JP2010101266A - レーザ点火プラグ、レーザ着火装置、及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、低消費電力で安定した着火性能を発揮するレーザ点火プラグ、レーザ着火装置、及びエンジンを提供する。
【解決手段】レーザ着火装置は、レーザ装置１と、伝送路である光ファイバ２と、レーザ点火プラグＧとを含み、このレーザ点火プラグＧは、レンズ装置３と、ターゲットＴとを含む。レーザ装置１は、レーザ光を出力して伝送路２に入射させる。レンズ装置３は、伝送路２に接続され、ターゲットＴに集光するようにレーザ光を出射させる。本発明の特徴は、ターゲットＴが酸化触媒４１を含む点にある。この酸化触媒４１は、レーザ光をターゲットに集光して熱を発生させたときに、この熱による燃焼ガスの酸化燃焼を促進するため、大きな爆発力を生み出すことができる。また、酸化触媒４１は、一般的に消耗しにくく、半永久的に使用できるという性質を持つため、実質的に経年劣化とは無縁である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ点火プラグ、レーザ着火装置と、及び、それを用いたエンジンに関する。

近年、従来の点火プラグに代わるものとして、レーザ着火装置を用いたエンジンの開発が進められている。この方式によれば、レーザ光の集光位置の制御が可能であるため、固定位置でしか着火できない点火プラグとは異なり、瞬間的に複数箇所で着火させることによって燃焼ガスの燃焼効率を向上させることができる。このため、省エネルギの観点からＣＯ_２の排出量を削減する技術として大きな期待が寄せられている。

また、レーザ着火装置は、点火プラグのように大きなノイズを発生させることがないため、エンジン周辺の電気回路への悪影響を低減することができるという特徴もある。このため、レーザ着火装置は、対ノイズ用シールドやノイズフィルタなどの設備を省くことができるとともに、例えば電源ラインに制御信号を重畳させることにより配線数を減少させることが可能となる点においても有利である。

レーザ着火装置を用いるにあたっては、レーザ装置にはありがちな消費電力の問題に加えて、着火性能の安定化という特有の問題を克服しなければならない。例えば特許文献１では、エンジンの回転数に応じてレンズ位置を制御するレンズ駆動装置を設けることによって、レーザ光を常に所定位置に集光させる技術が開示されている。また、特許文献２では、レーザ光の光路上に設置された複数のウェッジ基板を異なる回転数で回転させ、レーザ光を広範囲に揺動させることによって、レーザ光の焦点位置であるターゲットの磨耗を低減する技術が開示されている。

しかしながら、これらの開示技術は、何れも複雑な機構を有しているために高精度の制御が必要とされ、また、結局のところ、レーザ光をピストン自体に集光させるために、ターゲットの磨耗の問題が根本的には解決されていない。また、特許文献３の開示技術のように、プリズムを用いてターゲットの選択の自由度を向上することにより着火性能の安定化をはかることもできるが、プリズムに高い精度が要求されるために、やはり実用的とは言いがたい。
特開平７−２１７５２１号公報 特開平９−４２１３８号公報 特開２００６−１３２４９２号公報

本発明の課題は、低消費電力で安定した着火性能を発揮するレーザ点火プラグ、及びレーザ着火装置、及びエンジンを提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係るレーザ点火プラグは、レンズ装置と、ターゲットとを含む。前記レンズ装置は、入射したレーザ光を前記ターゲットに集光させる。

本発明に係るレーザ点火プラグの特徴は、前記ターゲットが酸化触媒を含む点にある。この酸化触媒は、燃焼ガス雰囲気内でレーザ光をターゲットに集光して熱を発生させたときに、この熱による燃焼ガスの酸化燃焼を促進するため、大きな爆発力を生み出すことができる。また、酸化触媒は、一般的に消耗しにくく、半永久的に使用できるという性質を持つため、実質的に経年劣化とは無縁である。

このため、本発明に係るレーザ点火プラグは、安定した着火性能を発揮するとともに、レーザ光に必要とされるパワーを低く抑えることができ、消費電力を低減することができる。

また、本発明に係るレーザ着火装置は、レーザ装置と、伝送路と、レーザ点火プラグとを含む。前記レーザ装置は、レーザ光を出力して前記伝送路に入射させる。前記レーザ点火プラグは、上述したレーザ点火プラグであり、前記レンズ装置は、前記伝送路に接続されている。

本発明に係るレーザ着火装置は、上述したレーザ点火プラグを構成に含んでいるから、同様の効果を奏するのは自明である。

さらに、本発明に係るエンジンは、レーザ着火装置と、シリンダヘッドとを含む。前記レーザ着火装置は、上述したレーザ着火装置であり、前記レンズ装置は、前記シリンダヘッドに設けられ、前記ターゲットは、前記シリンダヘッドの燃焼室に配置されている。前記レーザ装置は、エンジンの回転に同期して前記レーザ光を出力する。

本発明に係るエンジンによれば、ターゲットが燃焼室に設けられているので、燃焼室において、エンジンの回転に同期した着火を行うことができる。本発明に係るエンジンは、上述したレーザ着火装置を構成に含んでいるから、同様の効果を奏するのは自明である。

以上述べたように、本発明によれば、低消費電力で安定した着火性能を発揮するレーザ点火プラグ、及びレーザ着火装置、及びエンジンを提供することである。

図１に、本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置を示す。レーザ着火装置は、レーザ装置１と、伝送路である光ファイバ２と、レーザ点火プラグＧとを含み、このレーザ点火プラグＧは、レンズ装置３と、ターゲットＴとを含む。

レーザ装置１は、パルス信号によって駆動される一般的な半導体レーザ装置であって、レーザ光を出力して光ファイバ２に入射させる。レーザ光としては、着火を容易にするために、例えば熱エネルギが大きい赤外線（ＩＲ）レーザを採用することができる。また、本実施形態の伝送路としては光ファイバを挙げているが、低損失でレーザ光を伝送できるものであれば、ミラーやプリズムなどの他の光学部品を用いて伝送路を構成することも可能である。

レンズ装置３は、光ファイバ２に接続され、入射したレーザ光をターゲットＴに集光させる。このレンズ装置３は、対物レンズ３１と、セルフォックレンズ３２と、先端カバー３３と、胴体カバー３４と、ストッパ３５と、後端カバー３６とを含む。

セルフォックレンズ３２は、レーザ光の光軸を合わせて光ファイバ２と接続されている。接続にあたっては、セルフォックレンズ３２の端面は平面であるから、光ファイバ２との光軸合わせが非常に容易となる。また、セルフォックレンズ３２は、量産性に優れているという利点もあるので、コスト面のメリットも得られる。なお、セルフォックレンズ３２は、その特徴的な屈折率分布のため、レンズ長により結像特性が変化するという特性を備えるので、光学的な観点から最適な長さにする必要がある。光ファイバ２からセルフォックレンズ３２に入射したレーザ光は、さらに対物レンズ３１へと入射する。

対物レンズ３１は、セルフォックレンズ３２と光学的に接続され、レーザ光の光線を、光路Ｌに沿って、ターゲットＴ上の焦点Ｐに収束させる。対物レンズ３１としては、凸レンズなどの一般的な集光レンズであれば何れのタイプでも採用できるが、後述するようなエンジンへの適用を視野に入れると、石英やサファイアなどの耐熱性の高い材質で形成したものが望ましい。

また、対物レンズ３１は、レーザ光による燃焼に直接的にさらされるため、表面には燃焼で生じたカーボンなどの生成物が付着してしまうことが考えられる。しかし、この付着物は、レーザ光の照射により飛散して、除去されるために問題とならない。付着物の除去は、着火時のレーザ光の照射により行ってもよいし、あるいは、これとは別に、クリーニングを目的とした定期的なレーザ光の照射により行ってもよい。

対物レンズ３１は、先端カバー３３によって支持され、ターゲットＴに向かって露出している。先端カバー３３は、頂点が開口した略円錐形状をなし、この開口から対物レンズ３１が露出している。対物レンズ３１は、ターゲットＴの位置に合わせて焦点Ｐを設定できるように、先端カバー３３内で自在に傾斜及び回転させることができる。なお、光軸方向に沿った焦点Ｐの調節は、セルフォックレンズ３２の長さを調整することによっても可能である。

セルフォックレンズ３２は、先端カバー３３と胴体カバー３４にわたって収納され、支持されている。胴体カバー３４は、筒状のケースであり、その側面、つまり、レンズ装置３の外周面には固定用の螺子溝Ｃが形成されている。この螺子溝Ｃを従来の点火プラグの螺子溝と一致するように形成することによって、エンジンに取り付けられた点火プラグを、本発明に係るレーザ点火プラグＧに容易に置き換えることができるという特有の効果が得られる。

胴体カバー３４の先端カバー３３側の一端からは、板状の連結部材３７が延びており、この連結部材３７がターゲットＴの保持板４２に一体的に接続されることにより、ターゲットＴは、レンズ装置３と対向するように保持されている。このときの保持位置は、セルフォックレンズ３２と対物レンズ３１の調節により決定される焦点距離に従う。

また、胴体カバー３４の両端には、先端カバー３３とストッパ３５にそれぞれ接続されている。

ストッパ３５は、胴体カバー３４よりも大きな径を有するリング状部材であって、螺子溝Ｃでレンズ装置３を螺子固定するにあたり、固定位置を確定させるために設けられている。ストッパ３５の後端側は、後端カバー３６と接続されている。

後端カバー３６は、頂点が開口した略円錐形状をなし、この開口から光ファイバ２が内部へと導入されている。なお、先端カバー３３と胴体カバー３４とストッパ３５と後端カバー３６の材質については、エンジンへの適用を視野に入れると、イリジウムなどの耐熱性の高い金属材料を用いるのが望ましい。これは、連結部材３７と保持板４２についても同様である。

ここまで述べたレーザ装置１、伝送路２、レンズ装置３、ターゲットＴという構成は、従来技術に見られるが、本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置の特徴は、ターゲットＴが酸化触媒４１を含む点にある。この酸化触媒４１は、保持板４２の上に固着され、燃焼ガス雰囲気内でレーザ光をターゲットに集光して熱を発生させたときに、この熱による燃焼ガスの酸化燃焼を促進するため、大きな爆発力を生み出すことができる。また、酸化触媒４１は、一般的に消耗しにくく、半永久的に使用できるという性質を持つため、実質的に経年劣化とは無縁である。

酸化触媒４１としては、エンジンへの適用を前提とすると、五酸化バナジウム又は白金が好適である。とりわけ、五酸化バナジウムの場合、消耗してバナジウムに変化しても、酸化により再度、五酸化バナジウムに戻るという特徴を有している。

このため、本発明に係るレーザ着火装置は、安定した着火性能を発揮するとともに、レーザ光に必要とされるパワーを低く抑えることができ、消費電力を低減することができる。

次に、本発明に係るレーザ着火装置の他の実施形態とともに、これを適用したエンジンについて説明する。図２は、本発明に係るレーザ着火装置を適用したエンジンを示す。

エンジンは、上述したレーザ着火装置と、燃料噴射制御部１０と、シリンダＣとを含んでおり、このシリンダＣは、シリンダヘッド５と、ピストン７１と、ピストンロッド７２と、吸気バルブ６１と、排気バルブ６２とを含む。

公知のように、エンジンの動作は、吸気バルブ６１により混合気が燃焼室Ｒへと導かれ、混合気に着火して得た爆発力によりピストン７１、及びピストンロッド７２を駆動し、残った排気ガスを排気バルブ６２により排出するというものである。ここで、符号Ｄ１〜Ｄ３は、それぞれ、吸気バルブ６１、排気バルブ６２、ピストン７１の駆動方向を示している。

本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置は、このようなエンジンにおいて、従来の点火プラグを代替するものとして適用される。

レンズ装置３は、シリンダヘッド５に設けられている。具体的には、レンズ装置３は、従来の点火プラグが設けられている位置、つまりシリンダヘッド５上部のプラグ穴５３に螺子固定されている。この螺子固定は、上述したように、胴体カバー３４に形成された螺子溝Ｃにより可能となる。レンズ装置３から出射したレーザ光は、光路Ｌに沿ってターゲットＴに集光される。ターゲットＴは、シリンダヘッド５の燃焼室Ｒに配置されている。

レーザ装置１は、エンジン制御装置からパルス波の同期信号Ｓを受信し、これに基づき、エンジンの回転に同期してレーザ光を出力する。上述したようにターゲットＴは燃焼室Ｒに設けられているので、燃焼室Ｒにおいて、エンジンの回転に同期して着火し、混合気を酸化燃焼させることができる。

このように、本発明に係るエンジンは、上述したレーザ着火装置を構成に含んでいるから、同様の効果を奏するのは自明であるが、本実施形態では、これだけに留まらない。本実施形態に係るレーザ着火装置は、上述した構成に追加して、ビームスプリッタ８と、温度検出装置９とを含んでおり、さらに、この温度検出装置９は、光学フィルタ９１と、受光素子９２と、温度検出部９３とを含み、燃焼室Ｒにおける燃焼温度を検出できるという特徴的な効果を奏するからである。これについて、以下に説明する。

ビームスプリッタ８は、光ファイバ２に接続され、レンズ装置３を介して得たターゲットＴの燃焼光を分割し、受光素子９２へ入射させる。ビームスプリッタ８は、プリズム型の場合、張り合わせた２つの直角プリズムの表面にコーティングを施した光学部品であって、入射光の一部を反射し、他の一部を透過させるという特性を有する。

本実施形態では、ビームスプリッタ８は、光ファイバ２とレーザ装置１の間に配置され、燃焼室Ｒでの着火により発生する燃焼光の一部を方向Ｒｘへと反射させ、一方、レーザ装置１から出力されたレーザ光を、方向Ｔｘに透過させて光ファイバ２へ入射させる。ビームスプリッタ８により反射された燃焼光は、まず、フィルタ９１を通る。このフィルタ９１は、温度検出部９３での解析に備えて、レーザ装置１の発したレーザ光の成分を遮断し、燃焼光の可視光の成分のみを透過させるものである。

次に、フィルタ９１を透過した燃焼光は、受光素子９２により受光され、受光素子９２は、燃焼光を電気信号Ｅに変換する。受光素子９２としては、例えば、撮像素子等に用いられるフォトディテクタを採用することができる。

温度検出部９３は、電気信号Ｅに基づきターゲットＴの燃焼温度Ｋを検出する。温度検出部９３は、輝度計やカラーメータなどの色温度測定手段を含み、ターゲットＴの着火時の色温度と、その経時変化を測定することにより燃焼温度Ｋの検出を行なう。検出にあたり、温度検出部９３は、入力される同期信号Ｓに基づいてタイミング制御される。

このように、本実施形態に係るレーザ着火装置によれば、温度検出部９３で燃焼温度Ｋを検出することによって、燃焼室Ｒにおいて適切に燃焼が行われているかを監視することが可能である。さらに、以下に述べるように、検出した燃焼温度Ｋを用いて、フィードバック制御を行うこともできる。

燃料噴射制御部１０は、通常、燃焼室Ｒに送り込む燃料と空気の混合比、あるいは吸気弁６１の開放度合いを調節することによって、燃料噴射量を制御する。したがって、この燃料噴射量に燃焼温度Ｋを反映させるため、燃料噴射制御部１０は、温度検出部９３が検出した燃焼温度Ｋに応じて燃料室Ｒへの燃料噴射量を制御する。例えば、所定の燃焼温度パタンを設定しておき、このパタンと燃焼温度Ｋの差分から適切な燃料噴射量を算出する、という追従制御が可能である。

このように、本実施形態に係るエンジンによれば、検出した燃焼温度Ｋを用いて、燃焼室Ｒにおける酸化燃焼を好適に制御することができる。このため、燃焼効率を改善して、レーザの消費電力を抑えるとともに、安定した着火性能を発揮することができる。さらに、他の用途として、燃焼温度Ｋの検出と同時に、例えばエンジン制御に関連する信号を測定することによって、エンジンの性能試験に供することも可能である。

ところで、これまで述べたエンジンでは、ターゲットＴがレンズ装置３と一体的に設けられているので、燃焼室Ｒにおける点火位置が固定されてしまい、エンジンによっては適切ではない場合も考えられる。しかし、ターゲットＴをレンズ装置３から分離して設けることにより、自在に点火位置を設定することも可能である。

このような実施形態に係るエンジンを図３に示す。ここでは、ピストン７１の上面をターゲットＴとしており、酸化触媒４１がピストン７１に埋設されている。このため、ピストン７１の上面に点火位置が設定される。

このように、ターゲットＴをレンズ装置３から独立して設けることによって、点火位置の自由度が向上するが、メリットはこれだけに留まらない。燃焼室Ｒに複数のターゲットＴを設定することで、複数の位置で酸化燃焼を発生させることもできる。これにより、背景技術の項目で説明した燃焼効率の向上というメリットが得られる。もちろん、この場合は、レンズ装置３にレンズ駆動機構を備えるとともに、焦点Ｐの位置制御が必要となる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置を示す。 本発明に係るレーザ着火装置を適用したエンジンを示す。 他の実施形態に係るエンジンを示す。

符号の説明

１ レーザ装置
２ 光ファイバ（伝送路）
３ レンズ装置
３２ セルフォックレンズ
４ 酸化触媒
５ シリンダヘッド
８ ビームスプリッタ
９２ 受光素子
９３ 温度検出部
１０ 燃料噴射制御部
Ｇ レーザ点火プラグ
Ｔ ターゲット
Ｃ 螺子溝
Ｒ 燃焼室

Claims (6)

1. レンズ装置と、ターゲットとを含むレーザ点火プラグであって、
   前記レンズ装置は、入射したレーザ光を前記ターゲットに集光させ、
   前記ターゲットは酸化触媒を含む、
   レーザ点火プラグ。
2. 請求項１に記載されたレーザ点火プラグであって、
   前記酸化触媒は五酸化バナジウム又は白金である、
   レーザ点火プラグ。
3. 請求項１又は２に記載されたレーザ点火プラグであって、
   前記ターゲットは、前記レンズ装置と対向するように保持されている、
   レーザ点火プラグ。
4. レーザ装置と、伝送路と、レーザ点火プラグとを含むレーザ着火装置であって、
   前記レーザ装置は、レーザ光を出力して前記伝送路に入射させ、
   前記レーザ点火プラグは、請求項１乃至３の何れかに記載されたレーザ点火プラグであり、
   前記レンズ装置は、前記伝送路に接続されている、
   レーザ着火装置。
5. 請求項４に記載されたレーザ着火装置であって、
   ビームスプリッタと、受光素子と、温度検出部とを含み、
   前記ビームスプリッタは、前記伝送路に接続され、前記レンズ装置を介して得た前記ターゲットの燃焼光を分割し、前記受光素子へ入射させ、
   前記受光素子は、前記燃焼光を電気信号に変換し、
   前記温度検出部は、前記電気信号に基づき前記ターゲットの燃焼温度を検出する、
   レーザ着火装置。
6. レーザ着火装置と、シリンダヘッドとを含むエンジンであって、
   前記レーザ着火装置は、請求項４又は５に記載されたレーザ着火装置であり、
   前記レンズ装置は、前記シリンダヘッドに設けられ、
   前記ターゲットは、前記シリンダヘッドの燃焼室に配置されており、
   前記レーザ装置は、エンジンの回転に同期して前記レーザ光を出力する、
   エンジン。
   

Images