JP6457759B2 - レーザ点火プラグを備えたエンジン - Google Patents

Description

本開示はレーザ点火プラグを備えたエンジンに関する。

発電などの用途で使用されるエンジンの一つとして、副室式ガスエンジンが用いられている。副室式ガスエンジンは、ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通する副室とを備えており、副室内に供給された着火用燃料ガスに対して着火装置により着火させるよう構成されている。副室内で発生した燃焼ガスは、副室の噴孔から火種（トーチ）として噴出し、主室内の混合ガスを燃焼させる。これにより、主室内の混合ガスが希薄混合ガスであっても燃焼可能とし、低燃費を実現している。また、主室での希薄混合ガスの燃焼は、比較的低温の燃焼であるため、ＮＯ_Ｘ等の発生量を低減し、低公害を実現できる。

ところで、このような副室式ガスエンジンの着火装置としてレーザ点火プラグを使用する場合、副室に面する位置に設けられたレーザ透過窓へのデポジット（堆積物）付着に起因するレーザ出力低下が問題となる場合がある。このデポジットは、圧縮行程において主室から副室へ流入する吸気ガスに含まれるオイルミスト等がレーザ透過窓に付着し、付着したオイルミストがレーザ着火により発生した燃焼ガスにさらされることにより炭化したものであると考えられる。

特許文献１には、内燃機関のためのレーザ点火プラグにおいて、レーザ透過窓にオイルの灰又は煤のような排ガスの特定の成分が堆積することを抑制するために、レーザ点火プラグが備えるケーシングに絞りを設けて、レーザ透過窓へ到達する流体の粒子数を低減することが記載されている。

特表２０１３−５２７３７６号公報

上述した特許文献１に記載されるレーザ点火プラグを副室式ガスエンジンに適用した場合、レーザ点火プラグが備えるケーシングに絞りを設けることにより、レーザ透過窓へ到着するオイルミスト等を低減することができるが、レーザ透過窓へ付着したオイルミスト等を除去することができない。このため、レーザ点火プラグを長期間使用した場合には、レーザ透過窓におけるデポジットの付着量が次第に増加して、レーザの出力低下が避けられない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、副室に供給される着火用燃料ガスにレーザ点火プラグを用いて着火するエンジンにおいて、長期にわたってレーザの出力低下を抑制することが可能なエンジンを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るエンジンは、ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通する副室とを備える副室式ガスエンジンであって、レーザを透過するレーザ透過窓を前記副室に面する位置に備え、前記副室に供給された着火用燃料ガスに前記レーザ透過窓を介してレーザを照射するよう構成されたレーザ点火プラグと、前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて第１ガスを噴射するよう構成された第１ガス供給路と、を更に備える。

上記（１）に記載エンジンによれば、レーザ透過窓の表面に付着したオイルミストに第１ガスが衝突し、該オイルミストを除去することができる。また、レーザ透過窓の表面及び該表面に付着したオイルミストを冷却することができるため、副室内での燃焼に伴うオイルミストの炭化を抑制し、レーザ透過窓の表面へのオイルミストの固着を抑制することができる。これにより、長期にわたってレーザ点火プラグのレーザの出力低下を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガスは前記着火用燃料ガスである。

上記（２）に記載のエンジンによれば、副室式ガスエンジンが本来的に備えている着火用燃料ガス供給路がレーザ透過窓に向けて着火用燃料ガスを噴射するよう構成されることにより、特段の付加的構成を設けることなく、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を得ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載のエンジンにおいて、前記副室を形成する副室口金は、内径ｒ_１を有する小径筒部と、前記内径ｒ_１よりも大きな内径ｒ_２を有し前記小径筒部に対して前記噴孔と反対側に設けられた大径筒部とを含み、前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓は、前記大径筒部に設けられている。

上記（３）に記載のエンジンによれば、噴孔から副室に流入したオイルミストがレーザ透過窓に到達しにくくなるため、レーザの出力低下を効果的に抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガス供給路は、前記副室を形成する副室口金の側周面から前記副室へ貫通して設けられている。

上記（４）に記載のエンジンによれば、レーザ点火プラグを副室の上面に配置した場合であっても、特段の付加的構成を設けることなく、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を得ることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（４）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガス供給路は、屈曲部又は湾曲部を有する。

上記（５）に記載のエンジンによれば、第１ガス供給路（着火用燃料ガス供給路）のレイアウトの自由度を高めることができる。例えば、レーザ点火プラグを副室の上面に配置した場合であっても、副室を形成する副室口金の上方から導いた第１ガスをレーザ透過窓へ向けて噴射するよう第１ガス供給路２２を構成することもできる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガスは、前記着火用燃料ガスとは異なるガスであり、第２ガスとしての前記着火用燃料ガスを前記副室に供給するための第２ガス供給路を更に備える。

上記（６）に記載のエンジンによれば、これにより、着火用燃料ガスの供給タイミングに関係なく任意のタイミングで、第１ガスを噴射してレーザ点火プラグのレーザ透過窓に付着したオイルミストを除去することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載のエンジンにおいて、前記第２ガス供給路は、前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて前記着火用燃料ガスを噴射するよう構成される。

上記（７）に記載のエンジンによれば、エンジンが本来的に備えている着火用燃料ガス供給路（第２ガス供給路）から噴射される着火用燃料ガスと、第１ガス（着火用燃料ガスとは異なるガス）の両方を利用して、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を得ることができる。この場合も、着火用燃料ガスの供給タイミングに関係なく任意のタイミングで、第１ガスを噴射してレーザ点火プラグのレーザ透過窓に付着したオイルミストを除去することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガスは空気または窒素である。

上記（８）に記載のエンジンによれば、特殊な洗浄剤等を用いることなく、レーザプラグのレーザ透過窓に付着したオイルミストを効果的に除去することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガス供給路による前記第１ガスの噴射を制御するよう構成されたガス供給制御部を備え、前記ガス供給制御部は、燃焼サイクル内における少なくとも圧縮行程の一部を含む期間において前記第１ガス供給路が前記第１ガスを噴射する通常モードを実行可能に構成される。

上記エンジンの圧縮行程では、ピストンの上昇に伴って主室から副室へオイルミストが流入してくる。したがって、上記（９）に記載のエンジンのように、オイルミストが流入してくるタイミングに合わせて少なくとも圧縮行程の一部を含む期間に第１ガス供給路が第１ガスを噴射することにより、オイルミストの流れる方向を変えて、レーザ透過窓の表面へ付着することを効果的に抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）に記載のエンジンにおいて、前記ガス供給制御部は、燃焼サイクル内において前記通常モードの実行期間よりも長い期間にわたって前記第１ガス供給路が前記第１ガスを噴射する洗浄モードを実行可能に構成される。

上記（１０）に記載のエンジンによれば、レーザ透過窓に付着したオイルミストを通常モードよりも効果的に除去することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）に記載のエンジンにおいて、前記ガス供給制御部は、前記レーザ点火プラグのレーザの出力状態に関する出力状態情報に基づいて、前記通常モードを実行するか前記洗浄モードを実行するかを決定するよう構成される。

上記（１１）に記載のエンジンによれば、例えば、レーザの出力が所定レベル以上の出力であると推定される場合には通常モードを実行し、レーザの出力が所定レベルを下回っていると推定される場合には洗浄モードを実行することで、洗浄モードの実行を必要最小限に留めることができる。このため、空燃比を最適範囲から必要以上にずらすことなく、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を得ることができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載のエンジンにおいて、失火サイクルの発生の有無を判定する失火サイクル判定部を更に備え、前記出力状態情報は、前記失火サイクル判定部の判定結果を含み、前記ガス供給制御部は、失火サイクルが発生していると前記失火サイクル判定部によって判定された場合に、前記洗浄モードを実行するよう構成される。

上記（１２）に記載のエンジンによれば、レーザの出力状態が低下している可能性が高い場合に洗浄モードが実行されるため、オイルミストを効果的なタイミングで除去することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１１）又は（１２）に記載のエンジンにおいて、所定サイクルにおける前記主室の圧力の変動係数を算出する変動係数算出部を更に備え、前記出力状態情報は、前記変動係数算出部の算出結果を含み、前記ガス供給制御部は、前記変動係数算出部によって算出された前記主室の圧力の変動係数が閾値を超えた場合に、前記洗浄モードを実行するよう構成される。

上記（１３）に記載のエンジンによれば、レーザの出力状態が低下している可能性が高い場合に洗浄モードが実行されるため、オイルミストを効果的なタイミングで除去することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１１）乃至（１３）に記載のエンジンにおいて、前記ガス供給制御部は、前記出力状態情報に関わらず、前記洗浄モードを複数サイクル連続して行わないよう構成される。

上記（１４）に記載のエンジンによれば、失火サイクルの連続発生を抑制することができる。

（１５）幾つかの実施形態に係るエンジンは、上記（１２）に記載のエンジンにおいて、当該エンジンは複数のシリンダを備え、前記ガス供給制御部は、前記複数のシリンダのうち二つ以上のシリンダについて前記失火サイクルが発生していると前記失火サイクル判定部によって判定された場合に、前記失火サイクルが発生していると判定された前記二つ以上のシリンダに対する前記洗浄モードの実行期間が重複しないように前記洗浄モードを実行するよう構成される。

上記（１５）に記載のエンジンによれば、二つ以上のシリンダにおいて失火が同時に発生することを抑制することができる。

（１６）幾つかの実施形態に係るエンジンは、上記（１３）に記載の副室式ガスエンジンにおいて、当該副室式ガスエンジンは複数のシリンダを備え、前記ガス供給制御部は、前記複数のシリンダのうち二つ以上のシリンダについて前記変動係数算出部によって算出した前記変動係数が閾値を超えた場合に、前記筒内圧の変動係数が閾値を超えた前記二つ以上のシリンダの前記洗浄モードの実行期間が重複しないように前記洗浄モードを実行するよう構成される。

上記（１６）に記載のエンジンによれば、二つ以上のシリンダにおいて失火が同時に発生することを抑制することができる。

（１７）幾つかの実施形態では、上記（１）又は上記（２）に記載のエンジンにおいて、前記第１ガス供給路は、前記レーザ点火プラグを取り付けた筐体の側面から、前記レーザ透過窓の表面に沿って第１ガスを噴射するよう構成される。

上記（１７）に記載のエンジンによれば、第１ガスの流速が速いので、デポジットを剥離させて除去する効果を高めることができる。また、混合気の濃度が高いので、着火性を高めることができる。また、レーザ透過窓の表面に沿って第１ガスが流れるため、第１ガスによってレーザ透過窓の表面及び該表面に付着したオイルミストを冷却することができる。これにより、副室内での燃焼に伴うオイルミストの炭化を効果的に抑制し、レーザ透過窓の表面へのオイルミストの固着を抑制することができる。したがって、長期にわたってレーザ点火プラグのレーザの出力低下を抑制することができる。

（１８）幾つかの実施形態では、上記（１７）に記載のエンジンにおいて、更に、着火用燃料ガスを供給するための着火用燃料ガス供給路と、着火用燃料ガスとは異なる第２ガスを供給するための第２ガス供給路と、を備え、前記第１ガス供給路は、前記着火用燃料ガス供給路及び前記第２ガス供給路に接続され、前記着火用燃料ガスと前記第２ガスの少なくとも一方を前記第１ガスとして噴射するよう構成される。

上記（１８）に記載のエンジンによれば、配管経路を簡素化することができる。また、ガス同士の干渉を回避することができるため、デポジットの除去効果を高めることができる。

（１９）幾つかの実施形態では、上記（１）、（２）、（１７）の何れか１項に記載のエンジンにおいて、前記副室を形成する副室口金は、内径ｒ_１を有する小径筒部と、前記内径ｒ_１よりも大きな内径ｒ_２を有し前記小径筒部に対して前記噴孔と反対側に設けられた大径筒部とを含み、前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓は、前記大径筒部に設けられ、前記第１ガス供給路は、前記レーザ透過窓の表面に沿って前記大径筒部の軸方向に前記第１ガスを噴射するよう構成される。

上記（１９）に記載のエンジンによれば、第１ガスの流速が速いので、デポジットを剥離させて除去する効果を高めることができる。また、混合気の濃度が高いので、着火性を高めることができる。また、レーザ透過窓の表面に沿って第１ガスが流れるため、第１ガスによってレーザ透過窓の表面及び該表面に付着したオイルミストを冷却することができる。これにより、副室内での燃焼に伴うオイルミストの炭化を効果的に抑制し、レーザ透過窓の表面へのオイルミストの固着を抑制することができる。したがって、長期にわたってレーザ点火プラグのレーザの出力低下を抑制することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、副室に供給される着火用燃料ガスにレーザ点火プラグを用いて着火するエンジンにおいて、長期にわたってレーザの出力低下を抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの概略構成を示す模式図ある。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 図６及び図７に示す副室式ガスエンジンの燃焼サイクル内におけるクランク角度に対する筒内圧力を示す図であり、通常モードと洗浄モードの実行期間（クランク角度範囲）を示している。 圧縮行程の少なくとも一部を含む期間に第１ガス供給路（洗浄ガス供給路）が第１ガスを噴射することにより、オイルミストの流れる方向を変える様子を示す図である。 通常モードを実行するか洗浄モードを実行するかを決定するフローを示す図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの副室近傍の構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」「一致」等の相対的な配置関係を表す表現は、厳密にそのような相対的配置関係を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る副室式ガスエンジンの概略構成を示す模式図ある。
副室式ガスエンジン１００は、シリンダ２と、シリンダ２内に収納され往復運動するピストン１１と、シリンダ２のシリンダヘッド２ａの周囲に接続された吸気ポート５及び排気ポート６と、吸気ポート５を開閉する吸気弁８と、排気ポート６を開閉する排気弁１０とを備えている。副室式ガスエンジン１００には、シリンダヘッド２ａとピストン１１との間に画定される主室１２（主燃焼室）が設けられている。

シリンダヘッド２ａには副室１４（副燃焼室）が設けられており、主室１２と副室１４とは、少なくとも一つの噴孔９により連通されている。副室１４には、副室１４に着火用燃料ガスを導入するための着火用燃料ガス供給路１６が接続されている。また、副室１４には、副室１４に導入された着火用燃料ガスを含む混合気に着火するためレーザ点火プラグ１８が設けられている。レーザ点火プラグ１８は、レーザを透過するレーザ透過窓２０を副室１４に面する位置に備え、副室１４に供給された着火用燃料ガスにレーザ透過窓２０を介してレーザを照射するよう構成されている。
副室内で発生した燃焼ガスは、図１の噴孔９近傍に破線で示すように、副室１４の噴孔９から火種（トーチ）として噴出し、主室１２内の混合ガスを燃焼させる。これにより、主室１２内の混合ガスが希薄混合ガスであっても燃焼可能とし、低燃費を実現している。また、主室１２での希薄混合ガスの燃焼は、比較的低温の燃焼であるため、ＮＯ_Ｘ等の発生量を低減し、低公害を実現できる。

次に、図１に示した副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の具体的構成例について、図２〜図７を用いて幾つかの実施形態を説明する。

図２は、一実施形態に係る副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の構成を示す模式図である。図３は、一実施形態に係る副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の構成を示す模式図である。図４は、一実施形態に係る副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の構成を示す模式図である。図５は、一実施形態に係る副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の構成を示す模式図である。図６は、一実施形態に係る副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の構成を示す模式図である。図７は、一実施形態に係る副室式ガスエンジン１００の副室１４近傍の構成を示す模式図である。

幾つかの実施形態では、例えば図２〜図７に示すように、副室式ガスエンジン１００は、レーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて第１ガスｇ_１を噴射するよう構成された第１ガス供給路２２（１６，２８）を備えている。

これにより、レーザ透過窓２０の表面２０ａに付着したオイルミストに第１ガスｇ_１が衝突し、該オイルミストを除去することができる。また、レーザ透過窓２０の表面２０ａ及び該表面２０ａに付着したオイルミストを冷却することができるため、副室１４内での燃焼に伴うオイルミストの炭化を抑制し、レーザ透過窓２０の表面２０ａへのオイルミストの固着を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図２〜５に示すように第１ガス供給路２２は着火用燃料ガス供給路１６である。この場合、第１ガスｇ_１は着火用燃料ガスである。すなわち、図２〜５に示す副室式ガスエンジン１００では、副室１４に着火用燃料ガスを導入するための着火用燃料ガス供給路１６が、レーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて着火用燃料ガスを噴射するよう構成されている。

このように、副室式ガスエンジン１００が本来的に備えている着火用燃料ガス供給路１６がレーザ透過窓２０に向けて着火用燃料ガスを噴射するよう構成されることで、特段の付加的構成を設けることなく、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を得ることができる。

幾つかの実施形態では、例えば図２に示すように、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）は、副室１４を形成する副室口金２４の側周面２４ａから副室１４へ貫通して設けられている。また、図２に示した実施形態では、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）は、副室口金２４の側周面２４ａを直線状に貫通して設けられており、その直線上にレーザ透過窓２０が設けられている。

幾つかの実施形態では、例えば図３又は図４に示すように、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）は、湾曲部１６ａ又は屈曲部１６ｂを有する。
図３に示した実施形態では、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）は、後述する副室口金２４の大径筒部２８の上面２４ｂから大径筒部２８の内部へ延びる第１直線部１６ｃと、第１直線部１６ｃに接続し副室へ連通する湾曲部１６ａとを有する。図４に示した実施形態では、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）は、後述する副室口金２４の大径筒部２８の上面２４ｂから大径筒部２８の内部へ延びる第１直線部１６ｃと、第１直線部１６ｃに接続し副室へ連通する第２直線部１６ｄとを有する。第２直線部１６ｄの延長線上にレーザ透過窓２０が設けられている。

このように、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）に湾曲部１６ａ又は屈曲部１６ｂを設けることにより、第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）のレイアウトの自由度を高めることができる。例えば、図３及び図４に示すようにレーザ点火プラグ１８を副室１４の上面１４ａに配置した場合において、副室１４を形成する副室口金２４の側周面２４ａから副室１４へ第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）を貫通させることが困難であっても、副室１４を形成する副室口金２４の上面２４ｂから導いた第１ガスをレーザ透過窓２０へ向けて噴射するよう第１ガス供給路２２を構成することができる。また、図３を用いて説明したように第１直線部１６ｃと第２直線部１６ｄによって第１ガス供給路２２（着火用燃料ガス供給路１６）を構成する場合、副室口金２４の上面２４ｂ側及び内周２４ｃ側から容易に穿孔することができるため、加工性の点でメリットがある。

幾つかの実施形態では、例えば図５及び図１３に示すように、副室１４を形成する副室口金２４は、内径ｒ_１を有する小径筒部２６と、内径ｒ_１よりも大きな内径ｒ_２を有し小径筒部２６に対して副室１４の延設方向ｄ_１（上下方向）において噴孔９と反対側に位置する大径筒部２８とを含み、レーザ透過窓２０は大径筒部２８に設けられている。また、小径筒部２６と大径筒部２８とは同心円状に配置されており、小径筒部２６と大径筒部２８との間には、小径筒部２６から大径筒部２８に向かって内径がｒ_１からｒ_２まで一様に拡大する遷移区間３７が設けられている。そしてレーザ透過窓２０は、小径筒部２６の内周面２６ａよりも外周側に位置するように、大径筒部２８の内周面２８ａに設けられている。

幾つかの実施形態では、例えば図６及び図７に示すように、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）は、着火用燃料ガスとは異なるガス（以下、洗浄ガスと記載する場合がある）を第１ガスｇ_１としてレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて噴射するよう構成されている。この場合、副室式ガスエンジン１００は、第２ガスｇ_２としての着火用燃料ガスを副室１４に供給するための第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）を備えている。すなわち、図６及び図７に示す副室式ガスエンジン１００は、該エンジン１００が本来的に備えている着火用燃料ガス供給路１６とは別に、レーザ透過窓２０を洗浄するための洗浄ガスを第１ガスとしてレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて噴射するよう構成された第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）を備えている。なお洗浄ガスとしては、例えば空気や窒素を用いてもよい。

これにより、着火用燃料ガスの供給タイミングに関係なく任意のタイミングで、第１ガスｇ_１（洗浄ガス）を噴射してレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に付着したオイルミストを除去することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）は、着火用燃料ガスとは異なる第１ガス（洗浄ガス）をレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて噴射するよう構成されており、第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）は、レーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて第２ガスｇ_２（着火用燃料ガス）を噴射するよう構成されている。
図７に示した実施形態では、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）と第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）とは、互いに周方向に対向する位置に設けられている。図示した実施形態では、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）および第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）は、ともに副室口金２４の側周面２４ａから副室１４へ直線状に貫通して設けられているが、図３および図４に示したように、湾曲部１６ａ又は屈曲部１６ｂを有するように構成することも出来る。

これにより、副室式ガスエンジン１００が本来的に備えている着火用燃料ガス供給路１６から噴射される着火用燃料ガスと、洗浄ガスの両方を利用して、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を得ることができる。この場合も、任意のタイミングで洗浄ガスを噴射してレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に付着したオイルミストを除去することができる。

ここで、図６及び図７に示す幾つかの実施形態における第１ガス（洗浄ガス）の噴射制御について説明する。図６及び図７に示す幾つかの実施形態では、副室式ガスエンジン１００は、ガス供給制御部３２及び筒内圧センサ３４を備えている。ガス供給制御部は３２、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、およびＩ／Ｏインターフェイスなどからなるマイクロコンピュータとして構成されている。

ガス供給制御部３２は、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）による第１ガスｇ_１の噴射と第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）による第２ガスｇ_２の噴射とを制御するよう構成されている。ガス供給制御部３２は、例えば第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）に設けられたバルブ２９と第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）に設けられたバルブ３１の開閉をバルブ制御部３３により制御することにより、第１ガスｇ_１の噴射と第２ガスｇ_２の噴射とを制御してもよい。

図６及び図７に示す幾つかの実施形態では、ガス供給制御部３２は、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）が第１ガス（洗浄ガス）をレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０に向けて噴射するモードとして、通常モード及び洗浄モードを実行可能に構成されている。ガス供給制御部３２は、副室式ガスエンジン１００の通常運転時には通常モードを実行し、レーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０の洗浄の必要性が高い場合に洗浄モードを実行するよう構成されている。通常モードと洗浄モードは副室式ガスエンジン１００の燃焼サイクル内における実行期間（第１ガスの噴射期間）が異なる。

ここで、図６及び図７に示す副室式ガスエンジン１００の燃焼サイクル内における通常モードと洗浄モードの実行期間について、４ストローク／１サイクルエンジンの場合を例として図８にて説明する。

図８に示すように、通常モードは、副室式ガスエンジン１００の燃焼サイクル内における少なくとも圧縮行程の一部を含む期間に実行される。図８に例示する通常モードの実行期間は吸入工程〜圧縮行程である。なお、通常モード時には、第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）及び第２ガス供給路３０（着火用燃料ガス供給路１６）から第１ガス（洗浄ガス）及び第２ガス（着火用燃料ガス）を同時に噴射してもよい。

図８に示すように、洗浄モードは、副室式ガスエンジン１００の燃焼サイクル内において通常モードの実行期間よりも長い期間に亘って実行される。これにより、上述のオイルミストの除去効果、オイルミストの炭化及び固着の抑制効果を高めることができる。図８に例示する洗浄モードの実行期間は排気工程〜圧縮行程（点火時期まで）であり、副室式ガスエンジン１００の燃焼サイクル内における少なくとも圧縮行程の一部を含んでいる。

図６及び図７に示す実施形態では、通常モードとして、副室式ガスエンジン１００の燃焼サイクル内における少なくとも圧縮行程の一部を含む期間に第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）が第１ガスｇ_１（洗浄ガス）を噴射することにより、図９を用いて以下に説明する効果を得ることができる。図９に示すように、圧縮行程では、ピストン１１（図１参照）の上昇に伴って主室１２から副室１４へオイルミストが流入してくる。したがって、オイルミストが流入してくるタイミングに合わせて圧縮行程の少なくとも一部を含む期間に第１ガス供給路２２（洗浄ガス供給路２８）が第１ガスｇ_１を噴射することにより、オイルミストの流れる方向を変えて、レーザ透過窓２０の表面２０ａへ付着することを効果的に抑制することができる。

ガス供給制御部３２は、レーザ点火プラグのレーザの出力状態に関する出力状態情報に基づいて、通常モードを実行するか洗浄モードを実行するかをモード決定部３５により決定するよう構成されている。ガス供給制御部３２は、通常運転時には通常モードを実行し、レーザの出力が低下していることを示す出力状態情報が得られた場合にのみ洗浄モードを実行してもよい。ここで、レーザの出力状態に関する出力状態情報は、エンジンの運転時間が長い程レーザ透過窓２０に付着したオイルミストのデポジット化が進行することに鑑み、単純にレーザ透過窓２０の前回の洗浄からの運転時間として設定することも可能である。また、以下に詳述するように、筒内圧センサ３４によって計測された筒内圧に基づいて、レーザの出力状態を推定したものであっても良い。

ガス供給制御部３２は、レーザの出力状態を推定するために、失火サイクル判定部３６及び変動係数算出部３８を備えている。失火サイクル判定部３６は、筒内圧センサ３４によって計測された主室１２の圧力（筒内圧）に基づいて失火サイクルの発生の有無を判定するよう構成されている。変動係数算出部３８は、筒内圧センサ３４によって計測された所定サイクルにおける主室１２の圧力の変動係数（ＣＯＶ, Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ）を算出するよう構成されている。この場合、レーザの出力状態に関する出力状態情報は、失火サイクル判定部３６の判定結果と変動係数算出部３８の算出結果を含み、ガス供給制御部３２のモード決定部３５が出力状態情報に基づいて通常モードを実行するか洗浄モードを実行するかを以下のように決定する。

ガス供給制御部３２のモード決定部３５は、図１０に示すフローにしたがって、通常モードを実行するか洗浄モードを実行するかを決定する。図１０に示すフローにおいて、まずＳ１１で、筒内圧センサ３４が主室１２の筒内圧を計測する。次に、Ｓ１１で筒内圧センサ３４により計測した筒内圧に基づいて、Ｓ１２で失火サイクル判定部３６が失火サイクルの発生の有無を判定する。失火サイクルの発生の有無は、例えば、筒内圧センサ３４で計測した１燃焼サイクルにおける最大筒内圧と閾値とを比較し、計測した最大筒内圧が閾値を下回った場合に、当該燃焼サイクルにおいて失火が発生したものと判定することができる。Ｓ１２で失火サイクルが発生していると失火サイクル判定部３６が判定した場合、レーザの出力状態が低下している可能性が高いため、Ｓ１３でガス供給制御部３２が洗浄モードを実行する。Ｓ１２で失火サイクルが発生していないと失火サイクル判定部３６が判定した場合、Ｓ１４で、変動係数算出部３８によって算出された主室１２の最大筒内圧の所定サイクルにおける変動係数が閾値を超えているか否かを判定する。最大筒内圧の所定サイクルにおける変動係数が大きいということは、最大筒内圧の変化が大きいことを意味する。Ｓ１４で変動係数が閾値を超えていると判定した場合、レーザの出力状態が低下している可能性が高いため、Ｓ１３でガス供給制御部３２が洗浄モードを実行する。Ｓ１４で変動係数が閾値を超えていないと判定した場合、Ｓ１５でガス供給制御部３２が通常モードを実行する。

なお、洗浄モードを実行すると、副室１４内に燃料ガスとは異なる洗浄ガスが導入されるため、副室１４内における空燃比が最適値からずれてしまう可能性がある。例えば洗浄ガスが窒素である場合、副室１４内に窒素を導入することにより、副室１４内におけるＯ_２の濃度や空気過剰率が低下して失火が生じるリスクがある。したがって、図６及び図７に示すガス供給制御部３２は、洗浄モードの実行に対して以下に記載するような制約条件を課してもよい。

幾つかの実施形態では、図６及び図７に示すガス供給制御部３２は、レーザの出力状態に関する出力状態情報（失火サイクル判定部３６の判定結果及び変動係数算出部３８の算出結果）に関わらず、洗浄モードを複数サイクル連続して行わないよう構成されてもよい。例えば図６及び図７に示す副室式ガスエンジン１００が複数のシリンダ２（気筒）を備えている場合、各シリンダ２について、上記出力状態情報に関わらず、洗浄モードの実行間隔を数サイクル以上空けてもよい（表１参照）。これにより、失火サイクルが連続して発生するリスクを抑制することができる。

なお、表１は、図６及び図７に示す副室式ガスエンジン１００が複数のシリンダ２を備えている場合における、洗浄モードの実行タイミングの例を示している。表１では、複数のシリンダ２（シリンダＡ〜シリンダＤ）のうちシリンダＣとシリンダＤにおいてレーザの出力が許容レベルを下回った場合（失火サイクル判定部３６によって失火サイクルが発生していると判定された場合、又は変動係数算出部３８によって算出した変動係数が閾値を超えた場合）について、その後の燃焼サイクルのうち洗浄モードを実行するサイクルに「ｅ」を記し、洗浄モードを実行しないサイクルに「＊」を記している。

幾つかの実施形態では、図６及び図７に示す副室式ガスエンジン１００が複数のシリンダ２を備えている場合において、ガス供給制御部３２は、複数のシリンダ２のうち二つ以上のシリンダ２について失火サイクルが発生していると失火サイクル判定部３６によって判定された場合に、失火サイクルが発生していると判定された二つ以上のシリンダ２に対する洗浄モードの実行期間が重複しないように洗浄モードを実行するよう構成されてもよい（表１参照）。これにより、二つ以上のシリンダ２において失火が同時に発生するリスクを抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図６及び図７に示す副室式ガスエンジン１００が複数のシリンダ２を備えている場合において、ガス供給制御部３２は、複数のシリンダ２のうち二つ以上のシリンダ２について変動係数算出部３８によって算出した変動係数が閾値を超えた場合に、筒内圧の変動係数が閾値を超えた二つ以上のシリンダ２の洗浄モードの実行期間が重複しないように洗浄モードを実行するよう構成されてもよい（表１参照）。これにより、二つ以上のシリンダ２において失火が同時に発生することを抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図１１〜図１３に示すように、第１ガス供給路２２は、レーザ点火プラグ１８を取り付けたホルダ５０（筐体）の側面５０ａから、レーザ透過窓２０の表面２０ａに沿って第１ガスｇ_１を噴射するよう構成される。この場合、第１ガス供給路２２の開口部２２ａは、レーザ透過窓２０の表面２０ａの側方に設けられ、第１ガス供給路２２は、レーザ透過窓２０の表面２０ａに略平行に第１ガスを噴射する。
図１１及び図１３に示す実施形態では、第１ガス供給路２２は、着火用燃料ガスを第１ガスとして噴射するよう構成された着火用燃料ガス供給路１６として構成してもよい。
また、図１３に示すようにレーザ透過窓２０が大径筒部２８の内周面２８ａに設けられる場合には、第１ガス供給路２２は、大径筒部２７の軸方向に第１ガスを噴射するよう構成してもよい。この場合、第１ガス供給路２２の開口部が大径筒部２７の軸と平行に取り付けられ、第１ガス供給路２２の開口部のガス流れ方向に対してほぼ平行にレーザ点火プラグ１８のレーザ透過窓２０が設けてもよい。

図１１〜図１３に示される上記構成によれば、第１ガスの流速が速いので、デポジットを剥離させて除去する効果を高めることができる。また、混合気の濃度が高いので、着火性を高めることができる。また、レーザ透過窓２０の表面２０ａに沿って第１ガスが流れるため、第１ガスによってレーザ透過窓２０の表面２０ａ及び該表面２０ａに付着したオイルミストを冷却することができる。これにより、副室１４内での燃焼に伴うオイルミストの炭化を効果的に抑制し、レーザ透過窓２０の表面２０ａへのオイルミストの固着を抑制することができる。したがって、長期にわたってレーザ点火プラグ１８のレーザの出力低下を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図１２に示すように、着火用燃料ガスを供給するための着火用燃料ガス供給路１６と、着火用燃料ガスとは異なる洗浄ガス（第２ガス）を供給するための洗浄ガス供給路２８（第２ガス供給路３０）と、を更に備えていてもよい。この場合、第１ガス供給路２２は、着火用燃料ガス供給路１６及び洗浄ガス供給路２８に接続され、着火用燃料ガスと洗浄ガスの少なくとも一方を第１ガスとして噴射するよう構成される。

図１２に示す実施形態では、着火用燃料ガス供給路１６に設けられたバルブ３１及び洗浄ガス供給路２８に設けられたバルブ２９を調節することにより、第１ガス供給路２２が着火用燃料ガスと洗浄ガスの少なくとも一方を第１ガスとして噴射する。また、着火用燃料ガス供給路１６と洗浄ガス供給路２８とは集合配管５１（連結部材）に接続され、集合配管５１はホルダ５０にねじ込まれて固定されている。第１ガス供給路２２は、集合配管５１を介して着火用燃料ガス供給路１６及び第２ガス供給路３０に接続されている。

図１２に示す上記構成によれば、配管経路を簡素化することができる。また、ガス同士の干渉を回避することができるため、図６に示した構成と比較して、デポジットの剥離効果を高めることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。なお、本発明はガスエンジンを例に説明したが、他のエンジン（ジェットエンジンのような外燃機関や、ロケットエンジン等を含む）にも適用可能である。

２ シリンダ
２ａ シリンダヘッド
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 噴孔
１０ 排気弁
１１ ピストン
１２ 主室
１４ 副室
１４ａ 副室の上面
１６ 着火用燃料ガス供給路
１６ａ 屈曲部
１６ｂ 湾曲部
１６ｃ 第１直線部
１６ｄ 第２直線部
１８ レーザ点火プラグ
２０ レーザ透過窓
２０ａ レーザ透過窓の表面
２２ 第１ガス供給路
２２a 第１ガス供給路の開口部
２４ 副室口金
２４ａ 副室口金の側周面
２４ｂ 副室口金の上面
２６ 小径筒部
２７ 大径筒部
２８ 洗浄ガス供給路
２９ バルブ
３０ 第２ガス供給路
３１ バルブ
３２ ガス供給制御部
３３ バルブ制御部
３４ 筒内圧センサ
３５ モード決定部
３６ 失火サイクル判定部
３８ 変動係数算出部
５０ ホルダ
５１ 集合配管
１００ 副室式ガスエンジン

Claims (19)

1. ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通する副室とを備えるエンジンであって、
   レーザを透過するレーザ透過窓を前記副室に面する位置に備え、前記副室に供給された着火用燃料ガスに前記レーザ透過窓を介してレーザを照射するよう構成されたレーザ点火プラグと、
   前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて第１ガスを噴射するよう構成された第１ガス供給路と、
   を更に備え、
   前記第１ガスは、前記着火用燃料ガスとは異なるガスであり、
   第２ガスとしての前記着火用燃料ガスを前記副室に供給するための第２ガス供給路を更に備え、
   前記第２ガス供給路は、前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて前記着火用燃料ガスを噴射するよう構成される
   エンジン。
2. ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通する副室とを備えるエンジンであって、
   レーザを透過するレーザ透過窓を前記副室に面する位置に備え、前記副室に供給された着火用燃料ガスに前記レーザ透過窓を介してレーザを照射するよう構成されたレーザ点火プラグと、
   前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて第１ガスを噴射するよう構成された第１ガス供給路と、
   を更に備え、
   前記第１ガスは、前記着火用燃料ガスとは異なるガスであり、
   第２ガスとしての前記着火用燃料ガスを前記副室に供給するための第２ガス供給路を更に備え、
   前記第１ガス供給路による前記第１ガスの噴射を制御するよう構成されたガス供給制御部を備え、
   前記ガス供給制御部は、燃焼サイクル内における少なくとも圧縮行程の一部を含む期間において前記第１ガス供給路が前記第１ガスを噴射する通常モードを実行可能に構成され、
   前記ガス供給制御部は、燃焼サイクル内において前記通常モードの実行期間よりも長い期間にわたって前記第１ガス供給路が前記第１ガスを噴射する洗浄モードを実行可能に構成される
   エンジン。
3. 前記副室を形成する副室口金は、内径ｒ_１を有する小径筒部と、前記内径ｒ_１よりも大きな内径ｒ_２を有し前記小径筒部に対して前記噴孔と反対側に設けられた大径筒部とを含み、
   前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓は、前記大径筒部に設けられている請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記第１ガス供給路は、前記副室を形成する副室口金の側周面から前記副室へ貫通して設けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジン。
5. 前記第１ガス供給路は、屈曲部又は湾曲部を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジン。
6. 前記第２ガス供給路は、前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて前記着火用燃料ガスを噴射するよう構成される請求項２に記載のエンジン。
7. 前記第１ガスは空気または窒素である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエンジン。
8. 前記第１ガス供給路による前記第１ガスの噴射を制御するよう構成されたガス供給制御部を備え、
   前記ガス供給制御部は、燃焼サイクル内における少なくとも圧縮行程の一部を含む期間において前記第１ガス供給路が前記第１ガスを噴射する通常モードを実行可能に構成される請求項１に記載のエンジン。
9. 前記ガス供給制御部は、燃焼サイクル内において前記通常モードの実行期間よりも長い期間にわたって前記第１ガス供給路が前記第１ガスを噴射する洗浄モードを実行可能に構成される請求項８に記載のエンジン。
10. 前記ガス供給制御部は、前記レーザ点火プラグのレーザの出力状態に関する出力状態情報に基づいて、前記通常モードを実行するか前記洗浄モードを実行するかを決定するよう構成される請求項２又は９に記載のエンジン。
11. 失火サイクルの発生の有無を判定する失火サイクル判定部を更に備え、
    前記出力状態情報は、前記失火サイクル判定部の判定結果を含み、
    前記ガス供給制御部は、失火サイクルが発生していると前記失火サイクル判定部によって判定された場合に、前記洗浄モードを実行するよう構成される請求項１０に記載のエンジン。
12. 所定サイクル数における前記主室の圧力の変動係数を算出する変動係数算出部を更に備え、
    前記出力状態情報は、前記変動係数算出部の算出結果を含み、
    前記ガス供給制御部は、前記変動係数算出部によって算出された前記主室の圧力の変動係数が閾値を超えた場合に、前記洗浄モードを実行するよう構成される請求項１０又は１１に記載のエンジン。
13. 前記ガス供給制御部は、前記出力状態情報に関わらず、前記洗浄モードを複数サイクル連続して行わないよう構成される請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のエンジン。
14. 当該エンジンは複数のシリンダを備え、
    前記ガス供給制御部は、前記複数のシリンダのうち二つ以上のシリンダについて前記失火サイクルが発生していると前記失火サイクル判定部によって判定された場合に、前記失火サイクルが発生していると判定された前記二つ以上のシリンダに対する前記洗浄モードの実行期間が重複しないように前記洗浄モードを実行するよう構成される請求項１１に記載のエンジン。
15. 当該エンジンは複数のシリンダを備え、
    前記ガス供給制御部は、前記複数のシリンダのうち二つ以上のシリンダについて前記変動係数算出部によって算出した前記変動係数が閾値を超えた場合に、前記筒内圧の変動係数が閾値を超えた前記二つ以上のシリンダの前記洗浄モードの実行期間が重複しないように前記洗浄モードを実行するよう構成される請求項１２に記載のエンジン。
16. ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通する副室とを備えるエンジンであって、
    レーザを透過するレーザ透過窓を前記副室に面する位置に備え、前記副室に供給された着火用燃料ガスに前記レーザ透過窓を介してレーザを照射するよう構成されたレーザ点火プラグと、
    前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて第１ガスを噴射するよう構成された第１ガス供給路と、
    を更に備え、
    前記第１ガス供給路は、前記レーザ点火プラグを取り付けた筐体の側面から、前記レーザ透過窓の表面に沿って第１ガスを噴射するよう構成され、
    更に、着火用燃料ガスを供給するための着火用燃料ガス供給路と、着火用燃料ガスとは異なる第２ガスを供給するための第２ガス供給路と、を備え、
    前記第１ガス供給路は、前記着火用燃料ガス供給路及び前記第２ガス供給路に接続され、前記着火用燃料ガスと前記第２ガスの少なくとも一方を前記第１ガスとして噴射するよう構成される
    エンジン。
17. ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通する副室とを備えるエンジンであって、
    レーザを透過するレーザ透過窓を前記副室に面する位置に備え、前記副室に供給された着火用燃料ガスに前記レーザ透過窓を介してレーザを照射するよう構成されたレーザ点火プラグと、
    前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓に向けて第１ガスを噴射するよう構成された第１ガス供給路と、
    を更に備え、
    前記副室を形成する副室口金は、内径ｒ _１ を有する小径筒部と、前記内径ｒ _１ よりも大きな内径ｒ _２ を有し前記小径筒部に対して前記噴孔と反対側に設けられた大径筒部とを含み、
    前記レーザ点火プラグの前記レーザ透過窓は、前記大径筒部に設けられ、
    前記第１ガス供給路は、前記レーザ透過窓の表面に沿って前記大径筒部の軸方向に前記第１ガスを噴射するよう構成される
    エンジン。
18. 前記第１ガスは前記着火用燃料ガスである請求項１６又は１７に記載のエンジン。
19. 前記第１ガス供給路は、前記レーザ点火プラグを取り付けた筐体の側面から、前記レーザ透過窓の表面に沿って第１ガスを噴射するよう構成される請求項１７に記載のエンジン。
    

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