JP6804373B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を有し、シリンダヘッドに点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部の内部に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられるエンジンに関する。

従来、火花点火エンジンでは、希薄混合気の希薄限界を拡大し高効率化を図る目的で、希薄混合気の安定した着火を確保するべく、点火プラグ本体の点火点を覆って点火室を形成するプラグカバーを備えたプレチャンバープラグをシリンダヘッドに備える場合がある。
当該プレチャンバープラグは、そのプラグカバーに単数又は複数の連通孔を設けて構成され、当該連通孔が点火室と燃焼室とを連通するように構成されている。当該連通孔は、吸気行程において燃焼室に吸気された燃焼用空気と燃料との混合気を、主に圧縮行程において燃焼室から点火室へ流入させると共に、燃焼膨張行程において点火室内で混合気を火花点火することにより形成された燃焼火炎を点火室から燃焼室へ噴出させる。燃焼室では、連通孔から噴出された燃焼火炎により混合気が燃焼することとなる（特許文献１を参照）。

一方、特許文献２に記載の如く、燃焼室と連通する点火室の点火点にレーザー光を集光可能なレーザー点火型エンジンが知られている。
当該レーザー点火型エンジンでは、所望の点火タイミングにおいて、高密度のレーザー光を点火点に集光することで、所望の点火タイミングにて点火室の点火点にて点火するものである。

特開２００７−７７９０２号公報 特表２０１２−５１８１２０号公報

上記特許文献１に開示の火花点火エンジンにおいて、点火室の内部には、排気行程においても排気路へ排出されない残留ガスが残るため、点火タイミングでは、吸気圧縮行程にて点火室の内部へ流入する新気と残留ガスとが、点火室の内部に存在することとなる。そして、発明者らは、これらの新気と残留ガスは、一般的なプレチャンバープラグの連通孔の設置状態にあっては、十分に混合せず、点火室の内部において、燃焼室側で新気の濃度が高く、シリンダヘッド側で残留ガスの濃度が高くなり、点火室の内部において、燃焼室からシリンダヘッドへ向かう方向に沿って、略層状の状態となることを確認している。

尚、エンジンの起動時や、希薄領域での燃焼変動の発生時等の不安定燃焼時において、失火が発生する場合がある。このように、点火室を備えるエンジンにおいて失火が発生した場合、点火室の内部に残留ガスが滞留すること等が原因で、燃焼条件を変動しないままでは、再度、点火することが困難であるため、従来は、燃料をリッチ側とする等の制御が実行されていた。しかしながら、不安定燃焼が発生する毎に燃料濃度を高くする制御を行う場合、効率の悪化につながるため、改善が望まれていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動時や希薄領域での燃焼変動の発生等の不安定燃焼時においても、例えば希薄燃焼状態を維持して熱効率の低下を抑制しながらも、点火を維持し続けることができると共に、通常燃焼時においては、火炎ジェットの効果を最大限に発揮して希薄限界を広げ得るエンジンを提供する点にある。

上記目的を達成するためのエンジンは、
点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を有し、シリンダヘッドに点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部の内部に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられるエンジンであって、その特徴構成は、
前記点火点カバー部に設けられるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を、前記レーザー光の光軸が前記燃焼室と前記点火室とを通る状態で配設して備え、
前記燃焼室の燃焼状態に基づいて、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置と前記連通孔との距離を、前記光軸に沿う方向で調整する点火点位置調整部を備える点にある。

本発明の作用効果に先立ち、点火点位置の調整の効果を、実験結果に基づいて説明する。
当該実験は、図３に示すような疑似燃焼室３と疑似点火室１４とを有する定容容器に対し、予混合タンクで混合した混合気を送り、疑似点火室１４の内部にて火花点火して、疑似燃焼室３の圧力の経時変化を測定すると共に、高速度ビデオカメラを用いて疑似燃焼室３の上方の耐熱ガラス窓から火炎の伝播状態を撮像したものである。疑似燃焼室３と疑似点火室１４とは、一の連通孔１５にて連通される構成とした。燃焼排ガスは、１度の点火毎にバキュームポンプにより疑似燃焼室３及び疑似点火室１４から掃気し、その後、予混合気を疑似燃焼室３及び疑似点火室１４へ吸気し、静定したのちに点火した。予混合タンク内は、メタンと圧縮空気とによる均一な定温の予混合気を形成した。定容容器において、疑似燃焼室３は、直径７０ｍｍ、高さ３７ｍｍの円筒型で、容積は１４２．４ｃｍ^３とし、疑似点火室１４は、疑似燃焼室３の周方向の側脇に設け、直径１３ｍｍ、高さ９ｍｍの円筒形で、容積は１．２ｃｍ^３とした。

当該実験においては、図３に示すように、疑似点火室１４の内部にて、点火点位置と連通孔１５との距離を変化させた。
具体的には、点火点位置を、疑似点火室１４の内部において、連通孔１５から０ｍｍの位置（図３でＰ１で示す位置）と、連通孔１５から４ｍｍの位置で疑似点火室１４の略中央の位置（図３でＰ２で示す位置）と、連通孔１５から９ｍｍの位置で疑似点火室１４で連通孔１５と対向する壁の近傍の位置（図３でＰ３で示す位置）とに設定した場合において、圧力の経時変化と、火炎の伝播状態とを計測した。
点火点位置を、連通孔１５から０ｍｍの位置（図３でＰ１で示す位置）に設定した場合、図５上段の撮像画像に示すように、連通孔１５から球状火炎伝播のみが発生しており、そのときの圧力の経時変化は図４に示すように、緩慢なものとなっている。即ち、当該点火点位置では、疑似点火室１４から疑似燃焼室３への火炎ジェットは形成されない。このような燃焼形態では、希薄混合気を用いた場合には、当該希薄混合気を点火時期近傍で良好に燃やすことができず、希薄限界を拡大することは難しい。
点火点位置を、連通孔１５から４ｍｍの位置で疑似点火室１４の略中央の位置（図３でＰ２で示す位置）に設定した場合、図５下段の撮像画像に示すように、連通孔１５から球状火炎伝播が発生した後に火炎ジェットが発生しており、２段階の火炎が形成されている。このときの圧力の経時変化は図４に示すように、連通孔１５から０ｍｍの位置（図３でＰ１で示す位置）の場合よりは急峻な変化をしているが、比較的緩慢である。
点火点位置を、連通孔１５から９ｍｍの位置で疑似点火室１４で連通孔１５と対向する壁の近傍の位置（図３でＰ３で示す位置）に設定した場合、撮像画像は取得していないが、その圧力の経時変化は、図４に示すように、０ｍｍ及び４ｍｍの場合に比べて急峻な立ち上がりを示しており、疑似燃焼室３の内部の混合気は、火炎ジェットにより良好に燃焼されていると推察される。結果、希薄限界を拡大するという観点からは、点火点位置は、疑似点火室１４の内部において、なるべく、連通孔１５から離間した位置に設定することが好ましいという知見を得ている。
即ち、発明者らは、点火室を有する火花点火エンジンにおいては、点火室の内部での点火点位置と連通孔との位置関係が、希薄限界を拡大する上で、非常に重要なファクターであるという知見を得た。

更に、上述したように、発明者らは、点火室を有する火花点火エンジンにおいて、点火室の内部には、排気行程においても排気路へ排出されない残留ガスが残るため、点火タイミングでは、吸気圧縮行程にて点火室の内部へ流入する新気と残留ガスとが、点火室の内部に存在することとなる。そして、発明者らは、これらの新気と残留ガスは、一般的なプレチャンバープラグの連通孔の設置状態にあっては、十分に混合せず、点火室の内部において、燃焼室側で新気の濃度が高く、シリンダヘッド側で残留ガスの濃度が高くなり、点火室の内部において、燃焼室からシリンダヘッドへ向かう方向に沿って、略層状の状態となることを確認している。
特に、エンジンの起動時や、希薄領域での燃焼変動の発生時等の不安定燃焼時において、失火が発生する場合がある。このように、点火室を備えるエンジンにおいて失火が発生した場合、点火室の内部に残留ガスが滞留すること等が原因で、燃焼条件を変動しないままでは、再度、点火することが困難であるため、従来は、燃料をリッチ側とする等の制御が実行されていた。しかしながら、不安定燃焼が発生する毎に燃料濃度を高くする制御を行う場合、効率の悪化につながるため、改善が望まれていた。

上記特徴構成を有するエンジンによれば、点火点位置調整部が、燃焼室の燃焼状態に基づいて、点火点としてのレーザー光の焦点位置と連通孔との距離を、光軸に沿う方向で調整するから、例えば、起動時で燃焼室の温度が低い起動状態にある場合や、燃焼室の圧力が変動する燃焼変動状態にある場合等の不安定燃焼状態となっている場合に、焦点位置を新気の領域に調整することで、希薄燃焼状態を維持して熱効率の低下を抑制しながらも、点火を維持し続けることができる。
さらに、通常燃焼時においては、例えば、焦点位置を連通孔から離間する位置に調整することで、火炎ジェットの効果を最大限に発揮して希薄限界を広げ得るエンジンを実現できる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
前記燃焼状態が不安定燃焼状態にあることを検知する不安定燃焼状態検知手段を備え、
前記点火点位置調整部は、前記不安定燃焼状態検知手段が前記不安定燃焼状態を検知した場合、前記光軸に沿う方向で前記焦点位置を前記連通孔に近接する側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。

燃焼状態が、例えば、エンジンの起動状態や希薄領域での燃焼変動発生状態である不安定燃焼状態にあるときには、点火室では点火がし難い状況になっていると考えられる。
上記特徴構成によれば、点火点位置調整部は、不安定燃焼状態検知手段が不安定燃焼状態を検知した場合、光軸に沿う方向で焦点位置を連通孔に近接する側へ調整する形態で、焦点位置と連通孔との距離を調整するから、例えば、点火点を周囲雰囲気が新気となる領域に位置させることができ、点火を確実に実行し、失火の発生を防止し、燃焼を安定化することができる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点カバー部に覆われる前記点火室は、前記シリンダヘッドから前記燃焼室へ向かう延設方向に沿って延設され、
前記連通孔は、前記点火点カバー部のうち前記延設方向で前記燃焼室の側に設けられ、
前記レーザー光照射機構が、前記光軸を前記延設方向に沿わせて設けられ、
前記点火点位置調整部は、前記不安定燃焼状態検知手段が前記不安定燃焼状態を検知した場合、前記延設方向に沿う方向で前記焦点位置を前記燃焼室側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。

当該構成を採用することで、新気の全体としての流れは、延設方向において燃焼室からシリンダヘッドへ向かう延設方向となるから、点火室の内部における残留ガスと新気との境界は、延設方向に略直交して交差する方向に発生することになる。
上記特徴構成によれば、光軸を延設方向に沿わせることで、点火点位置を、残留ガスと新気との境界の移動方向に沿って移動させることができる。特に、上記特徴構成によれば、延設方向に沿う方向で焦点位置を燃焼室側へ調整する、即ち、焦点位置を点火室内で調整するときには焦点位置と連通孔との距離を低減することができ、これにより、点火点位置を新気の存在する領域へ適切に移動させることができる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
先の排気行程において前記点火室の内部に残留している残留ガスと、吸気行程において新たに前記点火室の内部に流入する新気とは、点火タイミングにおいて前記延設方向で前記シリンダヘッド側から記載の順に存在するものであり、
前記点火タイミングにおいて、前記不安定燃焼状態における前記延設方向での前記残留ガスと前記新気との境界領域を記憶する記憶部を備え、
前記点火点位置調整部は、前記記憶部に記憶される境界領域に基づいて、前記延設方向に沿う方向で前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。

点火タイミングにおいて、不安定燃焼状態における延設方向での残留ガスと新気との境界領域は、混合気の当量比や外気温度等により変動するものの、予め、実験やシミュレーションを行うことにより予測できる。
上記特徴構成によれば、点火点位置調整部は、不安点燃焼状態における延設方向での残留ガスと新気との境界領域に基づいて、延設方向に沿う方向で焦点位置と連通孔との距離を調整するから、新気と残留ガスの境界領域の予測に基づいて、焦点位置を調整でき、より適切に焦点位置が新気領域に位置するように調整できる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点位置調整部は、前記点火タイミングにおいて、前記不安定燃焼状態における前記延設方向に沿う方向で前記境界領域よりも前記新気側に前記点火点を位置させる形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。

上記特徴構成によれば、点火点位置を、残留ガスと新気との境界領域の新気側に設定できるから、点火点位置の周囲雰囲気を可燃領域のガスが十分に存在する雰囲気にして、良好な点火を行うことができる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点位置調整部は、前記点火タイミングにおいて、前記不安定燃焼状態における前記延設方向に沿う方向で前記境界領域よりも前記新気側の前記燃焼室内に前記点火点を位置させる形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。

上記特徴構成によれば、点火点位置を、不安定燃焼状態における延設方向に沿う方向で境界領域よりも新気側の燃焼室内に位置させることができるから、新気の濃度が高い燃焼室にて確実に点火を実行して、球状火花伝播による点火を確実に実行して、失火状態が継続することを防止できる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
排気路を通流する燃焼排ガスの温度を計測する温度センサを備え、
前記不安定燃焼状態検知手段は、前記温度センサの計測結果に基づいて前記不安定燃焼状態としての起動状態又は失火状態であることを検知するものである点にある。

起動状態や失火状態においては、点火室及び燃焼室の温度が低いため、点火が起き難い。そこで、例えば、排気路における燃焼排ガス温度が低く、起動状態や失火状態である可能性が高い場合には、不安定燃焼状態であると判断して、焦点位置と連通孔との距離を調整することで、良好な点火状態を維持することができる。

本発明のエンジンとしては、
前記燃焼室での圧力を計測する圧力センサを備え、
前記不安定燃焼状態検知手段は、前記圧力センサの計測結果に基づいて前記不安定燃焼状態としての燃焼変動状態であることを検知するものであることが好ましい。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点位置調整部は、前記レーザー光を集光する光学素子と、当該光学素子を前記光軸に沿う方向で移動させるアクチュエータとを備えている点にある。

上記特徴構成を採用することで、点火点位置調整部による点火点位置の調整を良好に実現することができる。

これまで説明してきたエンジンにあっては、
前記連通孔は複数設けられ、複数の前記連通孔は、前記光軸を対称軸として線対称に設けられていることが好ましい。

点火室を有するレーザー点火式のエンジンの概略構成図 焦点位置（点火点）と連通孔との距離との調整の概念を示す概念図 実験に用いた定容容器の一部断面図 定容容器を用いた実験における圧力の経時変化を示すグラフ図 定容容器を用いた実験における火炎伝播を示す画像

本発明の実施形態に係るエンジン１００は、起動時や希薄領域での燃焼変動の発生等の不安定燃焼時においても、例えば希薄燃焼状態を維持して熱効率の低下を抑制しながらも、点火を維持し続けることができると共に、通常燃焼時においては、火炎ジェットの効果を最大限に発揮して希薄限界を広げ得るエンジンに関する。
以下、図面に基づいて説明する。

エンジン１００は、ガスエンジンとして構成され、図１に示すように、都市ガス１３Ａ等の燃料ガスＦと空気Ａとの混合気Ｍを燃焼室３において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、当該エンジン本体の吸気ポート８に連接する吸気路４２へ燃料ガスＦを供給する燃料ガス供給路６１と、当該燃料ガス供給路６１を通流する燃料ガスＦの流量を調整する燃料制御弁６３と吸気路４２において燃焼室３に吸気される混合気Ｍの流量を調整するスロットル弁４４とを備えており、更には、センサ等の測定結果が入力され、その入力信号に基づいてスロットル弁４４等の各種補機を制御して運転を制御するハードウェア群とソフトウェア群とから構成されているエンジンコントロールユニットＣ）が備えられている。

この種のガスエンジン１００は、詳細な図示は省略するが、吸気ポート８から燃焼室３に新気として吸気された混合気Ｍを、ピストン２の上昇により圧縮した状態で、後述する点火室１４内の点火点Ｐにて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストン２を押し下げて回転軸（図示せず）から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスＥは、燃焼室３から排気路４７に押し出され、外部に排出される。

吸気路４２には、空気Ａを浄化するエアクリーナ４１、空気Ａに燃料ガスＦを適切な比率（空燃比）で混合するベンチュリー式のミキサ６４、及び開度調整により燃焼室３への混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットル弁４４が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、吸気路４２において、ミキサ６４で燃料ガスＦと空気Ａとを混合して生成された混合気Ｍは、スロットル弁４４を介して所定の流量に調整されて、エンジン本体の燃焼室３に導入される。

ミキサ６４に燃料ガスＦを導く燃料ガス供給路６１には、ミキサ６４の上流側の吸気路４０における空気Ａの圧力と燃料ガス供給路６１における燃料ガスＦの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ６２、ミキサ６４を介して燃焼室３に供給される燃料ガスＦの供給量を調整する燃料制御弁６３が設けられている。

エンジンコントロールユニットＣは、例えば、回転数センサ（図示せず）にて計測されるエンジン回転数や、エンジン本体の回転軸（図示せず）のトルクに基づいて計算されるエンジン出力が、目標出力となるように、燃料制御弁６３やスロットル弁４４の開度を制御する出力維持制御を実行するように構成されており、この場合、エンジンコントロールユニットＣは出力制御部Ｃ１として機能する。

吸気路４２のスロットル弁４４とエンジン本体との間には、当該位置での混合気Ｍの混合気圧を計測する圧力センサＳが設けられている。
ここで、出力制御部Ｃ１によりエンジン本体の出力が目標出力に制御されている場合、混合気圧が決まれば、燃焼室３に供給される混合気Ｍの空燃比が一意に決定される。
つまり、エンジンコントロールユニットＣは、例えば、目標出力毎に、混合気圧と空燃比との関係を示すマップを保持しており、所定の目標出力において、目標空燃比となるように、上述の圧力センサＳにて計測される混合気圧を、目標空燃比に対応する目標混合気圧に近づけるべく、燃料制御弁６３とスロットル弁４４との少なくとも何れか一方の開度を制御する。
尚、当該実施形態にあっては、ガスエンジン１００は、高い効率で運転するべく、燃焼室３での混合気Ｍの当量比が１より小さいリーンバーン燃焼（例えば、当量比が０．６以上０．８以下程度）を実行し続けるように、目標空燃比及びそれに対応する目標混合気圧が設定される。

さて、当該実施形態に係るエンジン１００にあっては、点火点Ｐを覆い点火室１４を形成する点火点カバー部２０を備えて、所謂、主室としての燃焼室３に対して副室としての点火室１４を備える構成を採用している。

説明を追加すると、点火点カバー部２０は、シリンダヘッド６に装着されている状態において、内部に形成される点火室１４と燃焼室３とを連通する連通孔１５を備える。
更に、点火点カバー部２０に覆われる点火室１４は、シリンダヘッド６から燃焼室３へ向かう延設方向に沿って延設され、当該実施形態にあっては、延設方向に沿う軸（点火室１４の中心軸）は、燃焼室３の中心軸αに一致した状態で設けられている。

点火点カバー部２０は、円筒状の点火点カバー基端部２２と、その点火点カバー基端部２２の一端を閉じるドーム状の点火点カバー頭部２３とを備えた有底円筒状に構成されている。更に、点火点カバー部２０は、円筒状の点火点カバー基端部２２の外周部位に螺子切られた雄螺子部が、シリンダヘッド６に螺子切られた雌螺子部に螺合する形態で、シリンダヘッド６に装着されている。点火点カバー部２０には、延設方向に沿う方向で、点火点カバー基端部２２における点火点カバー頭部２３と逆側に点火点カバー鍔部２１を有しており、装着状態において、当該点火点カバー鍔部２１が、シリンダヘッド６の頂面に当接する。

当該実施形態においては、連通孔１５は、点火点カバー部２０のうち延設方向で燃焼室３の側である点火点カバー頭部２３に、複数設けられている。
具体的には、連通孔１５は、点火点カバー部２０と点火室１４の中心軸αとが交わる部位であって、点火点カバー頭部２３の頭頂部に設けられると共に、点火室１４の中心軸αを対称軸として、点火点カバー頭部２３に複数（当該実施形態では、４つ：図１には、２つを図示）設けられている。

更に、点火点カバー部２０は、その内部を、点火点カバー鍔部２１側と点火点カバー頭部２３側とに区画する形態で、後述するレーザー光を透過する耐熱性の透過部材３４を、円筒状の点火点カバー基端部２２の内部に備えている。上記透過部材３４は、特定の接続技術により点火点カバー基端部２２の内壁と気密に接続されている。
即ち、点火室１４は、点火点カバー頭部２３と、点火点カバー基端部２２と、透過部材３４とに外囲されて形成されている。
当該実施形態にあっては、点火点カバー部２０の点火点カバー基端部２２の内部空間（点火点カバー部２０を貫通して設けられるレーザー光透過窓の一例）を介して高出力のパルスレーザー光を点火室１４の内部に集光するレーザー光照射機構３０を、レーザー光の光軸が燃焼室３と点火室１４とを通る状態で備えている。より詳細には、レーザー光照射機構３０は、光軸を延設方向に沿わせる状態、即ち、点火室１４の中心軸αに沿わせる状態で配設されている。
レーザー光照射機構３０は、詳細な図示は省略するが、エンジン１００に対して組み付けられており、エンジン１００と共に一体振動するように配設されている。

さて、当該実施形態にあっては、燃焼室３の燃焼状態に基づいて、レーザー光の焦点位置としての点火点Ｐと連通孔１５との距離を、光軸に沿う方向で調整する点火点位置調整部を備えており、以下、当該構成及びそれによる制御について説明を追加する。

点火点位置調整部は、点火点カバー部２０である点火点カバー基端部２２の内部空間であって、上記透過部材３４よりも点火点カバー鍔部２１側において、レーザー光を集光する光学素子としての光学レンズ３５と、当該光学レンズ３５を光軸に沿う方向で移動させるアクチュエータ３６とを備え、エンジンコントロールユニットＣの点火点位置制御部Ｃ２による制御に基づいて、アクチュエータ３６により光学レンズ３５の光軸に沿う方向での位置を調整する形態で、レーザー光の焦点位置（点火点）を調整可能に構成されている。
当該構成により、アクチュエータ３６が高温の燃焼排ガスＥに晒されることを防止できる。

上記レーザー光照射機構３０及び点火点位置調整部による点火点Ｐへのレーザー光の集光により、燃焼室３から連通孔１５を通して点火室１４へ流入する混合気Ｍに点火して燃焼させ、その燃焼により形成された燃焼火炎（火炎ジェット）を、連通孔１５を通して燃焼室３へ噴出させるように構成されている。このようにして、燃焼室３から点火室１４への混合気Ｍの流入、及び、点火室１４から燃焼室３への燃焼火炎（火炎ジェット）の噴出を、複数の連通孔１５により行うことにより、燃焼室３に吸気された混合気Ｍを燃焼させるように構成されている。ここで、当該実施形態にあっては、点火室１４に流入する混合気Ｍは、燃焼室３から連通孔１５を通して流入される混合気Ｍがすべてであり、点火室１４に対して燃焼室３以外から燃料ガスＦや混合気Ｍが供給されることはない。

尚、上述したように点火点カバー部２０の点火点カバー頭部２３に対して、点火室１４の中心軸を対称軸として連通孔１５を設ける構成においては、先の排気行程において点火室１４の内部に残留している残留ガスと、吸気行程において新たに点火室１４の内部に流入する新気とは、図２の左図、中図、右図に示すように、点火タイミングにおいて延設方向でシリンダヘッド６側から記載の順に略層状に存在するものとなる。因みに、図２の左図においては、燃料濃度の濃淡分布を図示しており、点火室１４の内部において、燃焼室３の側からシリンダヘッド６の側にかけて、燃料濃度が薄くなっている。図２の中図、右図においては、図示は省略しているが、図２の左図に示す燃料濃度の濃淡分布と同一のものが形成されている。

ここで、点火室１４から火炎ジェットを燃焼室３へ適切に噴射して、点火タイミングの直後での燃焼室３での圧力変化を急峻なものとして、燃焼室３での燃焼状態を良好に保ち、希薄燃焼の範囲を拡大する観点からは、図４〜５に基づいて上述したように、点火点Ｐと連通孔１５との距離を大きくとることが好ましい。
そこで、点火点位置調整部は、燃焼室３の燃焼状態が安定している安定燃焼状態においては、光軸に沿う方向（延設方向に沿う方向）で、焦点位置（点火点Ｐ）を連通孔１５から離間する側へ調整する形態で、焦点位置と連通孔との距離を調整する。

ただし、例えば、起動時で燃焼室３の温度が低い起動状態にある場合や、燃焼室３の圧力が変動する燃焼変動状態にある場合等の不安定燃焼状態となっている場合に、点火点Ｐと連通孔１５との距離を大きく取り過ぎると、新気が少なく残留ガスが多い領域に点火点Ｐが位置することとなり、点火が不安定になり、着火性の観点から問題がある。
そこで、当該実施形態に係るエンジン１００にあっては、燃焼状態が不安定燃焼状態にあることを検知する不安定燃焼状態検知手段を備えている。当該不安定燃焼状態検知手段は、燃焼室３での圧力を計測する圧力センサＳの計測結果に基づいて不安定燃焼状態としての燃焼変動状態であることを検知するものであり、例えば、当該不安定燃焼状態検知手段は、図示平均有効圧の変動率ＣＯＶ_{（ＩＭＥＰ）}が、５％を超えたときに、燃焼変動状態であると検知する。
そして、点火点位置調整部は、不安定燃焼状態検知手段が不安定燃焼状態であると検知した場合、光軸に沿う方向（延設方向に沿う方向）で、焦点位置を連通孔１５に近接する側に調整する形態で、さらに言えば、焦点位置を点火室１４の内部において燃焼室３の側に調整する形態で、焦点位置と連通孔１５との距離を調整する。
新気と残留ガスとの境界領域Ｋとの関係でいえば、点火点位置調整部は、境界領域Ｋよりも新気の側（図２で下方側）に点火位置を位置させる形態で、焦点位置と連通孔１５との距離を調整する。
ここで、図２に示すように、連通孔１５として点火点カバー頭部２３の頭頂部に設けられる連通孔を採用する場合、安定燃焼状態の場合の点火点Ｐ３ａと連通孔１５との距離Ｌ３ａ（図２左に図示）は、不安定燃焼状態の場合の点火点Ｐ３ｂと連通孔１５との距離Ｌ３ｂ（図２中央に図示）よりも短く設定されることになる。

尚、不安定燃焼状態の場合において、点火をより安定させる観点からは、図２右図のように、光軸に沿う方向（延設方向に沿う方向）で、焦点位置を燃焼室３の内部に調整する形態で、焦点位置と連通孔１５との距離を調整しても構わない。

尚、当該実施形態に係るエンジンコントロールユニットＣには、点火タイミングにおいて、不安定燃焼状態における延設方向での残留ガスと新気との境界領域Ｋを記憶する記憶部Ｃ３を備えている。点火点位置調整部は、記憶部Ｃ３に記憶される境界領域Ｋに基づいて、延設方向に沿う方向での焦点位置と連通孔１５との距離を調整している。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、燃料ガスＦは、吸気路４２に供給され、点火室１４へは、連通孔１５を介して燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合気Ｍが供給される構成を示した。
しかしながら、点火室１４に燃料ガスＦを直噴するインジェクタを備える構成を採用しても構わない。

（２）本発明の実施形態としてのエンジン１００にあっては、排気路４７を通流する燃焼排ガスＥの温度を計測する温度センサ（図示せず）を備え、不安定燃焼状態検知手段は、温度センサの計測結果に基づいて、不安定燃焼状態として、燃焼室３の温度が低い起動状態又は点火タイミングで点火点Ｐからの火炎伝播が発生しない失火状態であることを検知するものであっても構わない。

（３）上記実施形態では、点火室１４の中心軸（延設方向の軸（光軸）と、燃焼室３の中心軸αとは、一致する例を示したが、両者は一致していなくても構わない。
また、点火室１４の中心軸と光軸も、一致していなくても構わない。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明のエンジンは、起動時や希薄領域での燃焼変動の発生等の不安定燃焼時においても、例えば希薄燃焼状態を維持して熱効率の低下を抑制しながらも、点火を維持し続けることができると共に、通常燃焼時においては、火炎ジェットの効果を最大限に発揮して希薄限界を広げ得るエンジンを提供するものとして、有効に利用可能である。

２ ：ピストン
３ ：燃焼室
６ ：シリンダヘッド
１４ ：点火室
１５ ：連通孔
２０ ：点火点カバー部
３０ ：レーザー光照射機構
３５ ：光学レンズ
３６ ：アクチュエータ
１００ ：エンジン
Ｃ ：エンジンコントロールユニット
Ｃ２ ：点火点位置制御部
Ｃ３ ：記憶部
Ｋ ：境界領域
Ｐ ：点火点
Ｓ ：圧力センサ
α ：中心軸

Claims (10)

1. 点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を有し、シリンダヘッドに点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部の内部に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられるエンジンであって、
   前記点火点カバー部に設けられるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を、前記レーザー光の光軸が前記燃焼室と前記点火室とを通る状態で配設して備え、
   前記燃焼室の燃焼状態に基づいて、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置と前記連通孔との距離を、前記光軸に沿う方向で調整する点火点位置調整部を備えるエンジン。
2. 前記燃焼状態が不安定燃焼状態にあることを検知する不安定燃焼状態検知手段を備え、
   前記点火点位置調整部は、前記不安定燃焼状態検知手段が前記不安定燃焼状態を検知した場合、前記光軸に沿う方向で前記焦点位置を前記連通孔に近接する側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項１に記載のエンジン。
3. 前記点火点カバー部に覆われる前記点火室は、前記シリンダヘッドから前記燃焼室へ向かう延設方向に沿って延設され、
   前記連通孔は、前記点火点カバー部のうち前記延設方向で前記燃焼室の側に設けられ、
   前記レーザー光照射機構が、前記光軸を前記延設方向に沿わせて設けられ、
   前記点火点位置調整部は、前記不安定燃焼状態検知手段が前記不安定燃焼状態を検知した場合、前記延設方向に沿う方向で前記焦点位置を前記燃焼室側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項２に記載のエンジン。
4. 先の排気行程において前記点火室の内部に残留している残留ガスと、吸気行程において新たに前記点火室の内部に流入する新気とは、点火タイミングにおいて前記延設方向で前記シリンダヘッド側から記載の順に存在するものであり、
   前記点火タイミングにおいて、前記不安定燃焼状態における前記延設方向での前記残留ガスと前記新気との境界領域を記憶する記憶部を備え、
   前記点火点位置調整部は、前記記憶部に記憶される境界領域に基づいて、前記延設方向に沿う方向で前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項３に記載のエンジン。
5. 前記点火点位置調整部は、前記点火タイミングにおいて、前記不安定燃焼状態における前記延設方向に沿う方向で前記境界領域よりも前記新気側に前記点火点を位置させる形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項４に記載のエンジン。
6. 前記点火点位置調整部は、前記点火タイミングにおいて、前記不安定燃焼状態における前記延設方向に沿う方向で前記境界領域よりも前記新気側の前記燃焼室内に前記点火点を位置させる形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項４に記載のエンジン。
7. 排気路を通流する燃焼排ガスの温度を計測する温度センサを備え、
   前記不安定燃焼状態検知手段は、前記温度センサの計測結果に基づいて前記不安定燃焼状態としての起動状態又は失火状態であることを検知するものである請求項２〜６の何れか一項に記載のエンジン。
8. 前記燃焼室での圧力を計測する圧力センサを備え、
   前記不安定燃焼状態検知手段は、前記圧力センサの計測結果に基づいて前記不安定燃焼状態としての燃焼変動状態であることを検知するものである請求項２〜７の何れか一項に記載のエンジン。
9. 前記点火点位置調整部は、前記レーザー光を集光する光学素子と、当該光学素子を前記光軸に沿う方向で移動させるアクチュエータとを備えている請求項１〜８の何れか一項に記載のエンジン。
10. 前記連通孔は複数設けられ、
    複数の前記連通孔は、前記光軸を対称軸として線対称に設けられている請求項１〜９の何れか一項に記載のエンジン。

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