JP2006329116A - 燃料改質エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを採用した燃料改質エンジンにおいて、レーザの採用による費用の増大及び装置の大型化を緩和し、レーザの実用性を向上させる。
【解決手段】レーザを燃料の改質と点火との双方のエネルギー源として併用する。レーザｒが形成する焦点の位置ｐが、第１の燃料通路２２２内の位置ｐ１と、機関の燃焼室（ここでは、副燃焼室）２２３内の第２の位置との間で切り換えられる構成とする。改質により得られた燃料を副燃焼室２２３に供給し、焦点の位置ｐを位置ｐ２に設定することで、この改質燃料の混合ガスを燃焼させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料改質機能を持たせたエンジンに関し、詳細には、レーザを燃料の改質と点火との双方のエネルギー源として併用することで、燃料改質エンジンにおけるレーザの実用性を向上させる技術に関する。

レーザをエネルギー源として燃料を改質し、得られた改質燃料により作動するエンジンとして、次のものが知られている。すなわち、燃料通路の途中にリザーバを介装し、このリザーバ内の燃料に対してレーザ等の放射線発生器により直接エネルギーを付与して燃料を改質し、改質燃料をエンジンに供給するものである（特許文献１）。
特表２０００−５０９４５３号公報（第１１頁第２５行〜次頁第５行）

しかしながら、このような公知の燃料改質エンジンには、次のような問題がある。すなわち、レーザによる燃料の改質自体が本来的に費用の嵩む技術であることに加え、リザーバ及びその周辺器具等の専用の付帯設備が必要となるため、装置全体が大掛かりなものとなりがちなことである。
本発明は、レーザを燃料の改質以外に点火のエネルギー源として併用可能とすることで、レーザの採用による費用の増大及び構成の大型化の問題を緩和し、燃料改質エンジンにおけるレーザの実用性を向上させることを目的とする。

本発明は、燃料改質エンジンを提供する。本発明に係る装置は、レーザ発振器を含んで構成される燃料改質エンジンであり、このレーザ発振器から発射されるレーザが形成する焦点の位置が、第１の燃料通路内の第１の位置と、機関の燃焼室内の第２の位置との間で切り換えられる。第１の燃料通路内でレーザにより燃料を改質させる第１の運転時では、前記焦点の位置が第１の位置に設定される一方、機関により出力を発生させる、第１の運転時以外の第２の運転時では、前記焦点の位置が第２の位置に設定される。第１の燃料通路に接続された第１の燃料供給手段が設けられ、第１の運転時に得られた改質燃料がこの手段により燃焼室に供給される。

本発明によれば、レーザが形成する焦点の位置を第１の燃料通路内の第１の位置と、機関の燃料室内の第２の位置との間で切換可能とし、第１の運転時には、焦点の位置を第１の位置に設定して、レーザをエネルギー源として燃料を改質させる一方、第２の運転時には、焦点の位置を第２の位置に設定して、レーザをエネルギー源として点火を行わせることとしたので、レーザを燃料の改質及び点火の双方のエネルギー源として併用することができる。このため、エンジンを纏まりよく、かつ比較的に低廉に構成することができ、燃料改質エンジンにおけるレーザの実用性を向上させることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料改質エンジン（以下、単に「エンジン」という。）Ｅの構成を、気筒中心軸ｍを含む平面による断面で示している。本実施形態に係るエンジンＥは、いわゆる副室タイプのエンジンであり、ガソリンを燃料とし、点火のエネルギー源としてレーザが採用されている。

シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入されており、ピストン１２の冠面１２１とシリンダヘッド１３の下面１３１との間に形成される空間が燃焼室（ここでは、主燃焼室）１４となる。シリンダヘッド１３の気筒中心軸ｍを基準とする一側に、吸気ポート１５が形成されており、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続されて、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。シリンダヘッド１３の他側には、排気ポート１７が形成されており、排気ポート１７は、図示しない排気マニホールドと接続されて、排気通路を形成している。排気ポート１７は、排気弁１８により開放及び遮断される。吸気弁１６及び排気弁１８は、それぞれの上方に設置された、図示しない吸気カム又は排気カムにより駆動されて、各ポート１５，１７を開閉する。また、シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍ上に、主燃焼室１４内の混合ガスを着火させるための点火ユニット２１が設置されている。点火ユニット２１は、燃料の改質及び点火の双方に併用されるものであり、レーザ発振器２０１を含んで構成され、発射されたレーザｒが形成する焦点（以下、単に「焦点」という。）の位置ｐを複数の位置の間で切り換えることで、燃料の改質又は点火の機能を選択的に発揮する。

図２は、本実施形態に係る点火ユニット２１の構成を示している。
点火ユニット２１は、レーザ発振器２０１とユニット本体（以下、単に「本体」という。）２０２とを含んで構成され、本体２０２がシリンダヘッド１３に固定されている。レーザ発振器２０１は、エンジンＥから遠ざけて配置されており、本体２０２に対し、導波路となる光ファイバー２３１を介して光学的に接続されている。本体２０２に関し、エンジンＥにおける実装状態で気筒中心軸ｍに一致させるように軸（以下「本体中心軸」という。）ｎが設定されており、本体２０２の内部には、本体中心軸ｎ上に整列させて、本体中心線ｎに対して垂直に形成された隔壁２２１により上下に隔てられた２つの室２２２，２２３が形成されている。一方の室２２２は、本体２０２において、レーザｒの伝播経路の上流にあり、燃料配管２０３内と連通して「第１の燃料通路」を形成するとともに、焦点の位置ｐがその内部に設定された場合に燃料の改質が行われる空間を提供する。他方の室２２３は、前記伝播経路上で室２２２よりも下流にあり、本体２０２の半球状先端部２０２ａに形成された複数の孔２２４，２２４・・・を介して主燃焼室１４と連通する副燃焼室を提供する。副燃焼室２２３は、本体２０２の内部通路２２５を介して室２２２と連通しており、副燃焼室２２３には、室２２２から、改質により得られた燃料（以下「改質燃料」という。）が供給される。内部通路２２５には、後述するエンジンコントローラ４１からの信号に基づいて作動する流路開閉弁２２６が設置されており、これにより副燃焼室２２３に対する改質燃焼の供給時期が制御される。

光ファイバー２３１は、保護用の管２３２に収容されており、管２３２が一端で本体２０２と結合されることで、本体２０２に対して固定されている。管２３２内の光ファイバー２３１の収納空間と、室２２２とが燃料に関して密に隔てられるように、レーザｒを透過可能な材質の窓（以下「第１の窓」という。）２３３が形成されている。光ファイバー２３１から出たレーザｒは、第１の窓２３３を介して室２２２に入射することができる。また、本体中心軸ｎ上で、隔壁２２１及び半球状先端部２０２ａにも同じ材質の窓２２７，２２８が形成されており、第１の窓２３３を介したレーザｒは、第２の窓２２７を介して副燃焼室２２３に入射するとともに、第３の窓２２８を介して主燃焼室１４に入射することができる。光ファイバー２３１と第１の窓２３３との間には、「可変焦点手段」としての液体レンズ２４１が設置されている。本実施形態では、室２２２内の位置（ｐ１）を含む３つの位置ｐ１〜ｐ３の間で焦点の位置ｐを切り換えるため、この手段として同じ構成の２つの液体レンズ２４１ａ，２４１ｂが設置されている。なお、１つの液体レンズのみで焦点の位置ｐを段階的に切り換えることができるのであれば、その１つの液体レンズのみが設置されればよい。

ここで、液体レンズ２４１（２４１ａ，２４１ｂ）の構成及び動作を、図３を参照して説明する。
液体レンズ２４１は、屈折率の異なる２つの流体４０１，４０２がチャンバ部材４０３の内部に封入されて構成される。チャンバ部材４０３は、レーザｒが透過可能な材質であり、切頭円錐の側面の形状として形成された電極４０４が収められている。２つの流体４０１，４０２は、この切頭円錐の内部に相当する空間（以下「チャンバ」という。）に封入されており、一方の流体４０１（「第１の液状媒体」に相当する。）は、導電性の水溶液であり、他方の流体４０２（「第２の液状媒体」に相当する。）は、不導体のオイルである。電極４０４の表面及びチャンバ部材４０３の上部内面に撥水性を持たせることで、これらの流体４０１，４０２は、互いに分離し、かつオイル４０２がチャンバの上部に偏在した状態で保持される。この状態において、水溶液４０１は、電極４０４の表面に対して一定のぬれ角αを形成しており、オイル４０２が水溶液４０１との間に形成する界面ｓは、このぬれ角αに応じた曲率を有している。ぬれ角αは、水溶液４０１に印加する電圧の大きさを変化させることにより制御することができる。このぬれ角αの制御は、エレクトロウェッティング法として一般に知られるところである。界面ｓの曲率は、主にオイル４０２の表面張力に応じたものとして与えられるが、印加する電圧及びぬれ角αを変化させることで、可変に制御することができる。この印加電圧を制御する電圧コントローラ２４２が設置されており、電圧コントローラ２４２は、電源及びスイッチを含んで構成され、エンジンコントローラ４１からの信号に基づいてスイッチをオン又はオフして、ぬれ角α、延いては焦点の位置ｐを制御する。電源がオフされ、電極４０４に電圧が印加されていないときは、ぬれ角αが小さく、かつ界面ｓの曲率が大きい状態にあり、焦点の位置ｐは、液体レンズ２４１から比較的に近い位置ｆ１に形成される。他方、電源がオンされ、電極４０４に電圧が印加されたときは、ぬれ角αが大きく、かつ界面ｓの曲率が小さい状態にあり、焦点の位置ｐは、位置ｆ１よりも液体レンズ２４１から遠い位置ｆ２に形成される。

図１に戻り、本実施形態では、燃料配管２０３が点火ユニット２１に対する接続前の部位で分岐され、分岐配管２０４が形成されている。分岐配管２０４は、「第２の燃料通路」を形成するものであり、燃料噴射弁３１に接続されている。燃料噴射弁３１は、主燃焼室１４に改質前の燃料（すなわち、ガソリン）を供給するためのものであり、吸気通路内に臨ませて設置されている。燃料配管２０３と分岐配管２０４との分岐部分には、流量制御弁２０５が設置されており、これにより点火ユニット２１に導入される燃料の量が調節される。

エンジンＥの運転は、エンジンコントローラ（以下「ＥＣＵ」という。）４１により統合的に制御される。ＥＣＵ４１には、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセルセンサ５１からの信号、及びクランク角センサ５２からの信号（これをもとに、エンジン回転数ＮＥを算出する。）が入力されるほか、エンジン冷却水の温度を検出する温度センサからの信号等が入力される。ＥＣＵ４１は、これらの信号をもとに、流路開閉弁２２６及び燃料噴射弁３１による燃料の供給量及び供給時期を制御するとともに、レーザ発振器２０１による点火時期を制御する。

本実施形態に係るエンジンＥの動作を、図１を主に参照して説明する。
ＥＣＵ４１は、アクセルセンサ５１等からの信号をもとに、アクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転数ＮＥにより定められるエンジンＥの運転条件を検出する。図４に示す傾向を持たせたマップデータを参照し、検出した運転条件がいずれの運転領域Ａ，Ｂにあるかを判定する。運転条件が比較的に低負荷側の領域（「第１の領域」に相当する。）Ａにあると判定したときは、焦点の位置ｐを副燃焼室２２３内の第２の位置ｐ２に設定し、副燃焼室２２３内で点火を行う（図５）。この低負荷域Ａにおける運転に際し、点火動作時以外の時期に燃料の改質を行う。すなわち、レーザ発振器２０１は、高周波数での発振を繰り返しており、液体レンズ２４１ａ，２４１ｂの双方の電極４０４，４０４への電圧の印加を実質的に遮断することで、焦点の位置ｐを液体レンズ２４１ａ，２４１ｂに最も近い第１の位置ｐ１に設定する（図１）。これにより第１の位置ｐ１にレーザｒのエネルギーが集中して、燃料が改質される。改質燃料は、水素及び低級炭化水素からなるガス燃料であり、室２２２内に液体燃料が充填されているため、室２２２内を上昇する。室２２２を形成する本体内面の上部２０２ｂが燃料の流れに関して下流に向け、上向きに傾斜させて形成されているため（図２）、改質燃料は、この上面２０２ｂを伝い、室２２２の出口２２２ａに積極的に案内される。ＥＣＵ４１からの信号に基づいて流量制御弁２０５が作動し、改質により消費される燃料の量と、室２２２に新たに導入される燃料の量とが等しくなるように調整される。また、本実施形態では、改質に際し、一方の液体レンズ（たとえば、液体レンズ２４１ｂ）の電極４０４への微弱な電圧の印加及び遮断を短い周期で、かつ連続的に繰り返すことで、室２２２内の複数の位置の間で焦点の位置ｐを切り換える。図３は、この複数の位置として、室２２２内の２つの位置ｆ１，ｆ２を示しており、焦点の位置ｐは、この２つの位置ｆ１，ｆ２の間で切り換えられる。燃料の改質は、レーザｒの照射により瞬時に起こるものであるため、改質に際して焦点の位置ｐを変化させることで、改質燃料に引き続きレーザｒが照射されることによる効率低下を抑制することができる。副燃焼室２２３への改質燃料の供給時期は、ＥＣＵ４１からの信号に基づいて流路開閉弁２２６が内部通路２２５を開放させることにより制御される。副燃焼室２２３への改質燃料の供給に加え、燃料噴射弁３１により主燃料室１４に改質前の燃料が供給される。点火動作時には、電圧コントローラ２４２により一方の液体レンズ（たとえば、液体レンズ２４１ａ）の電極４０４に電圧を印加することで、界面ｓの曲率を減少させ、焦点の位置ｐを第２の位置ｐ２に設定するとともに、所定の点火時期にレーザｒを照射させて、点火を行う。これにより副燃焼室２２３内で改質燃料が燃焼し、孔２２４から噴出するトーチ状火炎により主燃焼室１４内の混合ガスが着火される。負荷の低下に応じ、液体レンズ２４１ａへの印加電圧を増大させて、第２の位置ｐ２としての焦点の位置ｐを下降させ、主燃焼室１４に近付けることで、火炎が形成するトーチを負荷が低いときほど拡げ、主燃焼室１４内での燃焼を安定させることができる。

他方、エンジンＥの運転条件が領域Ａよりも高負荷側の領域（「第２の領域」に相当する。）Ｂにあるときは、液体レンズ２４１ａ，２４１ｂの双方の電極４０４，４０４に電圧を印加することで、界面ｓの曲率を最大限に減少させ、液体レンズ２４１ａ，２４１ｂから最も遠い、主燃焼室１４内の第３の位置ｐ３に設定する（図６）。この高負荷域Ｂにおける運転では、燃料の改質は行わず、エンジンＥの出力形成上必要な全ての燃料は、燃料噴射弁３１により供給する。所定の点火時期にレーザｒを照射させ、点火を行う。第３の位置ｐ３は、主燃焼室１４のほぼ中心に設定するのが燃焼素質上好ましい。

本実施形態に関し、液体レンズ２４１ａ，２４１ｂが「可変焦点手段」に、電圧コントローラ２４２が「制御手段」に、流路開閉弁２２６が「第１の燃料供給手段」に、燃料噴射弁３１が「第２の燃料供給手段」に夫々相当する。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、レーザｒが形成する焦点の位置ｐを室２２２内の第１の位置ｐ１と、機関の燃焼室（ここでは、副燃料室２２３）内の第２の位置ｐ２との間で切換可能とし、低負荷域Ａにおける運転に際し、燃料を改質させるときは、焦点の位置ｐを第１の位置ｐ１に設定して、室２２２内で燃料を改質させる一方、機関により出力を発生させるときは、焦点の位置を第２の位置に設定して、副燃焼室２２３内の改質燃料を燃焼させることとした。このため、レーザｒを燃料の改質及び点火の双方のエネルギー源として併用して、部品を共用させることができ、エンジンを纏まりよく、かつ低廉に構成することができる。

また、機関の燃焼室として主燃焼室１４及び副燃焼室２２３を形成するとともに、副燃焼室２２３に改質燃料を供給することとしたので、副燃焼室２２３内の燃料（すなわち、改質燃料）が比較的に薄い状態でも安定して燃焼を成立させることができる。このため、低負荷域Ａにおける運転を安定させ、又はエンジンＥの安定作動域を低負荷側に拡大することができる。

更に、レーザｒが焦点を形成する位置ｐとして第１及び第２の位置ｐ１，ｐ２以外に、主燃焼室１４内の第３の位置ｐ３を設定するとともに、レーザｒによる改質前の燃料を噴射する燃料噴射弁３１を設け、これにより主燃焼室１４に改質前の燃料を供給することとしたので、高負荷域Ｂにおける運転に際して出力形成上必要な全ての燃料を主燃焼室１４に供給し、出力を確保することができる。

更に、レーザ発振器２０１と液体レンズ２４１ａ，２４１ｂとの間に光ファイバー等の導波路を形成し、レーザ発振器２０１をエンジンＥから遠ざけて配置したことで、レーザ発振器２０１をエンジンＥを熱源とする受熱から保護することができる。
なお、以上では、機関の燃焼室として主燃焼室１４以外に副燃焼室２２３を形成し、その内部に改質燃料を供給する場合を例に説明したが、これに限らず、改質燃料を噴射するための燃料噴射弁を吸気通路に臨ませて設置し、この燃料噴射弁により筒内導入前の空気に対して改質燃料を添加することもできる。

また、「可変焦点手段」として液体レンズ２４１を採用し、レーザｒの経路をレーザ発振器２０１の光軸と一致させて設定した場合を例に説明したが、これに限らず、「可変焦点手段」として光学ミラー等を採用し、レーザｒの経路をレーザ発振器２０１の光軸から逸脱（又は屈曲）させて設定することもできる。
更に、配置次第では、レーザ発振器２０１と液体レンズ２４１とは、光ファイバー２３１等を介在させずに隣接させて設置することもできる。

更に、燃料には、ガソリン以外の炭化水素燃料を採用することもできる。

本発明を一実施形態に係るエンジンの構成 同上実施形態に係る点火ユニットの構成 同上実施形態に係る液体レンズの動作の概念 同上実施形態に係るエンジンの運転領域のマップデータ 低負荷域における点火動作の概念 高負荷域における点火動作の概念

符号の説明

Ｅ…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１３…シリンダヘッド、１４…「機関の燃焼室」としての主燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気弁、２１…点火ユニット、２０１…レーザ発振器、２０２…ユニット本体、２０３…「第１の燃料通路」を形成する燃料配管、２０４…「第２の燃料通路」を形成する分岐配管、２０５…流量制御弁、２２２…室、２２３…「機関の燃焼室」としての副燃焼室、２２６…「第１の燃料供給手段」としての流路開閉弁、２３１…「導波路」を形成する光ファイバー、２４１，２４１ａ，２４１ｂ…「可変焦点手段」としての液体レンズ、２４２…「制御手段」としての電圧コントローラ、４０１…「第１の液状媒体」としての水溶液、４０２…「第２の液状媒体」としてのオイル、３１…「第２の燃料供給手段」としての燃料噴射弁、４１…エンジンコントローラ、５１…アクセルセンサ、５２…クランク角センサ、ｐ１…第１の位置、ｐ２…第２の位置、ｐ３…第３の位置、ｒ…レーザ。

Claims (14)

1. レーザ発振器と、
   このレーザ発振器から発射されるレーザの経路上に設けられ、このレーザが形成する焦点の位置を、第１の燃料通路内の第１の位置と、機関の燃焼室内の第２の位置との間で切り換える可変焦点手段と、
   この可変焦点手段を制御し、前記第１の燃料通路内で前記レーザにより燃料を改質させる第１の運転時において、前記焦点の位置を前記第１の位置に設定する一方、機関により出力を発生させる、前記第１の運転時以外の第２の運転時において、前記焦点の位置を前記第２の位置に設定する制御手段と、
   前記第１の燃料通路と接続され、前記第１の運転時に得られた改質燃料を前記燃焼室に供給する第１の燃料供給手段と、を含んで構成される燃料改質エンジン。
2. 前記燃焼室が比較的に容積の大きい主燃焼室と、この主燃焼室と連通し、かつこれよりも容積の小さい副燃焼室とに区画して形成されるとともに、前記第１の燃料供給手段が前記改質燃料をこの副燃焼室に供給するものとして構成され、前記第２の位置がこの副燃焼室内に設定された請求項１に記載の燃料改質エンジン。
3. 前記第１の燃料通路のうち前記第１の位置よりも下流に、前記改質燃料が蓄えられる貯留空間が形成された請求項２に記載の燃料改質エンジン。
4. 前記第１の燃料供給手段が前記貯留空間と前記副燃焼室とを連通及び遮断する流路開閉弁を含んで構成される請求項３に記載の燃料改質エンジン。
5. 前記第１の燃料通路に対して並列的に第２の燃料通路が形成され、この第２の燃料通路と接続させて、前記レーザによる改質前の燃料を前記主燃焼室に供給する第２の燃料供給手段が設けられた請求項２〜４のいずれかに記載の燃料改質エンジン。
6. 前記第１及び第２の燃料通路が前記第１の位置よりも上流で分岐させて形成され、この分岐部分に、前記第１の位置に向かう燃料の流量を制御する流量制御弁が設置された請求項５に記載の燃料改質エンジン。
7. 前記第２の運転時に関して前記主燃焼室内の第３の位置が設定され、
   前記制御手段は、前記第２の運転時において、機関の運転条件に応じ、前記可変焦点手段により前記第２及び第３の位置の間で前記焦点の位置を切り換える請求項５又は６に記載の燃料改質エンジン。
8. 前記制御手段は、前記第２の運転時において、機関の運転条件が比較的に低負荷側の第１の領域にあるときは、前記焦点の位置を前記第２の位置に設定する一方、機関の運転条件が前記第１の領域よりも高負荷側の第２の領域にあるときは、前記焦点の位置を前記３の位置に設定する請求項７に記載の燃料改質エンジン。
9. 前記制御手段は、機関の運転条件が前記第１の領域にあるときに、負荷の低下に応じて前記焦点の位置を前記主燃焼室に近付ける請求項８に記載の燃料改質エンジン。
10. 前記第１の位置として前記第１の燃料通路内の複数の位置が設定され、
    前記制御手段は、前記第１の運転時において、前記焦点の位置をこの複数の位置の間で変化させる請求項１〜９のいずれかに記載の燃料改質エンジン。
11. 前記第１及び第２の位置が前記レーザ発振器の光軸上に設定され、
    前記可変焦点手段は、この手段からレーザが形成する焦点までの距離を変化させて、前記焦点の位置を切り換える請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料改質エンジン。
12. 前記可変焦点手段が、前記レーザ発振器の光軸上に配置され、前記焦点の位置をこの光軸上の異なる位置に調整する液体レンズであって、この液体レンズのチャンバに収容され、このチャンバの内面に対して所定のぬれ角を形成する導電性の第１の液状媒体と、このチャンバにおいて、前記第１の液状媒体とは分離した状態で収容され、前記第１の液状媒体との間に前記ぬれ角に応じた曲率の界面を形成する、前記第１の液状媒体とは異なる屈折率の第２の液状媒体とを含んで構成される液体レンズを含んで構成され、
    前記制御手段は、前記第１の液状媒体に印加される電圧を変化させて、前記焦点の位置を切り換える請求項１１に記載の燃料改質エンジン。
13. 前記レーザ発振器と前記可変焦点手段との間に導波路が形成された請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料改質エンジン。
14. 前記第１の燃料通路が前記第１の位置の近傍で水平方向に形成されるとともに、この第１の燃料通路のうち前記第１の位置に対して下流側に隣接する部分を形成する壁面の上部が下流に向け、上向きに傾斜させて形成された請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料改質エンジン。

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