JP2016014346A - エンジンの点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を出射するレーザ点火装置を有するエンジンの点火装置において、簡易な構成にて、レーザ光を集光するレンズなどの汚染を適切に抑制する。【解決手段】レーザ点火装置１１は、レーザ光を発振するレーザ光源１１ａと、このレーザ光源１１ａから発振されたレーザ光を集光するレンズ１１ｄと、このレンズ１１ｄを収容する筒状のハウジング部１１ｃと、このハウジング部１１ｃの端部に位置し、レンズ１１ｄによって集光されたレーザ光をエンジン１の燃焼室５に向けて出射するレーザ光出射部１１ｅと、を備える。連通路部１０ａは、エンジン１のシリンダヘッド１０に形成され、レーザ点火装置１１のレーザ光射出部１１ｅとエンジン１の燃焼室５とを連通しており、レーザ点火装置１１のハウジング部１１ｃよりも、レーザ光の進行方向に直交する方向の長さが短い。【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンの点火装置に係わり、特に、レーザ光を出射するレーザ点火装置を有するエンジンの点火装置に関する。

従来から、エンジンの点火装置として、レーザ光源によって発生されたレーザ光をレンズで集光し、この集光したレーザ光によって燃焼室内の混合気を点火するレーザ点火装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６３−２５３１１１号公報

レーザ点火装置では、レーザ光を燃焼室に導く部品（例えばレンズなど）にオイルなどが付着して汚染が発生する場合がある。その場合、汚れによりレーザ光の通過が妨げられて、レーザ点火装置から出射されるレーザ光のエネルギーが低下して、燃焼室内の混合気が点火しにくくなる可能性がある。ここで、上記した特許文献１に記載された技術では、エンジンの燃焼室に光学窓（透明板）を設けて、レーザ光を集光するレンズの汚染を抑制している。しかしながら、このように燃焼室に光学窓を設けると、エンジン構造が複雑になりコストが増加してしまう。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ光を出射するレーザ点火装置を有するエンジンの点火装置において、簡易な構成にて、レーザ光を集光するレンズなどの汚染を適切に抑制することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、レーザ光を出射するレーザ点火装置を有するエンジンの点火装置であって、レーザ光を発振するレーザ光源と、このレーザ光源から発振されたレーザ光を集光するレンズと、このレンズを収容する筒状のハウジング部と、このハウジング部の端部に位置し、レンズによって集光されたレーザ光をエンジンの燃焼室に向けて出射するレーザ光出射部と、を備えるレーザ点火装置と、エンジンのシリンダヘッドに形成され、レーザ点火装置のレーザ光射出部とエンジンの燃焼室とを連通する連通路部と、を有し、連通路部は、レーザ点火装置のハウジング部よりも、レーザ光の進行方向に直交する方向の長さが短いことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、レーザ点火装置においてレンズを収容するハウジング部よりもレーザ光の進行方向に直交する方向の長さが短い連通路部を介して、レーザ光射出部から出射されたレーザ光を燃焼室に導くため、この連通路部によってオイル等をトラップして、トラップしたオイル等をレーザ光によって焼き切ることができる。したがって、本発明によれば、レーザ点火装置のレンズの汚染を適切に抑制することができる。
また、本実施形態によれば、シリンダヘッドに設けられた連通路部によってレンズの汚染を抑制しているので、レーザ点火装置内のレンズの汚染を抑制するために燃焼室に光学窓（透明板）を設けるなどのエンジン構造を変更する構成と比較して、構成を簡易化することができると共に、コストを低減することができる。

本発明において、好ましくは、レーザ点火装置は、エンジンにおいて排気バルブよりも吸気バルブに近い位置に配置される。
このように構成された本発明においては、レーザ光の進行方向に直交する方向における長さが短い連通路部を介してレーザ点火装置と燃焼室とを連通させるので、レーザ点火装置を吸気バルブ側に配置しても、大きな径を有する吸気バルブを採用することができる。具体的には、上記のようなレーザ点火装置を吸気バルブ側に配置し、連通路部を介してレーザ点火装置からのレーザ光を燃焼室に導く場合には、一般的な火花点火装置を吸気バルブ側に配置した場合と比較して、吸気バルブ径を大きくすることができる。したがって、本発明によれば、吸気バルブを大きな径にて構成し、この吸気バルブから多くの吸気を燃焼室内に導入することができ、エンジン出力を向上させることが可能となる。

本発明において、好ましくは、更に、火花により点火する火花点火装置を有しており、レーザ点火装置は、エンジンにおいて排気バルブよりも吸気バルブに近い位置に配置され、火花点火装置は、エンジンにおいて吸気バルブよりも排気バルブに近い位置に配置される。
このように構成された本発明においても、上記と同様の理由から、レーザ点火装置を吸気バルブ側に配置することで、吸気バルブ径を大きくすることができ、エンジン出力を向上させることが可能となる。また、本発明では、径を大きくしてもエンジン出力の向上には寄与しない排気バルブ側には、レーザ点火装置よりも比較的安価な火花点火装置（所謂スパークプラグ）を適用する。したがって、本発明によれば、点火装置に要するコストを抑えつつ、エンジン出力を向上させることができる。つまり、本発明によれば、エンジン出力向上とコスト低減とを両立させることができる。

本発明のエンジンの点火装置によれば、簡易な構成にて、レーザ光を集光するレンズなどの汚染を適切に抑制することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンを上方から見た斜視図である。 本発明の実施形態によるエンジンが有する点火装置付近を拡大して示した部分断面図である。 本発明の実施形態によるレーザ点火装置を概略的に示した平面図である。 本発明の実施形態によるエンジンの点火装置の１つの作用効果を説明するための図であって、エンジンの燃焼室を上から見た概略平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの点火装置について説明する。

まず、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの点火装置が適用されたエンジンの構成について説明する。
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図であり、図２は、本発明の実施形態によるエンジンを上方から見た斜視図であり（一部を透視して示している）、図３は、本発明の実施形態によるエンジンが有する点火装置付近を拡大して示した部分断面図である。なお、図２及び図３では、説明の便宜上、エンジンの構成要素の図示を適宜省略している。

図１に示すように、エンジン１は、吸気通路３から吸気（空気）が供給され、この吸気と燃料との混合気を燃焼させて車両の動力を発生し、この燃焼により発生した排気ガスを排気通路２１から排出する内燃機関である。例えば、エンジン１は、ガソリンエンジンである。

具体的には、エンジン１は、主に、吸気通路３から供給された吸気を燃焼室５内に導入するための吸気バルブ７と、燃焼室５に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁９と（図２参照）、レーザ光を出射することにより、燃焼室５内に供給された吸気と燃料との混合気に点火するレーザ点火装置１１と（図２及び図３参照）、電気的に火花（スパーク）を発生させることにより、燃焼室５内に供給された吸気と燃料との混合気に点火する火花点火装置１２と（図２及び図３参照）、燃焼室５内での混合気の燃焼により往復運動するピストン１３と、このピストン１３に一端が接続されたコンロッド１５と、このコンロッド１５の他端が接続され、ピストン１３の往復運動により回転されるクランクシャフト１７と、燃焼室５内での混合気の燃焼により発生した排気ガスを排気通路２１へ排出するための排気バルブ１９と、を有する。吸気バルブ７、レーザ点火装置１１、火花点火装置１２及び排気バルブ１９などは、エンジン１のシリンダヘッド１０に設けられている。

このように、本実施形態によるエンジン１には、レーザ点火装置１１及び火花点火装置１２の２つの点火装置が設けられている。詳しくは、図１及び図２に示すように、レーザ点火装置１１は、排気バルブ１９よりも吸気バルブ７に近い位置に配置されている、つまりエンジン１の吸気側に配置されている。他方で、火花点火装置１２は、吸気バルブ７よりも排気バルブ１９に近い位置に配置されている、つまりエンジン１の排気側に配置されている。

また、図３に示すように、レーザ点火装置１１とエンジン１の燃焼室５とは連通路部１０ａによって連通されている。具体的には、連通路部１０ａは、エンジン１のシリンダヘッド１０に形成された、円柱状の外形を有する孔であり、レーザ点火装置１１の先端部（後述するレーザ光出射部１１ｅ）からエンジン１の燃焼室５まで延びている。レーザ点火装置１１から出射されたレーザ光は、このような連通路部１０ａを通って燃焼室５へと進行していく。

なお、レーザ点火装置１１及び火花点火装置１２は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）によってその動作が制御される。この場合、ＥＣＵは、レーザ点火装置１１からレーザ光を出射させる制御、及び火花点火装置１２から火花を発生させる制御の少なくとも一方を行うことで、燃焼室５内の混合気に点火させる。１つの例では、ＥＣＵは、基本的には、レーザ点火装置１１のみを用いて混合気に点火させる制御を行い、レーザ点火装置１１に不具合が生じた場合に、火花点火装置１２を用いて混合気に点火させる制御を行う。他の例では、ＥＣＵは、レーザ点火装置１１及び火花点火装置１２の両方を用いて混合気に点火させる制御を行う。

次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるレーザ点火装置１１について具体的に説明する。図４は、本発明の実施形態によるレーザ点火装置１１を概略的に示した平面図である。なお、図４では、参考のため、シリンダヘッド１０に設けられた連通路部１０ａを破線で示している。

図４に示すように、レーザ点火装置１１は、主に、レーザ光を発振する、半導体レーザなどのレーザ光源１１ａと、このレーザ光源１１ａから発振されたレーザ光が内部を通過する円筒状のハウジング部１１ｃと、このハウジング部１１ｃ内に収容され（詳しくはハウジング部１１ｃの先端部付近に配置され）、平行光としてのレーザ光を集光するレンズ１１ｄと、このレンズ１１ｄによって集光されたレーザ光を外部に出射するレーザ光出射部１１ｅと、を有する。レーザ点火装置１１のレーザ光出射部１１ｅは、シリンダヘッド１０に形成された連通路部１０ａを介してエンジン１の燃焼室５と連通しており（図３参照）、レーザ光出射部１１ｅから出射されたレーザ光は、連通路部１０ａを通過して燃焼室５内に照射される。

また、図４に示すように、シリンダヘッド１０に形成された連通路部１０ａは径Ｄ１１を有しており、レーザ点火装置１１のハウジング部１１ｃは径Ｄ１２を有する。本実施形態では、連通路部１０ａの径Ｄ１１がハウジング部１１ｃの径Ｄ１２よりも小さく構成されている。例えば、連通路部１０ａの径Ｄ１１は２ｍｍであり、ハウジング部１１ｃの径Ｄ１２は１０ｍｍである。好適には、連通路部１０ａの径Ｄ１１には、レーザ光出射部１１ｅが位置する場所での、レンズ１１ｄによって集光されたレーザ光の径よりも、少なくとも大きい径が適用されている。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの点火装置の作用効果について説明する。

本実施形態によるエンジンの点火装置によれば、レーザ点火装置１１のハウジング部１１ｃの端部（つまりレーザ光出射部１１ｅ）からエンジン１の燃焼室５まで延びるようにシリンダヘッド１０に形成され、レーザ点火装置１１からのレーザ光を燃焼室５に導入する連通路部１０ａが、ハウジング部１１ｃの径Ｄ１２よりも小さい径Ｄ１１を有しているので、この連通路部１０ａによって燃焼室５内のオイル等をトラップすることができる。つまり、連通路部１０ａが、レーザ点火装置１１のレーザ光射出部１１ｅとエンジン１の燃焼室５とを接続するように構成されていると共に、細長い中空の形状を有しているので、この中空部分にオイル等をトラップすることができる。
このように連通路部１０ａにトラップされたオイル等は、レーザ点火装置１１からのレーザ光の出射時に焼き切られる。具体的には、連通路部１０ａにトラップされたオイル等は、レーザ点火装置１１から照射されたレーザ光を吸収して燃焼することにより除去される。そのため、本実施形態によれば、連通路部１０ａにより、オイル等がハウジング部１１ｃ内のレンズ１１ｄにまで到達することを抑制することができる。したがって、ハウジング部１１ｃ内のレンズ１１ｄの汚染を抑制することができ、レンズ１１ｄの汚染に起因する、レーザ点火装置１１からの出射光のエネルギー低下による不具合（混合気が点火しにくくなること等）を適切に抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、エンジン１のシリンダヘッド１０に設けた径の小さい連通路部１０ａによってレンズ１１ｄの汚染を抑制しているので、例えば、レンズ１１ｄの汚染を抑制するために燃焼室５に光学窓（透明板）を設けるなどのエンジン構造を変更する構成（特許文献１に記載された技術など）と比較して、構成を簡易化することができると共に、コストを低減することができる。つまり、本実施形態によれば、簡易な構成にて、レンズ１１ｄの汚染を抑制することができる。

更に、本実施形態によれば、レーザ点火装置１１を吸気側に設け、火花点火装置１２を排気側に設けているので、吸気バルブ７の径を大きくすることができる。これについて、図５を参照して具体的に説明する。

図５は、本発明の実施形態によるエンジンの点火装置の１つの作用効果を説明するための図であり、エンジン１の燃焼室５を上から見た概略平面図である。具体的には、図５では、エンジン１の燃焼室５の上面を構成するシリンダヘッド１０の一部分を、破線の円で示している。
図５において、符号７ａは、シリンダヘッド１０において吸気バルブ７に対応する部分を示し、符号１０ａは、シリンダヘッド１０において連通路部１０ａに対応する部分を示し、符号１２ａは、シリンダヘッド１０において火花点火装置１２に対応する部分を示し、符号１９ａは、シリンダヘッド１０において排気バルブ１９に対応する部分を示している。これらの符号７ａ、１０ａ、１２ａ、１９ａは、言い換えると、シリンダヘッド１０に形成された、各種部材に応じた孔に相当する。加えて、図５において、符号Ｄ１１は、連通路部１０ａの径に対応し（図４と同様）、符号Ｄ２１は、火花点火装置１２において燃焼室５に接続される部分の径に対応し、符号Ｄ２２は、吸気バルブ７の傘部の径に対応し、符号Ｄ２３は、排気バルブ１９の傘部の径に対応する。

図５に示すように、本実施形態では、小さな径Ｄ１１にて構成された連通路部１０ａを介して燃焼室５と連通させたレーザ点火装置１１を、排気バルブ１９よりも吸気バルブ７に近い位置に設けるので、吸気バルブ７の径Ｄ２２を大きくすることができる。具体的には、排気バルブ１９は、連通路部１０ａの径Ｄ１１よりも大きい径Ｄ２１を有する火花点火装置１２が近傍に設けられているため、比較的小さな径Ｄ２３にて構成されることとなるが、つまり排気バルブ１９の径Ｄ２３を大きくすることはできないが、吸気バルブ７は、火花点火装置１２の径Ｄ２１よりもかなり小さな径Ｄ１１を有する連通路部１０ａを介してレーザ光を燃焼室５に導くレーザ点火装置１１が近傍に設けられているため、排気バルブ１９の径Ｄ２３よりも大きな径Ｄ２２にて構成することができる。したがって、本実施形態によれば、吸気バルブ７を大きな径Ｄ２２にて構成し、この吸気バルブ７から多くの吸気を燃焼室５内に導入することができ、エンジン１の出力を向上させることが可能となる。

他方で、排気バルブ１９の径Ｄ２３については、これを大きくしてもエンジン１の出力向上には寄与しない。つまり、たとえ、吸気側と同様に、連通路部１０ａを介してレーザ光を燃焼室５に導くレーザ点火装置１１を火花点火装置１２の代わりに排気バルブ１９側に設けて、排気バルブ１９の径Ｄ２３を大きくしたとしても、エンジン１の出力はほとんど変わらない。したがって、本実施形態では、排気バルブ１９側には、レーザ点火装置１１よりも比較的安価な火花点火装置１２を設けている。これにより、エンジン１に適用する点火装置のコストを低減することができる。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの点火装置の変形例について説明する。

上記した実施形態では、ハウジング部１１ｃ及び連通路１０ａが円柱状に構成されていたが、他の例では、ハウジング部１１ｃ及び／又は連通路１０ａを円柱状ではない形状（例えば楕円柱状など）に構成してもよい。その場合には、径ではなく、レーザ光の進行方向に直交する方向の長さを規定し、この長さがハウジング部１１ｃよりも連通路１０ａのほうが短くなるようにすればよい。

上記した実施形態では、エンジン１にレーザ点火装置１１及び火花点火装置１２を設けていたが、他の例では、火花点火装置１２を設けずに、１つのレーザ点火装置１１のみ、又は２つのレーザ点火装置１１をエンジン１に設けてもよい。更に他の例では、少なくとも１つ以上のレーザ点火装置１１を含む３つ以上の点火装置をエンジン１に設けてもよい。このような他の例でも、少なくとも１つのレーザ点火装置１１を排気バルブ１９よりも吸気バルブ７に近い位置に配置するとよい。

１ エンジン
３ 吸気通路
５ 燃焼室
７ 吸気バルブ
９ 燃料噴射弁
１０ シリンダヘッド
１０ａ 連通路部
１１ レーザ点火装置
１２ 火花点火装置
１１ａ レーザ光源
１１ｃ ハウジング部
１１ｄ レンズ
１１ｅ レーザ光出射部
１９ 排気バルブ
２１ 排気通路

Claims (3)

1. レーザ光を出射するレーザ点火装置を有するエンジンの点火装置であって、
   レーザ光を発振するレーザ光源と、このレーザ光源から発振されたレーザ光を集光するレンズと、このレンズを収容する筒状のハウジング部と、このハウジング部の端部に位置し、上記レンズによって集光されたレーザ光を上記エンジンの燃焼室に向けて出射するレーザ光出射部と、を備えるレーザ点火装置と、
   上記エンジンのシリンダヘッドに形成され、上記レーザ点火装置のレーザ光射出部と上記エンジンの燃焼室とを連通する連通路部と、を有し、
   上記連通路部は、上記レーザ点火装置のハウジング部よりも、レーザ光の進行方向に直交する方向の長さが短いことを特徴とするエンジンの点火装置。
2. 上記レーザ点火装置は、上記エンジンにおいて排気バルブよりも吸気バルブに近い位置に配置される、請求項１に記載のエンジンの点火装置。
3. 更に、火花により点火する火花点火装置を有しており、
   上記レーザ点火装置は、上記エンジンにおいて排気バルブよりも吸気バルブに近い位置に配置され、上記火花点火装置は、上記エンジンにおいて吸気バルブよりも排気バルブに近い位置に配置される、請求項１に記載のエンジンの点火装置。

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