JP2011256722A

JP2011256722A - レーザ点火装置

Info

Publication number: JP2011256722A
Application number: JP2010129220A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Inohara; 孝之猪原; Naoki Kido; 直樹木戸
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】難着火性機関において優れた着火性を示すレーザ点火装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関４０の吸気管４１０内の吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを検出する吸気管圧力検出手段３１と、機関４０の運転状況に応じて点火時期（ＩＧｔ）を決定する点火時期決定手段３２と、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴと点火時期とからレーザ発振装置１０に供給するエネルギ量を決定する供給エネルギ決定手段３０とを具備し、供給エネルギ決定手段３０が、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、又は／及び、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、レーザ発振装置１０への供給エネルギを高くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、難着火性の内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。

自動車エンジン等の内燃機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減やさらなる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給気化等が図られている。一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。

このような難着火性機関においても優れた着火性を発揮できる点火装置として、特許文献１には、機関燃焼室内に高エネルギのレーザ光を燃焼室に面した集光レンズによって集光して火炎核を発生させ混合気の着火を行うレーザ点火装置について種々提案されている（特許文献１、非特許文献１等参照）。

特許文献１の図４、段落〔００８２〕や、非特許文献１のｆｉｇ．１ｂ、第１頁、第１行から第７行にあるように、レーザ点火装置においては、燃焼室内の圧力が高いほどレーザ光に要求される最小エネルギは低くなり、燃焼室内の圧力が低いほど、レーザ光に要求される最小エネルギは高くなることが知られている。
これは、燃焼室内の圧力が高い程、レーザ光が集光する焦点体積内の分子数が増え、レーザ光のエネルギを吸収し易くなるためと考えられており、これが定説となっている。
内燃機関を模した圧力容器内に高圧気体を充填し、その圧力を種々変化させてレーザ光を集光した場合には、点火源となるプラズマを発生するための最小エネルギは、圧力容器内の圧力が高いほど低くなることが再現できる。

ところが、実際の内燃機関においては、燃焼室内に閉じ込められた気体をピストンの上昇によって圧縮した状態で点火が行われるのに対して、点火試験では、圧力容器内に高圧気体を充填した状態で点火を行っている。
このため、両者は見かけ上、同じ圧力で点火を行った場合でも、気体の密度分布が異なるため、点火に必要とされるエネルギに大きな違いがあることが判明した。
本発明者等の詳細な試験により、実際の内燃機関においては、着火に必要なエネルギは燃焼圧力が高くなるほど大きく、そのエネルギの大きさは、吸気管圧力と、点火時期と、燃焼室内にレーザ光が集光されるまでに通過する光路長とに依存するとの新たな知見を得た。
したがって、従来の、着火に必要なエネルギが燃焼室内の圧力が高い程小さくなるとの定説に基づいて、燃焼室内の圧力が低いほどレーザ発振装置に供給するエネルギを高くし、圧力が高い程供給エネルギを低くする制御を行ったのでは、燃焼室内の圧力が低い条件においては、レーザ発振装置に供給するエネルギを過度に大きくし、レーザが無駄に消費するエネルギが大きくなるため、却って機関全体でのエネルギ効率が悪化する虞があり、また、燃焼室内の圧力が高い条件においては、着火に必要なエネルギが不足し、失火に至る虞があることが判明した。

特に、気体燃料を用いたコジェネレーションシステムでは、ボア径の大きな、大型の内燃機関が用いられる。このため、点火時期における燃焼室内の気体に密度分布が発生し易く、点火源としてレーザ点火装置を用いた場合に、集光点までの光路中に存在する気体の密度差によって、屈折率が変化し、あたかも燃焼室内に多くのレンズが存在するかのように作用する疑似レンズが形成され、焦点距離の変動や、レーザ光の散乱を招き、失火に至る虞があることが判明した。

本発明は、かかる実情に鑑みて、エネルギ効率の向上を図ると共に確実な着火を実現する信頼性の高いレーザ点火装置を提供することを目的とする。

第１の発明では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、
上記内燃機関の吸気管内の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、機関の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段と、上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記レーザ発振装置に供給するエネルギ量を決定する供給エネルギ決定手段とを具備し、上記供給エネルギ決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記レーザ発振装置への供給エネルギを高くする（請求項１）。

第１の発明によれば、吸気管内の圧力を検出することによって、点火時期における燃焼室内の圧力を予測し、吸気管圧力に応じた点火エネルギを過不足なく上記レーザ発振装置に供給するので、エネルギの無駄がなくなり、効率の良いレーザ点火装置が実現可能となる。
また、内燃機関の運転状況に応じて決定される点火時期に基づいて、上記レーザ発振装置に供給するエネルギを点火時期に応じて必要なエネルギを過不足なく決定できるので、エネルギの無駄がなくなり、効率の良いレーザ点火装置が実現可能となる。
従来、レーザ点火装置においては、燃焼室内の圧力が高いほど供給するエネルギを低くできると考えられていたが、本発明者等の鋭意試験により、実際の内燃機関においてレーザ光の集光により点火を行うためには、吸気管圧力が高いほど、また、点火時期が上死点に近いほど、高いエネルギを必要とし、吸気管圧力が低いほど、また、点火時期が上死点から離れるほど低いエネルギで点火できることが判明した。

第２の発明では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、上記内燃機関の吸気管内の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、機関の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段と、上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記燃焼室内における上記集光レンズの集光位置を決定する集光位置決定手段とを具備し、上記集光位置決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記燃焼室内を通過するレーザ光の光路長を短くする（請求項２）。

第２の発明によれば、燃焼室内で圧縮された気体の密度差によって生じる疑似レンズの影響を少なくし、安定した着火を実現できることが判明した。
本発明者等の鋭意試験により、吸気管内の圧力が高いほど、また、点火時期が上死点に近いほど、燃焼室内で圧縮された気体の密度分布が大きく、疑似レンズの影響を受け易くなるので、圧縮気体中を通過するレーザ光の光路長を短くすることによって、疑似レンズによるレーザ光の散乱を抑制し、確実に集光させることが可能となり、効率よく着火を実現させることができる。
一方、吸気管圧力が低く、また、点火時期が上死点から離れるほど、燃焼室内で圧縮された気体の密度差が小さく、圧縮気体中を通過するレーザ光の光路長を長くしても、疑似レンズによる影響が少なく、混合気の濃度の高い位置に集光させることにより安定した着火を実現させることができる。

なお、一般にレーザ点火装置は、燃焼室内の圧力や、燃料の付着等から集光レンズを保護すべく、燃焼室と集光レンズとの間に耐熱性、耐圧性の高い保護ガラスを設け、保護ガラスを透過したレーザ光が燃焼室内の集光点に集光するように構成されており、本発明によれば、燃焼室内を通過する光路長を短くしたときには、保護ガラスの極近傍でレーザ光が集光する。
保護ガラスは金属材料と比較し、断熱性が高いので、保護ガラスの極近傍でレーザ光が集光したときの消炎効果は、点火プラグの電極や、燃焼室を区画するシリンダの内壁等の金属材料の消炎効果に比べれば遙かに小さくなるので、エネルギの損失とはならない。
また、保護ガラスの表面に未燃燃料や煤が付着すると、燃焼室内に到達するレーザ光のエネルギが低下する虞があるが、本発明によれば、上記集光位置決定手段によって、点火時期以外の時期に、保護ガラス表面に堆積した付着物を消失させる位置にレーザ光を集光させ、保護ガラスの清浄化を図ることもできる。

第３の発明では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、上記内燃機関の吸気管内の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、機関の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段と、上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記レーザ発振装置に供給するエネルギ量を決定する供給エネルギ決定手段と上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記燃焼室内における上記集光レンズの集光位置を決定する集光位置決定手段とを具備し、上記供給エネルギ決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記レーザ発振装置への供給エネルギを高くし、上記集光位置決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記燃焼室内を通過するレーザ光の光路長を短くする（請求項３）。

第３の発明によれば、上述の第１の発明の効果と第２の発明の効果とが相乗的に発揮されるので、さらに、着火性に優れた信頼性の高いレーザ点火装置が実現可能となる。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す構成図。従来のレーザ点火装置の問題点を説明すべく、燃焼室内の圧力変化に伴う気体の密度変化を（ａ）から（ｃ）の順を追って示すシュリーレン画像。従来のレーザ点火装置の問題点を説明するための、筒内写真及び模式図。本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置に用いられる最適エネルギ決定のための、点火エネルギと点火時期、及び、吸気管圧力との関係を示す特性図。本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の制御方法を決定するために行った試験結果を示し、（ａ）は、点火確率に対する点火時期と点火エネルギの効果を示す特性図、（ｂ）は、点火確率に対する点火時筒内圧力の効果を示す特性図。本発明のレーザ点火装置の制御方法を決定するために行った試験結果を示し、（ａ）は、点火確率に対する点火時期と吸気管圧力の効果を示す特性図、（ｂ）は、点火確率に対する吸気管圧力と点火時筒内圧力の効果を示す特性図。本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置の作動を示し、（ａ）は、低圧時の状態を示す断面図、（ｂ）は、高圧時の状態を示す断面図。（ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置に用いられる最適焦点距離決定のための、最適焦点距離と点火時期、及び、吸気管圧力との関係を示す特性図、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置の制御方法を決定するために行った試験結果を示し、点火確率に対する点火時期と点火エネルギの効果を示す特性図。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１について説明する。
本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１は、高過給混合燃焼機関、極希薄燃焼機関、気体燃料燃焼機関等の難着火性の内燃機関４０において優れた着火性を発揮すべく、内燃機関４０に装着され、レーザ発振装置１０から発振されたレーザ光を集光レンズ２０によって機関燃焼室４００内の集光点ＦＰに集光して高エネルギの火炎核（プラズマ）を発生せしめて機関燃焼室内４００に導入された混合気の点火を行う。
内燃機関４０の吸気管４１０内の吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを検出する吸気管圧力検出手段３１と、機関４０の運転状況に応じて点火時期を決定し点火信号ＩＧｔを発信する点火時期決定手段３２と、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴと点火時期とからレーザ発振装置１０に供給するエネルギ量を決定する供給エネルギ決定手段３０とを具備し、供給エネルギ決定手段３０が、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、又は／及び、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、レーザ発振装置１０への供給エネルギを高くすることを特徴としている。

内燃機関４０は、シリンダヘッド４１と略筒状のシリンダ４２とシリンダ４２内を昇降するピストン４３とによって区画された燃焼室４００内に導入した燃料と圧縮空気との混合気の燃焼爆発によって燃焼室４００内の圧力が上昇し、ピストン４３を押し下げ、機関の動力を発生している。
シリンダヘッド４１には、燃焼室４００内への吸気の導入を行う吸気管４１０とこれを開閉する吸気バルブ４１１と燃焼排気の排出を行う排気管４２０とこれを開閉する排気バルブ４２１とが設けられ、さらに、燃料噴射装置ＩＮＪとレーザ点火装置１のレーザ集光部２００が固定され、吸気管４１には、吸気管４１内の圧力を検出する吸気管圧力センサ３１０が配設されている。

レーザ集光部２００は、レーザ発振装置１０から発振されたレーザ光を伝送する光ファイバ等の図略のレーザ光伝送線と、レーザ光伝送線に連なり、レーザ光をレーザ集光部２００の軸心に対して平行光とすべく複数のレンズを組み合わせてなる群レンズと、群レンズを透過したレーザ光を燃焼室４００内の集光点ＦＰに集光する集光レンズ２０と、燃焼室４００内に露出するレーザ集光部２００の先端側に設けられ、集光レンズ２０を燃焼室４００内の高温、高圧から保護する保護カバー２２と、集光レンズ２０及び保護カバー２２を保持する集光レンズ保持部２１と、これらを一体に保持しシリンダヘッド４１に固定する固定部２３とによって構成されている。保護カバー２２には、集光レンズ２０を保護すべく、耐熱性、耐圧性の高い材料、例えば、石英や透光性セラミックス等が用いられている。

レーザ発振装置１０は、公知のレーザ発振回路を用いることができ、レーザ発振回路は、例えば、レーザ発振源となる半導体レーザ等のレーザ媒質と、このレーザ媒質にエネルギを与える励起源と、発振されたレーザ光を増幅するレーザ増幅部とを含んでいる。
レーザ媒質としては、半導体レーザの他、固体レーザを用いることができる。
レーザ増幅部は、シャッタ素子（Ｑスイッチ）と、反射鏡と、出力鏡とを具備し、励起用半導体レーザから発振されたレーザ光により、固体レーザとシャッタ素子が共に励起され、シャッタ素子内のエネルギが、そのシャッタ素子自身の物性によって決定されるある閾値を超えた瞬間にシャッタが開き、レーザ光が反射鏡と出力鏡との間を往復する毎に共振し、増幅され、瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光を取り出すことができる。
供給エネルギ決定手段３０によってレーザ発振装置１０に供給されるエネルギ量として供給電流量が決定され、レーザ点火装置１から燃焼室４００内に出力されるエネルギが制御されている。

供給エネルギ決定手段３０は、吸気管４１０内の圧力Ｐ_ＩＮＴを検出することによって、点火時期における燃焼室４００内の圧力を予測し、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴに応じた点火エネルギを過不足なくレーザ発振装置１０に供給するので、エネルギの無駄がなくなり、効率の良いレーザ点火装置１が実現可能となる。
また、点火時期決定手段３２は、運転状況検出手段として、内燃機関４０に設けられた水温センサ（ＴＷ）、回転計（ＮＥ）、クランク角センサ（ＣＡ）、スロットル開度センサ（ＳＬ）等から得られた情報を基に、点火時期並びに燃料供給量、空燃比等を決定し、エネルギ供給決定手段３０に対して、点火信号ＩＧｔを発信し、図略の燃料噴射装置に燃料噴射信号を発信している。
さらに、点火時期決定手段３２から発信された点火信号に基づいて、供給エネルギ決定手段３０がレーザ発振装置１０に供給するエネルギを点火時期に応じて過不足なく決定できるので、エネルギの無駄がなくなり、効率の良いレーザ点火装置１が実現可能となる。
なお、本実施形態においては、シリンダ４２の側面からピストン４３の昇降方向に対して直交する方向にレーザ光が照射されるように、レーザ集光部２００が配設されている。
このようにレーザ集光部２００を配設することにより、燃焼室４００内の混合気に密度分布が存在し、密度ムラによって疑似レンズが形成され易い状況において、レーザ光を疑似レンズの影響の少ないシリンダ４２の内周壁に近い位置に集光させることが容易となる。

ここで、図２、図３を参照して従来のレーザ点火装置の問題点について詳述する。
図２は、燃焼室内の圧力の上昇と共に変化する燃焼室内の気体の変化を（ａ）から（ｃ）に順を追って示すシュリーレン画像である。
燃焼室内に吸気され、吸気弁が閉弁された直後のクランク角１４０°ＢＴＤＣＡにおいては、本図（ａ）に示すように、燃焼室内の気体は一様であり、シュリーレン画像に乱れはない。
ピストンの上昇と共に燃焼室内の気体が圧縮され、燃焼室内の圧力が上昇する。このとき、燃焼室内の気体は一様に変化するのではなく、密度の異なる部分が点在し、圧縮途中のクランク角５０°ＢＴＤＣＡにおいては、本図（ｂ）に示すように、シュリーレン画像には、影の部分と明るい部分とが乱れて存在する。これは、燃焼室内の気体が圧縮されたときに密度の異なる部分が存在し、光の屈折率が変化するためと推察される。
さらに、点火直前のクランク角２０°ＢＴＤＣＡにおいては、本図（ｃ）に示すように、さらに陰影が濃くなり、乱れが多くなっていることから、燃焼室内の密度分布が広がっているものと推察される。
このような燃焼室４００内の圧縮気体に存在する密度の違いにより、レーザ点火装置による点火を試みた場合に、燃焼室４００内を通過するレーザ光の屈折率にも変化が生じるものと推察される。

図３を参照して、従来のレーザ点火装置の問題点を検証すべく本発明者らが行った試験結果について説明する。
本図中左列に示すのは、実際のエンジンに、図１に示したように構成したレーザ点火装置を取り付け、燃料の噴射はせずに、圧縮行程でレーザ光を集光させ着火源となるプラズマ火炎核の発生を試みたときの様子を撮影した写真であり、右列はそれぞれの状況を模式的に示したものである。
なお、本図左列に示すように、写真の右側から左側に向かって、即ち、シリンダの側面から燃焼室内に水平方向にレーザ光が入射された様子を観察したものであり、プラズマの上下で横に伸びるように白く光る２本線は、それぞれ、上側の線がシリンダヘッド下面でプラズマの光が反射したもの、下側の光がピストン上面でプラズマの光が反射したものである。
従来のレーザ点火装置を用いた場合であっても、正常に着火をし得る状況では、図３（ａ−１）、（ａ―２）に示すように、レーザ光の集光点において、燃焼室内に激しく光るプラズマ状態の火炎核が発生する。実際の内燃機関においては、この火炎核が着火源となって燃焼室内に導入された混合気の燃焼が開始される。
ところが、本図（ｂ―１）に示すように、本図（ａ―１）の正常時と集光位置が異なり、発生するプラズマ火炎核は小さく、発光も弱くなっている場合が観察された。
これは、本図（ｂ−２）に示すように、燃焼室内の気体に密度ムラが生じ、これが疑似レンズとなって燃焼室内に照射されたレーザ光を屈折させ、本来の集光点とは異なる焦点距離、方向で集光したためと推察される。
さらに、本図（ｃ−１）に示すように、複数箇所で弱い光が集光する場合も観察された。これは、本図（ｃ−２）に示すように、圧縮気体中の密度差によって生じた屈折率の違いから複数の疑似レンズを透過して複数箇所に集光したためと推察される。
さらに、本図（ｄ−１）に示すように、全くレーザ光が集光しない状態が観察された。これは、本図（ｄ−２）に示すように、さらに、疑似レンズによるレーザ光の屈折がおこり、レーザ光が集光することなく散乱したためと推察される。
このように、実際の内燃機関に対してレーザ点火装置を用いて点火を行おうとすると、圧縮時の気体の密度ムラによって生じる疑似レンズによるレーザ光の屈折が極めて大きな弊害となることが判明した。

そこで、以下に、難着火性の内燃機関に対して安定した点火を実現するための最適なエネルギ供給方法を決定するために、本発明者らが行った試験結果について説明する。
図４は、本発明者らの鋭意試験の結果導き出された、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴと点火時期と、確実な着火に必要な点火エネルギとの関係を示すマップ図である。
従来、レーザ点火装置においては、燃焼室内の圧力が高いほど供給するエネルギを低くできると考えられていたが、本発明者等の鋭意試験により、実際の内燃機関においてレーザ光の集光により点火を行うためには、本図に示すように、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、また、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、高いエネルギを必要とし、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが低いほど、また、点火時期が上死点ＴＤＣから離れるほど低いエネルギで点火できるとの知見を得た。

図５、図６を参照して、上述の知見を導き出すために本発明者等が行った試験の詳細について説明する。
図５（ａ）は、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを一定とし、点火時期を４５°ＢＴＤＣＡ〜６５°ＡＴＤＣＡまで変化させ、点火エネルギとしてＡ（例えば、１０ｍＪ）、Ｂ（同２５ｍＪ）、Ｃ（同５０ｍＪ）の電流を供給したときのそれぞれの点火確率Ｐ_ＩＧ（％）を調査した結果を示し、本図（ｂ）は、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを一定としたとき、Ａ、Ｂ、Ｃの各供給エネルギで１００％点火を実現できる各点火時における筒内圧力Ｐ_ＣＹＬ（ＭＰａ）との関係を示す。
本図（ａ）に示すように、上死点ＴＤＣから離れ、３５°ＢＴＤＣＡまでの進角側の圧縮行程で点火する場合、又は、６０°ＡＴＤＣＡ以上遅角側の膨張行程で点火する場合においては、燃焼室内圧力の低く、比較的低い点火エネルギ（１０ｍＪ）でも１００％の確率で点火可能であり、上死点ＴＤＣに近づくにしたがって点火確率が低下し、上死点ＴＤＣ付近においては、１０ｍＪの点火エネルギでは全く点火できなくなる。
また、点火エネルギが２５ｍＪの場合には、上死点ＴＤＣ直前の１５°ＢＴＤＣＡまでの進角側、又は、４５°ＡＴＤＣＡ以上の遅角側では、１００％の確率で点火可能であるが、上死点ＴＤＣに近い点火時期では、点火確率が低下する。
さらに、点火エネルギを５０ｍＪとすると、進角側から遅角側まで全ての点火時期において１００％の確率で点火可能であるが、１５°ＢＴＤＡより進角側、４５°ＡＴＤＣＡより遅角側では、２５ｍＪでも１００％の確率で点火可能であるため、この範囲では供給エネルギが過剰で、５０ｍＪのエネルギ供給は必要なく、供給したエネルギの半分が無駄に消費されていることが分かる。
また、本図（ｂ）に示すように、進角側で点火する場合も、遅角側で点火する場合も、点火時の筒内圧力が低いほど、即ち、上死点ＴＤＣから離れるほど、確実に点火するための最小エネルギが低く、点火時の筒内圧力が高いほど、即ち、上死点ＴＤＣに近いほど、確実に点火するための最小エネルギが高くなる。
以上の試験結果から、上述の如く、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、即ち、点火時の筒内圧力が高ほど、高いエネルギを必要とし、点火時期が上死点ＴＤＣから離れるほど、即ち、筒内圧力が低いほど、低いエネルギで点火できるとの知見を得た。

図６（ａ）は、点火エネルギを一定とし、点火時期を２５°ＢＴＤＣＡ〜４５°ＡＴＤＣＡまで変化させ、吸気管圧力としてＡ（例えば、０．０６ＭＰａ）、Ｂ（同０．１ＭＰａ）、Ｃ（同０．２ＭＰａ）、Ｄ（同０．３ＭＰａ）に設定したときのそれぞれの点火確率Ｐ_ＩＧ（％）を調査した結果を示し、本図（ｂ）は、点火エネルギを一定としたとき、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴに対して１００％点火を実現できる各点火時における筒内圧力Ｐ_ＣＹＬ（ＭＰａ）との関係を示す。
本図（ａ）に示すように、点火エネルギを一定とし、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを変化させたとき、上死点ＴＤＣから離れ、進角側又は遅角側の点火時期においては、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高くても１００％の確率で点火可能であるが、上死点ＴＤＣに近づくと吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いと点火確率が低下し、上死点ＴＤＣに近い点火時期において１００％の確率で点火するためには、供給エネルギが一定であれば、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを低くし、筒内圧力Ｐ_ＣＹＬを低下させる必要があることが判明した。
また、本図（ｂ）に示すように、いずれの吸気管圧力においても、点火時の筒内圧力が高いほど点火確率が下がる傾向は変わらないが、同一の筒内圧力(Ｐ_１)であり、同一の吸気管圧力（０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ）であっても、点火時期を圧縮行程（進角側）で点火するか、膨張行程（遅角側）で点火するかによって、点火確率（Ｐ_ｃ１、Ｐ_ｃ２、Ｐ_ｄ１、Ｐ_ｄ２）に差が生じていることが分かる。
以上の試験結果から、点火を１００％の確率で成功させるためには、レーザ発振装置１０に供給するエネルギを点火時期における筒内圧力Ｐ_ＣＹＬが高いほど高くする必要があり、また、そのエネルギの大きさは吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴと点火時期に依存していることが判明した。
かかる知見に基づき、実際の内燃機関においてレーザ光の集光により点火を行うためには、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、また、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、高いエネルギを必要とし、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが低いほど、また、点火時期が上死点ＴＤＣから離れるほど低いエネルギで点火できるので、本発明の供給エネルギ決定手段３０により、予め、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴと点火時期とから供給エネルギの最適化を図り、エネルギの無駄を抑制しつつ、確実な点火を実現できるとの知見を得た。

このため、実際の内燃機関に特許文献１や非特許文献１にあるような従来のレーザ点火装置を用いた場合、着火に必要なエネルギが燃焼室内の圧力が高い程小さくなるとの定説に基づいて、燃焼室内の圧力が低いほどレーザ発振装置に供給するエネルギを高くし、圧力が高い程供給エネルギを低くする制御を行うため、燃焼室内の圧力が低い条件においては、レーザ発振装置に供給するエネルギを過度に大きくし、レーザが無駄に消費するエネルギが大きくなるため却って機関全体でのエネルギ効率が悪化する虞があり、燃焼室内の圧力が高い条件においては、着火に必要なエネルギが不足し、失火に至る虞があることが判明した。

図７を参照して、本発明の第２の実施形態及び、第２の実施形態におけるレーザ点火装置１ａ、１ｂについて説明する。
本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置１aは、第１の実施形態におけるレーザ点火装置１と同様の構成に加え、固定部２３a内で集光レンズ２０aを昇降可動に保持する可動保持手段２１aと、可動保持手段２１aを昇降させて集光位置を変化させる集光位置移動手段２１０と、点火時期と吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴとから集光位置を決定し集光位置移動手段２１０を駆動する集光位置決定手段３３を設けた構成としたものである。
なお、本実施形態においては、レーザ光集光手段２００ａをシリンダヘッド４１の中心に、ピストン４３の昇降方向と略平行となるように配設した例を示したが、第１の実施形態と同様シリンダ４２の側面から、ピストン４３の昇降方向に対して直交するように燃焼室４００内に照射しても良い。

レーザ点火装置１ａは、第１の実施形態と図同様の効果に加え、内燃機関４０の吸気管４１０内の吸気管圧力ＰＩＮＴを検出する吸気管圧力検出手段３１０と、機関４０の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段３２と、吸気管圧力ＰＩＮＴと点火時期とから燃焼室４００内における集光レンズ２０の集光位置ＦＰを決定する集光位置決定手段３３を具備し、集光位置決定手段３３が、吸気管圧力ＰＩＮＴが高いほど、又は／及び、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、燃焼室４００内を通過するレーザ光の光路長Ｌ_ＦＰを短くすることができる。
集光位置移動装置２１０は、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが低いほど、点火時期がＴＤＣから離れるほど、点火時の筒内圧力が低いほど、図８（ａ）に示すように、燃焼室４００内を通過するレーザ光の光路長を長くすべく、集光レンズ２０ａの位置を燃焼室４００側に配置し、保護カバー２２の表面から集光点ＦＰ_Ｌまでの集光距離Ｌ_ＦＰ１を長く設定し、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、点火時期がＴＤＣに近いほど、点火時の筒内圧力が高いほど、図８（ｂ）に示すように、燃焼室４００内を通過するレーザ光の光路長を短くすべく、集光レンズ２０ａの位置を燃焼室４００から離し、保護カバー２２の表面から集光点ＦＰ_Ｌまでの集光距離Ｌ_ＦＰ２を短く設定する。
なお、本実施形態において、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが低い場合の焦点距離Ｌ_ＦＰ１は、１０ｍｍ、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高い場合の焦点距離Ｌ_ＦＰ２は４ｍｍであった。

図９を参照して、本実施形態におけるレーザ点火装置１ａの効果について行った試験結果について説明する。
本図（ａ）は、本発明者等の行った鋭意試験の結果得られた知見を第１の実施形態におけるレーザ点火装置１に示したものと同様に、マップにまとめたものである。
本図（ａ）に示すように、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、点火時期がＴＤＣに近いほど、焦点距離を短くすることによって安定した点火が実現可能となる。
本図（ｂ）に示すように、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴを一定とし、点火エネルギと集光位置Ｌ_ＦＰを変化させたとき、点火エネルギが低くても（Ａ、例えば、１０ｍＪ）、集光点距離Ｌ_ＦＰが短ければ、１００％の確率で点火を実現でき、点火エネルギが高ければ（Ｂ、例えば、２５ｍＪ）、焦点距離Ｌ_ＦＰを長くできる。
また、点火エネルギに拘わらず、焦点距離Ｌ_ＦＰが長くなると、点火確率は低下し、徐々に着火が困難となる。
これは、燃焼室４００内で圧縮された気体の密度差によって生じる疑似レンズの影響によるものと推察される。
したがって、本発明のように、点火時期がＴＤＣに近いほど、集光レンズ２０ａの位置を燃焼室４００から離し、焦点距離Ｌ_ＦＰを短くすることにより、燃焼室内を通過するレーザ光の光路長を短くすることによって、疑似レンズの影響を少なくし、安定した着火を実現できることが判明した。
以上により、吸気管内の圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、また、点火時期が上死点ＴＤＣに近いほど、燃焼室内で圧縮された気体の密度分布が大きく、疑似レンズの影響を受け易くなるので、圧縮気体中を通過するレーザ光の光路長を短くすることによって、疑似レンズによるレーザ光の散乱を抑制し、確実に集光させることが可能となり、効率よく着火を実現させることができるとの知見を得た。
一方、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが低く、また、点火時期が上死点ＴＤＣから離れるほど、燃焼室内で圧縮された気体の密度差が小さく、圧縮気体中を通過するレーザ光の光路長を長くしても、疑似レンズによる影響が少なく、混合気の濃度の高い位置に集光させることにより安定した着火を実現させることができるとの知見を得た。

また、本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、供給エネルギ決定手段３０を具備するので、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴが高いほど、筒内圧力Ｐ_ＣＹＬが高いほど、点火時期がＴＤＣに近いほど、供給エネルギを高くすることも可能であるので、集光位置ＦＰの移動を組み合わせることにより、さらにエネルギ効率を高め安定した点火が実現できる。

なお、一般にレーザ点火装置は、燃焼室４００内の圧力や、燃料の付着等から集光レンズ２０を保護すべく、燃焼室４００と集光レンズ２０との間に耐熱性、耐圧性の高い保護ガラスを設け、保護ガラス２２を透過したレーザ光が燃焼４００内の集光点ＦＰに集光するように構成されており、本発明によれば、燃焼室４００内を通過する光路長を短くしたときには、保護ガラスの極近傍でレーザ光が集光する。
保護ガラス２２は金属材料と比較し、断熱性が高いので、保護ガラス２２の極近傍でレーザ光が集光したときの消炎効果は、従来の点火装置に用いられている点火プラグの電極や、燃焼室を区画するシリンダの内壁等の金属材料の消炎効果に比べれば遙かに小さくなるので、エネルギの損失とはならない。
また、保護ガラス２２の表面に未燃燃料や煤が付着すると、燃焼室５００内に到達するレーザ光のエネルギが低下する虞があるが、本発明によれば、集光位置決定手段３２によって、点火時期以外の時期に、保護ガラス２２の表面に堆積した付着物を消失させる位置にレーザ光を集光させ、保護ガラスの清浄化を図ることもできる。

また、本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置１ｂは、第２の実施形態におけるレーザ点火装置１ａと同様の構成から、図８に点線で囲った部分の供給エネルギ決定手段３０を排し、エネルギの供給量は一定とし、集光位置の変化によって、燃焼条件の変化に対応可能とした簡易な構成としたものである。
このような構成によっても、上述の如く、吸気管圧力Ｐ_ＩＮＴ、点火時期等に応じて、集光位置を調整することによって、安定した点火を実現できる。

１レーザ点火装置
１０レーザ発振装置
２０集光レンズ
２１集光レンズ保持手段
２２保護ガラス
２３
２００レーザ集光手段
３０供給エネルギ決定手段
３１吸気管圧力検出手段
３１０吸気管圧力センサ
３２点火時期決定手段（ＥＣＵ）
４０内燃機関
４１シリンダヘッド
４１０吸気管
４１１吸気弁
４２０排気管
４２１排気弁
４２シリンダ
４３ピストン

特開２００６−３２９１８６号公報

「「ＡＶＬＩｇｎｉｔｉｏｎＬａｚｅｒレーザ点火システムとその実用化」、Ｗ．Ｆ．Ｐｏｃｋ、Ｅ．Ｗｉｎｋｌｈｏｌｆｅｒ、Ｙ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ、社団法人自動車技術会学術講演会前冊集Ｎｏ．１−０５２００５５００７ｐ．１−ｐ．４」

Claims

内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、
上記内燃機関の吸気管内の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、
機関の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段と、
上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記レーザ発振装置に供給するエネルギ量を決定する供給エネルギ決定手段とを具備し、
上記供給エネルギ決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記レーザ発振装置への供給エネルギを高くすることを特徴とするレーザ点火装置。
内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、
上記内燃機関の吸気管内の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、
機関の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段と、
上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記燃焼室内における上記集光レンズの集光位置を決定する集光位置決定手段とを具備し、
上記集光位置決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記燃焼室内を通過するレーザ光の光路長を短くすることを特徴とするレーザ点火装置。
内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、
上記内燃機関の吸気管内の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と、
機関の運転状況に応じて点火時期を決定する点火時期決定手段と、
上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記レーザ発振装置に供給するエネルギ量を決定する供給エネルギ決定手段と、
上記吸気管圧力と上記点火時期とから上記燃焼室内における上記集光レンズの集光位置を決定する集光位置決定手段とを具備し、
上記供給エネルギ決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記レーザ発振装置への供給エネルギを高くし、上記集光位置決定手段が、上記吸気管圧力が高いほど、又は／及び、上記点火時期が上死点に近いほど、上記燃焼室内を通過するレーザ光の光路長を短くすることを特徴とするレーザ点火装置。