JP2014031741A - レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載スペースに制限がありレーザ媒質の冷却が不十分と成り易い過酷な使用環境となる内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置において、内燃機関の運転状況に応じて励起光の導入回数を調整することで、レーザ媒質の温度上昇を回避して安定した着火を実現可能なレーザ点火装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の運転状況を検出する運転状況検出手段４１と、その検出結果に応じて励起光源３０への通電を制御する励起光源駆動制御装置４０とを具備し、励起光源駆動制御装置４０が、運転状況検出結果に基づいて、作動回転数ＮＥが低いほど励起光源３０への通電時間Ｔ_ＬＤを長くし、作動回転数ＮＥが高いほど励起光源３０への通電時間Ｔ_ＬＤを短くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。特に、高過給、高圧縮の自動車用エンジン、シリンダボア径の大きいエンジン、天然ガスを用いた発電用エンジン等の難着火性エンジンの点火に好適なものである。

近年、高過給エンジン、高圧縮エンジン、シリンダ内径の大きな天然ガスエンジン等、難着火性の内燃機関の点火に、フラッシュランプ、半導体レーザ等の励起光源から波振した励起光をＱスイッチ式のレーザ媒質を含むレーザ共振器に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルス光として発振させ、さらにパルス光を集光レンズなどの光学素子を用いて、混合気中に集光して、エネルギ密度の高い火炎核を発生させることにより、内燃機関の点火を行うレーザ点火装置について種々提案されている。

例えば、特許文献１には、レーザ光を発生するレーザ発振器とその励起光源部とを分離し、レーザ発振器を内燃機関に配設し、励起光源部を内燃機関から離れた車体部に配設して冷却可能とすると共に、励起光源部からの光をフレキシブルな光ファイバにてレーザ発振器に伝送するようにしたレーザ点火装置が開示され、励起光源の発光タイミングを回転信号等に基づいて所定の目標値に調整することが記載されている。

具体的な調整方法は必ずしも明らかではないが、特許文献２には、レーザ光源とポンピング光源とを有する点火装置において、ポンピング光源から、受動Ｑスイッチを備えたレーザ活性固体へ供給するポンピング光の放射強度及び／又はポンピング持続時間及び／又はポンピング光の波長を調整することによってパルス光が生成される点火時点を所定の目標値に調整する点火装置の作動方法が開示されている。

ところが、特許文献１、２にあるような従来のレーザ点火装置では、内燃機関に搭載されたレーザ発振器は空冷によって冷却されるのみであるため、冷却が不十分となり、レーザ発振器を構成するレーザ媒質にポンピング光源から励起光が導入され共振、増幅される過程でレーザ媒質の温度が徐々に上昇して屈折率の変化を招き、いわゆる熱レンズ効果、又は、熱歪効果とよばれる現象が発生することがある。
レーザ媒質の屈折率が変化すると、発振されたレーザ光が混合気中の所定の位置に集光せず、着火できなくなったり、レーザ媒質の温度上昇により発振時期に遅れが発生し、所望の点火時期に点火を行うことが困難となったり、レーザ媒質の温度が一定以上高くなるとパルス光の発振が起こらなくなったりするなど安定した点火を実現することが困難となる虞があった。

また、始動の際には、正確な回転数を把握することが困難である上に、混合気の撹拌が不十分であるため、より確実な点火を実現するためには、励起光源から複数回の励起光の導入を行って、複数回のパルス光光を発振することによって、着火確率を高くする必要がある。
その一方で、高速回転時においては、励起光源からの励起光の導入回数が多すぎると、次の点火時期までに、レーザ媒質の充分な冷却が行われず、レーザ媒質の熱レンズ効果の影響が累積的に大きくなり、やがて失火に至る虞があることが判明した。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、搭載スペースに制限がありレーザ媒質の冷却が不十分と成り易い過酷な使用環境となる内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置において、内燃機関の運転状況に応じて励起光の導入回数を調整することで、レーザ媒質の温度上昇を回避して安定した着火を実現可能なレーザ点火装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明（１）では、内燃機関（５）に設けられ、励起光源（３０）から励起光調整光学素子（１００）を介して導入した励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）をＱスイッチ（１１１）を設けたレーザ媒質（１１０）を含むレーザ共振器（１１）に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）として発振し、該パルス光のビーム径を一旦、パルス光拡張光学素子（１２０）によって拡張した後、パルス光集光光学素子（１３０）を用いて、上記内燃機関（５）の燃焼室（５２）内に導入した混合気内の所定位置における集光点（ＦＰ）に集光して、エネルギ密度の高いプラズマ火炎核を発生させて、上記内燃機関の点火を行うレーザ点火装置であって、上記内燃機関（５）の運転状況を検出する運転状況検出手段（４１）と、その検出結果に応じて上記励起光源への通電を制御する励起光源駆動制御装置（４０）とを具備し、該励起光源駆動制御装置（４０）が、上記運転状況検出結果に基づいて、作動回転数（ＮＥ）が低いほど上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を長くし、作動回転数（ＮＥ）が高いほど上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を短くすることを特徴とする。

請求項２の発明（１）は、上記内燃機関（５）の始動直後の作動回転数（ＮＥ）を把握できない状態、又は、所定の回転数（ＮＥ１）以下である場合においては、上記励起光源駆動制御装置（４０）が、始動モード（Ｍ１）と判定し、予め設定した規定の通電時間（Ｔ_ＬＤ１）だけ上記励起光源（３０）への通電を行う。

請求項３の発明（１）では、上記内燃機関（５）の作動回転数（ＮＥ）が所定の回転数の範囲内（ＮＥ１〜ＮＥ２）である場合においては、上記励起光源駆動制御装置（４０）が、低・中速モード（Ｍ２）と判定し、上記規定の通電時間（Ｔ_ＬＤ１）よりも短い、低・中速モード用通電時間（Ｔ_ＬＤ２）だけ、上記励起光源（３０）への通電を行う。

請求項４の発明（１）では、上記内燃機関（５）の作動回転数（ＮＥ）が所定の回転数（ＮＥ２）以上である場合においては、上記励起光源駆動制御装置（４０）が、高速モード（Ｍ３）と判定し、上記低・中速モード用通電時間（Ｔ_ＬＤ２）よりも短い、高速モード用通電時間（Ｔ_ＬＤ３）だけ、上記励起光源（３０）への通電を行う。

請求項５の発明（１）では、上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を、上記作動回転数に応じて段階的に変化させる。

請求項６の発明（１）では、上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を、上記作動回転数に応じて連続的に変化させる。

請求項７の発明（１）では、上記運転状況検出手段（４１）が、クランク角検出センサ、作動回転数検出センサ、エンジン水温検出センサ、アクセル開度検出センサのいずれか、又は、これらの組み合わせである。

請求項８の発明（１）では、上記運転状況検出手段（４１）としてエンジン水温検出センサを具備し、該エンジン水温検出センサの検出結果に基づいて、エンジン水温が高いほど上記通電時間（Ｔ_ＬＤ）を短く補正し、エンジン水温が低いほど上記通電時間（Ｔ_ＬＤ）を長く補正する。

本発明によれば、上記内燃機関（５）の運転状況に応じて上記励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）の導入回数を調整することで、レーザ媒質（１１０）の過剰な温度上昇を回避して、上記レーザ媒質（１１０）内の熱歪効果の影響が抑制され、搭載スペースに制限がありレーザ媒質（１１０）の冷却が不十分と成り易い過酷な使用環境となる上記内燃機関（５）の全回転数領域において安定した着火を実現できる。

本発明の実施形態における点火装置の概要を示す構成図。 本発明の点火装置に適用される第１の駆動制御方法を示す特性図。 図２Ａの制御方法によって得られるパルス光を示す特性図。 本発明の点火装置に適用される第２の駆動制御方法を示す特性図。 図３Ａの制御方法によって得られるパルス光を示す特性図。 始動モードにおける燃焼行程、点火信号、レーザ媒質温度、レーザダイオード駆動時間、励起光、パルス光の関係を示す模式図。 低・中速モードにおける燃焼行程、点火信号、レーザ媒質温度、レーザダイオード駆動時間、励起光、パルス光の関係を示す模式図。 高速モードにおける燃焼行程、点火信号、レーザ媒質温度、レーザダイオード駆動時間、励起光、パルス光の関係を示す模式図。 比較例として示す本発明を適用しなかった場合の高速モードにおける燃焼行程、点火信号、レーザ媒質温度、レーザダイオード駆動時間、励起光、パルス光の関係を示す模式図。 本発明に用いられる励起光源を駆動する駆動周波数、及び、駆動時間と、レーザ共振器の発振パルス数との関係を示す特性図。 本発明の適用される内燃機関の回転数と発振パル数との関係を示す特性図。

図１を参照して、本発明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。
レーザ点火装置１は、内燃機関５に設けられた共振・集光部を構成するレーザ点火プラグ（以下、レーザプラグと称する。）１０と、光ファイバ２０を介してレーザプラグ１０と接続される励起光源（以下、レーザダイオード、ＬＤと称する。）３０と、ＬＤ３０を駆動制御する励起光源駆動制御装置（以下、ＥＣＵと称する。）４０と、内燃機関の運転状況を検出する運転状況検出手段（以下、ＳＥＮ４１と称する。）４１と、によって構成されている。

レーザプラグ１０は、略筒状に形成したハウジング１５の内側に、励起光調整光学素子（以下、励起光レンズと称する。）１００、レーザ共振器１１、パルス光拡張光学素子（以下、拡張レンズと称する。）１２０、パルス光集光光学素子（以下、集光レンズと称す。）１３０、保護用光学窓（以下、保護ガラスと称する。）１４０を所定位置に配設して構成されている。
本発明のレーザ点火装置１は、ＳＥＮ４１によって検出された内燃機関５の運転状況に応じてＥＣＵ４０によって、後述の制御方法にしたがってレーザ共振器１１の温度上昇を回避するようにＬＤ３０への通電条件が決定される。

励起光レンズ１００には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイヤガラス等の公知の光学素子材料が用いられ、入射面が先端側に向かって凹面状に窪み、出射面が先端側に向かって凸面状に膨らんで、それぞれが異なる曲率半径を有する非球面レンズを構成して一体的に形成されている。
励起光レンズ１００に入射面と出射面のそれぞれには、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制すべく、フッ化マグネシウム等の公知のＡＲコーティングが施されている。

レーザ共振器１１は、レーザ媒質１１０と、その一方の端面に励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制するＡＲコーティングが施され、波長の短い励起光ＬＳＲ_ＰＭＰ（例えば、波長λ_ＩＮ＝８０８ｎｍ）を透過し、波長の長い反射光（例えば、波長λ_ＯＵＴ＝１０６４ｎｍ）を全反射する全反射鏡１１１と、他方の端面に配設され、レーザ媒質１１０内の光が所定のＱ値以下の場合には全反射し、Ｑ値を超えた場合には透過する受動Ｑスイッチを構成する部分反射鏡１１２とが一体に形成されて構成されている。
レーザ媒質１１０には、例えば、ＹＡＧ単結晶にＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ等、公知のレーザ媒質が用いられている。
また、受動Ｑスイッチ１１２には、ＹＡＧ単結晶にＣｒ４＋をドーピングしたＣｒ：ＹＡＧ等公知の受動Ｑスイッチが用いられている。
共振器１１は、共振器１１内に導入された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを共振、増幅させ、エネルギ密度の高いパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳとして出射する。
共振器１１から放出されるパルス光ＬＳＰ_ＰＬＳは、例えば、Ｍ^２＝１．２〜１．４の集光性が高く、約φ１．２ｍｍのビーム径を有する平行光となっている。
なお、共振器１１は、上記構成に限定するものではなく、レーザ媒質１１０として、公知のＮｄ：ＹＶＯ、Ｎｄ：ＧＶＯ、Ｎｄ：ＧＧＧ、Ｎｄ：ＳＵＡＰ、Ｙｂ：ＹＡＧ、ＹＢ；ＬＵＡＧ、受動Ｑスイッチ１１２には、Ｃｒ：ＧＧＧ、Ｖ：ＹＡＧ、Ｃｏ：スピネル等を適宜採用できる。

拡張レンズ１２０には 光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイヤガラス等の公知の光学素子材料が用いられている。
拡張レンズ１２０の入射面と出射面のそれぞれには、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＰの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。
また、拡張レンズ１２０は、入射面と出射面とが異なる曲率半径を有する一体の非球面レンズとなっている。

集光レンズ１３０には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイヤガラス等の公知の光学素子材料が用いられている。
集光レンズ１３０の入射面と出射面のそれぞれには、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＰの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。
また、集光レンズ１３０は、入射面と出射面とが異なる曲率半径を有する一体の非球面レンズとなっている。

保護ガラス１４０は、燃焼室５１内を臨み、燃焼室５１内の熱、圧力、燃料、煤等による汚染等から集光レンズ１３０を保護している。
保護ガラス１４０には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイヤガラス等の公知の光学素子材料が用いられている。
保護ガラス１４０の入射面には、集光レンズ１３０から出射されたパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。

励起光レンズ１００、共振器１１、拡張レンズ１２０、集光レンズ１３０、保護ガラス１４０は、略筒状のハウジング１５によって同軸上に一体的に保持されている。
ハウジング１５には、ＳＵＳ等の耐熱性金属が用いられている。
各素子１００、１１、１２０、１３０、１４０とハウジング１５との間には、金属製の弾性部材が適宜介装され、寸法差を吸収しつつ、それぞれの光軸が一致し、かつ、それぞれ、焦点距離が一定となるように収容されている。

なお、本実施形態において、ハウジング１５は、第１のハウジング１５０と第２のハウジング１５１とを組み合わせた二重筒構造となっており、バネ部材１６１及び環状支持部材１５２を介して、励起光レンズ１００と、共振器１１とを軸方向基端側に向かって弾性的に押圧した状態で第２のハウジング１５１内の所定位置に固定し、拡張レンズ１２０を先端側に向かって弾性的に押圧した状態で第１のハウジング１５０と第２のハウジング１５１との間の所定位置に固定している。
このような構造とすることによって、共振器１１の熱膨張、収縮による寸法変化を弾性的に吸収しつつ、共振器１１から平行光として出射されるパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを、規定の位置に固定された拡張レンズ１２０に入光させることができる。

さらに、拡張レンズ１２０は、第１のハウジング１５０がシリンダヘッド５０にネジ締め固定されたネジ部１５３及びネジ締めのための六角部１５４よりも基端側に配設することによりネジ締めトルクの影響を受けない位置に配設されている。
また、集光レンズ１３０、保護ガラス１４０は、第１のハウジングのネジ部１５３よりも先端側で弾性部材を介して熱加締めにより固定されている。
このような構成とすることで、シリンダヘッド５０に強固に固定され寸法変化の少ないネジ部１５３の両端に拡張レンズ１２０と集光レンズ１３０とを配設してこの間の距離を一定に保ち、集光点ＦＰが一定の位置となるように精度良くパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを集光させることができる。

本発明においては、後述する通電制御方法によって共振器１１への励起光ＬＳＲ_ＰＬＳの入光量を運転条件に応じて調整することにより共振器１１の温度上昇を抑制するものであるが、共振器１１の外周を覆うように、冷却水路１６１を区画した略筒状の冷却ジャケット１６０が設けて、さらなる安定化を図っても良い。
冷却水路１６１と第１、第２のハウジング１５１、１５２とは、弾性シール部材１５２によって水密性が保持された状態で、冷却水路１６１内には、冷却水又は冷却油等の冷却媒体が循環し、共振部１１の温度上昇を抑制することができる。

光ファイバ２０には、例えば、ＮＡ＜０．０９（ＮＡは、Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ、開口数）、コア径６００μｍの公知の光ファイバを用いることができる。
光ファイバ２０は、ハウジング１５の基端側で、励起光出光部２１の先端と励起光レンズ１００との距離が一定となる位置に固定されている。

ＬＤ３０は、励起半導体レーザ等の公知の励起光源を具備し、ＥＣＵ４０から発振された点火信号に従って供給されたエネルギを高周波の励起光ＬＳＲ_ＰＭＰに変換し、光ファイバ２０を経由して励起光レンズ１００に励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを入射する。

ＳＥＮ４１は、クランク角検出センサ、作動回転数検出センサ、エンジン水温検出センサ、アクセル開度検出センサのいずれか、又は、これらの組み合わせを適宜選択できる。
ＳＥＮ４１は、クランク角ＣＡ、作動回転数ＮＥ、エンジン水温ＴＷ、アクセル開度ＳＬＴ等の運転状況を示すデータを採取し、ＥＣＵ４０に伝達する。
始動モードＭ１、低・中速モードＭ２、高速モードＭ３のいずれの運転状況であるかを判断できれば、ＳＥＮ４１からの信号はクランク角ＣＡ、作動回転数ＮＥ、エンジン水温ＴＷ、アクセル開度ＳＬＴ等のいずれかに基づくものでも良い。
またこれらのＳＥＮ４１の複数を組み合わせて使用することにより、運転状況をより一層正確に把握し、後述のＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤの補正に利用することもできる。

ＥＣＵ４０では、運転条件入力行程Ｓ１において、運転状況検出手段４１によって検出された運転状況を示す情報が入力され、モード判定行程Ｓ２において、始動モードＭ１、低・中速モードＭ２、高速モードＭ３のいずれであるかが判定される。具体的な判定方法並びに通電制御方法については、図２Ａ、図３Ａを参照して後述する。
通電条件決定行程Ｓ３では、モード判定行程Ｓ２の判定結果に基づいてＬＤ３０への通電条件が決定される。
点火信号発生行程Ｓ４では、通電条件決定行程Ｓ３で決定された通電条件に従ってＬＤ３０に点火信号ＩＧｔが発信される。

なお、具体的な通電制御においては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やコイル等を設けて、点火信号ＩＧｔに従ってスイッチング素子を所定のタイミングで開閉する。
スイッチング素子の開閉応答は、４μｓ以下であり、スイッチング素子の開閉によってコイルに溜まったエネルギを放出するようにしてモード判定結果に応じて任意のタイミングでＬＤ３０への通電を行うことができる。
また、ＬＤ３０への通電を連続的に行う場合、スイッチング素子のオンオフを連続的に行い、コイルのインダクタンスにより、連続通電状態とすることもできる。

ＬＤ３０は、ＥＣＵ４０から発信された点火信号ＩＧｔに基づいて所定の時期に所定の時間だけ通電駆動され、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを発振する。
ＬＤ３０から光ファイバ２０を介してレーザ点火プラグ１０に導入された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰは、励起光レンズ１００を介して、一定のビーム径を有する平行光に調整されて、共振器１１に照射される。
共振器１１に入射された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰは、レーザ媒質１１０内で共振・増幅され、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳとして発振される。
パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳは、一旦、拡張レンズ１２０によってビーム径が拡張された後、集光レンズ１３０を用いて、内燃機関５の燃焼室５１内に導入した混合気内の所定位置における集光点ＦＰに集光され、エネルギ密度が高められる。
集光点ＦＰにおいて、エネルギ密度の高いプラズマ火炎核が発生し、内燃機関５の点火が行われる。

本実施形態に示した内燃機関５は、少なくとも、筒状の図略のシリンダと、その上面を覆うシリンダヘッド５０と、シリンダの内側で昇降可能に保持されたピストン５１の頂面とで、燃焼室５２を区画し、シリンダヘッド５０に設けた吸気筒５０１と、これを開閉する吸気バルブ５０２と、シリンダヘッド５０に設けた排気筒５１０と、これを開閉する排気バルブ５１１とを含んで構成されたいわゆるレシプロエンジンである。
なお、本発明において、内燃機関５を特に限定するものではなく、本発明のレーザ点火装置１は、気体燃料エンジンや、高過給気エンジン等の難着火性エンジンの種々の燃料系の内燃機関の点火装置として優れた着火安定性を示すものである。

図２Ａ、図２Ｂを参照して、本発明の要部であるＥＣＵ４０で行われる第１の実施形態における通電制御方法について説明する。
始動直後においては、作動回転数ＮＥが特定できない等、ＳＥＮ４１で検出される運転状況検出結果を示す情報が安定せずモード判定できないこともあり、このような場合や、作動回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥ１（例えば５００ｒｐｍ）以下の場合には、始動モードＭ１であると判定する。

本実施形態においては、図２Ａに示すように、始動モードＭ１においては、予め設定した始動モード用通電時間Ｔ_ＬＤ１（例えば、８００μｓ）によってＬＤ２０への通電を行う。
始動モードＭ１において規定の始動モード用通電時間Ｔ_ＬＤ１だけＬＤ２０への通電がなされると、その間、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰが共振器１１に供給される。
その結果、図２Ｂに示すように、始動モードＭ１においては、一回の点火に対して、規定の回数（例えば、５回）だけ共振器１１からパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振される。
規定の発振回数は、適用する内燃機関の始動時に着火可能となる回数に応じて適宜選択されるが、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの入光時間が長くなればそれだけレーザ媒質１１０の温度が上昇するため、発振間隔が変動しない上限温度までの発振回数を上限とする。
始動モードＭ１においては、燃焼室５２内の温度も低く、混合気の撹拌も不十分であるため着火し難い状況であるが、複数回のパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを集光することで着火確率を上げ確実な点火を実現できる。

次いで、始動後において所定の回転数ＮＥ１以上（例えば、５００ｒｐｍ）の低速モードから作動回転数ＮＥ２（例えば、２０００ｒｐｍ）以下の中速モードにおいては、安定して回転数ＮＥを計測することが可能でＳＥＮ４１からの情報により、低・中速モードＭ２と判定される。
低・中速モードＭ２と判定された場合には、図２Ａに示すように、低・中速モード用通電時間Ｔ_ＬＤ２として、始動モード用通電時間Ｔ_ＬＤ１よりも短いＬＤ通電時間（例えば、６００μｓ）を選択して、ＬＤ２０への通電を実施する。
その結果、図２Ｂに示すように、低・中速モードＭ２においては、１回の点火に対して、始動モードＭ１よりも少ない回数（例えば、４回）だけ共振器１１からパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振される。

さらに、作動回転数がＮＥ２（例えば２０００ｒｐｍ）を超える高速モードにおいては、ＳＥＮ４１からの情報により高速モードＭ３と判定された場合には、図２Ａに示すように、高速モード用通電時間Ｔ_ＬＤ３として、低・中速モード用通電時間Ｔ_ＬＤ２よりもさらに短いＬＤ通電時間（例えば、３００μｓ）を選択して、ＬＤ２０への通電を実施する。
その結果、図２Ｂに示すように、高速モードＭ３においては、１回の点火に対して、始動モードＭ２よりもさらに少ない回数（例えば、１回）だけ共振器１１からパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振される。
それぞれのモードでどのようなＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤを選択するかは予めマップ情報としてＥＣＵ４０に記憶させることによって、適用する内燃機関５に応じた任意のＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤを設定することができる。

図３Ａ、図３Ｂを参照して、本発明の要部であるＥＣＵ４０で行われる第２の実施形態における通電制御方法について説明する。
上記実施形態においては、ＬＤ通電時間を、運転モードに合わせて段階的に不連続的に変化させる方法について説明したが、本実施形態においては、図３Ａに示すように、各モードにおけるＬＤ通電時間をアナログ的に連続的に変化させている点が相違する。
このときの変更曲線、すなわち、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤは、エンジン回転数ＮＥの関数として導出することができる。
例えば、Ｔ_ＬＤ＝ｆ（ＮＥ）とし、
Ｔ_ＬＤには、上限値Ｔ_ＬＤ１、下限値Ｔ_ＬＤ３にそれぞれ規定値を設けておく。
Ｔ_ＬＤ３≦ｆ（ＮＥ）≦Ｔ_ＬＤ１
この規定値は、使用するレーザ媒質１１０の特性によって決定される値である。規定値を設けることによって、Ｔ_ＬＤが発散することなく、また、Ｔ_ＬＤが極端に短くなって、発振パルスが不足する事態も発生しない。
このような制御を行うことにより、低・中速モードＭ２及び高速モードＭ３において、より精度の高い発振パルスの調整が可能となる。
本実施形態によれば、図３Ｂに示すように、始動モードＭ１においては上記実施形態と同様、１点火に対して５回のパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振され、低・中速モードＭ２においては、実際の回転数ＮＥ等の運転状況に応じて、４回又は３回のパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振され、高速モードＭ３においては、実際の回転数ＮＥ等の運転状況に応じて、２回又は１回のパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振されることになる。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄを参照して、比較例と共に本発明の効果について説明する。
図４Ａは、始動モードＭ１（ＮＥ＝４８０ｒｐｍ（４気筒エンジンの場合、１の燃焼サイクルに対して２回転するため、駆動周波数４Ｈｚに相当）における圧縮（ＣＭＰ）、燃焼（ＥＸＰ）、排気（ＥＸＴ）、吸気（ＩＮＴ）の燃焼行程に対する点火信号ＩＧｔの出力時期、レーザ媒質１１０の温度Ｔ_ＬＳＲ、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤ、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの入力波形、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの出力波形の関係を示す模式図である。
圧縮行程の所定の時期（例えば、ＢＴＤＣＡ３０°）に燃料噴射ＩＮＪがなされ、点火信号ＩＧｔに従ってＬＤ２０への通電が開始され、所定のＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤ（例えば８００μｓ）だけ、ＬＤ２０から励起光ＬＳＲ_ＰＭＰ出力される。
励起光ＬＳＲ_ＰＭＰが共振器１１に一定時間入力されると、Ｑ値を超えたパルス光ＬＳＲ_ＰＳＬが１パルスだけ発振され、再びＱ値を超えるとまたパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが１パルスだけ発振され、ほぼ等間隔（ｔ_１≒ｔ_２≒ｔ_３≒ｔ_４≒ｔ_５）でパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの発振が繰り返される。
このとき、レーザ媒質１１０の温度Ｔ_ＬＳＲは、上限温度Ｔ_ＭＡＸ１まで上昇するが、始動モードでは、次の点火まで２５０ｍｓという充分な時間があるので、その間にレーザ媒質１１０は放熱により安定した発振を維持できる温度まで冷却される。
したがって、次の点火の際には熱レンズ効果の影響を受けることなくパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが所定のタイミングで所定の回数だけ発振される。

図４Ｂに示すように、低・中速モードＭ２（例えば、ＮＥ＝１２００ｒｐｍ（駆動周波数１０Ｈｚに相当））では、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤが例えば、６００μｓに設定され、１の点火信号ＩＧｔに対して、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが４パルス発振される。
低・中速モードＭ２では、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤが始動モードＭ１の場合よりも短いため、レーザ媒質１１０の最高媒質温度Ｔ_ＭＡＸ２も始動モードＭ１の場合の最高媒質温度Ｔ_ＭＡＸ１よりも低い温度となり、次の点火までの時間が１００ｍｓと短くなっていても、レーザ媒質１１０は放熱により安定した発振を維持できる温度まで充分に冷却される。
したがって、次の点火の際には熱レンズ効果の影響を受けることなくパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが所定のタイミングで所定の回数だけ発振される。

さらに、図４Ｃに示すように、高速モードＭ３（例えば、ＮＥ＝２４００ｒｐｍ（駆動周波数２０Ｈｚに相当）では、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤが例えば、３００μｓに設定され、１の点火信号ＩＧｔに対して、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが１パルスだけ発振される。
高速モードＭ３では、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤが低・中速モードＭ２の場合よりもさらに短いため、レーザ媒質１１０の最高媒質温度Ｔ_ＭＡＸ３も低・中速モードＭ２の場合の最高媒質温度Ｔ_ＭＡＸ２よりもさらに低い温度となり、次の点火までの時間が５０ｍｓと短くなっていても、レーザ媒質１１０は放熱により安定した発振を維持できる温度まで充分に冷却される。
したがって、次の点火の際には熱レンズ効果の影響を受けることなくパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが所定のタイミングで所定の回数だけ発振される。
特に、高速モードＭ３においては、内燃機関５全体の温度が一定に保たれ、安定して着火できる状態が維持されているため、１回のパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの発振でも十分点火が可能と成っている。

一方、本発明によらず、１回の点火に対して、始動モードＭ１、低・中速モードＭ２、高速モードＭ３のいずれのモードにおいても、始動モードＭ１と同じＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤ（例えば、８００μｓ）だけ、ＬＤ２０への通電を行った場合には、図４Ｄに示すように、高速モードにおいても、初回のパルス光ＬＳＲＰＬＳは、始動モードＭ１と同様にパルス光ＬＳＲＰＬＳが５回発振される。
このときレーザ媒質１１０の温度は最大媒質温度Ｔ_ＭＡＸ１まで上昇するが次の点火時期までの時間が５０ｍｓと短く、始動モードＭ１の５分の１の時間しかないため、上限まで温度上昇したレーザ媒質１１０の温度が充分に冷却されない内に次の点火のための励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの導入が始まってしまう。
このため、レーザ媒質１１０の温度は、点火の毎に重畳的に上昇し、やがて熱レンズ効果の影響により、集光点ＦＰに焦点を結ばなく成ったり、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの発振タイミングが徐々に遅れたり、発振間隔も長くなったりして、燃焼室５２内の混合気に正常な点火タイミングでパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳのエネルギを集光できなくなり、やがて失火に至る虞がある。
また、高速モードＭ３においては、燃焼室５２内が比較的着火し易い状態となっているため、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが１パルス発振されただけでも点火できるため、その後に発振されるルス光ＬＳＲ_ＰＬＳのエネルギが無駄となる場合もある。

ここで、図５Ａ、図５Ｂを参照して、本発明に至るまでに本発明者等が行った試験とその結果について説明する。
図５Ａは、上述のレーザ点火装置１を用いて、ＬＤ２０へのＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤを８００μｓとした場合と３００μｓとした場合について、駆動周波数ｆを５Ｈｚから７０Ｈｚまで変化させたときの発振パルス数の変化を観察したものである。
図５Ａに示すように、８００μｓの場合、駆動周波数ｆが２５Ｈｚ（作動回転数ＮＥとして３０００ｒｐｍに相当）より低い場合には、４回のパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振されたが、２５Ｈｚ以上では、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが発振されなくなった。
これは、熱レンズ効果により、レーザ媒質温度Ｔ_ＬＳＲが上昇し、高い駆動周波数に対応できなくなったためと推察される。
一方、ＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤを３００μｓとした場合、駆動周波数ｆが６５Ｈｚ以下の場合には、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを１パルス発振することができることが確認された。
駆動周波数ｆが６５Ｈｚを超えると、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを発振することができなることが判明した。

図５Ｂは、異なる作動回転数に対して、発振パルス数を変化させたときの着火の可否を調査した結果である。
本図に示すように、１２００回転以上の高速回転数のときには、１パルスの発振でも着火可能であったが、１２００回転より低い回転数のときには、１パルスの発振では着火できず、作動回転数ＮＥが３００ｒｐｍ以下では、４パルス以上の発振が必要で、作動回転数ＮＥが低いほど、発振パルス数を多くする必要があり、作動回転数ＮＥが高いほど、発振パルス数を少なくできることが判明した。

加えて、ＳＥＮ４１としてエンジン水温検出センサを利用して、該エンジン水温検出センサの検出結果ＴＷに基づいて、エンジン水温ＴＷが高いほどＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤを短く補正し、エンジン水温ＴＷが低いほどＬＤ通電時間Ｔ_ＬＤを長く補正することによって、さらに精度良くエンジンの運転状況を把握することができ、より適切な励起光ＬＳＲ_ＰＬＳの導入回数に調整することが可能となり、レーザ媒質１１０の更なる温度上昇を抑制すると共に、供給エネルギの損失を抑制することもできる。

１ レーザ点火装置
１０ レーザ点火プラグ（共振・集光部）
１００ 励起光調整光学素子（励起光レンズ）
１１０ レーザ共振器
１１１ 全反射鏡（８０８ｎｍ励起光透過、１０６４ｎｍ反射光全反射）
１１２ レーザ媒質
１１３ Ｑスイッチ（部分反射鏡）
１２０ パルス光拡張光学素子（拡張レンズ）
１３０ パルス光集光光学素子（集光レンズ）
１４０ 保護用光学窓（保護ガラス）
１５ ハウジング
２０ 光ファイバ
２１ 励起光出光部
３０ 励起光源
４０ 励起光源駆動制御装置
５ 内燃機関
５０ シリンダヘッド
５１ 燃焼室
５２ ピストン
ＬＳＲ_ＰＭＰ 励起光
ＬＳＲ_ＰＬＳ パルス光
ＦＰ 集光点
Ｓ１ 運転条件入力行程
Ｓ２ モード判定行程
Ｓ３ 通電条件決定手段
Ｓ４ 点火信号発生手段

特開昭６２−１６２７７４号公報 特表２００９−５４１６５１号公報

Claims (8)

1. 内燃機関（５）に設けられ、励起光源（３０）から励起光調整光学素子（１００）を介して導入した励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）をＱスイッチ（１１１）を設けたレーザ媒質（１１０）を含むレーザ共振器（１１）に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）として発振し、該パルス光のビーム径を一旦、パルス光拡張光学素子（１２０）によって拡張した後、パルス光集光光学素子（１３０）を用いて、上記内燃機関の燃焼室（５２）内に導入した混合気内の所定位置における集光点（ＦＰ）に集光して、エネルギ密度の高いプラズマ火炎核を発生させて、上記内燃機関の点火を行うレーザ点火装置であって、
   上記内燃機関の運転状況を検出する運転状況検出手段（４１）と、その検出結果に応じて上記励起光源への通電を制御する励起光源駆動制御装置（４０）とを具備し、
   該励起光源駆動制御装置（４０）が、
   上記運転状況検出結果に基づいて、作動回転数（ＮＥ）が低いほど上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を長くし、作動回転数（ＮＥ）が高いほど上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を短くすることを特徴とするレーザ点火装置（１）。
2. 上記内燃機関（５）の始動直後の作動回転数（ＮＥ）を把握できない状態、又は、所定の回転数（ＮＥ１）以下である場合においては、上記励起光源駆動制御装置（４０）が、始動モード（Ｍ１）と判定し、予め設定した規定の通電時間（Ｔ_ＬＤ１）だけ上記励起光源（３０）への通電を行う請求項１に記載のレーザ点火装置（１）。
3. 上記内燃機関（５）の作動回転数（ＮＥ）が所定の回転数の範囲（ＮＥ１〜ＮＥ２）内である場合においては、上記励起光源駆動制御装置（４０）が、低・中速モード（Ｍ２）と判定し、上記規定の通電時間（Ｔ_ＬＤ１）よりも短い、低・中速モード用通電時間（Ｔ_ＬＤ２）だけ、上記励起光源（３０）への通電を行う請求項１又は２に記載のレーザ点火装置（１）。
4. 上記内燃機関（５）の作動回転数（ＮＥ）が所定の回転数（ＮＥ２）の以上である場合においては、上記励起光源駆動制御装置（４０）が、高速モード（Ｍ３）と判定し、上記低・中速モード用通電時間（Ｔ_ＬＤ２）よりも短い、高速モード用通電時間（Ｔ_ＬＤ３）だけ、上記励起光源（３０）への通電を行う請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ点火装置（１）。
5. 上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を、上記作動回転数に応じて段階的に変化させる請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ点火装置（１）。
6. 上記励起光源（３０）への通電時間（Ｔ_ＬＤ）を、上記作動回転数に応じて連続的に変化させる請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ点火装置（１）。
7. 上記運転状況検出手段（４１）が、クランク角検出センサ、作動回転数検出センサ、エンジン水温検出センサ、アクセル開度検出センサのいずれか、又は、これらの組み合わせである請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ点火装置（１）。
8. 上記運転状況検出手段（４１）としてエンジン水温検出センサを具備し、該エンジン水温検出センサの検出結果に基づいて、エンジン水温が高いほど上記通電時間（Ｔ_ＬＤ）を短く補正し、エンジン水温が低いほど上記通電時間（Ｔ_ＬＤ）を長く補正する請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置（１）。

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