JP2006052722A - 点火触媒、改質触媒、点火素子及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】希薄混合気の濃度分布があっても着火性の高い点火触媒、着火をより確実にする改質触媒、点火素子及び内燃機関を提供すること。
【解決手段】内燃機関の燃焼室１内に配設され、燃料と空気の混合気が接触したときに該混合気を着火させる点火触媒である。
内燃機関の燃焼室内に配設され、燃料と空気の混合気が接触したときに該混合気を，酸素よりも高い熱伝導率の改質ガスに改質する改質触媒である。
点火触媒２を耐火性無機酸化物に担持して成る点火素子である。耐火性無機酸化物がヘキサアルミネートである。
燃焼室１内に主燃焼室とは別に設ける副燃焼室に点火触媒２又は点火素子３を備え、副燃焼室で燃料と空気の混合気を着火させて得られた火炎を用いて、主燃焼室で超希薄燃料を燃焼させる内燃機関である。
【選択図】図５

Description

本発明は、点火触媒、改質触媒、点火素子及び内燃機関に係り、更に詳細には、超希薄燃焼による大幅な燃費の低減が可能な内燃機関に用いられる点火触媒、改質触媒、点火素子及び内燃機関に関する。

今後、更に厳しくなる排ガス規制に対応するためには、エンジンの燃焼による有害物質の低減に加え、触媒性能の更なる向上が必要とされる。また、近年では地球温暖化の問題もあり、その原因の一つであるＣＯ_２排出の低減についても要求されている。従って、有害物質（特にＮＯｘ）及びＣＯ_２排出の両方を低減するためには、燃焼効率のよいリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを用いること、これらのエンジンに有効な排ガス浄化触媒を開発することに加え、ガソリンエンジンでは超希薄燃焼による大幅な燃費低減を行う必要がある。
また、既に実用化されている筒内噴射式のガソリンエンジンでは、従来のガソリンエンジンと同じ燃焼である「均質燃焼」と、ディーゼルエンジンに近い「成層燃焼」を運転状況に応じて使い分けており、あまり出力を必要としないアイドリング、低速走行など部分負荷では成層燃焼を行って燃費を低減している。成層燃焼では圧縮行程に燃料を供給して、スワール流などシリンダー内にガスの流れを発生させてスパークプラグなどの点火装置周辺に濃い混合気を形成させ、濃い部分で燃焼させている。このような希薄混合気は失火しやすいため、強いスワール流を利用して着火後の火炎伝播を促進している。これらにより、従来では２５程度であった空燃比が成層燃焼により（筒内全体で）３０〜５０程度まで上がり、燃費低減が可能となっている（例えば非特許文献１，２参照。）。
高 行男著、「ガソリン直噴」、山海堂、１９９９年、Ｐ１１−５９ 金子靖雄著、「ガソリン筒内直噴エンジン」、山海堂、２０００年、Ｐ３

成層燃焼は筒内全体では希薄燃焼であるが、点火装置近傍での空燃比はストイキ又はリッチとなっている。点火装置近傍において希薄燃焼ができないため、より希薄な混合気での燃焼が困難である。また、成層燃焼では点火時の混合気の位置が変動しやすいため、混合気の濃い部分での着火が困難である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、希薄混合気の濃度分布があっても着火性の高い点火触媒、着火をより確実にする改質触媒、点火素子及び内燃機関を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、火花による点火ではなく触媒の燃焼反応を利用した点火により、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

触媒の燃焼反応を利用することにより、燃焼室内の点火性能が顕著に向上し、超希薄燃焼が可能となるため、自動車などの内燃機関の燃費が良好となる。
また、混合気をより熱伝導率の高いガスに改質することにより、触媒により放出される熱エネルギーを効率良く混合気に移動させて、着火をより確実にする。

以下、本発明の点火触媒について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。

本発明の点火触媒は、内燃機関の燃焼室内に配設され、燃料と空気の混合気（Ａ／Ｆは３０〜３５程度）が接触したときに該混合気が着火するように作用する。
これより、Ａ／Ｆが３０〜３５程度の超希薄混合気でも、燃焼反応を進行させ得る。即ち、燃焼反応により触媒表面の温度が上昇し、やがて気相中の混合気にもエネルギーが与えられるので、火炎核が形成され、徐々に成長し、火炎が伝播する。その結果、従来のスパークプラグなどの火花点火は１点で点火するが、触媒点火では多点での点火が可能となり、超希薄混合気や混合気の濃い部分の位置が移動しても着火が可能となる。また、燃焼温度が低下するためサーマルＮＯｘの生成が抑制される。
なお、上記点火触媒は、混合気の着火に触媒反応を利用できればよく、混合気が接触する部位であれば燃焼室内のどの部位でも配設できる。例えば、図１に示すように、マニホールド噴射式の燃焼室であれば、ピストンヘッドなどの部位に配設できる。また、上記点火触媒は、耐熱性などの面から炭化珪素などの担体に固定化したり、加熱機能を備えるセラミックス担体や金属担体などに固定して燃焼反応及び着火性を更に向上させることができる。

ここで、上記点火触媒による燃焼反応は、酸素の活性化能が大きな影響を与えていると推察できる。即ち、燃焼反応により触媒の表面温度が上昇すると、触媒近傍で活性化状態となっている燃料と酸素との中間体が発生し、これが気相中の燃料や酸素とも反応して着火範囲が拡大すると考えられる。
このため、上記点火触媒は、酸化・還元機能を有する触媒成分を含むことが好適である。このときは、触媒から供給される活性な酸素が混合気の燃焼反応を促進し、着火性を大幅に向上させ得る。

また、かかる酸化・還元機能を有する材料としては、ペロブスカイト型結晶構造である化合物を使用するのが好適である。ＡＢＯ_３の化学組成を有する化合物の中で、Ａのイオン半径がＯのイオン半径と同程度であり、且つＢのイオン配位数が６、即ちＢがＯ６八面体席を占有できる大きさの化合物は、ペロブスカイト構造又はペロブスカイト構造と密接に関連する結晶構造を取り易い。特に、点火触媒を用いた燃焼反応に関しては、Ａサイトに希土類、Ｂサイトに遷移金属を含むものが高い燃焼性能を示す。例えば、ＬａＣｏＯ_３やＬａＭｎＯ_３のＬａ又はＭｎをＳｒで置換するとＣｏ（＋４）が生成するが、Ｃｏ（＋３）の方が安定であるため、Ｓｒの置換量の増加に伴い酸素空孔が生成して酸化・還元機能が向上し得る。

更に、酸化・還元機能を有する材料としては、セリウム（Ｃｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）又はビスマス（Ｂｉ）、及びこれらの任意の組合せに係る元素を含有することが好適である。例えば、酸化・還元機能を有するＣｅＯ_２にＺｒ、Ｐｒ及びＢｉなどを添加した複合酸化物系は、多くの排ガス浄化用触媒に使用されているが、酸素の吸収・放出能が高く、有効に使用できる。ＣｅＯ_２にＺｒ、Ｐｒ及びＢｉなどを添加し固溶させることにより、ＣｅＯ_２の結晶構造が歪む結果、酸素の吸収・放出能が向上し易い。
このような酸素の吸収・放出能の向上により、放出された酸素が混合気の燃焼反応を促進し、放出された後の空孔には気相中の酸素が速やかに吸収されるため、酸化・還元サイクルが効率よく進行し得る。

また、希薄混合気の燃焼反応を進行させ得る火炎核を形成し着火するためには、混合気中の燃料を確実に触媒表面近傍で燃焼させることが望ましい。そのため、上記点火触媒は、炭化水素吸着機能を有する触媒成分を含むことが好適である。希薄混合気は着火性があまり高くないが、触媒表面に接触した燃料（炭化水素など）を未反応のまま脱離させること無く吸着することで、希薄混合気中の燃料を確実に燃焼・着火できるので、燃焼効率が向上し、着火性も向上し得る。
かかる炭化水素吸着機能を有する材料としては、例えば、ゼオライトを使用できる。ゼオライトの特徴的な機能の１つには形状選択的吸着があり、これは分子と細孔径の相対的な大きさにより発現する。この機能を利用して触媒表面に接触した希薄混合気中の燃料を確実に吸着することで燃焼効率を向上できる。言い換えれば、ゼオライトを燃焼反応の活性点近傍に配置することで燃焼反応がより促進し得る。
代表的には、例えばペロブスカイト型酸化物やＣｅ、Ｚｒ、Ｐｒ又はＢｉなどをゼオライトに物理混合したり積層して使用できる。

次に、本発明の改質触媒について詳細に説明する。
本発明の改質触媒は、内燃機関の燃焼室内に配設され、燃料と空気の混合気が接触したときに、部分酸化反応により該混合気を熱伝導率が大きいガスに改質する。
従来の内燃機関の点火系では、点火プラグが使用されているが、この点火プラグは、非常に狭い電極間に混合気が存在するときに点火するため、希薄な混合気では点火タイミングの制御が困難となり、点火確率が低下することがあった。これに対して、本発明の改質触媒を用いると、熱エネルギーを伝達し易い改質ガスを共存させて点火できるため、点火確率が大幅に向上する。

また、上記改質触媒は、燃料と空気の混合気を、窒素（Ｎ_２）や酸素（Ｏ_２）より熱伝導率が大きい改質ガスに変換するが好ましい。具体的には、該混合気の部分酸化反応により、水素（Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）などをより多く含む改質ガスに変換できるものが良い。
この場合は、図２及び図３に示すように、改質前よりも熱伝導率が高いガスで燃焼室内が満たされるので、火炎核の形成及び火炎の伝播が促進され得る。
なお、上記改質触媒は、燃焼室内の混合気を改質できる部位であれば任意に配設できるが、例えば、図４に示すように、燃焼室内に副燃焼室を設けてその内部に点火触媒を備えるときは、点火効率を高める観点から、改質触媒も副燃焼室内に配設することが望ましい。

更に、上記改質触媒としては、遷移金属を含有することが好適である。代表的には、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）又はコバルト（Ｃｏ）、及びこれらを任意に組合わせたものを含有することが良い。このときは、改質後の混合気の熱伝導率がより高められるので、点火性能を向上できる。
また、上記遷移金属は、高表面積を有する無機酸化物とを組合わせて使用することが望ましく、このときは改質触媒としてより高い活性を発揮させ得る。例えば、Ｎｉをアルミナやマグネシアに担持して用いるときは、特に優れた改質効果が得られる。

上述した点火触媒及び改質触媒には、活性金属として貴金属を含有することが好適である。
点火触媒に含有する貴金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）又はパラジウム（Ｐｄ）などが挙げられ、これらはペロブスカイト型酸化物などと組合わせて使用できる。
また、改質触媒に含有する貴金属としても、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ又はＰｄなどが挙げられ、これらは固体酸性を有する無機酸化物と組合わせて使用できる。このときは、燃料を改質する活性が高められる。特に、Ｐｔをアルミナやシリカに担持した触媒は改質効果がより高まり易い。

次に、本発明の点火素子について詳細に説明する。
本発明の点火素子は、上述の点火触媒を耐火性無機酸化物に担持して成る。上記点火触媒のみを燃焼室内に配設する場合に比べて表面積が増大する。即ち、耐火性無機酸化物に該点火触媒を担持・高分散化することで、混合気との接触面積が増え点火触媒が短期間で高温に成るため、触媒反応が良好に進行する。また、耐久性が向上する。更に、酸化・還元機能や炭化水素吸着機能を有する材料を担持・高分散でき、各々の機能を高い効率で発現できる。例えば、図５に示すように、筒内噴射式の燃焼室であれば、ピストンヘッドなどの部位に配設した点火触媒とともに点火素子を配設できる。

また、上記点火素子は、燃焼室内に設置するため高い耐熱性が必要となるが、一般に耐熱性を有する材料は表面積が低く触媒反応の効率があまり高くない。そこで、上記耐火性無機酸化物としては、例えば、層状構造を有するヘキサアルミネートを用いることが好適である。ヘキサアルミネートはマグネトプランバイト構造を有する薄板状微結晶から成るので、大きい表面積を確保できる。また、添加物として、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）などを担持することが耐久性向上の面から効果的である。マンガン（Ｍｎ）で置換したマンガン置換型ヘキサアルミネートは更に効果的である。

更に、上記点火触媒の近傍には、上述した改質触媒を配設することが好適である。
上記点火素子における混合気の点火は、過熱した点火触媒が混合気に熱エネルギーを与え、気相反応が促進されることにより進行する。改質触媒は、混合気を熱伝導率の高いガスに改質する機能を有するので、熱エネルギーを伝達し易いガスが共存することとなり更に点火が促進し得る。言い換えれば、混合気の熱伝導率向上により多点点火が可能になるので、点火確率が大幅に向上し得る。

更にまた、点火触媒及び改質触媒の位置関係は、特に限定されるものではないが、燃焼室内での混合気の流動方向、噴射位置などを考慮することが良い。即ち、混合気が改質触媒、点火触媒の順に接触するように配設することが望ましい。

また、上記改質触媒は、アルミナ、マグネシア又はシリカ、及びこれらの任意の組合わせに係る無機酸化物に担持することが好適である。このときは、改質触媒が高い活性を示し易く、混合気の熱伝導率を向上できるので、点火性能を向上できる。
例えば、遷移金属と高表面積を有する無機酸化物とを組合わせた改質触媒が挙げられ、特にＮｉをアルミナやマグネシアに担持した触媒は優れた効果を発揮できる。また、貴金属と固体酸性を有する無機酸化物とを組合わせた触媒が挙げられ、特にＰｔをアルミナやシリカに担持した触媒は優れた効果を発揮できる。
なお、かかる改質触媒は、点火触媒を担持した無機酸化物に担持して一体構造型としても良いし、点火触媒とは別個の無機酸化物に担持しても良い。

次に、本発明の内燃機関について詳細に説明する。
本発明の内燃機関は、燃焼室が主燃焼室と副燃焼室から構成され、副燃焼室内においては、上記点火触媒又は点火素子を用いて燃料と空気の混合気を着火し、主燃焼室内においては、該副燃焼室で得られた火炎を用いて超希薄燃料を点火し燃焼させるものである。また、副燃焼室は、主燃焼室の内部に設けても、隣接して設けてもよい。更に、副燃焼室と主燃焼室の大きさや形状は、内燃機関の種類により多様であるが、副燃焼室の大きさは主燃焼室の大きさに対して５〜１０％程度であればよい。例えば、図６に示すような副燃焼室付点火素子を主燃焼室内に備えた内燃機関を挙げることができる。
この場合は、副燃焼室で形成された火炎核を副燃焼室に設けた噴孔から主燃焼室に伝播できるが、大きなエネルギーを有する個々の火炎核を速い火炎伝播速度で主燃焼室へ噴射できるため、超希薄混合気を失火させずに安定した燃焼が実現する。このときの噴孔は、主燃焼室の大きさや形状に合わせて、任意の位置、大きさ及び数量で設けることができる。また、自動車エンジンに採用するときは、燃費が大幅に低減するとともに、燃焼温度の低下によりサーマルＮＯｘの生成が抑制される。一方、副燃焼室がない場合は、形成された火炎核は主燃焼室内のあらゆる方向に向かって伝播するため、個々の火炎核のエネルギーは減少し、失火し易くなる。

また、副燃焼室内に備える点火素子又は点火触媒の近傍に改質触媒を配設するときは、燃料と空気の混合気よりも熱伝導度の高いガスが共存することにより、火炎核の形成及び火炎核の混合気中の伝播が促進される。換言すれば、副燃焼室で得られた火炎を主燃焼室へ放出することにより、超希薄燃料でも効率良く燃焼させることができる。

マニホールド噴射式の内燃機関に備えた点火触媒を示す概略図である。 各種ガスの熱伝導率を示すグラフである。 改質の有無による火炎核の伝播距離の様子を示す概略図である。 副燃焼室に配設された点火触媒及び改質触媒の一例を示す概略図である。 筒内噴射式の内燃機関に備えた点火触媒及び点火素子を示す概略図である。 副燃焼室を有する点火素子を示す概略図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 点火触媒
３ 点火素子
４ インジェクター
５ インレットポート
６ エキゾーストポート
７ ピストン
８ 副燃焼室
９ 改質触媒

Claims (16)

1. 内燃機関の燃焼室内に配設される点火触媒であって、
   燃料と空気の混合気が接触したときに該混合気を着火させることを特徴とする点火触媒。
2. 酸化・還元機能を有する触媒成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の点火触媒。
3. 上記触媒成分がペロブスカイト型結晶構造を有することを特徴とする請求項２に記載の点火触媒。
4. 上記触媒成分が、セリウム、ジルコニウム、プラセオジム及びビスマスから成る群より選ばれた少なくとも１種の元素を含有して成ることを特徴とする請求項２又は３に記載の点火触媒。
5. 炭化水素吸着機能を有する触媒成分を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の点火触媒。
6. 上記触媒成分がゼオライトを含有して成ることを特徴とする請求項５に記載の点火触媒。
7. 貴金属を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の点火触媒。
8. 内燃機関の燃焼室内に配設される改質触媒であって、
   燃料と空気の混合気が接触したときに該混合気を改質することを特徴とする改質触媒。
9. 上記混合気を、酸素よりも熱伝導率の高い改質ガスに改質することを特徴とする請求項８に記載の改質触媒。
10. ニッケル、鉄及びコバルトから成る群より選ばれた少なくとも１種の遷移金属を含有することを特徴とする請求項８又は９に記載の改質触媒。
11. 貴金属を含有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つの項に記載の改質触媒。
12. 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の点火触媒を用いた点火素子であって、
    上記点火触媒を耐火性無機酸化物に担持して成ることを特徴とする点火素子。
13. 上記耐火性無機酸化物がヘキサアルミネートであることを特徴とする請求項１２に記載の点火素子。
14. 上記点火触媒の近傍に、請求項８〜１１のいずれか１つの項に記載の改質触媒を配設したことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の点火素子。
15. 上記改質触媒をアルミナ、マグネシア及びシリカから成る群より選ばれた少なくとも１種の無機酸化物に担持したことを特徴とする請求項１４に記載の点火素子。
16. 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の点火触媒又は請求項１２〜１５のいずれか１つの項に記載の点火素子を用いた内燃機関であって、
    燃焼室内に主燃焼室とは別の副燃焼室を設け、該副燃焼室内に上記点火触媒又は上記点火素子を備え、
    副燃焼室で燃料と空気の混合気を着火させて得られた火炎を用いて、主燃焼室で超希薄燃料を燃焼させることを特徴とする内燃機関。

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