JP4354301B2 - 二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン - Google Patents

二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン Download PDF

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Description

本発明は、主としてガスエンジン等の予混合燃焼エンジンに適用され、レーザ発射装置から発射されたレーザ光を燃焼室のターゲット部材に照射して発生するプラズマにより燃焼室の混合ガスを着火させるように構成されたレーザ着火式エンジンに関し、前記ターゲット部材の寿命の延長を図ったレーザ着火式エンジンに関する。
予混合希薄燃焼ガスエンジンにおいては、希薄混合ガスの着火を促進するため、通常、副室に装着した点火プラグによって該副室内の濃混合ガスを着火させ、その燃焼火炎を主燃焼室内の希薄混合気中に噴出せしめて主燃焼させる点火プラグ着火方式、並びに副室に装着したパイロット燃料噴射弁によって該副室内の混合ガス中にパイロット燃料を噴射して着火しその燃焼火炎を主燃焼室内の希薄混合気中に噴出せしめて主燃焼させるパイロット燃料噴射着火方式が多く用いられているが、近年、前記2つの着火方式よりも希薄混合気中における着火性能に優れた方式として、レーザ光を燃焼室のターゲット部材に照射してプラズマを発生させて燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火方式が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
レーザ着火エンジンでは起動時の着火が最も不安定である。即ち、起動時には回転数が大幅に変化するので、シリンダ内への燃料供給のタイミングや供給量がサイクル毎に変化することになり、着火条件がサイクル毎に違ってくる。このように、起動時には筒内条件がサイクル毎に異なるのは避けられないことである。
このような条件下においてもある程度安定した着火が可能な雰囲気を作り出すことが求められる。レーザ着火式エンジンにおいて着火可能な雰囲気を形成する主要な因子の1つはパルスレーザ照射により生成するプラズマの強度を増大することである。プラズマの強度は照射するレーザのエネルギーが大きいほど増大する。従って一般には、強いエネルギーのレーザを照射することで起動時の着火安定性の確保が図られる。
特開平7−217521号公報 特開平8−68374号公報
しかしながら、起動時に強いレーザを照射するために大きな容量のレーザ装置を準備するのは、コストアップを齎すことになり、有利な方策ではない。ところで、ターゲット式レーザ着火エンジンに使用されるターゲット材としては、第一には高温に耐える性質を有すること、第二には電気抵抗が大きいこと(プラズマ強度が大きくなる)が求められる。
しかしながら、電気抵抗が大きく、且つ高温耐久性が大きいセラミック材の大半はレーザ照射による損耗が大きいという欠点があり、長時間の使用には耐えられない。これらのセラミック材はある時間までは大きな強度のプラズマを発生するが、その後レーザ照射による損耗が進むため急激にプラズマ強度が低下する。チタン合金もセラミック材ほどの急激なプラズマ強度の低下はないが、セラミック材と同様な傾向を示す。
本発明は、エンジンの全運転時間のうち起動時が占める時間は通常運転時が占める時間に比べて非常に少ない点に注目して、起動時にはレーザ照射頻度に対する寿命が短くてもプラズマ強度が大きくなるターゲット材を使用し、通常運転時にはレーザ照射頻度に対する寿命の大きいターゲット材を使用するように構成することにより、ターゲット部材の使用耐久性を確保しながら起動時の着火不安定を解消することができるレーザ着火エンジンを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火式エンジンにおいて、エンジン起動時にレーザ光を照射する起動時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドとを備えるとともに、通常運転時にレーザを照射する通常運転時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された通常運転時用レーザ光ガイドとを備え、
前記起動時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が150μΩ・cm以上のチタン合金或はセラミック材とし、通常運転時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が70μΩ・cm以上のステンレス鋼或は耐熱合金鋼とすることを特徴とする。
かかる発明によれば、エンジン起動時にはレーザ光照射により発生するプラズマの強度は大きいが、照射時間がある程度に達するとプラズマ強度が急激に低下するような材質のターゲット部材にレーザ光を照射することにより起動時の着火の安定性が確保され、起動時以外の通常運転時にはレーザ光照射により発生するプラズマの強度はそれほど大きくはないが照射時間に対するプラズマ強度の低下が少ない材質のターゲット部材にレーザ光を照射して着火することができる。
また、通常運転時間に対して起動運転時間は少ないので、起動用ターゲット部材のプラズマ光照射に対する有効寿命が短くても、全体として長時間の寿命を確保することができる。
また、前記起動時用ターゲット部材と通常運転時用ターゲット部材を燃焼室に配設した本発明のレーザ着火式エンジンは、レーザ発射装置と、該レーザ発射装置からのレーザ光の光路を変換できるプリズム装置と、該プリズム装置で光路を変換されたレーザ光と光路を変換されないレーザ光を夫々集光する集光レンズと、集光されたレーザ光を反射する鏡面を有しエンジンのカム軸に同期して回転される回転ミラー保持体と、該回転ミラー保持体の鏡面から反射されたレーザ光を前記起動時用レーザ光ガイド及び通常運転時用レーザ光ガイドに導く光ファイバーと、エンジン回転数を検出する回転センサと、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、前記回転センサとクランク角センサの検出信号を受けて前記レーザ発射装置のレーザ発射時期及び前記プリズム装置の光路切替えを制御するコントローラとを備えた構成とされる。
そして、前記コントローラは前記回転センサからの信号によって起動時を判断し、前記プリズム装置は前記コントローラからの判断信号により前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路を切り替えるように構成され、前記回転ミラー保持体はエンジン気筒数と同数の鏡面を有し、各鏡面は各気筒へレーザ光を導く各光ファイバーの中心部にレーザ光が入光するように各光ファイバーの位置に応じて前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路方向に対する夫々の傾斜角が設定された構成とされる。
このように構成することにより、例えば通常運転時には前記プリズム装置でレーザ光の光路を変換することなく、シリンダヘッドに装着された通常運転用レーザ光ガイドに導いて燃焼室の通常運転用ターゲット部材に照射し、起動時には前記プリズム装置によりレーザ光の光路を変えて同じくシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドに導いて燃焼室の起動時用ターゲット部材に照射することができる。
前記プリズム装置は、エンジンの回転数により起動時か通常運転時かが前記コントローラにより判断されて該コントローラから発信される信号によりレーザ光の光路を変換するか或は変換しないかの位置に切り替えられる。前記コントローラはクランク角検出信号に応じてレーザ光の発射時期を、即ち点火時期を制御する。勿論、前記コントローラにエンジン負荷の検出信号を入力して、エンジン回転数と負荷に応じて着火時期が制御されるようにしてもよい。
本発明によれば、エンジン起動時にはレーザ光照射により発生するプラズマの強度は大きいが照射時間がある程度に達するとプラズマ強度が急激に低下するような材質のターゲット部材にレーザ光を照射することにより起動時の着火の安定性が確保され、通常運転時には前記プラズマの強度はそれほど大きくはないが照射時間に対するプラズマ強度の低下が少ない材質のターゲット部材にレーザ光を照射して着火することができることとなり、ターゲット部材の使用寿命を損なうことなく起動時の着火不安定を解消することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図1は本発明の実施例に係るエンジンの燃焼室周りの構成を示し、図2はエンジンの全体構成を示す。図3はレーザ光を各シリンダヘッドに装着されたレーザガイドに導くための回転ミラー保持体の鏡面によりレーザ光が反射される状況を説明する図である。
図1において、1はエンジンのシリンダヘッド、2はシリンダ、3はピストンである。4は吸気弁、5は排気弁である。シリンダ内にはピストン3の上昇により燃焼室6が形成される。前記シリンダヘッド1には通常運転時用のレーザ光ガイド7と起動時用レーザ光ガイド8が装着されている。
前記両レーザ光ガイド7、8は同じ構成であり、光ファイバー7a、8a で導かれてきたレーザ光が集光ガラス7b、8bを通って前記ピストン3の表面に配設されたターゲット部材9、10に夫々照射されように前記シリンダヘッド3に装着されている。前記ターゲット部材9、10のうち、片方、例えば9は通常運転時用のターゲット部材であり、10は起動時用のターゲット部材である。
前記起動時用ターゲット部材10は電気抵抗が150μΩ・cm以上のチタン合金或はセラミック材で製作されており、前記通常運転時用ターゲット部材9は電気抵抗が70μΩ・cm以上のステンレス鋼或は耐熱合金鋼で製作されている。
本発明のエンジンの全体構成を示す図2(A)において、4気筒エンジンを例にとって説明すると、100は4気筒列型エンジン、11a〜dはシリンダヘッド、12はカム軸である。カム軸12の端部には回転センサ13と爆発上死点位置を検出するクランク角センサ14が配設されている。これらのセンサはクランク軸端部に設けてもよい。4サイクルエンジンの場合はカム軸回転数はクランク軸回転数の1/2となる。15は回転ミラー保持体で各気筒に対応する鏡面BEM1〜BEM4が設けられ、エンジンのカム軸と同期して回転される。
16はパルスレーザ発射装置、17はプリズム装置である。該プリズム装置は、起動時と通常運転時とで前記パルスレーザ発射装置16から発射されたレーザ光の光路を切り替える装置を含んでいる。18、19は夫々通常運転時用及び起動時用の集光レンズであり、20はコントローラである。
図2(A)においては前記回転ミラー保持体15、集光レンズ18、19等は説明の便宜のため90°回転して表示されており、側面から見ると図2(B)に示すようになる。勿論これは光路表現上の問題であり、エンジン100に対する相対的位置を規定するものではない。Xは前記回転ミラー保持体15の回転方向を示し、鏡面BEM1〜BEM4は着火順序1−4−2−3の順序で前記回転方向Xと逆方向に配置してある。
なお、FK1、FK4は起動時にレーザ光を夫々No.1、No.4シリンダの起動時用レーザ光ガイド(図3の8)に導く光ファイバーであり、FS1、FS4は通常運転時にレーザ光を夫々No.1、No.4シリンダの通常運転時用レーザ光ガイド(図3の7)に導く光ファイバーである。No.2及びNo.3シリンダのレーザ光ガイドに導く光ファイバーFK2,FS2,FK3,FS3は図示を省略してある。
図2(B)に示されるように、前記鏡面BEM1〜BEM4は前記回転ミラー保持体15の回転軸15aに対して傾斜して設けられており、これらの鏡面の傾斜角は夫々が一定の傾斜角を有するように形成されている。即ち回転ミラー保持体が回転しても夫々の鏡面はレーザ光路に対する傾斜角が夫々一定であるように形成、或は各鏡面部材が取り付けられている。
前記集光レンズ18、19は前記回転ミラー保持体15の回転軸15a方向に平行してずらして配置されている。そして、レーザ光は前記回転ミラー保持体15の回転中心を通って回転軸15aに直交する方向に発射される。前記プリズム装置17を通ったレーザ光は、通常運転時には通常運転時用集光レンズ18の中心を通り、起動時には起動時用集光レンズ19の中心を通るように、切り替えられる。この切替えは、カム軸(或はクランク軸)回転数により通常運転時か起動時かを判定する前記コントローラ20からの判定信号により行われる。
13a、14aは夫々カム軸回転センサ13及びクランク角センサ14の検出信号を前記コントローラに送信する電線である。前記コントローラ20は、前記回転センサ13及びクランク角センサ14からの検出信号を受けてレーザ発射時期を制御する信号を電線16aで前記レーザ発信器16に送る。
また、該コントローラ20は、前記の回転センサ13からの信号により通常運転時か起動時かを判断した判断信号を電線17aで前記プリズム装置17に送る。前記プリズム装置17では該判断信号に応じて前記レーザ発射装置16から発射されたレーザ光の光路変更を行う。前記コントローラ20にエンジン負荷を入力して、エンジン負荷と回転数に応じてレーザ発射時期を制御するようにしてもよいことは勿論である。
次に、前記回転ミラー保持体15の鏡面BEM1〜BEM4の傾斜について図3を参照して説明する。図3において、回転ミラー保持体15の鏡面BEM1〜BEM4でレーザ光が反射される際のこれら鏡面の傾き角βが異なっている。
これは、レーザ光を各シリンダに装着されたレーザ光ガイドに導く光ファイバーの中心位置が各光ファイバーによって異なるのに対応するためである。これらの光ファイバーのレーザ光入射点は、図2(A)に示されるように、回転ミラー保持体15の回転中心を通り回転軸15aに直交する線上に重ねて配置してある。
これら光ファイバーへのレーザ光入射点が、起動時用のレーザ光についてはK(添え字は気筒No.を示す。)で、通常運転時用のレーザ光についてはS(同様に添え字は気筒No.を示す。)で示してある。図2(A)の例では、上からK3、K2、K4、K、S3、S2、S4、S1の順に配置されている。
回転ミラー保持体15上に着火順序に従って配置された鏡面BEM1〜BEM4でレーザ光が反射される、各鏡面で反射されるレーザ光が各光ファイバーの中心に入射されるためには、図3に示されるように傾斜角β1、β、β、βを光ファイバーへのレーザ光入射点の位置(該光入射点のレーザ光路に沿う方向の位置及び鏡面における反射点と各光ファイバーの入射点間の距離)に応じて変える必要がある。
そして、前記プリズム装置17におけるレーザ光路の回転ミラー保持体15の回転軸15aに平行方向への光路変更は、KとS1との間隔(K2とS2、K3とS3、K4とS4との間隔も同じにされる。)に応じた量だけずらされる。従ってKとS1とは平行光線となる(K2とS2、K3とS3、K4とS4についても同じ。)。
こうして光ファイバーFK1,FS1等の中心に入射したレーザ光が各レーザ光ガイドに導かれて各シリンダヘッドに装着された起動用及び通常用ターゲット部材に照射される。
本発明によれば、予混合燃焼エンジンの燃焼室に配設されたターゲット部材にレーザ光を照射して燃焼室の混合気を着火させるレーザ着火エンジンにおいて、起動時用ターゲットと常用運転時用ターゲットを設けると共に、レーザ光の光路を起動時と常用運転時で切り替えるプリズム装置を設けることにより、ターゲット部材の使用耐久性を確保しながら起動時の着火不安定を解消することができるレーザ着火エンジンを提供することができる。
本発明の実施例に係るエンジンの燃焼室周りの構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係るエンジンの全体構成を示す図であり、(A)はエンジン本体を含めた構成を示し(B)は回転ミラー保持体を側面から見た状態を示す図である。 回転ミラー保持体の鏡面で反射されるレーザ光の状況を説明する図である。
符号の説明
1 シリンダヘッド
2 シリンダ
3 ピストン
4 吸気弁
5 排気弁
6 燃焼室
7 通常運転時用レーザ光ガイド
8 起動時用レーザ光ガイド
9 通常運転時用ターゲット部材
10 起動時用ターゲット部材
11 シリンダヘッド
12 カムシャフト
13 回転センサ
14 クランク角センサ
15 回転ミラー保持体
16 レーザ発射装置
17 プリズム装置
18 通常運転時用集光レンズ
19 起動時用集光レンズ
20 コントローラ
100 4気筒エンジン

Claims (4)

  1. 燃焼室にターゲット部材を設けて該ターゲット部材にレーザ光を照射して発生するプラズマにより燃焼室内の混合気を着火させるレーザ着火式エンジンにおいて、エンジン起動時にレーザ光を照射する起動時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された起動時用レーザ光ガイドとを備えるとともに、通常運転時にレーザを照射する通常運転時用ターゲット部材とシリンダヘッドに装着された通常運転時用レーザ光ガイドとを備え、
    前記起動時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が150μΩ・cm以上のチタン合金或はセラミック材とし、通常運転時用ターゲット部材の材質は電気抵抗が70μΩ・cm以上のステンレス鋼或は耐熱合金鋼とすることを特徴とする二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
  2. レーザ発射装置と、該レーザ発射装置からのレーザ光の光路を変換できるプリズム装置と、該プリズム装置で光路を変換されたレーザ光と光路を変換されないレーザ光を夫々集光する集光レンズと、集光されたレーザ光を反射する鏡面を有しエンジンのカム軸に同期して回転される回転ミラー保持体と、該回転ミラー保持体の鏡面から反射されたレーザ光を前記起動時用レーザ光ガイド及び通常運転時用レーザ光ガイドに導く光ファイバーと、エンジン回転数を検出する回転センサと、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、前記回転センサとクランク角センサの検出信号を受けて前記レーザ発射装置のレーザ発射時期及び前記プリズム装置の光路切替えを制御するコントローラとを備えたことを特徴とする請求項1記載の二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
  3. 前記コントローラは前記回転センサからの信号によって起動時を判断し、前記プリズム装置は前記コントローラからの判断信号により前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路を切り替えることを特徴とする請求項記載の二種のターゲット部材を備えたレーザ着火式エンジン。
  4. 前記回転ミラー保持体はエンジン気筒数と同数の鏡面を有し、各鏡面は各気筒へレーザ光を導く各光ファイバーの中心部にレーザ光が入光するように各光ファイバーの位置に応じて前記レーザ発射装置から発射されたレーザ光の光路方向に対する夫々の傾斜角が設定されていることを特徴とする請求項記載のレーザ着火式エンジン。
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