JP5341341B2 - レーザ点火装置、内燃機関、及びレーザ点火方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いて燃料に点火するレーザ点火装置、内燃機関、及びレーザ点火方法に関する。

レーザ光を用いて内燃機関の燃焼室内の燃料に点火する技術が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１には、レーザ光を空間的に複数に分割してピストンに向けて照射する技術が記載されている。特許文献２には、エネルギが等値である複数パルスのレーザ光を、正常着火を可能とする時間間隔で発振する技術が記載されている。特許文献件３には、ウェッジ基板を用いてレーザ光をピストン上面の広い範囲に照射させる技術が記載されている。特許文献件４には、レーザパルス幅を着火に要する最小エネルギとなるように制御する３技術が記載されている。また、エネルギ及びパルス幅が等しい２パルスのレーザをピコ秒オーダーの間隔で照射することでブレークダウンを増強する技術が知られている（非特許文献１参照）。
特開平９−３０３２４４号公報 特開２００５−４２５９１号公報 特開平７−２１７５２１号公報 特開２００６−１４４７２６号公報 HOSODA,AOSHIMA,ITOH,TSUCHIYA "Enhancement of the Laser Breakdown of simple Gaseous and Liquid Materials under Intense Picosecond Double-pulse Excitation" 1999 Publication Board, Japanese Journal of Applied Physics

しかしながら、ピストンにレーザ光を照射する所謂ターゲットブレークダウンでは、ピストンの温度上昇（顕熱）にレーザエネルギが消費されてしまう問題があった。また、燃焼室のガス中にレーザ光を直接照射する吸収式レーザ着火においては、プラズマが発生するまでにレーザ光が点火位置を透過してしまうことに起因してエネルギ損失が大きくなりやすい問題があった。

本発明は、上記事実を考慮して、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができるレーザ点火装置、該点火装置が適用された内燃機関、及び低エネルギで燃料に点火することができるレーザ点火方法を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係るレーザ点火装置は、出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能とされ、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第１レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第１のレーザパルスよりもピークパワーの低い第２レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、かつ前記第１レーザパルスと前記第２レーザパルスのパルス間隔が８．３ｎｓ以下となるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、を備えている。

請求項１記載のレーザ点火装置では、点火タイミングに制御手段による制御を受けたレーザ装置から、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けて第１レーザパルスが出力される。これにより、内燃機関の燃焼室内にはプラズマが生じる。次いで、このレーザ装置から上記のプラズマに向けて第２レーザパルスが出力される。これにより、燃料は着火される。

ここで、本レーザ点火装置では、ピークパワーの大きい第１レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第２レーザパルスが出力されるので、プラズマの発生前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。

このように、請求項１記載のレーザ点火装置では、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができる。
また、本レーザ点火装置では、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのパルス間隔が２００ｎｓ以下であるため、プラズマが膨張してプラズマ密度が減少してしまう前に第２レーザパルスのエネルギを吸収させることができる。

請求項２記載の発明に係るレーザ点火装置は、請求項１記載のレーザ点火装置において、前記制御装置は、前記第１レーザパルスのパルス幅よりも前記第２レーザパルスのパルス幅が大きくなるように、前記レーザ装置を制御する。

請求項２記載のレーザ点火装置では、第２レーザパルスのパルス幅が第１レーザパルスのパルス幅よりも広いので、該第２レーザパルスのパルス幅が第１レーザパルスのパルス幅と同じである場合と比較して、第１レーザパルスの出力によって生じたプラズマに対し、大きなエネルギを吸収させることができ、安定した点火に寄与する。

請求項３記載の発明に係るレーザ点火装置は、請求項２記載のレーザ点火装置において、前記制御装置は、前記第１レーザパルスのエネルギよりも前記第２レーザパルスのエネルギが大きくなるように、前記レーザ装置を制御する。

請求項３記載のレーザ点火装置では、第２レーザパルスのエネルギが第１レーザパルスのエネルギよりも大きいので、第１レーザパルスの出力によって生じたプラズマに、より大きなエネルギを吸収させることができ、より安定した点火に寄与する。

請求項４記載の発明に係るレーザ点火装置は、出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能とされ、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第１レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第１のレーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第２レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、かつ前記第１レーザパルスと前記第２レーザパルスのパルス間隔が８．３ｎｓ以下となるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、を備えている。

請求項４記載のレーザ点火装置では、点火タイミングに制御手段による制御を受けたレーザ装置から、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けて第１レーザパルスが出力される。これにより、内燃機関の燃焼室内にはプラズマが生じる。次いで、このレーザ装置から上記のプラズマに向けて第２レーザパルスが出力される。これにより、燃料は着火される。

ここで、本レーザ点火装置では、比較的エネルギの小さい第１レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第２レーザパルスが出力されるので、プラズマの生成前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。そして、上記したプラズマの生成後に第２レーザパルスの大きなエネルギを吸収させることができる。

このように、請求項４記載のレーザ点火装置では、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができる。また、第２レーザパルスのパルス幅が第１レーザパルスのパルス幅よりも大きいので、瞬間的に過大なピークパワーが生じることが抑制され、装置が保護される。

上記各レーザ点火装置では、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのパルス間隔が２１．１ｎｓ以下であるため、プラズマが膨張してプラズマ密度が減少してしまう前に第２レーザパルスのエネルギを吸収させることができる。なお、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのパルス間隔は、２０ｎｓ以下とすることが一層望ましい。

請求項５記載の発明に係る内燃機関は、燃焼室内の燃料に点火する点火装置として、請求項１〜請求項４の何れか１項記載のレーザ点火装置を備えている。

請求項５記載の内燃機関では、請求項１〜請求項４の何れか１項記載のレーザ点火装置によって、燃焼室内の混合気が安定的に着火される。

請求項６記載の発明に係るレーザ点火方法は、燃料と空気との混合気に向けて、プラズマを生成し得るピークパワーの第１レーザパルスを照射する第１パルス照射ステップと、前記第１パルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射された位置に向けて、該第１レーザパルスよりもピークパワーが低い第２パルスを、前記第１レーザパルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射されてから、８．３ｎｓ以内に照射する第２パルス照射ステップと、を含む。

請求項６記載のレーザ点火方法では、第１パルス照射ステップにて第１レーザパルスが照射されると、該第１レーザパルスが照射された空間ではプラズマが生じる。次いで、第２レーザパルス照射ステップにて、上記のプラズマに向けて第２レーザパルスが出力される。この点火方法により燃料は着火される。

ここで、本レーザ点火方法では、ピークパワーの大きい第１レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第２レーザパルスを出力させるので、プラズマの発生前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。

このように、請求項６記載のレーザ点火方法では、低エネルギで燃料に点火することができる。
また、本レーザ点火方法では、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのパルス間隔が２００ｎｓであるため、プラズマが膨張してプラズマ密度が減少してしまう前に第２レーザパルスのエネルギを吸収させることができる。

請求項７記載の発明に係るレーザ点火方法は、請求項６記載のレーザ点火方法において、前記第２パルス照射ステップで、前記第１レーザパルス照射ステップで照射される前記第１レーザパルスよりもパルス幅が大きい第２レーザパルスを照射する。

請求項７記載のレーザ点火方法では、第２レーザパルスのパルス幅が第１レーザパルスのパルス幅よりも広いので、該第２レーザパルスのパルス幅が第１レーザパルスのパルス幅と同じである場合と比較して、第１レーザパルスの出力によって生じたプラズマに、大きなエネルギを吸収させることができ、安定した点火に寄与する。

請求項８記載の発明に係るレーザ点火方法は、請求項７記載のレーザ点火方法において、前記第２パルス照射ステップで、前記第１レーザパルス照射ステップで照射される前記第１レーザパルスよりもエネルギが大きい第２レーザパルスを照射する。

請求項８記載のレーザ点火方法では、第２レーザパルスのエネルギが第１レーザパルスのエネルギよりも大きいので、第１レーザパルスの出力によって生じたプラズマに、より大きなエネルギを吸収させることができ、より安定した点火に寄与する。

請求項９記載の発明に係るレーザ点火方法は、燃料と空気との混合気に向けて、プラズマを生成し得るピークパワーの第１レーザパルスを照射する第１パルス照射ステップと、前記第１パルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射された位置に向けて、該第１レーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第２パルスを、前記第１レーザパルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射されてから、８．３ｎｓ以内に照射する第２パルス照射ステップと、を含む。

請求項９記載のレーザ点火方法では、第１パルス照射ステップにて第１レーザパルスが照射されると、該第１レーザパルスが照射された空間ではプラズマが生じる。次いで、第２レーザパルス照射ステップにて、上記のプラズマに向けて第２レーザパルスが出力される。この点火方法により燃料は着火される。

ここで、本レーザ点火方法では、ピークパワーの大きい第１レーザパルスによって、プラズマを生じさせた後、レーザエネルギが吸収されやすいプラズマに向けて第２レーザパルスを出力させるので、プラズマの発生前にレーザ光が燃料を透過してしまうことが抑制される。そして、上記したプラズマの生成後に第２レーザパルスの大きなエネルギを吸収させることができる。

このように、請求項９記載のレーザ点火方法では、低エネルギで燃料に点火することができる。また、第２レーザパルスのパルス幅が第１レーザパルスのパルス幅よりも大きいので、瞬間的に過大なピークパワーが生じることが抑制され、例えばレーザパルスの出力経路を構成する部品等が保護される。

上記各レーザ点火方法では、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのパルス間隔が２１．１ｎｓ以下であるため、プラズマが膨張してプラズマ密度が減少してしまう前に第２レーザパルスのエネルギを吸収させることができる。なお、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのパルス間隔は、２０ｎｓ以下とすることが一層望ましい。

以上説明したように本発明に係るレーザ点火装置、内燃機関は、低エネルギで燃焼室内の燃料に点火することができる。

また、本発明に係るレーザ点火方法は、低エネルギで燃料に点火することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ点火装置１０、内燃機関であるエンジン１２について、図１〜図５に基づいて説明する。

図１には、レーザ点火装置１０及び該レーザ点火装置１０が適用されたエンジン１２が模式図にて示されている。この図に示される如く、レーザ点火装置１０は、エンジン１２の燃焼室１４内に噴射された燃料混合気Ｍに向けてレーザ光を出射させ、このレーザ光により燃料に着火させるための点火装置とされている。

具体的には、エンジン１２は、シリンダ１６と、該シリンダ１６の内面に沿ってスライド可能に設けられたピストン１８と、シリンダ１６の開口端を封止するシリンダヘッド２０とを有する。燃焼室１４は、シリンダ１６内におけるピストン１８とシリンダヘッド２０との間の空間とされている。また、エンジン１２は、シリンダヘッド２０に設けられた燃料噴射弁２２を有する。

燃料噴射弁２２は、エンジンコントローラ２４に制御されて圧縮行程の終期に燃焼室１４に燃料を噴霧（噴射）する構成とされている。これにより、燃焼室１４では、圧縮行程の終期に燃料と空気との混合気Ｍが生成されるようになっている。そして、レーザ点火装置１０は、この混合気Ｍをレーザ光により着火させる構成とされている。なお、エンジン１２は、燃料直接噴射式のものに代えて、空気と予混合された混合気Ｍが吸入行程でエンジン１２の燃焼室１４に供給される予混合式のものであっても良い。

レーザ点火装置１０は、レーザ光を出力するレーザ装置２６と、レーザ装置２６のレーザ光をエンジン１２の燃焼室１４に出射させるレーザ出射部２８と、レーザ装置２６を制御する制御装置（制御手段）としてのレーザ制御回路３０とを主要構成要素として構成されている。レーザ装置２６としては、例えばＹＡＧレーザ等の固体レーザ装置が用いられる。

レーザ装置２６とレーザ出射部２８とは、光伝送手段としての光ファイバ３２に接続されており、レーザ出射部２８が出力したレーザ光が光ファイバ３２を介してレーザ制御回路３０に導かれるようになっている。この実施形態では、レーザ制御回路３０は、シリンダヘッド２０に固定された略筒状のハウジング３４と、レーザ制御回路３０の両端をレーザ光の透過可能に閉止する窓ガラス３５、３６と、ハウジング３４内に設けられた凹レンズ３８及び一対の凸レンズ４０、４２とを含んで構成されている。

このレーザ出射部２８は、光ファイバ３２によって導かれたレーザ光を、エンジン１２の燃焼室１４内における所定位置である点火位置ＩＰにレーザ光を照射させる構成とされている。この点火位置ＩＰは、燃料噴射弁２２によって燃料が噴霧される領域の一点とされている。すなわち、レーザ出射部２８は、レンズ４２によってレーザ光を点火位置ＩＰに向け絞り込んで照射する構成とされている。

レーザ制御回路３０は、レーザ装置２６にパルス状のレーザ光（以下、レーザパルスという）を出力させるように、該レーザ装置２６を制御するようになっている。この実施形態においては、レーザ制御回路３０は、エンジンコントローラ２４からの制御信号に基づいて、エンジン１２の１点火行程（燃料噴霧）当たりに、複数のレーザパルスをレーザ装置２６に出力させるように、該レーザ装置２６を制御する構成とされている。

具体的には、レーザ制御回路３０は、図２に示される如き２つのレーザパルスＬＰ１、ＬＰ２をレーザ装置２６から出力させる構成とされている。レーザ制御回路３０は、時間的に先に出力される第１レーザパルスとしてのレーザパルスＬＰ１のレーザパワーのピーク（以下、ピークパワーという）Ｐ１が、燃焼室１４内でブレークダウンを生じるのに足る大きさとなるように、レーザ装置２６を制御するようになっている。また、レーザ制御回路３０は、レーザパルスＬＰ１のエネルギ（レーザパワーの時間積分）が、単独のレーザパルスで混合気Ｍに点火するのに要するエネルギと比較して十分に小さくなるように、レーザ装置２６を制御するようになっている。

具体的には、レーザ制御回路３０は、レーザパルスＬＰ１のパルス幅Ｗｐ１が半値幅（ピークＰ１の半分のレーザパワーでのパルス幅）で５０ｎｓ以下になるようにレーザ装置２６を制御する構成とされている。この実施形態では、レーザパルスＬＰ１のパルス幅は、半値幅で略５ｎｓ以下に設定されるようになっている。

また、レーザ制御回路３０は、時間的にレーザパルスＬＰ１の後に出力される第２レーザパルスとしてのレーザパルスＬＰ２のピークパワーＰ２が、燃焼室１４内でブレークダウンを生じるのに足る大きさよりも小さくなるように、レーザ装置２６を制御するようになっている。すなわち、レーザパルスＬＰ２のピークパワーＰ２は、レーザパルスＬＰ１のピークパワーＰ１と比較して小さく設定されるようになっている。

一方、レーザ制御回路３０は、レーザパルスＬＰ２のＷｐ２がレーザパルスＬＰ１のパルス幅Ｗｐ１よりも大でかつ半値幅で略２００ｎｓ以下になるように、レーザ装置２６を制御する構成とされている。この実施形態では、レーザ制御回路３０は、レーザパルスＬＰ２のエネルギがレーザパルスＬＰ１のエネルギよりも大となるように、レーザ装置２６を制御する構成とされている。

さらに、レーザ制御回路３０は、レーザパルスＬＰ１とレーザパルスＬＰ２とのパルス間隔τが所定間隔以下になるように、レーザ装置２６を制御する構成とされている。具体的には、レーザ制御回路３０は、パルス間隔τが２００ｎｓ以下になるように、レーザ装置２６を制御する構成とされている。この実施形態では、パルス間隔τは、２０ｎｓ以下として設定されるようになっている。なお、この実施形態では、パルス間隔τは、レーザ制御回路３０からレーザ装置２６へのレーザパルスＬＰ１の出力指令の出力から、該レーザ制御回路３０からレーザ装置２６へのレーザパルスＬＰ２の出力指令の出力までの間隔として定義される。

レーザ点火装置１０では、以上説明したレーザパルスＬＰ１、レーザパルスＬＰ２を点火位置ＩＰに照射させることで、燃焼室１４内の混合気Ｍに点火する（着火させる）ようになっている。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成のレーザ点火装置１０が適用されたエンジン１２では、シリンダ１６内で吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がこの順で繰り返されることで、ピストン１８の往復直線運動が図示しないクランクシャフトの回転運動に変換され、動力が発生する。補足すると、圧縮行程の終期には、燃料噴射弁２２によって燃焼室１４内に燃料が噴霧されて混合気Ｍが生成され、この混合気Ｍに向けてレーザ点火装置１０がレーザパルスＬＰ１、ＬＰ２を続けて照射することで、該混合気Ｍが着火される。この混合気Ｍ中の燃料の燃焼によって、膨張行程が行われる。

レーザ点火装置１０による点火について詳細に説明する。レーザ制御回路３０がエンジンコントローラ２４からの信号に基づいて点火タイミングであると判断した場合に、該該レーザ制御回路３０によって制御されたレーザ装置２６からレーザパルスＬＰ１が出力されると、このレーザパルスＬＰ１は、光ファイバ３２を経由してレーザ出射部２８に導かれ、窓ガラス３５、凹レンズ３８、一対の凸レンズ４０、４２、窓ガラス３６を通じて燃焼室１４内の点火位置ＩＰに照射される（第１パルス照射ステップ）。

このようにレーザパルスＬＰ１が混合気Ｍに向けて照射されると、レーザパルスＬＰ１のピークパワーＰ１がブレークダウンを生じるのに足るパワーを上回るため、点火位置ＩＰでブレークダウンが発生する。このため、燃焼室１４内の点火位置ＩＰにはプラズマが生成される。

また、該レーザ制御回路３０によって制御されたレーザ装置２６からレーザパルスＬＰ２が出力されると、このレーザパルスＬＰ２は、光ファイバ３２を経由してレーザ出射部２８に導かれ、窓ガラス３５、凹レンズ３８、一対の凸レンズ４０、４２、窓ガラス３６を通じて燃焼室１４内の点火位置ＩＰに照射される（第２パルス照射ステップ）。すなわち、レーザパルスＬＰ２は、レーザパルスＬＰ１の照射によって生成されたプラズマに照射される。

これにより、レーザ点火装置１０では、レーザパルスＬＰ２のエネルギの一部がプラズマに吸収されて該プラズマをさらに発達させる。そして、このプラズマのエネルギが燃料の最小点火エネルギに至ると、燃料の着火（点火）が成される。

以上説明したように、レーザ点火装置１０では、ピークパワーＰ１が大きいレーザパルスＬＰ１の照射によって生成させたプラズマにレーザパルスＬＰ２を照射させるため、レーザパルスＬＰ２のエネルギが効率的にプラズマに吸収される。このため、レーザパルスＬＰ１、レーザパルスＬＰ２を合わせて小さいエネルギで燃料に点火することができる。

また、レーザ点火装置１０では、レーザパルスＬＰ１のパルス幅Ｗｐ１が小さいので、換言すれば、レーザパルスＬＰ１のエネルギが小さいため、ピークパワーＰ１を大きくしてもレーザ出射部２８の光学部品に損傷を生じることが防止される。一方、レーザ点火装置１０では、レーザパルスＬＰ２のパルス幅Ｗｐ２が大きいため、すなわちピークパワーＰ２を低く抑えつつエネルギが大きくされたレーザパルスＬＰ２を照射するため、レーザパルスＬＰ１の照射によって生成されたプラズマに大きなエネルギを吸収させることができる。

そして、レーザ点火装置１０では、レーザパルスＬＰ１よりもレーザパルスＬＰ２のエネルギが大きいため、換言すれば、エネルギの小さいレーザパルスＬＰ１で先ずプラズマを生成させ、このプラズマにレーザパルスＬＰ２の大きなエネルギを吸収させるため、１つのレーザパルスで点火する構成と比較して、小さいエネルギで燃料への点火を行うことができる。

以上のレーザパルスＬＰ１、ＬＰ２の照射による点火エネルギの低下効果について、図３、４、７に示す実験結果を参照しつつ補足する。先ず、図５に示す実験装置を説明する。実験装置１００は、レーザ装置１０１から出射されたレーザ光を分割するハーフミラー１０２、ハーフミラー１０２で分割されたレーザ光のエネルギ検出するためのレーザエネルギメータ１０４、ハーフミラー１０２で分割された残余のレーザ光の一部を反射する石英板１０６、石英板１０６を透過したレーザ光を集光部Ｃに集光させるレンズ１０８、集光部Ｃを透過したレーザ光を平行光に戻すレンズ１１０、レンズ１１０で平行光に戻されたレーザ光の一部を反射する石英板１１２、石英板１０６で反射されたレーザ光を減光させる減光フィルタ１１４、減光フィルタ１１４で減光されたレーザ光を受光する受光素子（Ｐｉｎフォトダイオード）１１６、石英板１１２で反射されたレーザ光を減光させる減光フィルタ１１８、減光フィルタ１１８で減光されたレーザ光を受光する受光素子（Ｐｉｎフォトダイオード）１２０、集光部Ｃの光を集光するレンズ１２２、レンズ１２２で集光された光のうちレーザ光の波長をカットするフィルタ１２４、フィルタ１２４を通過した光を受光する受光素子（Ｐｉｎフォトダイオード）１２６、受光素子１１６、１２０、１２６の出力信号の時間変化を記録する図示しないギガオシロスコープ（サンプリング周波数２０ＧＨｚ）を含んで構成されている。各受光素子１１６、１２０、１２６の立ち上がり時間（ステップ応答）は、１７５ｐｓとされている。

この実験装置１００による実験は、レーザ装置１０１からレーザパルスを出力させ、石英板１０６で集光部Ｃに至る前のレーザパルスが反射されて受光素子１１６で入射光を検出される。また、集光部Ｃを透過したレーザパルスが石英板１１２で反射されて受光素子１２０で検出される。さらに、集光部Ｃでプラズマの生成に伴うプラズマ発光（自発光）が生じた場合には、その光が受光素子１２６にて検出される。

図７（Ｂ）は、ピークパワーがブレークダウンを生じるのに足るパワーを下回る単一のレーザパルスがレーザ装置１０１から発生された場合の実験結果を示している。この図から、受光素子１１６で検出される入射光と、受光素子１２０で検出される透過光とがほぼ一致していることが解る。すなわち、この場合、レーザエネルギは、集光部Ｃで吸収されることなく、ほぼ全て透過してしまっている。図７（Ａ）は、ピークパワーがブレークダウンを生じるのに足るパワー以上である単一のレーザパルスがレーザ装置１０１から発生された場合の実験結果を示している。ブレークダウンの発生前においては、図７（Ｂ）の場合と同様に入射光と透過光とがほぼ一致することが解る。一方、ブレークダウンの発生後は、入射光に対し透過光が減少していることが解る。すなわち、ブレークダウンの発生によるプラズマの生成後は、集光部Ｃでレーザパルスのエネルギ（ハッチングを施した部分の面積の相当するエネルギ）がプラズマに吸収されることが解る。

また、図３には、レーザ装置１０１が２つのレーザパルスを出力する場合の実験結果が示されている。図３（Ｂ）は、各レーザパルスのピークパワーがブレークダウンを生じるのに足るパワーを下回る場合の実験結果を示している。この図から、受光素子１１６で検出される入射光と、受光素子１２０で検出される透過光とがほぼ一致していることが解る。すなわち、この場合、レーザエネルギは、集光部Ｃで吸収されることなく、ほぼ全て透過してしまっている。

一方、図３（Ａ）は、先に照射されるレーザパルスＬＰ１のピークパワーＰ１がブレークダウンを生じるのに足るパワー以上であり、かつレーザパルスＬＰ２のピークパワーＰ２は図３（Ｂ）と同等のブレークダウンを生じるのに足るパワーを下回る場合の実験結果を示している。この図から、ブレークダウンの発生直後からレーザパルスＬＰ２が照射されている期間にかけて、入射光に対し透過光が減じられていることが解る。すなわち、レーザパルスＬＰ１によりブレークダウンが生じると、それ自体ではブレークダウンを生じることができない弱いエネルギ（パワー）のレーザパルスＬＰ２でもレーザ照射直後よりレーザパルスＬＰ１で生じたプラズマに効率的に吸収されていることが解る。また、この実験では、図３（Ｂ）の実験で観察されなかったプラズマ発光が観察された。プラズマ発光は、ブレークダウンの発生直後から生じていることが解る。また、レーザパルスＬＰ２の入射のタイミングと同期してプラズマ発光が強化されていることが解る。すなわち、レーザパルスＬＰ１の照射によるブレークダウンの発生後において、該レーザパルスＬＰ１のエネルギ及びレーザパルスＬＰ２のエネルギ（ハッチングを施した部分の面積の相当するエネルギ）が、上記ブレークダウンの発生より生じたプラズマに吸収されプラズマ発光が強化されていることが解る。なお、図３（Ｂ）は、パルス間隔τが略８．７ｎｓである場合の結果を示している。また、図３（Ｂ）は、レーザパルスＬＰ２のエネルギがレーザパルスＬＰ１のエネルギと同等以下である場合の実験結果を示している。

また、図４は、レーザパルスＬＰ１とレーザパルスＬＰ２とのパルス間隔τを変化させた場合のプラズマ発光を示している。パルス間隔τが小さいほど、レーザパルスＬＰ２の照射によるプラズマ発光の強化の程度が大きいことが解る。なお、パルス間隔τが大きいほど、レーザパルスＬＰ２の照射によるプラズマ発光の強化の程度が小さくなるのは、レーザパルスＬＰ１の照射により生成されたプラズマが時間と共に膨張し、プラズマ密度が低下するためであると考えられる。図示は省略するが、パルス間隔τを２００ｎｓ以上にすると、レーザパルスＬＰ２の照射によるプラズマ発光が観察されなくなることが確かめられている。より高エネルギのレーザパルスＬＰ２を照射した場合も同様であった。そして、第１の実施形態に係るレーザ点火装置１０では、パルス間隔τを２０ｎｓ以下としているので、レーザパルスＬＰ２の照射によるプラズマ発光の強化の程度が大きい。

以上により、ブレークダウンの発生前に照射されたエネルギはほぼ全て透過されて点火エネルギとして利用されることがない。そして、１つのレーザパルスで点火を行う構成では、該レーザパルスのエネルギが大きいので、ブレークダウンの発生前に透過されてしまうエネルギが大きくなってしまう。これに対してレーザ点火装置１０では、レーザパルスＬＰ１はブレークダウンを発生させるピークパワーを有すれば足りるので、エネルギを小さくしてブレークダウンの発生前に透過されるエネルギを小さく抑えることができる。そして、レーザパルスＬＰ１の照射によって発生したブレークダウンに伴って生じたプラズマにレーザパルスＬＰ２を照射することで、該プラズマに点火に要するエネルギを吸収させることができる。すなわち、点火位置ＩＰに点火に要するエネルギを蓄えることができる。

したがって、レーザ点火装置１０では、１つのレーザパルスで点火させる構成と比較して、レーザパルスＬＰ１、レーザパルスＬＰ２のトータルのエネルギを小さく抑えながら、点火を果たすことができる。また、レーザ装置２６が発生するエネルギの絶対値が小さくなるので、レーザ点火装置１０の消費電力を少なくすることができる。さらに、レーザ装置２６を構成するレーザ励起用の光源（例えばフラッシュランプ、半導体レーザ等）を小さくすることができる。しかも、冷却系を簡素に構成することが可能になり、レーザ点火装置１０を全体として小型化することができる。

また、上記の通りレーザパルスＬＰ２のパルス幅Ｗｐ２が大きいので、該レーザパルスＬＰ２のエネルギを大きくしつつピークパワーＰ２を抑えることができ、レーザ出射部２８を構成する光学部品を保護することができる。

さらに、エンジン１２は、上記構成のレーザ点火装置１０を備えるので、小さなエネルギで安定的に燃焼室１４内の混合気Ｍへの点火が果たされる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分には、上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。

図６には、本発明の第２の実施形態に係るレーザ点火装置５０、及び該レーザ点火装置５０が適用されたエンジン５２が模式図にて示されている。この図に示される如く、レーザ点火装置５０は、ハウジング３４内にレーザ装置としてのＱスイッチ式固体レーザ５４が配置されている点で、レーザ装置２６がエンジン１２の外部に設けられているレーザ点火装置１０とは異なる。

このレーザ点火装置５０では、光源としてのＬＤ（レーザダイオード）レーザ５６がエンジン５２の外部に設けられており、ＬＤレーザ５６からのレーザ光が光ファイバ３２、レンズ５８を介してＱスイッチ式固体レーザ５４に導かれるようになっている。レンズ５８は、光ファイバ３２内に配置されている。

また、レーザ点火装置５０は、ＬＤレーザ制御回路６０を備えている。ＬＤレーザ制御回路６０は、エンジンコントローラ２４からの制御信号に基づいて、エンジン５２の圧縮行程で燃料噴射弁２２から燃料が噴射された後、Ｑスイッチ式固体レーザ５４から点火位置ＩＰに向けてレーザパルスＬＰ１、レーザパルスＬＰ２が出射されるように、ＬＤレーザ５６を制御する構成とされている。

この実施形態では、Ｑスイッチ式固体レーザ５４及びＬＤレーザ５６が本発明におけるレーザ装置に相当し、ＬＤレーザ制御回路６０が本発明における制御装置に相当する。レーザ点火装置５０の他の構成は、レーザ点火装置１０の対応する構成と同じである。

したがって、第２の実施形態に係るレーザ点火装置５０によっても、レーザ点火装置１０の同様の作用によって同様の効果を得ることができる。すなわち、ピークパワーの大きいレーザパルスＬＰ１の照射によってブレークダウンを発生させてプラズマを生成させ、このプラズマにレーザパルスＬＰ２を照射することで、小さいトータルエネルギで燃焼室１４内の混合気Ｍに点火することができる。

なお、上記した各実施形態では、２つのレーザパルスＬＰ１、ＬＰ２を照射する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、エンジン１２の１点火行程（燃料噴霧）当たりに３つ以上のレーザパルスを点火位置ＩＰに向けて照射するようにしても良い。

また、上記した実施形態では、燃焼室１４内に点火位置ＩＰが１つである例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、複数の点火位置ＩＰにそれぞれ複数のレーザパルス（レーザパルスＬＰ１、ＬＰ２等）を照射するようにしても良い。

さらに、上記した実施形態では、光ファイバ３２を用いて、レーザ装置２６からレーザ出射部２８にレーザパルスを導き又はＬＤレーザ５６からＱスイッチ式固体レーザ５４にレーザ光を導く例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ミラー等を用いて、レーザ装置２６からレーザ出射部２８にレーザパルスを導いたり、又はＬＤレーザ５６からＱスイッチ式固体レーザ５４にレーザ光を導くようにしても良い。

またさらに、本発明は、上記した各実施形態の構成、方法に限定されることはなく、レーザパルスＬＰ１、ＬＰ２をこの順に所定の点火位置ＩＰに照射することが可能である構成であれば足り、各種変形した構成を取り得ることはいうまでもない。

さらに、上記した実施形態では、レーザパルスＬＰ２がレーザパルスＬＰ１に対しパルス幅及びエネルギ共に大である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、レーザパルスＬＰ２のエネルギがレーザパルスＬＰ１のエネルギと同等である構成としても良い。また例えば、レーザパルスＬＰ２のピークパワーＰ２は、単独でブレークダウンを発生させ得る大きさであっても良い。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ点火装置の概略全体構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ点火装置が照射するレーザパルスの形状を模式的に示す線図である。 （Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ点火装置でのレーザパルスの照射パターンを模したレーザパルスの照射実験結果を示す線図であり、（Ｂ）は、図３（Ａ９との比較例レーザパルスの照射実験結果を示す線図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ点火装置でのレーザパルスの照射間隔を変化させた場合のプラズマ発光の相違を示す線図である。 図３、図４の実験を行うための実験装置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ点火装置の概略全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態との比較例に係るレーザパルスの照射実験結果を示す線図であり、（Ａ）はプラズマが生成された場合の実験結果を示す線図、（Ｂ）はプラズマが生成されない場合の実験結果を示す線図である。

符号の説明

１０ レーザ点火装置
１２ エンジン（内燃機関）
１４ 燃焼室
２６ レーザ装置
３０ レーザ制御回路（制御装置）
５０ レーザ点火装置
５２ エンジン（内燃機関）
５４ Ｑスイッチ式固体レーザ（レーザ装置）
５６ ＬＤレーザ（レーザ装置）
６０ ＬＤレーザ制御回路（制御装置）
ＬＰ１ レーザパルス（第１レーザパルス）
ＬＰ２ レーザパルス（第２レーザパルス）

Claims (9)

1. 出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能とされ、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、
   点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第１レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第１のレーザパルスよりもピークパワーの低い第２レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、かつ前記第１レーザパルスと前記第２レーザパルスのパルス間隔が８．３ｎｓ以下となるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、
   を備えたレーザ点火装置。
2. 前記制御装置は、前記第１レーザパルスのパルス幅よりも前記第２レーザパルスのパルス幅が大きくなるように、前記レーザ装置を制御する請求項１記載のレーザ点火装置。
3. 前記制御装置は、前記第１レーザパルスのエネルギよりも前記第２レーザパルスのエネルギが大きくなるように、前記レーザ装置を制御する請求項２記載のレーザ点火装置。
4. 出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能とされ、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、
   点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第１レーザパルスが前記レーザ装置から出力された後、前記第１のレーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第２レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、かつ前記第１レーザパルスと前記第２レーザパルスのパルス間隔が８．３ｎｓ以下となるように、前記レーザ装置を制御する制御装置と、
   を備えたレーザ点火装置。
5. 燃焼室内の燃料に点火する点火装置として、請求項１〜請求項４の何れか１項記載のレーザ点火装置を備えた内燃機関。
6. 燃料に向けて、プラズマを生成し得るピークパワーの第１レーザパルスを照射する第１パルス照射ステップと、
   前記第１パルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射された位置に向けて、該第１レーザパルスよりもピークパワーが低い第２パルスを、前記第１レーザパルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射されてから、８．３ｎｓ以内に照射する第２パルス照射ステップと、
   を含むレーザ点火方法。
7. 前記第２パルス照射ステップで、前記第１レーザパルス照射ステップで照射される前記第１レーザパルスよりもパルス幅が大きい第２レーザパルスを照射する請求項６記載のレーザ点火方法。
8. 前記第２パルス照射ステップで、前記第１レーザパルス照射ステップで照射される前記第１レーザパルスよりもエネルギが大きい第２レーザパルスを照射する請求項７記載のレーザ点火方法。
9. 燃料に向けて、プラズマを生成し得るピークパワーの第１レーザパルスを照射する第１パルス照射ステップと、
   前記第１パルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射された位置に向けて、該第１レーザパルスよりもエネルギ及びパルス幅が大きい第２パルスを、前記第１レーザパルス照射ステップで前記第１レーザパルスが照射されてから、８．３ｎｓ以内に照射する第２パルス照射ステップと、
   を含むレーザ点火方法。

Images