レーザ着火エンジン及びレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法
【課題】レーザ着火エンジンにおいて、着火時、着火位置における当量比を算出することができるレーザ着火エンジン及び、このエンジンを用いて混合気の混合状態を調整することができる混合気の調整方法を提供する。
【解決手段】レーザ着火エンジンは、混合気が燃焼室内で燃焼する気筒と、前記混合気の燃焼により動力を発するピストンを含むエンジン本体部と、前記燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させるレーザ光照射部と、レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行う分析部と、前記分析部の分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出する演算部と、を有する。算出した前記当量比の情報に基いて、混合気の混合状態を混合調整部で調整し、混合状態が調整された新たな混合気を前記気筒に供給する。
【解決手段】レーザ着火エンジンは、混合気が燃焼室内で燃焼する気筒と、前記混合気の燃焼により動力を発するピストンを含むエンジン本体部と、前記燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させるレーザ光照射部と、レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行う分析部と、前記分析部の分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出する演算部と、を有する。算出した前記当量比の情報に基いて、混合気の混合状態を混合調整部で調整し、混合状態が調整された新たな混合気を前記気筒に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させるレーザ着火エンジン及びこのエンジンにおけるにおける混合気の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用着火装置として、レーザ光を使用した内燃機関用レーザ着火装置が知られている。この内燃機関用レーザ着火装置は、レーザ発振器から照射された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て着火燃焼させる。
このような着火装置を用いたエンジンは、従来のプラグ着火方式のエンジンに比べて希薄な燃料の条件で運転が可能であり効率がよい。
【０００３】
例えば、レーザ光のエネルギーの効率的利用を図りつつ、エミッションの低減を図ることができるエンジンに用いるレーザ点火装置が知られている（特許文献１）。
当該レーザ点火装置は、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混合気を活性化させる点火用レーザ光照射装置と、エンジンの燃焼室内に濃度計測用レーザ光を照射して濃度計測用レーザ光の強度に基づき混合気が燃焼することにより生成される燃焼生成物の濃度を計測する濃度計測用レーザ光照射装置と、燃焼生成物の濃度に基づき混合気の当量比を変更する制御装置と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４２０４０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関用レーザ着火装置を用いたエンジン、すなわちレーザ着火エンジンにおいて、上述の希薄な燃料の条件を従来に比べて広範囲に拡げようとした場合、着火位置における当量比のばらつきが大きくなり、エンジン出力が不安定になることが想定される。したがって、着火時、着火位置における混合気の当量比を正確に計測することが望まれている。
上述のレーザ点火装置では、燃焼室内の混合気の当量比を、混合気が燃焼することにより生成される燃焼生成物の濃度の計測結果に従って変更するが、この当量比は、燃焼室に供給する混合気の平均した当量比であって、レーザ光が収束した点状の微細な領域における当量比ではない。また、上述のレーザ点火装置は、燃焼生成物の濃度の計測結果から着火時、着火位置における当量比を算出することもできない。このため、エンジンの駆動時、着火毎の、着火時、着火位置における当量比のばらつきの情報を得ることもできない。
【０００６】
そこで、本発明は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させて燃焼させるレーザ着火エンジンにおいて、着火時、着火位置における当量比を算出することができるレーザ着火エンジン及び、このエンジンを用いて混合気の混合状態を調整することができる混合気の調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させ燃焼させるレーザ着火エンジンである。当該エンジンは、
混合気が燃焼室内で燃焼する気筒と、前記混合気の燃焼により動力を発するピストンを含むエンジン本体部と、
前記燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させるレーザ光照射部と、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行う分析部と、
前記分析部の分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出する演算部と、を有する。
【０００８】
前記混合気の着火に用いる前記レーザ光を、さらに、前記レーザ誘起ブレークダウン分光法における前記混合気のブレークダウンに用いることが好ましい。
【０００９】
また、前記レーザ光照射部は、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光をレーザ光源から前記気筒内に導く光路と、を有し、前記光路の途中には、前記気筒から前記レーザ光源に向かって前記光路を辿ったとき、前記分析部の受光面に向かうように、前記光路の途中から光学素子を用いて分岐する分岐光路が設けられている、ことが好ましい。
【００１０】
前記混合気は、例えば、燃料ガスと空気が混合されたガスであり、この場合、前記演算部は、前記分光分析の結果から前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、ことが好ましい。
【００１１】
さらに、算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整する混合調整部を有し、前記混合調整部で混合状態が調整された新たな混合気が前記気筒に供給される、ことが好ましい。
【００１２】
その際、前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、前記混合調整部は、前記混合状態を前記ばらつきが少なくなる混合状態に調整する、ことが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の他の一態様は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させて燃焼させるレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法である。当該方法は、
レーザ光を用いて前記レーザ着火エンジンの気筒内で、燃焼用の混合気を着火させて前記レーザ着火エンジンを駆動させるステップと、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行うステップと、
前記分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出するステップと、
算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整し、混合状態が調整された新たな混合気を前記気筒に供給するステップと、を有する。
【００１４】
その際、前記混合気は、例えば、燃料ガスと空気が混合されたガスである。このとき、前記分光分析の結果から、前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、ことが好ましい。
【００１５】
前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、前記混合気の混合状態を調整するとき、前記混合状態は前記ばらつきが少なくなるように調整されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上述のレーザ着火エンジンは、着火時、着火位置における当量比を、１回の着火毎に算出することができる。このため、このエンジンを用いて、効率のよい混合気の調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態のレーザ着火エンジンの構成を示す図である。
【図２】図１に示すレーザ着火エンジンの分析部から供給された着火毎の分析結果の一例をグラフ化した図である。
【図３】図１に示すエンジンを用いて混合気を燃焼させたとき、演算部において算出される当量比と燃料ガスの流量との関係を示す図である。
【図４】図１に示すレーザ着火エンジンの混合調整部の一例を示す構成図である。
【図５】図１に示すレーザ着火エンジンの分析部と異なる他の一例の分析部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のレーザ着火エンジン及びレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態のレーザ着火エンジン（以下、エンジンという）１０の構成を示す図である。
エンジン１０は、空気と燃料ガスを予め混合して得られる混合気を気筒の燃焼室内に供給し、レーザ光による着火で混合気を燃焼させることにより、ピストンを駆動して動力を発生させる内燃機関である。エンジン１０が用いる着火用のレーザ光は、同時に、着火位置における混合気のブレークダウン時の発光強度の計測に用いられる。エンジン１０では、分光法を用いて分析を行うことにより、ブレークダウンによって発生する着火の開始時の、着火位置における当量比を算出する。さらに、エンジン１０は、着火毎に算出された当量比のばらつきを算出し、このばらつきが小さくなるように、燃焼室内に供給する混合気の混合状態を調整する。
【００２０】
エンジン１０は、エンジン本体部１２と、レーザ光照射部１４と、分析部１６と、演算部１８と、混合調整部２０と、コントローラ２２と、を主に有する。
【００２１】
エンジン本体部１２は、気筒１２ａ、ピストン１２ｂ、給気弁１２ｃ、排気弁１２ｄ、及びレーザ照射口１２ｅを含む。
気筒１２ａは、混合気が燃焼室内で燃焼する燃焼室を有し、壁面に給気弁１２ｃ、排気弁１２ｄが設けられる。空気と燃料ガスが予め混合装置によって所定の当量比で混合された混合気が給気弁１２ｃを通して気筒１２ａ内の燃焼室内に供給され、燃焼後、燃焼生成物が排気弁１２ｄを通して排気される。
ピストン１２ｂは、図示されないクランクシャフト等に接続されて、混合気の燃焼により動力を発するようになっている。気筒１２ａとピストン１２ｂとにより燃焼室が画されている。
気筒１２ａの上部には、レーザ照射口１２ｅが設けられ、着火用のレーザ光がレーザ照射口１２ｅに設けられた収束レンズ１２ｆを通して、燃焼室内で収束されるようになっている。
【００２２】
レーザ光照射部１４は、燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させる。レーザ光照射部１４は、レーザ光源１４ａ、λ／２板１４ｂ、偏光板１４ｃ、ミラー１４ｄ、ビームスプリッタ１４ｅ、コリメートレンズ１４ｆ、ミラー１４ｇ，１４ｈ、パワーメータ１４ｉ、及び集光レンズ１４ｊを含む。
レーザ光源１４ａは、混合気を着火させることができる投入エネルギを有し、さらに、混合気をブレークダウンさせるレーザ光を出射する。レーザ光源１４ａとして、例えば波長５３２ｎｍで、投入エネルギが数１００ｍＪのＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。
λ／２板１４ｂ及び偏光板１４ｃは、レーザ光の出力ビームプロファイルを一定に維持した状態で出力を制御する。
ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈは、レーザ光を反射して、気筒１２ａのレーザ照射口１２ｅにレーザ光を導くように配置されている。ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈは、レーザ光の入射に対して耐力を有し、かつ反射特性が広帯域で高いことが望まれる。ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈは、例えば、３５０〜１１００ｎｍの波長範囲で反射率９５％以上の反射特性を有し、さらに、レーザ耐力が１Ｊ／ｃｍ2以上であるミラーが好ましく、上記反射率が９９％以上でレーザ耐力が２Ｊ／ｃｍ2以上であるミラーがより好ましい。
ビームスプリッタ１４ｅは、レーザ光源１４ａから気筒１２ａの燃焼室内に向かうレーザ光と、混合気のブレークダウンにより燃焼室内で発し、燃焼室内からビームスプリッタ１４ｅに向かう光の光路を分岐するために配置される。すなわち、レーザ光照射部１４の光路を通る光は、図１の上方から下方に透過するとともに、その一部が反射されて、パワーメータ１４ｉに入射する。一方、燃焼室内で発する光は、光路中の収束レンズ１２ｆを通り、ミラー１４ｈ，１４ｇで反射され、コリメートレンズ１４ｆを通過した後、ビームスプリッタ１４ｅで反射され、分析部１６に入射する。このように、レーザ光とブレークダウン時の光の光路を部分的に共用するとともに、ビームスプリッタ１４ｅを用いることにより、気筒１２ａからレーザ光源１４ａに向かって光路を辿ったとき、分析部１６の受光面に向かうように、レーザ光の光路の途中から分岐する分岐光路が設けられている。
コリメートレンズ１４ｆは、光を平行光とする。集光レンズ１４ｊは、分析部１６の受光面に光を集光するように設けられる。
パワーメータ１４ｉは、レーザ光の投入エネルギを計測する。
【００２３】
分析部１６は、レーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ：Laser Induced Break down Spectroscopy）を用いて混合気の着火位置及び着火時における発光を、レーザ光の着火毎に受光して分光分析を行う分析装置を備える。レーザ誘起ブレークダウン分光法は、具体的に、高エネルギのレーザパルスを励起源とし、レーザ光を収束させて、混合気等の測定対象物の成分を原子状態にして励起させてプラズマ化させ、このときのプラズマの発する光を分光して分析する方法をいう。また上記プラズマの発生により、混合気は着火する。混合気のブレークダウン時の分析結果により、本実施形態では、ブレークダウンした混合気の成分、すなわち、着火時の混合気の成分を知ることができ、これにより、着火時、着火位置における混合気の当量比を知ることができる。
分析部１６の分析装置は、図示されないが、光を分光するスリット、波長分散素子（例えばプリズム）、あるいはレンズ等の光学素子の他、分光した光を受光して撮像するＩＣＣＤカメラ１６ａを含む。ＩＣＣＤカメラ１６ａは、レーザ光の照射から所定時間経過後の一定期間内において、波長帯域毎に分光された光を撮像し、この撮像信号を用いて、分析部１６は着火時の分光スペクトルを求める。上記所定時間経過後の一定期間は、その期間内にレーザ光の照射による混合気のブレークダウンが必ず生じるように定められた期間である。求めた分光スペクトルは、後述する演算部１８に供給される。
【００２４】
演算部１８は、分析部１６の分光分析の結果である分光スペクトルを用いて混合気の着火位置における混合気の当量比を着火毎に算出する。さらに、演算部１８は、当量比そのものの値の他に、当量比の情報として、レーザ光の着火毎の着火時の着火位置における当量比のばらつきを求める。
図２は、分析部１６から供給された５０回分の着火毎のブレークダウン時（着火時）の分析結果（発光スペクトル分布）の一例をグラフ化した図である。横軸には６００〜８５０ｎｍの波長をとり、縦軸には発光強度をとっている。この分析結果は、メタンガス（燃料ガス）と空気（空気）を混合した混合気を、ＹＡＧレーザ（波長５３２ｎｍ、投入エネルギ６０ｍＪ）を用いて着火したときの結果である。このとき、レーザ光の照射のタイミングは、ＢＴＤＣ（Before Top Dead Center）２０度とした。図２に示すように、ブレークダウン時（着火時）の発光スペクトル分布は、複数のピークを有する。これらのピークのうち、メタンガス中の水素原子の発光Ｈα（６５６ｎｍ）と、空気中の酸素原子の発光（７７７ｎｍ）とを少なくとも含む。
【００２５】
演算部１８は、分析結果からＨα（６５６ｎｍ）の発光ピーク強度と、酸素原子の発光（７７７ｎｍ）の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて、当量比を算出する。
具体的に、燃料ガスと空気を混ぜた混合気を着火させたときにＬＩＢＳ分光分析法で計測される上記ピーク強度の比率と、周知のラムダ計を用いて実際に計測した混合気の当量比との関係を予め見出しておき、この関係を参照テーブルとして演算部１８は記憶しておく。演算部１８は、記憶した参照テーブルを用いて、エンジン１０の各着火時に得られる上記比率から、各着火における当量比を算出する。
【００２６】
図３は、燃料ガスの流量を変化させることにより当量比を変化させてエンジン１０で燃焼させたとき、演算部１８において算出される当量比と燃料ガスの流量との関係を示す図である。図３からわかるように、演算部１８において算出される当量比（図中、□で示される値）は、燃料ガスの流量を変化させることにより変化する当量比に対応して変化していることがわかる。これより、演算部１８において算出される当量比は妥当な結果を示すといえる。このように算出された当量比は、図示されない混合装置によって空気と燃料ガスとの当量比の調整に用いられることができる。すなわち、演算部１８の当量比の算出結果に応じて、混合装置の調整を行うように制御信号を混合装置に送る。なお、図３中の縦棒で示されるエラーバーは、当量比を５００回算出して統計的にその平均値から１σ（σ：標準偏差）外れたものを除外した約３００回分のばらつきに基づく標準偏差を示している。この当量比のばらつきは、着火時、着火の状態が異なることを示している。なお、当量比がばらつくことは、レーザ光による着火が極めて狭い範囲の位置で発生するが、この位置における混合気の混合状態が均一でないことに依拠するといえる。
本実施形態では、各着火時の着火位置における当量比を算出することができるとともに、さらに、演算部１８は、一定期間における算出した当量比をまとめて、当量比のばらつきを算出する。これにより、演算部１８は、各着火時の当量比のばらつきを得ることができる。なお、当量比のばらつきがあると、着火の有無やエンジン出力が不安定になり易く好ましくない。したがって、このような当量比のばらつきを抑制するために、エンジン１０には混合調整部２０が設けられている。
【００２７】
混合調整部２０は、混合気の混合状態をばらつきが少なくなる混合状態に調整する。
図４は、混合調整部２０の一例を示す構成図である。
混合調整部２０は、空気及び燃料ガスの混合後の給気管２０ａの内部に、混合気の流れ方向に対して直交する方向に回転軸を有する網目状の格子を有する乱流格子２０ｂを含む。乱流格子２０ｂの格子面の向きが、混合気の流れ方向に直交するとき、乱流は発生し難く、混合気の流れ方向に平行なとき、乱流は最も多く発生する。したがって、乱流格子２０ｂの向きを演算装置１８が調整することにより、混合気の乱流による混合状態を調整することができる。
【００２８】
コントローラ２２は、レーザ光源１４のレーザ光の出射のＯＮ，ＯＦＦを制御する制御信号を生成しレーザ光源１４に送るとともに、分析部１６に分光分析の開始と停止を制御する信号を生成し分析部１６に送ることにより、混合気の着火の制御及びＬＩＢＳ分光分析法の制御を実施する。勿論、コントローラ２２は、エンジン本体部１２ａの供気弁１２ｃ及び排気弁１２ｄの制御及び、空気及び燃料ガスの当量比の制御を行う。
【００２９】
このようなエンジン１０では、以下のような、混合気の調整方法が行われる。
まず、レーザ光照射部１４は、レーザ光を用いてエンジン１０の気筒１２ａ内に給気された燃焼用の混合気を着火させてレーザ着火エンジンを駆動させる。このとき、レーザ光は、混合気のブレークダウンにより、混合気を構成する原子がプラズマ状態となって励起し発光するので、このとき発する光を、レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて計測する。すなわち、分析部１６は、混合気の着火位置及び着火時（ブレークダウン時）における発光を、レーザ光の着火毎に受光して分光分析を行う。次に、演算部１８は、分析部１６の分光分析の結果を用いて、混合気の着火位置における混合気の当量比を、予め記憶した当量比と分析結果との対応関係を表す参照テーブルを用いて着火毎に算出する。演算部１８は、算出した当量比を一定期間集め、当量比のばらつき（標準偏差）を求める。算出した当量比のばらつきに基いて、混合気の混合状態を調整するための制御信号を演算部１８は生成し混合調整部２０に送る。混合調整部２０は、演算部１８から送られた制御信号に基づいて、混合気の混合状態を調整し、この調整された新たな混合気を気筒１２ａ内に供給する。このときの混合気は、レーザ光による着火毎の当量比のばらつきが小さくなるように、混合状態が調整される。
また、当量比の算出は、燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて当量比を算出する。これにより、当量比をリアルタイムで求めることができる。
【００３０】
このように、混合調整部２０は、混合気の燃料ガスと空気の混合状態を小さな渦流によって形成される乱流によって均一に混合する。混合調整部２０が、乱流を多く発生させることで、混合気における局所的な混合状態のばらつきを抑制するので、空間的にも時間的にも安定した混合状態を作り出すことができると考えられる。しかし、混合気中で乱流を多く発生させると、気筒１２ａへの供給ロス（給気ロス）が大きくなり、エンジン出力が不安定になる。また、上記乱流により、ブレークダウン時の光が乱反射して受光強度が低くなり、分析結果を用いた当量比の算出の精度が低下する。このため、混合調整部２０では、必ずしも混合状態を均一にするために乱流を多く発生させることが好ましいわけではなく、エンジン出力を一定に維持し、かつ当量比の計測を正確に行うために、乱流による混合状態には最適な状態が存在する。したがって、演算部１８は、算出する当量比のばらつきが小さくなるように、混合調整部２０によって混合気の混合状態を調整する。
【００３１】
以上の説明から判るように、エンジン１０は、ＬＩＢＳ分析を用いて混合気の着火時、着火位置における発光を分光分析するので、着火時、着火位置における当量比を、１回の着火毎に算出することができる。このため、このエンジン１０を用いて、効率のよい混合気の調整方法を実現する。
また、混合気の着火に用いるレーザ光は、さらに、ＬＩＢＳ分析における混合気のブレークダウンに用いられるので、１回のレーザ光の照射により、着火と当量比の算出を同時に行うことができる。特に、当量比の算出をほぼリアルタイムで行うことができる。
また、レーザ光照射部１４は、レーザ光源１４ａから気筒１２ａ内に導く光路を有し、気筒１２ａからレーザ光源１４ａに向かって光路を辿ったとき、分析部１６の受光面に向かうように、レーザ光の光路の途中からビームスプリッタ等の光学素子を用いて分岐する分岐光路が設けられる。すなわち、着火のためのレーザ光の光路と、ブレークダウン時に発する光の光路とが部分的に光路を共有しているので、エンジン本体部１２周りの光学装置や測定装置のレイアウトが簡素化される。また、従来のように、レーザ光の照射のために、光ファイバを用いず、ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈやビームスプリッタ１４ｅ、コリメータレンズ１４ｆ等の光学素子を用いて光路を形成するので、エンジン本体部１２のエンジン振動の影響を受けない位置で分光分析を行うことができるので、分光分析におけるＳＮ比を向上することができる。
混合調整部２０は、算出した当量比の情報に基いて、混合気の混合状態を調整し、混合調整部２０で混合状態が調整された新たな混合気が気筒１２ａに供給されるので、エンジン本体部１２は、最適な混合状態で混合気を着火することができる。
演算部１８は、当量比の情報として、当量比に関するレーザ光の着火毎のばらつきのデータを求める場合、混合調整部２０は、混合気の混合状態を、当量比のばらつきが少なくなる混合状態に調整することができる。
【００３２】
上記実施形態のエンジン１０の分析部１６は、ＬＩＢＳ分析を行う分析装置を備えるが、分析部１６の代わりに、図５に示すように、入射した光を分光するスリット２４ａと、スリット２４ａを通過した光を分光する波長分散素子２４ｂ（例えば回折格子）と、フォトダイオード２４ｃ，２４ｄを備えた分析部２４を用いることもできる。
ＬＩＢＳ分析において、予め計測する発光ピークの波長が定まっている場合、スリット２４ａと、波長分散素子２４ｂを用いて、その波長における発光ピーク強度のみを計測することで、装置構成を簡素にすることができる。この場合、スリット２４ｂを、定めた波長に対応させて設けるとともに、フォトダイオード２４ｃ，２４ｄが、分光した光の中の定められた波長の光のみを受光して、２つのピーク強度を計測するように構成するとよい。空気に含まれる原子の計測する発光ピークの波長と、燃料ガスに含まれる原子の計測する発光ピークの波長とが定められているので、フォトダイオード２４ｃ，２４ｄは、分光した光の中から、２つの発光ピークの波長に応じた光のみを受光することにより、２つの発光ピーク強度を計測することができる。
【００３３】
当量比を算出するために、上述した例では、発光ピーク強度として、水素原子のＨα（６５６ｎｍ）の発光ピーク強度と、酸素原子の発光（７７７ｎｍ）の発光ピーク強度を計測したが、この２つの発光ピーク強度に限られない。例えば、燃料ガス中の炭素原子の発光する光の発光ピーク強度を計測対象とすることもできる。
また、本実施形態において、レーザ光は、混合気の着火のための照射光として、及び混合気の着火時、着火位置におけるＬＩＢＳ分析を行うための照射光として、同時に利用されるが、着火のために混合気に照射するレーザ光と、ＬＩＢＳ分光法を行うために混合気に照射するレーザ光とが、別のレーザ光として別々のタイミングで照射されてもよい。
【００３４】
なお、本実施形態では、図１に示すような燃料ガスと空気を混合した混合気を供気するエンジン本体部１２を用いるが、このような構成に限定されない。例えば、気筒１２ａ内に空気を給気するとともに、液体燃料を気筒１２ａ内に直接噴射する方式のエンジンをエンジン本体部１２に代えて用いることができる。
【００３５】
以上、本発明のレーザ着火エンジン及びレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ レーザ着火エンジン
１２ エンジン本体部
１２ａ 気筒
１２ｂ ピストン
１２ｃ 給気弁
１２ｄ 排気弁
１２ｅレーザ照射口
１２ｆ 集束レンズ
１４ レーザ光照射部
１４ａ レーザ光源
１４ｂ λ／２波長板
１４ｃ 偏光板
１４ｄ，１４ｇ，１４ｈ ミラー
１４ｅ ビームスプリッタ
１４ｆ コリメートレンズ
１４ｉ パワーメータ
１４ｊ 集光レンズ
１６，２４ 分析部
１６ａ ＩＣＣＤカメラ
１８ 演算部
２０ 混合調整部
２０ａ 給気管
２０ｂ 乱流格子
２２ コントローラ
２４ａ スリット
２４ｂ 波長分散素子
２４ｃ，２４ｄ フォトダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させるレーザ着火エンジン及びこのエンジンにおけるにおける混合気の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用着火装置として、レーザ光を使用した内燃機関用レーザ着火装置が知られている。この内燃機関用レーザ着火装置は、レーザ発振器から照射された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て着火燃焼させる。
このような着火装置を用いたエンジンは、従来のプラグ着火方式のエンジンに比べて希薄な燃料の条件で運転が可能であり効率がよい。
【０００３】
例えば、レーザ光のエネルギーの効率的利用を図りつつ、エミッションの低減を図ることができるエンジンに用いるレーザ点火装置が知られている（特許文献１）。
当該レーザ点火装置は、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混合気を活性化させる点火用レーザ光照射装置と、エンジンの燃焼室内に濃度計測用レーザ光を照射して濃度計測用レーザ光の強度に基づき混合気が燃焼することにより生成される燃焼生成物の濃度を計測する濃度計測用レーザ光照射装置と、燃焼生成物の濃度に基づき混合気の当量比を変更する制御装置と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４２０４０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関用レーザ着火装置を用いたエンジン、すなわちレーザ着火エンジンにおいて、上述の希薄な燃料の条件を従来に比べて広範囲に拡げようとした場合、着火位置における当量比のばらつきが大きくなり、エンジン出力が不安定になることが想定される。したがって、着火時、着火位置における混合気の当量比を正確に計測することが望まれている。
上述のレーザ点火装置では、燃焼室内の混合気の当量比を、混合気が燃焼することにより生成される燃焼生成物の濃度の計測結果に従って変更するが、この当量比は、燃焼室に供給する混合気の平均した当量比であって、レーザ光が収束した点状の微細な領域における当量比ではない。また、上述のレーザ点火装置は、燃焼生成物の濃度の計測結果から着火時、着火位置における当量比を算出することもできない。このため、エンジンの駆動時、着火毎の、着火時、着火位置における当量比のばらつきの情報を得ることもできない。
【０００６】
そこで、本発明は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させて燃焼させるレーザ着火エンジンにおいて、着火時、着火位置における当量比を算出することができるレーザ着火エンジン及び、このエンジンを用いて混合気の混合状態を調整することができる混合気の調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させ燃焼させるレーザ着火エンジンである。当該エンジンは、
混合気が燃焼室内で燃焼する気筒と、前記混合気の燃焼により動力を発するピストンを含むエンジン本体部と、
前記燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させるレーザ光照射部と、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行う分析部と、
前記分析部の分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出する演算部と、を有する。
【０００８】
前記混合気の着火に用いる前記レーザ光を、さらに、前記レーザ誘起ブレークダウン分光法における前記混合気のブレークダウンに用いることが好ましい。
【０００９】
また、前記レーザ光照射部は、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光をレーザ光源から前記気筒内に導く光路と、を有し、前記光路の途中には、前記気筒から前記レーザ光源に向かって前記光路を辿ったとき、前記分析部の受光面に向かうように、前記光路の途中から光学素子を用いて分岐する分岐光路が設けられている、ことが好ましい。
【００１０】
前記混合気は、例えば、燃料ガスと空気が混合されたガスであり、この場合、前記演算部は、前記分光分析の結果から前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、ことが好ましい。
【００１１】
さらに、算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整する混合調整部を有し、前記混合調整部で混合状態が調整された新たな混合気が前記気筒に供給される、ことが好ましい。
【００１２】
その際、前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、前記混合調整部は、前記混合状態を前記ばらつきが少なくなる混合状態に調整する、ことが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の他の一態様は、レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させて燃焼させるレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法である。当該方法は、
レーザ光を用いて前記レーザ着火エンジンの気筒内で、燃焼用の混合気を着火させて前記レーザ着火エンジンを駆動させるステップと、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行うステップと、
前記分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出するステップと、
算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整し、混合状態が調整された新たな混合気を前記気筒に供給するステップと、を有する。
【００１４】
その際、前記混合気は、例えば、燃料ガスと空気が混合されたガスである。このとき、前記分光分析の結果から、前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、ことが好ましい。
【００１５】
前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、前記混合気の混合状態を調整するとき、前記混合状態は前記ばらつきが少なくなるように調整されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上述のレーザ着火エンジンは、着火時、着火位置における当量比を、１回の着火毎に算出することができる。このため、このエンジンを用いて、効率のよい混合気の調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態のレーザ着火エンジンの構成を示す図である。
【図２】図１に示すレーザ着火エンジンの分析部から供給された着火毎の分析結果の一例をグラフ化した図である。
【図３】図１に示すエンジンを用いて混合気を燃焼させたとき、演算部において算出される当量比と燃料ガスの流量との関係を示す図である。
【図４】図１に示すレーザ着火エンジンの混合調整部の一例を示す構成図である。
【図５】図１に示すレーザ着火エンジンの分析部と異なる他の一例の分析部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のレーザ着火エンジン及びレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態のレーザ着火エンジン（以下、エンジンという）１０の構成を示す図である。
エンジン１０は、空気と燃料ガスを予め混合して得られる混合気を気筒の燃焼室内に供給し、レーザ光による着火で混合気を燃焼させることにより、ピストンを駆動して動力を発生させる内燃機関である。エンジン１０が用いる着火用のレーザ光は、同時に、着火位置における混合気のブレークダウン時の発光強度の計測に用いられる。エンジン１０では、分光法を用いて分析を行うことにより、ブレークダウンによって発生する着火の開始時の、着火位置における当量比を算出する。さらに、エンジン１０は、着火毎に算出された当量比のばらつきを算出し、このばらつきが小さくなるように、燃焼室内に供給する混合気の混合状態を調整する。
【００２０】
エンジン１０は、エンジン本体部１２と、レーザ光照射部１４と、分析部１６と、演算部１８と、混合調整部２０と、コントローラ２２と、を主に有する。
【００２１】
エンジン本体部１２は、気筒１２ａ、ピストン１２ｂ、給気弁１２ｃ、排気弁１２ｄ、及びレーザ照射口１２ｅを含む。
気筒１２ａは、混合気が燃焼室内で燃焼する燃焼室を有し、壁面に給気弁１２ｃ、排気弁１２ｄが設けられる。空気と燃料ガスが予め混合装置によって所定の当量比で混合された混合気が給気弁１２ｃを通して気筒１２ａ内の燃焼室内に供給され、燃焼後、燃焼生成物が排気弁１２ｄを通して排気される。
ピストン１２ｂは、図示されないクランクシャフト等に接続されて、混合気の燃焼により動力を発するようになっている。気筒１２ａとピストン１２ｂとにより燃焼室が画されている。
気筒１２ａの上部には、レーザ照射口１２ｅが設けられ、着火用のレーザ光がレーザ照射口１２ｅに設けられた収束レンズ１２ｆを通して、燃焼室内で収束されるようになっている。
【００２２】
レーザ光照射部１４は、燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させる。レーザ光照射部１４は、レーザ光源１４ａ、λ／２板１４ｂ、偏光板１４ｃ、ミラー１４ｄ、ビームスプリッタ１４ｅ、コリメートレンズ１４ｆ、ミラー１４ｇ，１４ｈ、パワーメータ１４ｉ、及び集光レンズ１４ｊを含む。
レーザ光源１４ａは、混合気を着火させることができる投入エネルギを有し、さらに、混合気をブレークダウンさせるレーザ光を出射する。レーザ光源１４ａとして、例えば波長５３２ｎｍで、投入エネルギが数１００ｍＪのＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。
λ／２板１４ｂ及び偏光板１４ｃは、レーザ光の出力ビームプロファイルを一定に維持した状態で出力を制御する。
ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈは、レーザ光を反射して、気筒１２ａのレーザ照射口１２ｅにレーザ光を導くように配置されている。ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈは、レーザ光の入射に対して耐力を有し、かつ反射特性が広帯域で高いことが望まれる。ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈは、例えば、３５０〜１１００ｎｍの波長範囲で反射率９５％以上の反射特性を有し、さらに、レーザ耐力が１Ｊ／ｃｍ2以上であるミラーが好ましく、上記反射率が９９％以上でレーザ耐力が２Ｊ／ｃｍ2以上であるミラーがより好ましい。
ビームスプリッタ１４ｅは、レーザ光源１４ａから気筒１２ａの燃焼室内に向かうレーザ光と、混合気のブレークダウンにより燃焼室内で発し、燃焼室内からビームスプリッタ１４ｅに向かう光の光路を分岐するために配置される。すなわち、レーザ光照射部１４の光路を通る光は、図１の上方から下方に透過するとともに、その一部が反射されて、パワーメータ１４ｉに入射する。一方、燃焼室内で発する光は、光路中の収束レンズ１２ｆを通り、ミラー１４ｈ，１４ｇで反射され、コリメートレンズ１４ｆを通過した後、ビームスプリッタ１４ｅで反射され、分析部１６に入射する。このように、レーザ光とブレークダウン時の光の光路を部分的に共用するとともに、ビームスプリッタ１４ｅを用いることにより、気筒１２ａからレーザ光源１４ａに向かって光路を辿ったとき、分析部１６の受光面に向かうように、レーザ光の光路の途中から分岐する分岐光路が設けられている。
コリメートレンズ１４ｆは、光を平行光とする。集光レンズ１４ｊは、分析部１６の受光面に光を集光するように設けられる。
パワーメータ１４ｉは、レーザ光の投入エネルギを計測する。
【００２３】
分析部１６は、レーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ：Laser Induced Break down Spectroscopy）を用いて混合気の着火位置及び着火時における発光を、レーザ光の着火毎に受光して分光分析を行う分析装置を備える。レーザ誘起ブレークダウン分光法は、具体的に、高エネルギのレーザパルスを励起源とし、レーザ光を収束させて、混合気等の測定対象物の成分を原子状態にして励起させてプラズマ化させ、このときのプラズマの発する光を分光して分析する方法をいう。また上記プラズマの発生により、混合気は着火する。混合気のブレークダウン時の分析結果により、本実施形態では、ブレークダウンした混合気の成分、すなわち、着火時の混合気の成分を知ることができ、これにより、着火時、着火位置における混合気の当量比を知ることができる。
分析部１６の分析装置は、図示されないが、光を分光するスリット、波長分散素子（例えばプリズム）、あるいはレンズ等の光学素子の他、分光した光を受光して撮像するＩＣＣＤカメラ１６ａを含む。ＩＣＣＤカメラ１６ａは、レーザ光の照射から所定時間経過後の一定期間内において、波長帯域毎に分光された光を撮像し、この撮像信号を用いて、分析部１６は着火時の分光スペクトルを求める。上記所定時間経過後の一定期間は、その期間内にレーザ光の照射による混合気のブレークダウンが必ず生じるように定められた期間である。求めた分光スペクトルは、後述する演算部１８に供給される。
【００２４】
演算部１８は、分析部１６の分光分析の結果である分光スペクトルを用いて混合気の着火位置における混合気の当量比を着火毎に算出する。さらに、演算部１８は、当量比そのものの値の他に、当量比の情報として、レーザ光の着火毎の着火時の着火位置における当量比のばらつきを求める。
図２は、分析部１６から供給された５０回分の着火毎のブレークダウン時（着火時）の分析結果（発光スペクトル分布）の一例をグラフ化した図である。横軸には６００〜８５０ｎｍの波長をとり、縦軸には発光強度をとっている。この分析結果は、メタンガス（燃料ガス）と空気（空気）を混合した混合気を、ＹＡＧレーザ（波長５３２ｎｍ、投入エネルギ６０ｍＪ）を用いて着火したときの結果である。このとき、レーザ光の照射のタイミングは、ＢＴＤＣ（Before Top Dead Center）２０度とした。図２に示すように、ブレークダウン時（着火時）の発光スペクトル分布は、複数のピークを有する。これらのピークのうち、メタンガス中の水素原子の発光Ｈα（６５６ｎｍ）と、空気中の酸素原子の発光（７７７ｎｍ）とを少なくとも含む。
【００２５】
演算部１８は、分析結果からＨα（６５６ｎｍ）の発光ピーク強度と、酸素原子の発光（７７７ｎｍ）の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて、当量比を算出する。
具体的に、燃料ガスと空気を混ぜた混合気を着火させたときにＬＩＢＳ分光分析法で計測される上記ピーク強度の比率と、周知のラムダ計を用いて実際に計測した混合気の当量比との関係を予め見出しておき、この関係を参照テーブルとして演算部１８は記憶しておく。演算部１８は、記憶した参照テーブルを用いて、エンジン１０の各着火時に得られる上記比率から、各着火における当量比を算出する。
【００２６】
図３は、燃料ガスの流量を変化させることにより当量比を変化させてエンジン１０で燃焼させたとき、演算部１８において算出される当量比と燃料ガスの流量との関係を示す図である。図３からわかるように、演算部１８において算出される当量比（図中、□で示される値）は、燃料ガスの流量を変化させることにより変化する当量比に対応して変化していることがわかる。これより、演算部１８において算出される当量比は妥当な結果を示すといえる。このように算出された当量比は、図示されない混合装置によって空気と燃料ガスとの当量比の調整に用いられることができる。すなわち、演算部１８の当量比の算出結果に応じて、混合装置の調整を行うように制御信号を混合装置に送る。なお、図３中の縦棒で示されるエラーバーは、当量比を５００回算出して統計的にその平均値から１σ（σ：標準偏差）外れたものを除外した約３００回分のばらつきに基づく標準偏差を示している。この当量比のばらつきは、着火時、着火の状態が異なることを示している。なお、当量比がばらつくことは、レーザ光による着火が極めて狭い範囲の位置で発生するが、この位置における混合気の混合状態が均一でないことに依拠するといえる。
本実施形態では、各着火時の着火位置における当量比を算出することができるとともに、さらに、演算部１８は、一定期間における算出した当量比をまとめて、当量比のばらつきを算出する。これにより、演算部１８は、各着火時の当量比のばらつきを得ることができる。なお、当量比のばらつきがあると、着火の有無やエンジン出力が不安定になり易く好ましくない。したがって、このような当量比のばらつきを抑制するために、エンジン１０には混合調整部２０が設けられている。
【００２７】
混合調整部２０は、混合気の混合状態をばらつきが少なくなる混合状態に調整する。
図４は、混合調整部２０の一例を示す構成図である。
混合調整部２０は、空気及び燃料ガスの混合後の給気管２０ａの内部に、混合気の流れ方向に対して直交する方向に回転軸を有する網目状の格子を有する乱流格子２０ｂを含む。乱流格子２０ｂの格子面の向きが、混合気の流れ方向に直交するとき、乱流は発生し難く、混合気の流れ方向に平行なとき、乱流は最も多く発生する。したがって、乱流格子２０ｂの向きを演算装置１８が調整することにより、混合気の乱流による混合状態を調整することができる。
【００２８】
コントローラ２２は、レーザ光源１４のレーザ光の出射のＯＮ，ＯＦＦを制御する制御信号を生成しレーザ光源１４に送るとともに、分析部１６に分光分析の開始と停止を制御する信号を生成し分析部１６に送ることにより、混合気の着火の制御及びＬＩＢＳ分光分析法の制御を実施する。勿論、コントローラ２２は、エンジン本体部１２ａの供気弁１２ｃ及び排気弁１２ｄの制御及び、空気及び燃料ガスの当量比の制御を行う。
【００２９】
このようなエンジン１０では、以下のような、混合気の調整方法が行われる。
まず、レーザ光照射部１４は、レーザ光を用いてエンジン１０の気筒１２ａ内に給気された燃焼用の混合気を着火させてレーザ着火エンジンを駆動させる。このとき、レーザ光は、混合気のブレークダウンにより、混合気を構成する原子がプラズマ状態となって励起し発光するので、このとき発する光を、レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて計測する。すなわち、分析部１６は、混合気の着火位置及び着火時（ブレークダウン時）における発光を、レーザ光の着火毎に受光して分光分析を行う。次に、演算部１８は、分析部１６の分光分析の結果を用いて、混合気の着火位置における混合気の当量比を、予め記憶した当量比と分析結果との対応関係を表す参照テーブルを用いて着火毎に算出する。演算部１８は、算出した当量比を一定期間集め、当量比のばらつき（標準偏差）を求める。算出した当量比のばらつきに基いて、混合気の混合状態を調整するための制御信号を演算部１８は生成し混合調整部２０に送る。混合調整部２０は、演算部１８から送られた制御信号に基づいて、混合気の混合状態を調整し、この調整された新たな混合気を気筒１２ａ内に供給する。このときの混合気は、レーザ光による着火毎の当量比のばらつきが小さくなるように、混合状態が調整される。
また、当量比の算出は、燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて当量比を算出する。これにより、当量比をリアルタイムで求めることができる。
【００３０】
このように、混合調整部２０は、混合気の燃料ガスと空気の混合状態を小さな渦流によって形成される乱流によって均一に混合する。混合調整部２０が、乱流を多く発生させることで、混合気における局所的な混合状態のばらつきを抑制するので、空間的にも時間的にも安定した混合状態を作り出すことができると考えられる。しかし、混合気中で乱流を多く発生させると、気筒１２ａへの供給ロス（給気ロス）が大きくなり、エンジン出力が不安定になる。また、上記乱流により、ブレークダウン時の光が乱反射して受光強度が低くなり、分析結果を用いた当量比の算出の精度が低下する。このため、混合調整部２０では、必ずしも混合状態を均一にするために乱流を多く発生させることが好ましいわけではなく、エンジン出力を一定に維持し、かつ当量比の計測を正確に行うために、乱流による混合状態には最適な状態が存在する。したがって、演算部１８は、算出する当量比のばらつきが小さくなるように、混合調整部２０によって混合気の混合状態を調整する。
【００３１】
以上の説明から判るように、エンジン１０は、ＬＩＢＳ分析を用いて混合気の着火時、着火位置における発光を分光分析するので、着火時、着火位置における当量比を、１回の着火毎に算出することができる。このため、このエンジン１０を用いて、効率のよい混合気の調整方法を実現する。
また、混合気の着火に用いるレーザ光は、さらに、ＬＩＢＳ分析における混合気のブレークダウンに用いられるので、１回のレーザ光の照射により、着火と当量比の算出を同時に行うことができる。特に、当量比の算出をほぼリアルタイムで行うことができる。
また、レーザ光照射部１４は、レーザ光源１４ａから気筒１２ａ内に導く光路を有し、気筒１２ａからレーザ光源１４ａに向かって光路を辿ったとき、分析部１６の受光面に向かうように、レーザ光の光路の途中からビームスプリッタ等の光学素子を用いて分岐する分岐光路が設けられる。すなわち、着火のためのレーザ光の光路と、ブレークダウン時に発する光の光路とが部分的に光路を共有しているので、エンジン本体部１２周りの光学装置や測定装置のレイアウトが簡素化される。また、従来のように、レーザ光の照射のために、光ファイバを用いず、ミラー１４ｄ，１４ｇ，１４ｈやビームスプリッタ１４ｅ、コリメータレンズ１４ｆ等の光学素子を用いて光路を形成するので、エンジン本体部１２のエンジン振動の影響を受けない位置で分光分析を行うことができるので、分光分析におけるＳＮ比を向上することができる。
混合調整部２０は、算出した当量比の情報に基いて、混合気の混合状態を調整し、混合調整部２０で混合状態が調整された新たな混合気が気筒１２ａに供給されるので、エンジン本体部１２は、最適な混合状態で混合気を着火することができる。
演算部１８は、当量比の情報として、当量比に関するレーザ光の着火毎のばらつきのデータを求める場合、混合調整部２０は、混合気の混合状態を、当量比のばらつきが少なくなる混合状態に調整することができる。
【００３２】
上記実施形態のエンジン１０の分析部１６は、ＬＩＢＳ分析を行う分析装置を備えるが、分析部１６の代わりに、図５に示すように、入射した光を分光するスリット２４ａと、スリット２４ａを通過した光を分光する波長分散素子２４ｂ（例えば回折格子）と、フォトダイオード２４ｃ，２４ｄを備えた分析部２４を用いることもできる。
ＬＩＢＳ分析において、予め計測する発光ピークの波長が定まっている場合、スリット２４ａと、波長分散素子２４ｂを用いて、その波長における発光ピーク強度のみを計測することで、装置構成を簡素にすることができる。この場合、スリット２４ｂを、定めた波長に対応させて設けるとともに、フォトダイオード２４ｃ，２４ｄが、分光した光の中の定められた波長の光のみを受光して、２つのピーク強度を計測するように構成するとよい。空気に含まれる原子の計測する発光ピークの波長と、燃料ガスに含まれる原子の計測する発光ピークの波長とが定められているので、フォトダイオード２４ｃ，２４ｄは、分光した光の中から、２つの発光ピークの波長に応じた光のみを受光することにより、２つの発光ピーク強度を計測することができる。
【００３３】
当量比を算出するために、上述した例では、発光ピーク強度として、水素原子のＨα（６５６ｎｍ）の発光ピーク強度と、酸素原子の発光（７７７ｎｍ）の発光ピーク強度を計測したが、この２つの発光ピーク強度に限られない。例えば、燃料ガス中の炭素原子の発光する光の発光ピーク強度を計測対象とすることもできる。
また、本実施形態において、レーザ光は、混合気の着火のための照射光として、及び混合気の着火時、着火位置におけるＬＩＢＳ分析を行うための照射光として、同時に利用されるが、着火のために混合気に照射するレーザ光と、ＬＩＢＳ分光法を行うために混合気に照射するレーザ光とが、別のレーザ光として別々のタイミングで照射されてもよい。
【００３４】
なお、本実施形態では、図１に示すような燃料ガスと空気を混合した混合気を供気するエンジン本体部１２を用いるが、このような構成に限定されない。例えば、気筒１２ａ内に空気を給気するとともに、液体燃料を気筒１２ａ内に直接噴射する方式のエンジンをエンジン本体部１２に代えて用いることができる。
【００３５】
以上、本発明のレーザ着火エンジン及びレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ レーザ着火エンジン
１２ エンジン本体部
１２ａ 気筒
１２ｂ ピストン
１２ｃ 給気弁
１２ｄ 排気弁
１２ｅレーザ照射口
１２ｆ 集束レンズ
１４ レーザ光照射部
１４ａ レーザ光源
１４ｂ λ／２波長板
１４ｃ 偏光板
１４ｄ，１４ｇ，１４ｈ ミラー
１４ｅ ビームスプリッタ
１４ｆ コリメートレンズ
１４ｉ パワーメータ
１４ｊ 集光レンズ
１６，２４ 分析部
１６ａ ＩＣＣＤカメラ
１８ 演算部
２０ 混合調整部
２０ａ 給気管
２０ｂ 乱流格子
２２ コントローラ
２４ａ スリット
２４ｂ 波長分散素子
２４ｃ，２４ｄ フォトダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させ燃焼させるレーザ着火エンジンであって、
混合気が燃焼室内で燃焼する気筒と、前記混合気の燃焼により動力を発するピストンを含むエンジン本体部と、
前記燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させるレーザ光照射部と、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行う分析部と、
前記分析部の分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出する演算部と、を有することを特徴とするレーザ着火エンジン。
【請求項２】
前記混合気の着火に用いる前記レーザ光を、さらに、前記レーザ誘起ブレークダウン分光法における前記混合気のブレークダウンに用いる請求項１に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項３】
前記レーザ光照射部は、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光をレーザ光源から前記気筒内に導く光路と、を有し、
前記光路の途中には、前記気筒から前記レーザ光源に向かって前記光路を辿ったとき、前記分析部の受光面に向かうように、前記光路の途中から光学素子を用いて分岐する分岐光路が設けられている、請求項２に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項４】
前記混合気は、燃料ガスと空気が混合されたガスであり、
前記演算部は、前記分光分析の結果から前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項５】
さらに、算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整する混合調整部を有し、
前記混合調整部で混合状態が調整された新たな混合気が前記気筒に供給される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項６】
前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、
前記混合調整部は、前記混合状態を前記ばらつきが少なくなる混合状態に調整する、請求項５に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項７】
レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させて燃焼させるレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法であって、
レーザ光を用いて前記レーザ着火エンジンの気筒内で、燃焼用の混合気を着火させて前記レーザ着火エンジンを駆動させるステップと、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行うステップと、
前記分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出するステップと、
算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整し、混合状態が調整された新たな混合気を前記気筒に供給するステップと、を有することを特徴とする混合気の調整方法。
【請求項８】
前記混合気は、燃料ガスと空気が混合されたガスであり、
前記分光分析の結果から、前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、請求項７に記載の混合気の調整方法。
【請求項９】
前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、
前記混合気の混合状態を調整するとき、前記混合状態は前記ばらつきが少なくなるように調整される、請求項７または８に記載の混合気の調整方法。
【請求項１】
レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させ燃焼させるレーザ着火エンジンであって、
混合気が燃焼室内で燃焼する気筒と、前記混合気の燃焼により動力を発するピストンを含むエンジン本体部と、
前記燃焼室内の混合気の着火のために混合気にレーザ光を照射させるレーザ光照射部と、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行う分析部と、
前記分析部の分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出する演算部と、を有することを特徴とするレーザ着火エンジン。
【請求項２】
前記混合気の着火に用いる前記レーザ光を、さらに、前記レーザ誘起ブレークダウン分光法における前記混合気のブレークダウンに用いる請求項１に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項３】
前記レーザ光照射部は、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光をレーザ光源から前記気筒内に導く光路と、を有し、
前記光路の途中には、前記気筒から前記レーザ光源に向かって前記光路を辿ったとき、前記分析部の受光面に向かうように、前記光路の途中から光学素子を用いて分岐する分岐光路が設けられている、請求項２に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項４】
前記混合気は、燃料ガスと空気が混合されたガスであり、
前記演算部は、前記分光分析の結果から前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項５】
さらに、算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整する混合調整部を有し、
前記混合調整部で混合状態が調整された新たな混合気が前記気筒に供給される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項６】
前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、
前記混合調整部は、前記混合状態を前記ばらつきが少なくなる混合状態に調整する、請求項５に記載のレーザ着火エンジン。
【請求項７】
レーザ光を用いて燃焼用の混合気を着火させて燃焼させるレーザ着火エンジンにおける混合気の調整方法であって、
レーザ光を用いて前記レーザ着火エンジンの気筒内で、燃焼用の混合気を着火させて前記レーザ着火エンジンを駆動させるステップと、
レーザ誘起ブレークダウン分光法を用いて前記混合気の着火位置及び着火時における発光を、前記レーザ光による着火毎に受光して分光分析を行うステップと、
前記分光分析の結果を用いて、前記混合気の着火位置における前記混合気の当量比を着火毎に算出するステップと、
算出した前記当量比の情報に基いて、前記混合気の混合状態を調整し、混合状態が調整された新たな混合気を前記気筒に供給するステップと、を有することを特徴とする混合気の調整方法。
【請求項８】
前記混合気は、燃料ガスと空気が混合されたガスであり、
前記分光分析の結果から、前記燃料ガスに含まれる原子の発光ピーク強度と、前記空気に含まれる原子の発光ピーク強度との比率を算出し、この比率を用いて前記当量比を算出する、請求項７に記載の混合気の調整方法。
【請求項９】
前記当量比の情報は、前記当量比に関する前記レーザ光による着火毎のばらつきを含み、
前記混合気の混合状態を調整するとき、前記混合状態は前記ばらつきが少なくなるように調整される、請求項７または８に記載の混合気の調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１３１８３（Ｐ２０１３−１１３１８３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８７４１（Ｐ２０１１−２５８７４１）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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