JP4354320B2

JP4354320B2 - 凹面鏡付きレーザ装置を備えたレーザ着火式エンジン

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Publication number: JP4354320B2
Application number: JP2004092201A
Authority: JP
Inventors: 裕和赤川; 龍夫高石; 雅博黒田; 紀康稲永
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005273622A

Description

本発明は、主としてガスエンジンに適用され、レーザ発振装置から発信されたレーザ光を燃焼室内に照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンに関し、特にレーザ発振装置とエンジンの各シリンダとの間にレーザ光路に凹状の反射面からなる凹面鏡を設けた凹面鏡付きレーザ装置を備え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燃焼を促進するため、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比ガスに点火して着火し、該着火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該着火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着火性能が高い着火方式として、レーザ光を燃焼室内のターゲットに照射してプラズマ着火を発生させるレーザ着火方式が提案されている。

かかるレーザ着火方式を備えた予混合希薄燃焼ガスエンジンとして、特許文献１（特開平８−９３６２０号公報）の技術が提案されている。
特許文献１の技術においては、レーザ発振装置から発信されたレーザ光を反射する反射鏡をエンジンの各シリンダに対応して設け、反射鏡の向きを制御する鏡制御装置によって、該レーザ発振装置から発信されたレーザ光が各シリンダに装着されたレーザ光ガイドに向けて正確に投入されるように該反射鏡を方向制御している。

かかるレーザ着火方式を備えたメタノール等の低セタン価燃料エンジンとして、特許文献２（特開平１０−１２２１１５号公報）の技術が提案されている。
特許文献２の技術においては、メタノール等の低セタン価の燃料を使用するエンジンにおいて、燃料噴射弁と噴射燃料に点火するための標的流体を噴射する標的噴射弁を、燃料噴射方向と標的流体の噴射方向とが交叉するように設置し、前記燃料の噴霧と標的流体の噴霧との交叉部近傍域にレーザ光を照射するパルスレーザ装置を備えて、大型エンジンのように点火点の多いエンジンにおいても、自由に点火点を選定可能として、確実な着火と高い燃焼性能が得られるように構成している。

特開平８−９３６２０号公報特開平１０−１２２１１５号公報

しかしながら、前記特許文献１のような従来技術にあっては、次のような解決すべき課題を有している。
即ち、かかる従来技術においては、図８（Ａ）に示されるように、レーザ発振装置１から発信されたレーザ光２を、回転するミラー円盤１１に所定の取付角（例えば３０°）で取り付けられたミラー３で反射して、各シリンダのレーザ光照射装置（図示省略）へのレーザ光２伝送用の光ファイバー７（図４（Ｂ）参照）の入口に投入する際において、該レーザ光２を複数パルス発信する場合には、１回目のパルス発信時に３ａの位置にあったミラー３が、２回目のパルス発信時には該ミラー円盤１１の回転により３ｂの位置に来る。

このため、前記ミラー３で反射されて光ファイバー７の入口に向かうレーザ光２のパルスは、１回目のパルス発信時には２ａとなって光ファイバー７の入口ではＳａ位置、２回目のパルス発信時には２ｂとなって光ファイバー７の入口ではＳｂ位置となり、結局１回目のパルス２ａの位置Ｓａと２回目のパルス２ｂの位置Ｓｂとの間には、ずれｘが形成される。
このため、かかる従来技術にあっては、前記ずれｘの形成により複数パルスのレーザ光２が光ファイバー７に投入される段階で、レーザエネルギーの損失が生ずる。
尚、図８（Ａ）において、Ｔａは１回目のパルス発信時におけるミラー３ａの法線、Ｔｂは１回目のパルス発信時におけるミラー３ｂの法線である。

また、図８（Ｂ）に示されるように、前記ミラー３が１回目のパルス発信時には３ａの位置、２回目のパルス発信時には３ｂの位置に来ることによる前記ずれｘの形成に伴ない、光ファイバー７の入口における１回目のパルス２ａが該光ファイバー７の軸線方向に入光するのに対して、２回目のパルス２ｂは該光ファイバー７の軸線に対して傾斜して入光することとなり、かかる入光角のずれによってもレーザエネルギーの損失が生ずる。
従って、かかる従来技術にあっては、前記のようなレーザエネルギーの損失を補填するためレーザ光供給システムを大型化することを要し、これに伴いレーザ光供給システムの装置コストが増大する。

また、前記予混合燃焼エンジンにおいては、エンジンの起動時における回転の立ち上がりを滑らかにするには、制御すべき種々の因子があるが、時々刻々のエンジン回転数に見合う最適着火タイミングを与えることはきわめて重要な因子である。
スターターモータ付きのエンジンにおいては、該スターターモータの回転数１５０〜２００ｒｐｍ程度からエンジンの定格回転数までは１０倍程度の隔たりがあるため、妥当な着火タイミングで着火燃焼されないと、起動時に失火が発生したり不完全燃焼が発生して、円滑な起動がなされないという事態が発生しやすい。
また、エンジンにおいては、定格回転数での運転時において、エンジン性能を改善するため着火タイミングを自在に変更可能となることが要求される。

しかしながら、前記特許文献２にて提供されているような、１台のレーザ発振装置で多気筒にレーザ光を分配する装置にあっては、多気筒で着火タイミングが固定されていることが条件であることから、前記のように着火タイミングを自在に変更できず、かかるエンジンで所要の機動性及びエンジン性能を得るのは困難を伴う。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、レーザ光の複数パルス発信時におけるパルス間の位置あるいはレーザ光線の傾斜等によるレーザ光線のずれの発生を抑制して、該レーザ光線のずれによるレーザエネルギーの損失を低減することによりレーザ光供給システムの大型化に伴う装置コストの増大を回避し、さらに１台のレーザ発振装置で多気筒にレーザ光を正確に分配可能とするとともにエンジンの起動時及び全運転域において着火タイミングを自在に調整可能としたレーザ着火式エンジンを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、レーザ発振装置から発信されたレーザ光を光ファイバー、レーザ伝送管等のレーザ伝送通路を通して各シリンダの燃焼室内に設けられたターゲットに照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内に充填されたガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に円周方向に沿って異なる取付角で以ってシリンダ数と同数取り付けられて前記レーザ発振装置からのレーザ光を前記ミラー支持体の回転に従い反射する反射ミラーと、前記各反射ミラーに対応して設けられ該反射ミラーから入光されるレーザ光を反射して該反射ミラー毎に一点に集光せしめる複数の凹面鏡とを備え、前記各シリンダのレーザ伝送通路の入口を前記各凹面鏡の集光部に配置し、前記各反射ミラーは反射ミラーの幅に相当する一定回転角の間において、該反射ミラーからの反射光が当該反射ミラーに対応するシリンダの前記凹面鏡に入光可能な角度に取付角を設定されて前記ミラー支持体に固定されるとともに、前記複数の凹面鏡は前記エンジンの各反射ミラーのそれぞれからの反射光を受光可能な位置に固定されてなることを特徴とする。

かかる発明によれば、レーザ発振装置から発信されたレーザ光は、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に円周方向に沿ってそれぞれ異なる取付角で以ってシリンダ数と同数固定された反射ミラーにより反射せしめられて、反射ミラーに対応してシリンダ数と同数設置された凹面鏡に入光し、各凹面鏡で反射されて一点（焦点）に集光せしめられ、さらに各凹面鏡の前記集光点に配置されている各シリンダへのレーザ伝送通路の入口を経て各シリンダへ伝送される。

かかるレーザ光の伝送時において、レー光発信装置から複数パルスのレーザ光が発信されると、該レーザ光がシリンダ毎にレーザ光分光用の各反射ミラーの移動によって、該反射ミラーにて反射され各シリンダの凹面鏡に入光される１回目のパルスと２回目のパルスとの間に、入光位置のずれあるいは入光角のずれが生ずる。
然るに、かかる発明においては、前記各凹面鏡に入光される複数パルスのレーザ光にパルス毎のずれが形成されていても、該凹面鏡から反射されるレーザ光は該凹面鏡の一点（焦点）に集光されるので、該焦点に前記レーザ伝送通路の入口を配置することにより、前記複数パルスのレーザ光のずれ、つまり前記入光位置のずれあるいは入光角のずれが消滅して、凹面鏡にて集光された１本のレーザ光となって、各シリンダへのレーザ伝送通路の入口に投入することが可能となる。

これにより、前記のようなレーザ光のずれに伴うレーザエネルギーの損失の発生を回避できることとなり、従って、かかるレーザエネルギーの損失を補填するためのレーザ光供給システムの大型化を回避でき、これに伴いレーザ光供給システムの装置コストを低減できる。
さらには、各凹面鏡に入光される複数パルスのレーザ光にパルス毎のずれが形成されていても、かかるずれを該凹面鏡で吸収出来るので、エンジンの運転中においても各反射ミラーと各シリンダの凹面鏡とで設定した範囲でレーザ光の発射タイミングを変更できる。

また、かかる発明によれば、エンジンに連動して回転駆動されるミラー支持体にシリンダ数と同数取り付けられる各シリンダ毎の反射ミラーを、該反射ミラーのそれぞれからの反射光を入光可能な位置に固定された各シリンダ毎の凹面鏡に入光後該凹面鏡で反射したレーザ光が（焦点）一点に集光せしめ得るような取付角で以って、エンジンへの組み付け時に前記ミラー支持体に固定しておけば、エンジン運転中に前記各反射ミラー及び各凹面鏡の位置調整は不要となり、取扱性及び整備性が向上する。

また本発明は、前記レーザ着火式エンジンにおいて、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に円周方向に沿って異なる取付角で以ってシリンダ数と同数取り付けられて前記レーザ発振装置からのレーザ光を前記ミラー支持体の回転に従い反射する反射ミラーと、前記各反射ミラーから入光される前記レーザ光を反射して単一の焦点に集光する複数のシリンダに付き１個設置された集合凹面鏡と、前記レーザ伝送通路を構成し前記集合凹面鏡で集光された複数シリンダ分のレーザ光を伝送する１本のレーザ集合伝送通路と、回転駆動される凹面鏡支持体に円周方向に沿ってシリンダ数と同数取り付けられ前記レーザ集合伝送通路からのレーザ光を前記凹面鏡支持体の回転に従い反射する複数の分配凹面鏡とを備え、前記各シリンダのレーザ光入口を前記各分配凹面鏡の集光部に配置し、前記各反射ミラーは反射ミラーの幅に相当する一定回転角の間において、該反射ミラーからの反射光が前記集合凹面鏡に入光可能な角度に取付角を設定されて前記ミラー支持体に固定され、前記複数の分配凹面鏡は前記凹面鏡支持体の、前記レーザ集合伝送通路からのレーザ光を受光可能な位置に固定されてなることを特徴とする。

かかる発明によれば、レーザ発振装置から発信されたレーザ光は、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に円周方向に沿ってそれぞれ異なる取付角で以ってシリンダ数と同数固定された各反射ミラーにより反射せしめられて、複数のシリンダ（好ましくは全シリンダ）に付き１個設置された集合凹面鏡に入光し、集合凹面鏡で反射されてこれの単一の焦点に集光せしめられる。
そして、この集光レーザ光を前記焦点に開口する１本のレーザ集合伝送通路を通して伝送し、回転駆動される凹面鏡支持体にシリンダ数と同数固定された分配凹面鏡で前記集光レーザ光をシリンダ毎に分けて反射し、各分配凹面鏡の集光部に各シリンダに接続されるレーザ光伝送通路のレーザ光入口を接続して前記各シリンダ毎のレーザ光を該レーザ光伝送通路を通して各シリンダに分配する。

従ってかかる発明によれば、シリンダ毎の各反射ミラーで反射された反射レーザ光に発射タイミング等によるずれが形成されていても、該反射レーザ光のずれを集合凹面鏡により吸収してその焦点に集光することが可能となり、各反射ミラーを通したレーザ光のずれを集合凹面鏡により容易に吸収できる。
さらに前記集合凹面鏡にて集光されて前記ずれが消滅した１本のレーザ光を、該集合凹面鏡の焦点に入口が開口された１本のレーザ集合伝送通路を通してシリンダへのレーザ光を伝送するので、多シリンダのレーザ光を１本のレーザ集合伝送通路で伝送でき、光ファイバー等のレーザ光伝送手段の構造が簡単となって、取扱性、整備性が良好となるとともに低コストとなる。

さらに、前記レーザ集合伝送通路を通った集光レーザ光を、回転駆動される凹面鏡支持体にシリンダ数と同数、各シリンダに分配可能な位置に固定された分配凹面鏡で前記凹面鏡支持体の回転に従い反射して各シリンダに分配するので、該分配凹面鏡のそれぞれを、前記集光レーザ光を凹面鏡支持体の回転に従い各シリンダに反射できるような形態で以って、エンジンへの組み付け時に前記凹面鏡支持円盤に固定しておけば、エンジン運転中に該分配凹面鏡の位置調整は不要となる。

また前記各本発明において、好ましくは、前記エンジンの回転数を検出する回転数検出器と、該エンジンのクランク角を検出するクランク角検出器とを設けるとともに、前記回転数検出器から入力されるエンジン回転数の検出値と前記クランク角検出器から入力されるクランク角の検出値とに基づき該エンジン回転数及びクランク角に対応して前記レーザ発振装置から前記反射ミラーの回転位置に対応してレーザ光を発信せしめるコントローラとを備える。

このように構成すれば、エンジン回転数及びクランク角に対応して前記レーザ発振装置から前記反射ミラーの回転位置に対応してレーザ光を発信せしめるので、反射ミラーの回転位置とレーザ光の発信タイミングとを正確に一致させることができて、レーザエネルギーの損失を最小限に抑えてレーザ光をレーザ光伝送装置に投入できる。

本発明によれば、レーザ光の光路に、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に所定の取付角で以ってシリンダ数と同数固定された反射ミラーと該反射ミラーに対応してシリンダ数と同数の凹面鏡とを組み合わせて設け、あるいは前記反射ミラーと各反射ミラーからのレーザ光を反射して単一の焦点に集光する複数のシリンダに付き１個の集合凹面鏡と該集合凹面鏡からのレーザ光を複数のシリンダに分配する分配凹面鏡とを組み合わせて設けたので、複数パルスのレーザ光にパルス毎のずれが形成されていても、前記凹面鏡によりかかるずれを消滅して、シリンダに分配することができる。
これにより、前記レーザ光のずれに伴うレーザエネルギーの損失の発生を回避可能となり、かかるレーザエネルギーの損失を補填するためのレーザ光供給システムの大型化を回避でき、これに伴いレーザ光供給システムの装置コストを低減できる。

また本発明によれば、前記各凹面鏡に入光される複数パルスのレーザ光にパルス毎のずれが形成されていても、かかるずれを該凹面鏡で吸収出来るので、エンジンの運転中においても各反射ミラーと各シリンダの凹面鏡とで設定した範囲、あるいは前記各反射ミラーと前記集合凹面鏡と前記各分配凹面鏡との取付状態の調整を、エンジンへの組み付け時に行っておけば、エンジン運転中に前記各反射ミラー及び各凹面鏡の位置調整は不要となり、取扱性及び整備性が向上する。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。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、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係る凹面鏡付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式ガスエンジンのミラー及び凹面鏡の配置を示す構成図、図２は前記第１実施例における反射ミラーの作用説明図（４シリンダの場合）、図３は前記第１実施例における反射ミラーの作用説明図（６シリンダの場合、その１）図４は前記第１実施例における反射ミラーの作用説明図（６シリンダの場合、その２）である。図５は本発明の第２実施例を示す図１対応図である。図６は前記第２実施例における分配ミラーの作用説明図、図７は前記分配ミラーの回転状況の説明図である。

第１実施例の全体構成を示す図１において、１００はエンジンで、ディーゼルエンジンあるいはガスエンジンからなり、この例では４シリンダのエンジンを示す。１０１は該エンジン１００のカム軸であり、該カム軸１０１は、具体的には、図示しない燃料カムを備えた燃料カム軸で、該燃料カムによって図示しない燃料噴射ポンプが駆動される。
１はレーザ光（レーザパルス）２を発信するレーザ発振装置、４は該レーザ光２を後述する４個の反射ミラー３上に集光する集光レンズであり、該レーザ発振装置１及び集光レンズ４は、エンジン１台あるいは複数シリンダに付き１組設けられている。

３は該レーザ発振装置１から発信されたレーザ光２を反射して後述する凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂに入光する反射ミラーで、この実施例のように４シリンダエンジンの場合は３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂのように、エンジン１００の着火順序に沿ってシリンダ数と同数設けられている。
１１は前記カム軸１０１により回転駆動される該ミラー回転軸１３に固定されたミラー円盤で、前記反射ミラー３は該ミラー円盤１１の外周部に取付角α、つまり＃１シリンダ用の反射ミラー３ａが取付角α_１、＃４シリンダ用の反射ミラー３ｄが取付角α_４、＃３シリンダ用の反射ミラー３ｃが取付角α_３、＃２シリンダ用の反射ミラー３ｂが取付角α_２のように、エンジンの組立時に設定して固定されている。
５ａは＃１シリンダ用の凹面鏡、５ｄは＃４シリンダ用の凹面鏡、５ｃは＃３シリンダ用の凹面鏡、５ｂは＃２シリンダ用の凹面鏡で、前記それぞれの凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂは、後述するような前記反射ミラー３との取付関係で以ってエンジンの組立時に該エンジンに固定されている。

前記各反射ミラー３の取付角α_１、α_４、α_３、α_２は、＃１シリンダ用の反射ミラー３ａからの反射光が反射ミラー３の幅に相当する回転角δの範囲では＃１シリンダ用の凹面鏡５ａに入光されるように、＃４シリンダ用の反射ミラー３ｄからの反射光が前記回転角δの範囲では＃４シリンダ用の凹面鏡５ｄに入光されるように、＃３シリンダ用の反射ミラー３ｃからの反射光が前記回転角δの範囲では＃３シリンダ用の凹面鏡５ｃに入光されるように、さらに＃２シリンダ用の反射ミラー３ｂからの反射光が前記回転角δの範囲では＃２シリンダ用の凹面鏡５ｂに入光されるような取付角に設定されている。

２２は前記レーザ発振装置１から発信されるレーザ光２のパルス間隔、レーザ光エネルギー（レーザ光の強さ）等を制御するレーザコントローラである。
２０はエンジンの回転数を検出する回転数検出器である。２１はタイミング円板等からなるクランク角検出器で、エンジン１００のクランク角を検出している。前記レーザコントローラ２２には、前記回転数検出器２０からエンジン回転数の検出値が、前記クランク角検出器２１からエンジンのクランク角の検出値が夫々入力され、該エンジン回転数の検出値及びクランク角の検出値に基づき、前記レーザ発振装置１から発信されるレーザ光２のパルス間隔、レーザ光エネルギー等を該レーザコントローラ２２で制御している。
７（７ａ、７ｄ、７ｃ、７ｂ）は、前記凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂと各シリンダのシリンダヘッドに装着された集合レンズ６ａ、６ｄ、６ｃ、６ｂとを接続する光ファイバーである。

かかる第１実施例において、前記回転数センサ２０からのエンジンの回転数の検出値及び前記クランク角センサ２１からのクランク角の検出値は、レーザコントローラ２２に入力される。
該レーザコントローラ２２においては、前記エンジン回転数の検出値に対応するレーザパルス発信間隔を算出し、前記反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）の回転と同期させて、前記レーザ発振装置１からレーザ光を発射せしめる。

前記のようにして、１台のレーザ発振装置１から発射されたレーザ光は、１個の集光レンズ４を介して、エンジン１００の各シリンダの着火順序に対応して前記のようにして設定された取付角α_１、α_４、α_３、α_２の反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂの表面で、前記エンジン１００の回転に同期して各シリンダの着火順序で順次集光した後、該反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂの表面で反射せしめられる。

該反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂからの反射光は、前記のように、＃１シリンダ用の反射ミラー３ａからの反射光が＃１シリンダ用の凹面鏡５ａに、＃４シリンダ用の反射ミラー３ｄからの反射光が＃４シリンダ用の凹面鏡５ｄに、＃３シリンダ用の反射ミラー３ｃからの反射光が＃３シリンダ用の凹面鏡５ｃに、＃２１シリンダ用の反射ミラー３ｂからの反射光が＃３シリンダ用の凹面鏡５ｂに、それぞれ入光される。
そして、前記各凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂにおける反射光は、該凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂの焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２に集光し、該集光部（焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２）に開口している前記光ファイバー７（７ａ、７ｄ、７ｃ、７ｂ）内を伝送されて、各シリンダの集合レンズ６ａ、６ｄ、６ｃ、６ｂから各シリンダの燃焼室内に照射される。

ここで、図２は４シリンダエンジンにおける反射ミラー３のレーザ光反射状態を示し、（Ａ）は＃１シリンダで前記取付角α_１＝１０°の場合、（Ｂ）は＃４シリンダで前記取付角α_４＝２０°の場合、（Ｃ）は＃３シリンダで前記取付角α_３＝３０°の場合、（Ｄ）は＃２シリンダで前記取付角α_２＝４０°の場合である。
また、図３、４は６シリンダエンジンにおける反射ミラー３のレーザ光反射状態を示し、図３（Ａ）は＃１シリンダで前記取付角α_１＝１０°の場合、図３（Ｂ）は＃６シリンダで前記取付角α_６＝２０°の場合、図３（Ｃ）は＃２シリンダで前記取付角α_２＝３０°の場合であり、図４（Ｄ）は＃４シリンダで前記取付角α_４＝１０°の場合、図４（Ｅ）は＃５シリンダで前記取付角α_５＝３０°の場合、図４（Ｆ）は＃３シリンダで前記取付角α_３＝２０°の場合である。
さらに、図２、３、４において、Ｂ（０）はクランク角０°（上死点）、Ｂ（１０）はクランク角１０°（上死点後１０°）、Ｂ（−１０）はクランク角−１０°（上死点前１０°）のときの反射光を示す。

前記レーザ光の伝送時において、レーザ発振装置１から複数パルスのレーザ光２が発信されると、該レーザ光２がシリンダ毎にレーザ光分光用の各反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）の移動によって、該反射ミラー３にて反射され各シリンダの凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂに入光される１回目のパルス（たとえば図２、３におけるＢ（−１０）のパルス）、２回目のパルス（たとえば図２、３におけるＢ（０）のパルス）、３回目のパルス（たとえば図２、３におけるＢ（１０）のパルス）との間に、各反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）への入光位置のずれあるいは入光角のずれが生ずる。

然るに、かかる第１実施例によれば、前記各凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂに入光される複数パルス（たとえば前記１回目のパルス、２回目のパルス、３回目のパルス）のレーザ光２にパルス毎のずれが形成されていても、前記各反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）からの１回目のパルスの反射光Ｂ（−１０）、２回目のパルスの反射光Ｂ（０）、３回目のパルスの反射光Ｂ（１０）は前記各凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂに入光されて反射してから、該凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂの一点（焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２）に集光されるので、該焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２に前記光ファイバー７（７ａ、７ｄ、７ｃ、７ｂ）の入口を配置することにより、前記複数パルスのレーザ光２のずれ、つまり前記入光位置のずれあるいは入光角のずれが消滅して、前記凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂにて集光された１本のレーザ光２となって、各シリンダのレーザ光２入口である集合レンズ６ａ、６ｄ、６ｃ、６ｂの入口に投入することが可能となる。
これにより、前記のようなレーザ光２のずれに伴うレーザエネルギーの損失の発生を回避できることとなる。

さらには、前記各凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂに入光される複数パルスのレーザ光２にパルス毎のずれが形成されていても、かかるずれを該凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂで吸収出来るので、エンジンの運転中においても各反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂと各シリンダの凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂとで設定した範囲でレーザ光２の発射タイミングを変更できる。
また、エンジンに連動して回転駆動されるミラー円盤１１の外周部にシリンダ数と同数取り付けられる各シリンダ毎の反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）を、該反射ミラー３のそれぞれからの反射光を入光可能な位置に固定された各シリンダ毎の凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂに入光後、該凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂで反射したレーザ光２が一点（焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２）に集光せしめ得るような取付角取付角α_１、α_４、α_３、α_２で以って、エンジンへの組み付け時に前記ミラー円盤１１に固定しておけば、エンジン運転中に前記各反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）及び各凹面鏡５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂの位置調整は不要となる。

図５に示す第２実施例において、３は前記レーザ発振装置１から発信されたレーザ光２を反射して後述する１個の集合凹面鏡５０に入光する反射ミラーで、この実施例のように４シリンダエンジンの場合は３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂのように、エンジン１００の着火順序に沿ってシリンダ数と同数設けられている。かかる反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）の構成及び駆動手段は、図１における前記第１実施例と同様である。

５０は集合凹面鏡で、複数のシリンダに付き１個（この実施例においては４シリンダにつき１個）設置されており、前記反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）からの４シリンダ分のレーザ光２を反射して（５０ａは反射面）単一の焦点Ｃ１に集光せしめるようになっている。
５２は入口が前記集合凹面鏡５０の焦点Ｃ１に開口する１本の光ファイバーで、前記焦点Ｃ１に集光せしめられたレーザ光２は該光ファイバー５２を通して、後述する凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）に伝送される。

５５は分配凹面鏡で、凹面鏡回転装置５３により回転駆動される回転円板５４の外周に固定され、この実施例のように４シリンダエンジンの場合は５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂのように、エンジン１００の着火順序に沿ってシリンダ数と同数設けられている。
該分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）は、前記回転円板５４の回転により、前記１本の光ファイバー５２の出口Ｃ２からのレーザ光２を、エンジンの着火順序で順次反射し、前記分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）における反射光は、該分配凹面鏡５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂの焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２に集光し、該集光部（焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２）に開口している前記光ファイバー７（７ａ、７ｄ、７ｃ、７ｂ）を伝送されて、各シリンダの集合レンズ６ａ、６ｄ、６ｃ、６ｂから各シリンダの燃焼室内に照射されるようになっている。
２３は凹面鏡回転コントローラで、回転数検出器２０から入力されるエンジン回転数の検出値、及びクランク角検出器２１から入力されるクランク角の検出値に基づき、前記回転円板５４の間歇的な回転制御（図７参照）するものである。

かかる第２実施例において、１台のレーザ発振装置１から発射されたレーザ光は、１個の集光レンズ４を介して、エンジン１００の各シリンダの着火順序に対応して前記のようにして設定された取付角α_１、α_４、α_３、α_２の反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂの表面で、前記エンジン１００の回転に同期して各シリンダの着火順序で順次集光した後、該反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂの表面で反射せしめられる。

該反射ミラー３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂからの反射光は、複数のシリンダ（この実施例では４シリンダ）に付き１個設置された前記集合凹面鏡５０に入光する。該集合凹面鏡５０においては前記反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）からの４シリンダ分のレーザ光２を反射面５０ａで反射して、該集合凹面鏡５０の単一の焦点Ｃ１に集光せしめる。
そして集合凹面鏡５０の単一の焦点Ｃ１に集光したレーザ光２は、入口が前記焦点Ｃ１に開口する１本の光ファイバー５２を通して、凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）に伝送される。

図６は前記分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）によるレーザ光２の各シリンダへの分配状況の説明図であり、（Ａ）は＃１シリンダへのレーザ光の分配時、（Ｂ）は＃４シリンダへのレーザ光の分配時、（Ｃ）は＃３シリンダへのレーザ光の分配時、（Ｄ）は＃２シリンダへのレーザ光の分配時を示す。
図６において、該分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）は、凹面鏡回転コントローラ２３に制御される回転円板５４の回転、つまり図７に示されるような間歇的な回転により、前記１本の光ファイバー５２の出口Ｃ２からのレーザ光２を、エンジンの着火順序で順次反射する。
そして、前記分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）における反射光は、該分配凹面鏡５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂの焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２に集光し、該集光部（焦点Ｓ_１、Ｓ_４、Ｓ_３、Ｓ_２）に開口している前記光ファイバー７（７ａ、７ｄ、７ｃ、７ｂ）を伝送されて、各シリンダの集合レンズ６ａ、６ｄ、６ｃ、６ｂから各シリンダの燃焼室内に照射される。

かかる第２実施例によれば、シリンダ毎の各反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）で反射された反射レーザ光に発射タイミング等によるずれが形成されていても、該反射レーザ光のずれを集合凹面鏡５０により吸収してその焦点Ｃ１に集光することが可能となり、各反射ミラー３（３ａ、３ｄ、３ｃ、３ｂ）を通したレーザ光２のずれを集合凹面鏡５０により容易に吸収できる。
さらに前記集合凹面鏡５０にて集光されて前記ずれが消滅した１本のレーザ光２を、該集合凹面鏡５０の焦点Ｃに入口が開口された１本の光ファイバー５２を通してシリンダへのレーザ光を伝送するので、多シリンダのレーザ光を１本の光ファイバー５２で伝送でき、レーザ光伝送手段の構造が簡単となって、取扱性、整備性が良好となる。

さらにかかる第２実施例によれば、前記光ファイバー５２を通った集光レーザ光を、間歇的に回転駆動される回転円板５４にシリンダ数と同数、各シリンダに分配可能な位置に固定された分配凹面鏡分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）で前記回転円板５４の回転に従い反射して各シリンダに分配するので、該分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）のそれぞれを、前記集光レーザ光を回転円板５４の回転に従い各シリンダに反射できるような形態で以って、エンジンへの組み付け時に前記回転円板５４に固定しておけば、エンジン運転中に該分配凹面鏡５５（５５ａ、５５ｄ、５５ｃ、５５ｂ）の位置調整は不要となる。

本発明によれば、レーザ光の複数パルス発信時におけるパルス間の位置あるいはレーザ光線の傾斜等によるレーザ光線のずれの発生を抑制可能となるとともに、該レーザ光線のずれによるレーザエネルギーの損失を低減することができて、これによりレーザ光供給システムの大型化を回避して装置コストの増大を回避でき、さらに１台のレーザ発振装置で多気筒にレーザ光を正確に分配可能とするとともにエンジンの起動時及び全運転域において着火タイミングを自在に調整可能としたレーザ着火式エンジンを提供できる。

本発明の第１実施例に係る凹面鏡付きレーザ供給システムを備えたレーザ着火式ガスエンジンのミラー及び凹面鏡の配置を示す構成図である。前記第１実施例における反射ミラーの作用説明図（４シリンダの場合）である。前記第１実施例における反射ミラーの作用説明図（６シリンダの場合、その１）である。前記第１実施例における反射ミラーの作用説明図（６シリンダの場合、その２）である。本発明の第２実施例を示す図１対応図である。前記第２実施例における分配ミラーの作用説明図である。前記分配ミラーの回転状況の説明図である。従来技術の作動説明図である

１レーザ発振装置
２レーザ光
３反射ミラー
４集光レンズ
５ａ、５ｄ、５ｃ、５ｂ凹面鏡
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ光ファイバー
１１ミラー円盤
１３ミラー回転軸
２０回転数検出器
２１クランク角検出器
２２レーザコントローラ
５０集合凹面鏡
５５分配凹面鏡
１００エンジン
１０１カム軸

Claims

レーザ発振装置から発信されたレーザ光を光ファイバー、レーザ伝送管等のレーザ伝送通路を通して各シリンダの燃焼室内に設けられたターゲットに照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内に充填されたガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に円周方向に沿って異なる取付角で以ってシリンダ数と同数取り付けられて前記レーザ発振装置からのレーザ光を前記ミラー支持体の回転に従い反射する反射ミラーと、前記各反射ミラーに対応して設けられ該反射ミラーから入光されるレーザ光を反射して該反射ミラー毎に一点に集光せしめる複数の凹面鏡とを備え、前記各シリンダのレーザ伝送通路の入口を前記各凹面鏡の集光部に配置し、前記各反射ミラーは反射ミラーの幅に相当する一定回転角の間において、該反射ミラーからの反射光が当該反射ミラーに対応するシリンダの前記凹面鏡に入光可能な角度に取付角を設定されて前記ミラー支持体に固定されるとともに、前記複数の凹面鏡は前記エンジンの各反射ミラーのそれぞれからの反射光を受光可能な位置に固定されてなることを特徴とする凹面鏡付きレーザ装置を備えたレーザ着火式エンジン。
レーザ発振装置から発信されたレーザ光を光ファイバー、レーザ伝送管等のレーザ伝送通路を通して各シリンダの燃焼室内に設けられたターゲットに照射して発生するプラズマにより、該燃焼室内に充填されたガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、エンジンの回転軸に連動して回転駆動されるミラー支持体に円周方向に沿って異なる取付角で以ってシリンダ数と同数取り付けられて前記レーザ発振装置からのレーザ光を前記ミラー支持体の回転に従い反射する反射ミラーと、前記各反射ミラーから入光される前記レーザ光を反射して単一の焦点に集光する複数のシリンダに付き１個設置された集合凹面鏡と、前記レーザ伝送通路を構成し前記集合凹面鏡で集光された複数シリンダ分のレーザ光を伝送する１本のレーザ集合伝送通路と、回転駆動される凹面鏡支持体に円周方向に沿ってシリンダ数と同数取り付けられ前記レーザ集合伝送通路からのレーザ光を前記凹面鏡支持体の回転に従い反射する複数の分配凹面鏡とを備え、前記各シリンダのレーザ光入口を前記各分配凹面鏡の集光部に配置し、前記各反射ミラーは反射ミラーの幅に相当する一定回転角の間において、該反射ミラーからの反射光が前記集合凹面鏡に入光可能な角度に取付角を設定されて前記ミラー支持体に固定され、前記複数の分配凹面鏡は前記凹面鏡支持体の、前記レーザ集合伝送通路からのレーザ光を受光可能な位置に固定されてなることを特徴とする凹面鏡付きレーザ装置を備えたレーザ着火式エンジン。
前記エンジンの回転数を検出する回転数検出器と、該エンジンのクランク角を検出するクランク角検出器とを設けるとともに、前記回転数検出器から入力されるエンジン回転数の検出値と前記クランク角検出器から入力されるクランク角の検出値とに基づき該エンジン回転数及びクランク角に対応して前記レーザ発振装置から前記反射ミラーの回転位置に対応してレーザ光を発信せしめるコントローラとを備えたことを特徴とする請求項１または２の何れかの項に記載の凹面鏡付きレーザ装置を備えたレーザ着火式エンジン。