JP2006307732A - 内燃機関用燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来より小さなエネルギーでも効率良く燃焼できる内燃機関用燃焼システムを提供すること。
【解決手段】レーザー着火方式を採用し、ピストン表面に光触媒を担持して成る内燃機関用燃焼システムである。光触媒がポーラスである。ピストン表面に穴部や溝部を有する。光触媒が穴部や溝部に担持されている。穴部の内径又は溝部の幅が１μｍ〜１０００μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用燃焼システムに係り、更に詳細には、レーザー着火方式を採用する内燃機関において、消費エネルギーを従来品より低減できる内燃機関用燃焼システムに関する。

従来から、内燃機関の着火方式の１つとしてレーザー着火方式が知られている。レーザー着火方式は、点火位置を任意に設定できることから、多点での点火が可能である。また、点火に要する時間が数十ナノ秒（従来の点火プラグでは約千ナノ秒）と非常に短時間で終了するなど、他の点火システムにはない特徴を有する。
よって、これらを利用して混合気の燃焼を大幅に改善することができる。

例えば、自動車エンジンの燃焼室において、混合気を高圧縮比化するとノッキングをともなうことがあるが、点火位置変更や多点点火を行うことにより、エンドガス領域を狭めてノッキングを抑制できる。
また、比熱比の高い希薄燃焼を行うエンジンでは、スワール流やタンブル流などの流れを作り出して火炎伝播速度を増加するが、これが強すぎると点火が困難となることがある。この点においても、数十ナノ秒で点火が終了するために安定な点火が可能となる。

点火に要するエネルギーに関しては、混合気中に光を集光させて点火効率を向上する技術が提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。
特開平１−１９３０８１号公報 特開昭６３−２５３１１１号公報 実開昭５８−１５８９６１号公報 特開昭５９−１０１５８５号公報

しかし、上述のような、光を用いた混合気の点火システムは、点火時のエネルギー消費が非常に大きいという問題点があった。
また、レーザー着火方式を採用すると装置構成が大きくなってしまい、車載が困難となるという問題点もあった。

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、従来より小さなエネルギーでも効率良く燃焼できる内燃機関用燃焼システム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、レーザー着火方式を採用する内燃機関のピストン表面に光触媒を担持することにより、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。

即ち、本発明の内燃機関用燃焼システムは、レーザー着火方式を採用する内燃機関用燃焼システムであって、
ピストンの表面に光触媒を担持して成ることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関用燃焼システムの好適形態は、上記光触媒がポーラスであることを特徴とする。

更に、本発明の内燃機関用燃焼システムの他の好適形態は、上記ピストンが表面に穴部及び／又は溝部を有することを特徴とする。

また、本発明の内燃機関用燃焼システムの更に他の好適形態は、上記光触媒が、少なくとも該穴部及び／又は該溝部に担持されていることを特徴とする。

更に、本発明の内燃機関用燃焼システムの他の好適形態は、上記穴部の内径又は上記溝部の幅が１μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする。

ピストン表面の光触媒にレーザーを照射することで、該光触媒がＨＣ、Ｏ_２ラジカルの生成を促進し、燃焼効率が良好となる。また、ピストン表面に凹みを設けるときは、この凹みに燃料が保持されるので、より光触媒の効果が発揮され得る。

以下、本発明の内燃機関用燃焼システムについて詳細に説明する。なお、本明細書及び本特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。

本発明の内燃機関用燃焼システムは、レーザー着火方式を採用する。
具体的には、燃焼室内に配設したレーザー光源よりピストンの表面（ピストンヘッド）へレーザーを照射することで混合気の燃焼を促進する。
また、ピストンの表面に光触媒を担持し、この光触媒にレーザーが照射されるようにする。

これにより、従来のレーザー着火方式では、燃焼を促進させるために大きなエネルギーを必要としていたが、本発明では、光触媒がＨＣ、Ｏ_２ラジカルの生成を促進するので、少ないエネルギーで効率の良い燃焼が実現する。言い換えれば、着火点としたい部位に光触媒を配設し、当該部位にレーザー光を照射すれば足りるので、エネルギー消費量が最小限となり得る。
また、従来のレーザー着火方式は、レーザー装置が大きいために車載などが困難であったが、本発明では、エネルギー消費量の小さいレーザー装置で足りるのでシステムを小型化できる。

ここで、上記レーザー着火方式では、燃焼させる混合気や光触媒の種類などにより異なるが、固体レーザー、気体レーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー、自由電子レーザーなどを適宜使用できる。
また、上記光触媒としては、例えば、ポーラスなチタン系酸化物、亜鉛系酸化物、ニオブ系酸化物、タンタル系酸化物、ガリウム系酸化物、ストロンチウム系酸化物、鉄系酸化物、タングステン系酸化物又はスズ系酸化物及びこれらを任意に組合わせたものなどが挙げられる。なお、光触媒の担持部位は混合気に接触できる限り特に限定されず、ピストンヘッドの全面でも良いし、レーザー照射数に応じて点在させても良い。
更に、混合気は、代表的には、燃料ガス（ガソリン、軽油、天然ガス、アルコールなど）と空気を任意に配合して得られる。

また、燃焼室の内壁の一部を形成するピストン表面には、凹みを設けることができる。具体的には、穴部、溝部のいずれか一方又は双方を形成することが好適である。
このときは、穴部や溝部に混合気の一部が保持されるので、光触媒を作用させ易い。
例えば、図１に示すように、凹みの断面形状はＵ字状やＶ字状などに形成できる。また、図２に示すように、凹みの配置形状は全体又は一部に点在させて形成したり、升目状や多重円状などに形成できる。

更に、上記光触媒は、少なくとも穴部、溝部のいずれか一方又は双方に担持されていることが好適である。また、このときは穴部や溝部にレーザーを照射することがより好ましい。
これにより、平滑なピストン表面に光触媒を担持する場合に比べて、レーザー照射の効果を向上できる。また、凹みに混合気が保持されるので燃焼を促進できる。更にまた、光触媒がポーラスなので、ミクロ副室的な効果からも燃焼を促進できる。

更にまた、ピストン表面に設ける凹みの幅、即ち上記穴部の内径又は上記溝部の幅は、１μｍ〜１０００μｍであることが好適である。
このときは、凹みの幅がレーザービーム径の範囲（１μｍ〜１０００μｍ）に相当するので、保持された混合気が有効に使われ、エネルギーロスを抑制した燃焼が可能となる。

また、上記凹みの深さは１０〜１０００μｍ程度であることが良い。浅すぎると保持される混合気が少ないため所望の効果が発揮されず、深すぎるとレーザーが光触媒に照射されにくいからである。

なお、レーザー光源は、複数設置することもできるが、１つの光源から光学系器具（スプリッタ、集光レンズなど）を介して分散させたり焦点を調節することもできる。また、レーザー光源は、混合気の出入やピストンの上下動に合わせて定期的に照射をオンオフ制御することもできる。
また、本発明の燃焼システムに使用する内燃機関は、混合気を燃焼することにより動力が得られれば良く、燃料、作動方式、サイクル、シリンダー数、シリンダー形式、冷却方式、バルブ機構、バルブ数などは特に限定されない。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
ガソリンエンジンの燃焼室において、ピストンヘッドに光触媒（アナターゼ型ＴｉＯ_２）を配設した。この光触媒をレーザー照射できるレーザー発振器を設けた。燃焼室は、混合気を発生させる装置として、燃焼噴射弁と空気流入弁を有する。

（比較例１）
光触媒を使用しない以外は、実施例１と同様の構成を有する燃焼システムを得た。

実施例１及び比較例１のシステムにおいて、燃焼室に混合気を満たした後、これをピストンが上死点まで圧縮するときに、３９０ｎｍのレーザー光を光伝導体に照射した。
実施例１の燃焼システムでは、レーザー光照射後、混合気に発火が起こり、可燃伝播・燃焼が進行した。
一方、比較例１のシステムでは、レーザー光のエネルギーが足りず混合気に発火は起こらなかった。

なお、実施例１に記載の燃焼システムは、本発明の一実施形態に過ぎず、特にこれらに限定されるものではない。
例えば、レーザー照射と同時期に点火プラグによる点火も行い、より混合気の燃焼効率を高めることもできる。

ピストン表面に設けた凹みを示す断面概略図である。 ピストン表面に設けた凹みの配置形状を示す上面概略図である。

Claims (5)

1. レーザー着火方式を採用する内燃機関用燃焼システムであって、
   ピストンの表面に光触媒を担持して成ることを特徴とする内燃機関用燃焼システム。
2. 上記光触媒がポーラスであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用燃焼システム。
3. 上記ピストンが表面に穴部及び／又は溝部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用燃焼システム。
4. 上記光触媒が、少なくとも該穴部及び／又は該溝部に担持されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用燃焼システム。
5. 上記穴部の内径又は上記溝部の幅が１μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関用燃焼システム。

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