JP4419788B2 - 内燃機関のレーザ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して前記混合気を活性化させる内燃機関のレーザ点火装置に関するものである。

内燃機関のレーザ点火装置は、点火用レーザ発振器から照射された点火用レーザ光をレンズにより内燃機関の燃焼室内で集光し、燃焼室内の混合気を活性化させることにより、点火させる装置である。

この内燃機関のレーザ点火装置として、燃焼室周辺に光ファイバを設置し、点火後の火炎伝播挙動を観察することにより火炎が燃焼室内に均等に火炎伝播するように点火用レーザ光の焦点位置を調整する手法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、エンジンのノック回避を実現している。
特開平５−３３７５５号公報

しかし、火炎伝播挙動を観察することにより点火用レーザ光の焦点位置を調整したとしても、調整された点火用レーザ光の焦点位置の混合気濃度によっては、失火等のおそれがある。特に、成層運転の際には燃焼室内の混合気濃度が大きく変化するので、失火等の可能性が高くなる。そして、失火等の結果、エミッション悪化や燃費悪化を引き起こすおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、確実に混合気を着火することができるように、点火用レーザ光の焦点位置を調整することができる内燃機関のレーザ点火装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、混合気濃度に応じて点火用レーザ光の焦点位置を調整することを思いつき、本発明を完成するに至った。

（１）第１発明
第１発明の内燃機関のレーザ点火装置は、成層運転を行う内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して該点火用レーザ光が結ぶ焦点位置にて前記混合気を着火する点火用レーザ光照射手段と、前記焦点位置を可変に制御する焦点位置制御手段とを備える。

そして、前記焦点位置制御手段は、前記点火用レーザ光照射手段により前記点火用レーザ光を照射する直前における少なくとも前記内燃機関の回転数を含む内燃機関駆動状態を入力する内燃機関駆動状態入力手段と、前記内燃機関駆動状態に応じた前記混合気の濃度分布に対して、前記焦点位置が前記混合気に着火するための最適位置である最適焦点位置のマップが予め記憶される最適焦点位置マップ記憶手段と、前記内燃機関駆動状態入力手段により入力される前記内燃機関駆動状態に基づき、前記濃度分布に対する前記最適焦点位置を前記マップから入力し、直後に照射する前記点火用レーザ光の前記最適焦点位置として決定する最適焦点位置決定手段と、決定された前記最適焦点位置に前記点火用レーザ光の前記焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、最適焦点位置マップは、内燃機関駆動状態に対する最適焦点位置を示すマップである。そして、最適焦点位置は、混合気の濃度分布に基づき決定している。

（２）第２発明
第２発明の内燃機関のレーザ点火装置は、成層運転を行う内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して該点火用レーザ光が結ぶ焦点位置にて前記混合気を着火する点火用レーザ光照射手段と、
前記焦点位置を可変に制御する焦点位置制御手段とを備える。

そして、前記焦点位置制御手段は、前記点火用レーザ光照射手段により前記点火用レーザ光を照射する直前の混合気の濃度分布を計測する混合気濃度分布計測手段と、前記濃度分布に基づき、前記焦点位置が前記混合気に着火するための最適位置となる最適焦点位置を決定する最適焦点位置決定手段と、決定された前記最適焦点位置に前記点火用レーザ光の前記焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、を備えることを特徴とする。

（１）第１発明の効果
ところで、燃料噴射弁により供給された燃料は、吸気管あるいは燃焼室において空気と混合され燃焼室内に可燃混合気（混合気）を形成する。そして、燃焼室の可燃混合気はピストン往復運動により圧縮された後、レーザ点火装置によって着火燃焼し、動力として利用される。ここで、レーザ点火装置により混合気を着火燃焼させるためには、混合気の燃料濃度が所定範囲内にある必要がある。

そこで、第１発明によれば、点火直前の内燃機関駆動状態及び予め記憶した最適焦点位置マップに基づき焦点位置の最適位置を決定し、当該最適位置に点火用レーザ光の焦点位置を移動させている。つまり、点火用レーザ光の焦点位置は、内燃機関駆動状態に応じた混合気の濃度が最適濃度となる位置に合わせるようにしている。このように、混合気の濃度が最適濃度となる位置に焦点位置を合わせるようにしているので、確実に混合気を着火することができ、内燃機関の熱効率を向上することができる。なお、成層運転の際には、混合気濃度が大きく変化するが、最適焦点位置マップは当該変化を十分に考慮した上で最適位置を決定しておくことができるので、成層運転の際であっても確実に混合気を着火することができる。

さらに、第１発明によれば、予め記憶された最適焦点位置マップに基づき焦点位置の最適位置を決定している。これにより、最適位置を決定するまでの時間を短縮することができるので、最適位置の決定に用いている内燃機関駆動状態をより点火直前の状態とすることができる。つまり、実際に点火する時点における最適位置と最適焦点位置決定手段により決定される最適位置とのずれを非常に小さくすることができる。

（２）第２発明の効果
第２発明によれば、点火直前の混合気濃度分布に基づき焦点位置の最適位置を決定し、当該最適位置に点火用レーザ光の焦点位置を移動させている。つまり、点火用レーザ光の焦点位置は、点火直前において混合気濃度が最適濃度となる位置に合わせるようにしている。このように、混合気濃度が最適濃度となる位置に焦点位置を合わせるようにしているので、確実に混合気を着火することができ、内燃機関の熱効率を向上することができる。なお、成層運転の際には混合気濃度が大きく変化するが、点火直前の混合気濃度が最適濃度となる位置に合わせるようにすることで、成層運転の際であっても確実に混合気を着火することができる。

さらに、実際に点火直前の混合気濃度分布に基づき最適位置を決定しているので、どのような内燃機関駆動状態においても確実に最適濃度の位置を決定することができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

第１発明における最適焦点位置マップの最適位置及び第２発明共通における最適焦点位置決定手段により決定される最適位置は、前記混合気の実空燃比に対する前記混合気の理論空燃比である当量比が０．５〜２．０となる領域とするとよい。好ましくは、最適位置は、当量比が０．８〜１．２となる領域とするとよい。ここで、当量比が１となる位置における混合気は、理論空燃比の状態となる。そして、当量比が１より小さい場合は、理論空燃比より実空燃比の方が大きい状態である。一方、当量比が１より大きい場合は、理論空燃比より実空燃比の方が小さい状態である。

そして、当量比が１となる領域が点火用レーザの焦点位置の最も適切な位置となる。しかし、現実的には当量比が１となる領域は非常に狭いため、ある程度の幅を持たせる必要がある。そこで、当量比を０．５〜２．０とすることで、混合気を着火させることができる。さらに、当量比を０．８〜１．２とした場合には、より効率よく混合気を着火させることができる。その結果、内燃機関の熱効率を向上することができる。

また、第１発明及び第２発明における前記点火用レーザ光照射手段は、複数の前記点火用レーザ光を照射可能であり、前記最適焦点位置決定手段により決定される前記焦点位置の最適位置は、複数であるようにしてもよい。つまり、点火位置が複数となることにより、燃焼室内において点火位置が偏ることを抑制でき、結果としてノッキングなどの抑制効果を奏する。なお、複数の点火用レーザ光を照射するには、例えば、１つの点火用レーザ光を複数に分光することにより容易に達成することができる。

また、前記内燃機関は、前記燃焼室に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関としてもよい。筒内直接噴射式内燃機関の場合には、燃焼室内の位置によって混合気濃度が異なることが多い。特に、筒内直接噴射式内燃機関における成層運転の場合には、燃焼室内の位置によって混合気濃度が異なることが顕著に表れる。このような筒内直接噴射式内燃機関であっても、最適な位置にて確実に点火することができる。

また、第２発明における前記濃度分布計測手段は、前記燃焼室内に照射された濃度計測用レーザ光の強度に基づき前記混合気の濃度分布を計測するようにしてもよい。例えば、濃度計測用レーザ光の波長を燃料の吸収波長付近とすることにより、燃焼室内の燃料の濃度に応じて濃度計測用レーザ光の強度が異なる。これにより、確実にかつ迅速に、混合気の濃度分布を計測することができる。なお、燃料の吸収波長において励起し発光する添加剤を燃料内に混入するようにしてもよい。これにより、濃度計測用レーザ光を燃焼室内に照射した際に、レーザ光の強度に応じて添加剤が発光する輝度が異なるので、確実に混合気の濃度分布を計測することができる。

次に、本発明を自動車に搭載される筒内直接噴射式内燃機関に適用した場合についてより具体的に説明する。

（１）第１実施例
（１．１）筒内直接噴射式内燃機関の概略構成
第１発明の内燃機関のレーザ点火装置を適用した第１実施例の筒内直接噴射式内燃機関について説明する。第１実施例の筒内直接噴射式内燃機関（以下、「エンジン」という）については、図１を参照して説明する。図１は、第１実施例のエンジンの概略構成を示す図である。図１に示すように、燃焼室１内には、吸気バルブ２が開放されることにより吸気通路３を通じて空気が吸入される。さらに、燃焼室１内には、燃料噴射弁４から直接燃料が噴射供給される。そして、燃焼室１内に吸入された空気と噴射された燃料とからなる混合気に対し点火用レーザ光照射装置５による点火（点火用レーザ光の照射）が行われる。そうすると、燃焼室１内の混合気が着火燃焼してピストン６が往復移動し、エンジンの出力軸であるクランクシャフト（図示せず）が回転する。そして、燃焼後の混合気は、排気バルブ７が開放されることにより排気として燃焼室１内から排気通路８に送り出される。なお、図１に示すように、点火用レーザ光照射装置５は、シリンダヘッド（図示せず）のうち吸気バルブ２と排気バルブ７との間に配置されている。また、図１には図示しないが、筒内直接噴射式内燃機関は、点火用レーザ光照射装置５を制御する制御装置を備えている。

ここで、第１発明の内燃機関のレーザ点火装置は、点火用レーザ光照射装置５及び制御装置を備える装置である。

（１．２）点火用レーザ光照射装置５の詳細構成
次に、点火用レーザ光照射装置（点火用レーザ光照射手段）５の詳細構成について図１及び図２を参照して説明する。ここで、図２は、点火用レーザ光照射装置５の一部断面図を示す図である。図１及び図２に示すように、点火用レーザ光照射装置５は、先端側が筒状からなるハウジング１１を有している。このハウジング１１は、シリンダヘッド（図示せず）を貫通し、筒状からなる先端側（図１及び図２の下端側）が燃焼室１内に突出するようにシリンダヘッドに固定されている。

この点火用レーザ光照射装置５は、点火用レーザ光発生器（図示せず）と、凸レンズからなる集光レンズ１２と、駆動素子１３とを備えている。点火用レーザ光発生器は、制御装置のうちの点火制御部（後述する）２１により点火用レーザ光を発生する。集光レンズ１２は、ハウジング１１の先端側に固定されており、点火用レーザ光発生器から発生された点火用レーザ光を集光している。この集光レンズ１２は、集光した点火用レーザ光の焦点位置が燃焼室１内に位置するようにされている。

駆動素子１３は、例えば、ピエゾ素子からなり、集光レンズ１２の点火用レーザ光発生器側及び集光レンズ１２の燃焼室１側にそれぞれ３つずつ配置されている。具体的には、駆動素子１３は、一端側が集光レンズ１２に接するように配置され、他端側が点火用レーザ光発生器側のハウジング１１又は燃焼室１側のハウジング１１に接するように配置されている。つまり、駆動素子１３が駆動することにより、集光レンズ１２が移動するようにしている。そして、駆動素子１３が集光レンズ１２を移動することにより、集光レンズ１２により集光された点火用レーザ光の焦点位置が移動する。そして、この駆動素子１３の駆動は、制御装置のうちの焦点位置制御部（後述する）２２により制御されている。

（１．３）燃焼室１内の混合気の状態についての説明
ここで、成層運転の場合における燃焼室１内の混合気の状態について図３及び図４を参照して説明する。図３は、成層運転に際して、燃料噴射弁４から燃焼室１内に噴射供給される燃料を含む混合気の状態とピストン６の位置とを示す図である。具体的には、図３（ａ）は、燃料噴射弁４が燃料を噴射した直後の状態を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態から僅かな時間が経過した状態を示す図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の状態から僅かな時間が経過した状態であって、点火用レーザ光照射装置５により点火される直前の状態を示す図である。さらに、図３において、混合気を示す部分の濃淡により混合気の濃度を表している。すなわち、混合気を示す部分のうち暗い部分ほど混合気の濃度が高いことを表している。なお、燃料噴射弁４により噴射される燃料は、ホロコーン状に噴射された場合としている。

図４は、燃焼室１内の断面図、具体的には図３の一点鎖線部分の断面図における混合気の状態を示す図である。なお、図４のカッコ書中の記号のうち、「Ａ」はエンジン回転数が低回転の場合を示し、「Ｂ」はエンジン回転数が高回転の場合を示す。また、図４のカッコ書中の記号のうち、「ａ、ｂ、ｃ」は図３の（ａ）（ｂ）（ｃ）の記号にそれぞれ対応することを示す。さらに、図４において、図３と同様に、混合気を示す部分の濃淡により混合気の濃度を表している。すなわち、混合気を示す部分のうち暗い部分ほど混合気の濃度が高いことを表している。また、図４において矢印は、燃焼室１内の気流を示している。

まず、エンジン回転数が低速の場合について説明する。図３（ａ）及び図４（Ａ＿ａ）に示すように、成層運転において燃料が噴射された直後は、燃焼室１内のほぼ中央にて、ホロコーン状噴霧の特性である略円環状に混合気が形成される。この略円環状の混合気のうち、円環状の境界側ほど混合気の濃度が低くなっている。

そして、燃料が噴射された直後から僅かな時間が経過した場合には、図３（ｂ）及び図４（Ａ＿ｂ）に示すように、混合気は、燃焼室１内のほぼ中心から外周側であって略９０度間隔の４方向に向かって移動している。そして、さらに僅かな時間が経過すると、図３（ｃ）及び図４（Ａ＿ｃ）に示すように、混合気は、さらに燃焼室１内の外周側に向かって移動している。このとき、混合気は、略９０度間隔の４箇所に分割されている。

次に、エンジン回転数が高速の場合について説明する。図３（ａ）及び図４（Ｂ＿ａ）に示すように、成層運転において燃料が噴射された直後は、エンジン回転数が低速の場合と同様に、燃焼室１内のほぼ中央にて、ホロコーン状噴霧の特性である略円環状に混合気が形成される。この略円環状の混合気のうち、円環状の境界側ほど混合気の濃度が低くなっている。

そして、燃料が噴射された直後から僅かな時間が経過した場合には、図３（ｂ）及び図４（Ｂ＿ｂ）に示すように、混合気は、燃焼室１内のほぼ中心から外周側のうち図４（Ｂ＿ｂ）の上下方向に向かって移動している。そして、さらに僅かな時間が経過すると、図３（ｃ）及び図４（Ｂ＿ｃ）に示すように、混合気は、さらに燃焼室１内の外周側に向かって移動している。このとき、混合気の濃度が高い位置は、燃焼室１内のほぼ中心から図４（Ｂ＿ｃ）の上下側の位置となっている。

（１．４）制御装置
次に、点火用レーザ光照射装置５を制御する制御装置について図５を参照して説明する。図５は、点火用レーザ光照射装置５を制御する制御装置を示すブロック図である。図５に示すように、制御装置は、主として、点火制御部２１と、焦点位置制御部（焦点位置制御手段）２２とを備えている。

点火制御部２１は、点火タイミングを判断して点火用レーザ光発生器により点火用レーザ光を発生させている。焦点位置制御部２２は、上述したように、駆動素子１３の駆動を制御している。この焦点位置制御部２２は、エンジン状態情報入力部２３と、最適焦点位置マップ記憶部２４と、最適焦点位置決定部２５と、焦点位置移動制御部２６とから構成される。

エンジン状態情報入力部（内燃機関駆動状態入力手段）２３は、点火制御部２１から点火タイミングの直前である点火タイミング情報を入力している。さらに、エンジン状態情報入力部２３は、点火タイミング情報が入力された時点におけるエンジン状態（内燃機関駆動状態）、例えば、エンジン回転数（内燃機関の回転数）、スロットル開度、エンジン冷却水の水温、燃焼室１に吸入される空気の温度、吸気バルブ及び排気バルブのタイミングなどの情報を入力する。以下、点火タイミング情報及びエンジン状態情報を総称してエンジン状態情報（内燃機関駆動状態情報）という。

最適焦点位置マップ記憶部２４は、エンジン状態情報に応じた点火用レーザ光の焦点位置の最適位置（以下、「最適焦点位置」という）のマップが予め記憶されている。ここで、点火用レーザ光の最適焦点位置は、点火直前における燃焼室１内の混合気の濃度に基づき決定されている。具体的には、最適焦点位置は、混合気の実際の空燃比（実空燃比）に対する混合気の理論空燃比である当量比が０．８〜１．２の範囲内である領域内に位置させている。この範囲内であれば、非常に効率よく混合気を着火燃焼させることができる。ただし、当量比が０．５〜２．０の範囲内としても、十分に混合気を着火燃焼させることができるので、各種条件などによって適宜変更することができる。

ここで、例えば、エンジン回転数が低回転の場合には、図４（Ａ＿ｃ）に示すように、点火直前において燃焼室１内の混合気は４カ所に位置している。つまり、この場合には、点火用レーザ光の最適焦点位置は、図４（Ａ＿ｃ）の混合気が存在する４カ所のうち当量比が上記範囲内に該当する位置として記憶している。また、エンジン回転数が高回転の場合には、図４（Ｂ＿ｃ）に示すように、点火直前において主として２カ所に分散されている。つまり、この場合には、点火用レーザ光の最適焦点位置は、図４（Ｂ＿ｃ）の混合気が存在する部分のうち当量比が上記範囲内に該当する位置として記憶している。

最適焦点位置決定部（最適焦点位置決定手段）２５は、エンジン状態情報入力部２３からエンジン状態情報を入力する。さらに、最適焦点位置決定部２５は、入力されたエンジン状態情報に対応する最適焦点位置を最適焦点位置マップ記憶部２４から入力する。そして、最適焦点位置決定部２５は、最適焦点位置マップから入力された最適焦点位置を直後に点火される場合における最適焦点位置と決定する。

焦点位置移動制御部（焦点位置移動手段）２６は、最適焦点位置決定部２５により決定された最適焦点位置に基づき駆動素子１３を駆動する。具体的には、点火用レーザ光照射装置５により照射される点火用レーザ光の焦点位置が最適焦点位置決定部２５により決定された最適焦点位置に一致するように、駆動素子１３を移動させる。

（１．５）制御装置の処理動作
次に、上述した構成からなる制御装置の処理動作について図６のフローチャートを参照して説明する。ここで、図６は、制御装置の処理動作を示すフローチャートである。

図６に示すように、エンジン状態情報入力部２３にてエンジン状態情報を入力する（ステップＳ１）。続いて、入力されたエンジン状態情報及び最適焦点位置マップに基づき、最適焦点位置決定部２５にて最適焦点位置を決定する（ステップＳ２）。そして、決定された最適焦点位置に点火用レーザ光の焦点位置を一致させるように、焦点位置移動制御部２６にて駆動素子１３を移動する（ステップＳ３）。

そして、駆動素子１３が移動した後に、点火制御部２１は点火用レーザ光発生器により点火用レーザ光を発生させる（ステップＳ４）。つまり、燃焼室１内の混合気に点火用レーザ光を照射して混合気を活性化させることにより、混合気を着火燃焼させる。混合気が点火する際の点火用レーザ光の焦点位置は、最適焦点位置決定部２５において決定された焦点位置となる。つまり、最適焦点位置に点火用レーザ光の焦点位置が一致するように点火用レーザ光が照射され、確実に混合気が着火燃焼する。

（２）第２実施例
（２．１）筒内直接噴射式内燃機関の概略構成
次に、第２発明の内燃機関のレーザ点火装置を適用した第２実施例の筒内直接噴射式内燃機関について説明する。第２実施例の筒内直接噴射式内燃機関（以下、「エンジン」という）については、図７を参照して説明する。図７は、第２実施例のエンジンの概略構成を示す図である。図７に示すように、燃焼室１内には、吸気バルブ２が開放されることにより吸気通路３を通じて空気が吸入される。さらに、燃焼室１内には、燃料噴射弁４から直接燃料が噴射供給される。そして、燃焼室１内に吸入された空気と噴射された燃料とからなる混合気に対し点火用レーザ光照射装置３１による点火（点火用レーザ光の照射）が行われる。そうすると、燃焼室１内の混合気が着火燃焼してピストン６が往復移動し、エンジンの出力軸であるクランクシャフト（図示せず）が回転する。そして、燃焼後の混合気は、排気バルブ７が開放されることにより排気として燃焼室１内から排気通路８に送り出される。なお、図７に示すように、点火用レーザ光照射装置３１は、シリンダヘッド（図示せず）のうち吸気バルブ２と排気バルブ７との間に配置されている。

さらに、シリンダブロックには、計測用レーザ光照射装置３３が配置されている。この計測用レーザ光照射装置３３は、燃焼室１内の軸方向に垂直な面の計測用レーザ光を照射する。そして、この計測用レーザ光のエネルギー強度は、エネルギー強度検出センサ３２により検出される。このエネルギー強度検出センサ３２は、点火用レーザ光照射装置３１のハウジング（後述する）３４内に配置されている。つまり、エネルギー強度検出センサ３２は、シリンダヘッドのうち吸気バルブ２と排気バルブ７との間に配置されている。なお、エネルギー強度検出センサ３２は、図７の破線にて示すように、燃焼室１内の広範囲３２ａのエネルギー強度を検出することができる。また、図７には図示しないが、筒内直接噴射式内燃機関は、点火用レーザ光照射装置３１及び計測用レーザ光照射装置３３を制御する制御装置を備えている。

ここで、第２発明の内燃機関のレーザ点火装置は、点火用レーザ光照射装置３１、計測用レーザ光照射装置３３、エネルギー強度検出センサ３２、及び制御装置を備える装置である。

（２．２）点火用レーザ光照射装置３１の詳細構成
次に、点火用レーザ光照射装置（点火用レーザ光照射手段）３１の詳細構成について図７及び図８を参照して説明する。ここで、図８は、点火用レーザ光照射装置３１の一部断面図を示す図である。図７及び図８に示すように、点火用レーザ光照射装置３１は、先端側が筒状からなるハウジング３４を有している。このハウジング３４は、シリンダヘッド（図示せず）を貫通し、筒状からなる先端側（図７及び図８の下端側）が燃焼室１内に突出するようにシリンダヘッドに固定されている。ここで、ハウジング３４は、内部に２つの円筒空間（図７及び図８の左右２つの空間）を形成している。

そして、この点火用レーザ光照射装置３１は、点火用レーザ光発生器（図示せず）と、凸レンズからなる集光レンズ１２と、駆動素子１３とを備えている。点火用レーザ光発生器は、制御装置のうちの点火制御部（後述する）５１により点火用レーザ光を発生する。集光レンズ１２は、ハウジング３４の先端側のうち図７及び図８の左側の円筒空間に固定されており、点火用レーザ光発生器から発生された点火用レーザ光を集光している。この集光レンズ１２は、集光した点火用レーザ光の焦点位置が燃焼室１内に位置するようにされている。

駆動素子１３は、例えば、ピエゾ素子からなり、集光レンズ１２の点火用レーザ光発生器側及び集光レンズ１２の燃焼室１側にそれぞれ３つずつ配置されている。具体的には、駆動素子１３は、一端側が集光レンズ１２に接するように配置され、他端側が点火用レーザ光発生器側のハウジング３４又は燃焼室１側のハウジング３４に接するように配置されている。つまり、駆動素子１３が駆動することにより、集光レンズ１２が移動するようにしている。そして、駆動素子１３が集光レンズ１２を移動することにより、集光レンズ１２により集光された点火用レーザ光の焦点位置が移動する。そして、この駆動素子１３の駆動は、制御装置のうちの焦点位置制御部（後述する）５２により制御されている。

さらに、点火用レーザ光照射装置３１のハウジング３４内の図７及び図８の右側の円筒空間には、上述したエネルギー強度検出センサ３２が配置されている。

（２．３）計測用レーザ光照射装置３３
次に、計測用レーザ光照射装置３３の構成について簡単に図７を参照して説明する。図７に示すように、計測用レーザ光照射装置３３は、先端側が筒状からなるハウジングを有している。このハウジングは、シリンダブロックの上端側にシリンダの軸方向に対して垂直方向に貫通して形成された貫通孔内に配置されている。

そして、この計測用レーザ光照射装置３３は、計測用レーザ光発生器（図示せず）と、シリンドリカルレンズとを備えている。計測用レーザ光発生器は、制御装置のうちの計測信号出力部（後述する）５３から出力された計測信号に基づき計測用レーザ光を発生する。この計測用レーザ光は、燃料の吸収波長付近の波長からなるレーザ光としている。

シリンドリカルレンズは、ハウジングの先端側（図７の左側）に固定されており、計測用レーザ光発生器から発生された計測用レーザ光を燃焼室１内に照射している。具体的には、シリンドリカルレンズは、燃焼室１内における計測用レーザが、シリンダの軸方向に垂直方向の面状３３ａとなるようにしている。

（２．４）制御装置
次に、点火用レーザ光照射装置３１及び計測用レーザ光照射装置３３を制御する制御装置について図９を参照して説明する。図９は、点火用レーザ光照射装置３１及び計測用レーザ光照射装置３３を制御する制御装置を示すブロック図である。図９に示すように、制御装置は、主として、点火制御部５１と、焦点位置制御部（焦点位置制御手段）５２とを備えている。

点火制御部５１は、点火タイミングを判断して点火用レーザ光発生器により点火用レーザ光を発生させている。焦点位置制御部５２は、計測用レーザ光発生器により計測用レーザ光を発生させている。さらに、焦点位置制御部５２は、上述したように、駆動素子１３の駆動を制御している。この焦点位置制御部５２は、計測信号出力部５３と、エネルギー強度計測部５４と、濃度分布生成部５５と、最適焦点位置決定部５６と、焦点位置移動制御部５７とから構成される。

計測信号出力部（混合気濃度分布計測手段）５３は、点火制御部５１から点火タイミングの直前である点火タイミング情報を入力している。そして、計測信号出力部５３は、点火制御部５１から点火タイミング情報が入力されると、計測用レーザ光照射装置３３の計測用レーザ光発生器に計測信号を出力する。そして、計測信号が出力された計測用レーザ光発生器は、計測用レーザ光を発生する。

エネルギー強度計測部（混合気濃度分布計測手段）５４は、計測信号出力部５３から計測信号を入力する。さらに、エネルギー強度計測部５４は、エネルギー強度検出センサ３２により検出したエネルギー強度を入力して、燃焼室１内のエネルギー強度を計測する。このエネルギー強度計測部５４は、具体的には、計測用レーザ光照射装置３３の計測用レーザ光発生部により発生された計測用レーザ光のエネルギー強度を計測している。ここで、計測用レーザ光は燃料により吸収される波長成分からなるので、燃焼室１内の混合気の濃度に応じて計測用レーザ光のエネルギー強度が異なる。つまり、燃焼室１内の混合気の濃度が高いほど、計測用レーザ光は吸収され、計測用レーザ光のエネルギー強度が小さくなる。

濃度分布生成部（混合気濃度分布計測手段）５５は、エネルギー強度計測部５４により計測された燃焼室１内のエネルギー強度に基づき、燃焼室１内の混合気の濃度分布を生成する。なお、上述したように、燃焼室１内の混合気の濃度に応じて計測用レーザ光のエネルギー強度が異なるので、このエネルギー強度に基づき燃焼室１内の混合気の濃度を計測することができる。

最適焦点位置決定部（最適焦点位置決定手段）５６は、濃度分布生成部５５にて生成された濃度分布を入力する。そして、最適焦点位置決定部５６は、入力された濃度分布に基づき、点火用レーザ光の最適焦点位置を決定する。ここで、最適焦点位置は、上述した第１実施例の最適焦点位置と同様に、混合気の実際の空燃比（実空燃比）に対する混合気の理論空燃比である当量比が０．８〜１．２の範囲内である領域内に位置である。この範囲内であれば、非常に効率よく混合気を着火燃焼させることができる。ただし、当量比が０．５〜２．０の範囲内としても、十分に混合気を着火燃焼させることができるので、各種条件などによって適宜変更することができる。

つまり、最適焦点位置決定部５６は、濃度分布生成部５５から入力された濃度分布に基づき、当量比が０．８〜１．２となる領域を決定して、その領域内の何れか特定の位置を最適焦点位置に決定する。ここで、最適焦点位置決定部５６により決定される最適焦点位置は、現在の駆動素子１３の位置を考慮して最適焦点位置を決定してもよい。つまり、最適焦点位置は、当量比が所定範囲内となる領域のうち、駆動素子１３の移動量が少なくなるような位置とすればよい。

焦点位置移動制御部（焦点位置移動手段）５７は、最適焦点位置決定部５６により決定された最適焦点位置に基づき駆動素子１３を駆動する。具体的には、点火用レーザ光照射装置３１により照射される点火用レーザ光の焦点位置が最適焦点位置決定部５７により決定された最適焦点位置に一致するように、駆動素子１３を移動させる。

（２．５）制御装置の処理動作
次に、上述した構成からなる制御装置の処理動作について図１０〜図１２のフローチャートを参照して説明する。ここで、図１０は、制御装置のメイン処理を示すフローチャートである。図１１は、濃度分布生成処理を示すフローチャートである。図１２は、最適焦点位置決定処理を示すフローチャートである。図１０に示すように、点火制御部５１から出力される点火タイミング情報を計測信号出力部５３から入力する（ステップＳ１１）。

続いて、計測信号出力部５３、エネルギー強度計測部５４及び濃度分布生成部５５にて、濃度分布生成処理を行う（ステップＳ１２）。ここで、濃度分布生成処理について、図１１を参照して説明する。濃度分布生成処理は、まず、計測信号出力部５３にて、点火タイミング情報が入力されると計測信号を計測用レーザ光照射装置３３の計測用レーザ光発生器に出力する。そうすると、計測用レーザ光発生器は、計測用レーザ光を発生させる（ステップＳ２１）。続いて、エネルギー強度計測部５４が、エネルギー強度検出センサ３２により検出された燃焼室１内の計測用レーザ光のエネルギー強度を読み込み、そのエネルギー強度を計測する（ステップＳ２２）。続いて、計測された計測用レーザ光のエネルギー強度に基づき、濃度分布生成部５５にて燃焼室１内の混合気の濃度分布を生成する（ステップＳ２３）。そして、濃度分布生成処理を終了する。

そして、濃度分布生成処理が終了すると、最適焦点位置決定処理を行う（ステップＳ１３）。ここで、最適焦点位置決定処理については、図１２を参照して説明する。図１２に示すように、最適焦点位置決定部５６にて燃焼室１内の混合気の濃度分布を入力する（ステップＳ３１）。続いて、濃度分布に基づき最適焦点位置を決定する（ステップＳ３２）。そして、処理を終了する。

そして、最適焦点位置決定処理が終了すると、決定された最適焦点位置に点火用レーザ光の焦点位置を一致させるように、焦点位置移動制御部２６にて駆動素子１３を移動する（ステップＳ１４）。そして、駆動素子１３が移動した後に、点火制御部２１は点火用レーザ光発生器により点火用レーザ光を発生させる（ステップＳ１５）。つまり、燃焼室１内の混合気に点火用レーザ光を照射して混合気を活性化させることにより、混合気を着火燃焼させる。混合気が点火する際の点火用レーザ光の焦点位置は、最適焦点位置決定部２５において決定された焦点位置となる。つまり、最適焦点位置に点火用レーザ光の焦点位置が一致するように点火用レーザ光が照射され、確実に混合気が着火燃焼する。

（３）その他の実施例
上記実施例においては、点火用レーザ光照射装置５，３１は、１つの点火用レーザ光を燃焼室１内に照射するような構成としたがこれに限られるものではない。例えば、複数の点火用レーザ光を燃焼室１内に照射するような構成としてもよい。この場合、点火用レーザ光発生器により発生した点火用レーザ光を複数に分光させることにより容易に達成することができる。もちろん、複数の点火用レーザ光を発生させることができる点火用レーザ光発生器を用いてもよい。このように、複数の点火用レーザ光を燃焼室１内に照射することができる場合には、点火用レーザ光の焦点位置が燃焼室１内の複数箇所となるようにすることができる。

ここで、複数の点火用レーザ光を燃焼室１内に照射させる場合、例えば、上記第２実施例における点火用レーザ光照射装置３１のハウジング３４を図１３に示すような点火用レーザ光照射装置のハウジングとしてもよい。図１３は、点火用レーザ光照射装置のハウジングの外観を示す斜視図である。図１３に示すように、先端面の外周側の４つの穴が点火用レーザ光を照射する穴であって、中央の穴が計測用レーザ光のエネルギー強度を検出する穴である。

第１実施例のエンジンの概略構成を示す図である。 点火用レーザ光照射装置５の一部断面図を示す図である。 成層運転に際して、燃料噴射弁４から燃焼室１内に噴射供給される燃料を含む混合気の状態とピストン６の位置とを示す図である。 燃焼室１内の断面図、具体的には図３の一点鎖線部分の断面図における混合気の状態を示す図である。 点火用レーザ光照射装置５を制御する制御装置を示すブロック図である。 第１実施例の制御装置の処理動作を示すフローチャートである。 第２実施例のエンジンの概略構成を示す図である。 点火用レーザ光照射装置３１の一部断面図を示す図である。 点火用レーザ光照射装置３１及び計測用レーザ光照射装置３３を制御する制御装置を示すブロック図である。 第２実施例の制御装置のメイン処理を示すフローチャートである。 濃度分布生成処理を示すフローチャートである。 最適焦点位置決定処理を示すフローチャートである。 その他の実施例の点火用レーザ光照射装置のハウジングの外観を示す斜視図である。

符号の説明

１：燃焼室、 ２：吸気バルブ、 ３：吸気通路、 ４：燃料噴射弁、 ５、３１：点火用レーザ光照射装置（点火用レーザ光照射手段）、 ６：ピストン、 ７：排気バルブ、 ８：排気通路、 １１：ハウジング、 １２：集光レンズ、 １３：駆動素子、 ３２：エネルギー強度検出センサ、 ３３：計測用レーザ光照射装置、 ３４：ハウジング

Claims (6)

1. 成層運転を行う内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して該点火用レーザ光が結ぶ焦点位置にて前記混合気に着火する点火用レーザ光照射手段と、
   前記焦点位置を可変に制御する焦点位置制御手段と、
   を備える内燃機関のレーザ点火装置において、
   前記焦点位置制御手段は、
   前記点火用レーザ光照射手段により前記点火用レーザ光を照射する直前における少なくとも前記内燃機関の回転数を含む内燃機関駆動状態を入力する内燃機関駆動状態入力手段と、
   前記内燃機関駆動状態に応じた前記混合気の濃度分布に対して、前記焦点位置が前記混合気に着火するための最適位置である最適焦点位置のマップが予め記憶される最適焦点位置マップ記憶手段と、
   前記内燃機関駆動状態入力手段により入力される前記内燃機関駆動状態に基づき、前記濃度分布に対する前記最適焦点位置を前記マップから入力し、直後に照射する前記点火用レーザ光の前記最適焦点位置として決定する最適焦点位置決定手段と、
   決定された前記最適焦点位置に前記点火用レーザ光の前記焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のレーザ点火装置。
2. 成層運転を行う内燃機関の燃焼室内の混合気に点火用レーザ光を照射して該点火用レーザ光が結ぶ焦点位置にて前記混合気に着火する点火用レーザ光照射手段と、
   前記焦点位置を可変に制御する焦点位置制御手段と、
   を備える内燃機関のレーザ点火装置において、
   前記焦点位置制御手段は、
   前記点火用レーザ光照射手段により前記点火用レーザ光を照射する直前の混合気の濃度分布を計測する混合気濃度分布計測手段と、
   前記濃度分布に基づき、前記焦点位置が前記混合気に着火するための最適位置となる最適焦点位置を決定する最適焦点位置決定手段と、
   決定された前記最適焦点位置に前記点火用レーザ光の前記焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のレーザ点火装置。
3. 前記焦点位置の最適位置は、前記混合気の実空燃比に対する前記混合気の理論空燃比である当量比が０．５〜２．０となる範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のレーザ点火装置。
4. 前記濃度分布計測手段は、前記燃焼室内に照射された濃度計測用レーザ光の強度に基づき前記混合気の濃度分布を計測することを特徴とする請求項２記載の内燃機関のレーザ点火装置。
5. 前記点火用レーザ光照射手段は、複数の前記点火用レーザ光を照射可能であり、
   前記最適焦点位置決定手段により決定される前記焦点位置の最適位置は、複数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のレーザ点火装置。
6. 前記内燃機関は、前記燃焼室に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の内燃機関のレーザ点火装置。

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