子群移動経路を貫通する光学特性を有する
   レーザ点火型内燃機関。
6. 請求項４または請求項５に記載のレーザ点火型内燃機関であって、
   前記集光光学部材は、
   前記燃焼室内で、前記レーザビームを線状にまたは散点状に分布して集光させる
   分布型集光光学部材である
   レーザ点火型内燃機関。
7. 請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載のレーザ点火型内燃機関であって、
   前記内燃機関は、前記燃焼室をなす燃焼室面の一部であって、金属からなる被照射面を有し、
   前記集光光学部材は、前記レーザビームを上記被照射面に集光させる光学特性を有するレーザ点火型内燃機関。
8. 請求項７に記載のレーザ点火型内燃機関であって、
   前記内燃機関は、前記燃焼室で往復運動を行うピストンを有し、
   上記ピストンは、前記燃焼室面の一部をなすピストン燃焼室側面を含み、
   上記ピストン燃焼室側面は、前記被照射面を含み、
   前記集光光学部材は、上記ピストンが、上死点またはその付近に位置するタイミングにおける、上記被照射面に前記レーザビームを集光させる光学特性を有する
   レーザ点火型内燃機関。
9. 請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載のレーザ点火型内燃機関であって、
   前記燃焼室内での前記レーザビームの焦点位置の移動距離が４０ｍｍ以上である
   レーザ点火型内燃機関。
10. 請求項４〜請求項９のいずれか一項に記載のレーザ点火型内燃機関であって、
    前記燃料粒子群の前記粒子群移動経路の方向と前記燃焼室内に照射される前記レーザビームの照射方向とがなす角度が３０°〜１５０°であるレーザ点火型内燃機関。