JP2007309233A - Ｏ−イオン発生部材付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】混合気の燃焼ための活性化エネルギーを低減し着火性に優れた内燃機関を提供すること。
【解決手段】シシリンダ１０とシリンダヘッド１１とピストン３を有し、燃料と空気との混合気の燃焼によって発生する膨張力を動力源とする内燃機関において、シリンダヘッド１１の内壁に添着され、混合気の燃焼に際して燃焼反応の活性化エネルギーを小さくするＯ⁻イオンを、混合気中の酸素分子から発生させるＯ⁻イオン発生部４と、混合気の燃焼のタイミングにあわせて、Ｏ⁻イオンを発生させるべく、電源５からＯ⁻イオン発生部４への電力供給を制御する電力供給制御手段ＥＣＵ６とを具備することを特徴とする内燃機関。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用される内燃機関に関するものであり、特に希薄燃焼による内燃機関の着火性向上に好適である。

自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用される内燃機関においては、燃料と空気とを混合した混合気を燃焼室に導入し、燃焼室において上記混合気中の燃料と酸素とを反応させることにより燃焼を起こし、その膨張力を動力源としている。
そして、この燃料と酸素との反応は、点火プラグによる火花放電によって瞬間的に誘発される。

しかしながら、燃料と酸素との反応を生じさせるためには、ある程度の活性化エネルギーが必要である。
図７は燃料（Ｃ_nＨ_m）を燃焼（酸化）させてＣＯ₂とＨ₂Ｏ生成する際のポテンシャルエネルギーの変化を表したもので、図７（Ａ）に示す曲線Ｌは、通常の状態の酸素（Ｏ₂）と燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させる際のエネルギー曲線であり、図７（Ｂ）に示す曲線Ｍは、Ｏ⁻イオンと燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させる際のエネルギー曲線である。

図７（Ａ）に示すように、酸素（Ｏ₂）と燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させるための活性化エネルギーＥ１は比較的大きい。
そのため、混合気に与えるエネルギーが不充分であると着火性が低下するおそれがあり、特に、希薄燃焼エンジン等においては、着火性の低下が問題となる。

一方、図７（Ｂ）に示すように、Ｏ⁻イオンと燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させるための活性化エネルギーＥ２は比較的小さい。
従って、酸素（Ｏ₂）よりもＯ⁻イオンを燃料と反応させることにより、活性化エネルギーが低くすることができ、着火性の向上が見込まれる。
そこで、例えば、下記特許文献１に開示されたＯ⁻イオン発生装置を用いて、Ｏ⁻イオンを発生させ、内燃機関の燃焼室に導入することが考えられる。
特開２００４−７５４３１号公報

しかしながら、Ｏ⁻イオンの寿命は数ｍ秒以下と極めて短いため、内燃機関の外部からＯ⁻イオンを供給しても、燃料と反応する前にその殆どが消滅してしまうという問題がある。
そこで、発明者は、寿命の短いＯ⁻イオンを内燃機関の内部において発生させることに着目した。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、燃料混合気の燃焼に必要な活性化エネルギーを低減せしめ、着火性に優れた内燃機関を提供しようとするものである。

請求項１の発明は、シリンダとシリンダヘッドとピストンとを有し、燃料と空気との混合気の燃焼によって発生する膨張力を動力源とする内燃機関において、上記シリンダヘッドの内壁に添着され、上記混合気の燃焼に際して燃焼反応の活性化エネルギーを小さくするＯ⁻イオンを、上記混合気中の酸素分子から発生させるＯ⁻イオン発生部材と、上記混合気の燃焼のタイミングにあわせて、上記Ｏ⁻イオンを発生させるべく、電源から上記Ｏ⁻イオン発生部材への電力供給を制御する電力供給制御手段と、を具備することを特徴とする。

上記内燃機関は上記Ｏ⁻イオン発生部材を備えており、上記電力供給手段によって、上記Ｏ⁻イオン発生部材に電圧が加えられると、Ｏ⁻イオン発生部材の表面において混合気中の酸素分子はＯ⁻イオンに変化する。
Ｏ⁻イオンは、活性化エネルギーが小さいため、上記混合気中の燃料と反応しやすく、上記内燃機関の着火性が向上する。

また、上記Ｏ⁻イオンは上記電力供給制御手段によって混合気の燃焼のタイミングに合わせて発生されるので、上記Ｏ⁻イオンの寿命が短くても、Ｏ⁻イオンが消滅する前に上記燃料との反応を行うことが可能となる。

請求項２の発明は、上記混合気の燃焼を放電によって誘発する点火プラグを有する。

上記点火プラグの火花放電によって、上記燃料と上記Ｏ⁻イオンとの反応が低エネルギーで容易に誘発される。

請求項３の発明では、上記Ｏ⁻イオン発生部材の添着位置は、上記点火プラグにより上記混合気に着火される前時期に、上記シリンダ内に発生する渦流の上記点火プラグに対して上流側の位置とした。

燃料噴射や上記ピストンの上昇による圧縮等により上記シリンダ内には上記点火プラグにより上記混合気に着火される前時期に渦流（コンプレッションタービュレンス等）を発生する。
上記Ｏ⁻イオン発生部材は上記点火プラグに対して、上記渦流の上流に配設されているので、上記Ｏ⁻イオン発生部材によって発生したＯ⁻イオンは上記渦流によって、下流方向の上記点火プラグへと運ばれる。
従って、発生したＯ⁻イオンは効率よく燃料の燃焼反応に利用されるため、より効果的に着火性の向上を図ることができる。

請求項４の発明では、上記Ｏ⁻イオン発生部材の形状は、上記シリンダ内に発生する渦流の上記点火プラグに対して上流側ほど表面積が小さく、下流側ほど表面積が大きくなる形状を有する。

上記点火プラグから離れた上記渦流の上流側では発生したＯ⁻イオンが有効に燃料の燃焼に利用されず、また、Ｏ⁻イオンの単位体積当たりの量が多過ぎるとＯ⁻イオン同士の距離が近くなりＯ⁻イオンの静電斥力によって反発し合い、かえって拡散し易くなる。
そこで、上記Ｏ⁻イオン発生部材の形状は、上記シリンダ内に発生する渦流の上記点火プラグに対して上流側ほど表面積が小さく、下流側ほど表面積が大きくなる形状を有すると、上流側では上記Ｏ⁻イオン発生部材の表面積が狭いため、単位体積当たりのＯ⁻イオン発生量が抑制され、無駄にならない。
また、上記渦流の下流側即ち上記点火プラグへ近くではＯ⁻イオンが有効に燃料の燃焼に利用できるので、上記発生部材の表面積を広くし、Ｏ⁻イオンの発生量を増やすことで、効率よくＯ⁻イオンを点火に利用でき着火性が向上する。

請求項５の発明では、上記Ｏ⁻イオン発生部材から発生したＯ⁻イオンを上記点火プラグの放電領域に案内する案内手段を上記シリンダヘッドの内壁または上記点火プラグの少なくとも一方に設けた。

上記案内手段によって、上記渦流が整流され、発生したＯ⁻イオンは上記点火プラグの放電領域内に案内されるため、更に着火性が向上する。

請求項６の発明では、上記Ｏ⁻イオン発生部材と上記シリンダヘッドとは電気絶縁中間層を介して添着される。

上記Ｏ⁻イオン発生部材は上記シリンダヘッドに上記電気絶縁中間層を介して添着されるので、既存のシリンダヘッドに特別な加工を施すことなく上記Ｏ⁻イオン発生部材を固定できる。

請求項７の発明では、上記電気絶縁中間層が多孔質アルミナである。

上記電気絶縁中間層が多孔質アルミナであるので燃焼室内の高温に対して十分な耐熱性を有するとともに上記Ｏ⁻イオン発生部材と上記シリンダヘッドとの間の電気的絶縁性が確保される。

請求項８の発明では、上記電気絶縁中間層がジルコニアである。

ジルコニアペーストを上記Ｏ⁻イオン発生部材に塗布し、上記シリンダヘッドに添着した後、乾燥、焼付けすることで上記Ｏ⁻イオン発生部材と上記シリンダヘッドとを強固に固着することができる。

請求項９の発明では、１２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃａ₁₂Ａｌ₁₀Ｓｉ₄Ｏ₃₅、及びＣａＦｅ₂Ｏ₅のいずれかからなる。

Ｏ⁻イオンが効果的に発生し、燃料混合気の着火性が向上する。

本発明によれば、内燃機関の内部でＯ⁻イオンを着火源である点火プラグの極近傍で発生させることができるので、Ｏ⁻イオンの寿命が消滅する前に混合気と反応させ、内燃機関の着火性の向上を図ることができる。

上記内燃機関は、例えば、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等の内燃機関とすることができる。

以下に、本発明の第一の実施形態について図を参照して説明する。
図１（Ａ）に示すように、内燃機関１はシリンダ１０、シリンダヘッド１１、ピストン３、吸気筒１１０および吸気バルブ１１１、排気筒１２０および排気バルブ１２１等からなり、点火手段として点火プラグ２が上記シリンダヘッド１１の頭頂部に装着され、Ｏ⁻イオン発生部４が上記シリンダヘッド１１の内壁に設けられている。

この時、上記Ｏ⁻イオン発生部４は上記点火プラグ２の中心電極２１の先端から上記ピストン３の上死点における上面までの距離Ｈの範囲で設定される。

電子制御装置（ＥＣＵ）６は電源５から上記Ｏ⁻イオン発生部４への電力供給を制御している。

図１（Ｂ）に示すように上記Ｏ⁻イオン発生部４は上記点火プラグ２の中心電極２１に対して上記点火プラグの接地電極２２と対向する側に設けられる。
また、上記Ｏ⁻イオン発生部４の大きさは上記点火プラグ２の外径から上記ピストン３の内径までの距離Ｄの範囲で上記排気バルブ１２１の位置と大きさとを考慮して設けられる。

図２に示すように、電源５は電圧を２．５ｋＶに調圧して供給するように構成されており、上記内燃機関１の燃焼サイクルにあわせて、上記Ｏ⁻イオン発生部４に電圧を印加すべく上記ＥＣＵ６によって通電制御されている。
また、上記Ｏ⁻イオン発生部４はＯ⁻イオンを発生するＯ⁻イオン発生部材４０と、上記電源５の陰極と接続されるカソード電極４１と、上記ＥＣＵ６を介して上記電源５の陽極に接続されるアノード電極４２とによって構成されている。

また、上記Ｏ⁻イオン発生部材４０は、イオン導電性の固体電解質体からなることが好ましく、例えば、活性酸素含有物質である、１２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃａ₁₂Ａｌ₁₀Ｓｉ₄Ｏ₃₅、及びＣａＦｅ₂Ｏ₅のいずれかからなることが好ましい。この場合には、Ｏ⁻イオンを一層効果的に発生させることができる。

上記シリンダ１０内の混合気中に含まれる酸素分子（Ｏ_２）が固体電解質体である上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の表面に吸着し、上記ＥＣＵ６によって制御されたパルス電圧が上記Ｏ⁻イオン発生部材４０に印加されると、上記Ｏ⁻イオン発生部材４０内を電子が移動し、上記酸素分子（Ｏ_２）に電子を与え、上記酸素分子（Ｏ_２）がイオン化されＯ_２ ^―イオンとなる。
更にＯ_２ ^―イオンはＯ^―イオンとＯに分かれ、Ｏは電子ｅを与えられＯ^―イオンとなる。

イオン化して半径の小さくなったＯ^―イオンは上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の結晶格子内へ取り込まれ、上記カソード電極４１と上記アノード電極４２との間に働く電界（＋）の力によって上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の結晶格子内を移動し、上記アノード電極４２に引き寄せられることによって、上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の表面から放出される。

上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の表面から放出された上記Ｏ^―イオンは、上記ピストン３が上昇する時に上記シリンダ１０内に発生する渦流（コンプレッションタービュランス）によって上記点火プラグ２の中心電極２１付近へ運ばれる。

図３（Ａ）を参照して、本発明の第１の実施形態における上記シリンダヘッドと上記Ｏ⁻イオン発生部材４０と上記カソード電極４１と上記アノード電極４２との構成について詳述する。

上記シリンダヘッド１１に絶縁部材である電気絶縁中間層４３を介して上記Ｏ⁻イオン発生部材４０と上記アノード電極４２とが添着されている。上記Ｏ⁻イオン発生部材４０と上記アノード電極４２とは発生したＯ⁻イオンが飛び出す為の空間ｄを離して設けられている。上記カソード電極４１は上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の上記電気絶縁中間層４３と対向する表面に設けられている。

本実施形態において上記Ｏ⁻イオン発生部材４０と上記シリンダヘッド１１とを接合する電気絶縁中間層４３は例えば低温で焼成した後に多孔質アルミナを形成するペーストあるいはスラリーを用いることで上記Ｏ⁻イオン発生部材４０を上記シリンダヘッド１１に添着できる。
また、上記電気絶縁中間層４３はジルコニアを主成分とするペーストを用いても良い。

上記カソード電極４１は酸素を上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の表面に到達させるべく、厚膜印刷等の手法によりメッシュ状に設けても良いし、酸素透過性の多孔質電極等を設けても良い。

上記アノード電極４２は上記シリンダヘッド１１およびシリンダ１０との電気的絶縁性を確保した状態で上記内燃機関１の外部に設けられた上記ＥＣＵ６に接続され、上記カソード電極４１は上記シリンダヘッド１１に接地される。

本実施形態において、酸素分子は上記カソード電極４１の表面を通過し、上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の表面に吸着した後、Ｏ⁻イオンとなって上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の側面から放出される。

本実施形態によれば、Ｏ⁻イオンを点火プラグの近傍で発生させることができ、更に発生したＯ⁻イオンがシリンダ内に発生する渦流に乗って点火プラグの極近傍へ運ばれる。
点火プラグの中心電極近傍にＯ⁻イオンが十分集まった状態で点火プラグが放電することができ、燃料混合気の燃焼に際して、Ｏ⁻イオンが燃焼反応を起こすので活性化エネルギーが小さくなり、燃料混合気の着火性が向上する。

図３（Ｂ）を参照し、本発明の第２の実施形態について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、第１の実施形態と異なる点にのみ説明する。

上記シリンダヘッドに絶縁部材である電気絶縁中間層４３を介してアノード電極４２と上記Ｏ⁻イオン発生部材４０とが距離ｄの間隔を空けて添着されている。
カソード電極４１はその側面が上記電気絶縁中間層４３と上記Ｏ⁻イオン発生部材４０との側面に接し、上記カソード電極４１の底面と上記シリンダヘッド１１とが接した状態で設けられている。

本実施形態において、酸素分子は上記カソード電極４１の側面を通過し上記Ｏ⁻イオン発生部材４０の側面に到達するので、Ｏ⁻イオンの発生量を増やすべく上記Ｏ⁻イオン発生部材４０は肉厚に形成されている。

本実施形態によれば、Ｏ⁻イオン発生部材側面に触れる燃料混合気中の酸素からＯ⁻イオンを効率的に発生させることができるので、燃料混合気の着火性が向上する。

図４に本発明の第３の実施形態におけるＯ⁻イオン発生部の形状を示す。
上記Ｏ⁻イオン発生部材の形状は、上記シリンダ内に発生する渦流の上記点火プラグに対して上流側ほど表面積が小さく、下流側ほど表面積が大きくなる形状を有する。

上記点火プラグから離れた上記渦流の上流側では発生したＯ⁻イオンが有効に燃料の燃焼に利用されず、また、Ｏ⁻イオンの単位体積当たりの量が多過ぎるとＯ⁻イオン同士の距離が近くなりＯ⁻イオンの静電斥力によって反発し合い、かえって拡散し易くなるが、上流側では上記Ｏ⁻イオン発生部材の表面積が狭いため、単位体積当たりのＯ⁻イオン発生量が抑制され、無駄にならない。

また、上記渦流の下流側即ち上記点火プラグへ近くではＯ⁻イオンが有効に燃料の燃焼に利用できるので、上記発生部材の表面積を広くし、Ｏ⁻イオンの発生量を増やすことで、効率よくＯ⁻イオンを点火に利用でき着火性が向上する。

本発明の第４の実施形態においては上記シリンダヘッド１１に上述した上記Ｏ⁻イオン発生部の周りと上記点火プラグ２の周りとを覆うように隆起した板状の整流板７ａを設ける。
図５（Ａ）、（Ｂ）に、本発明の第４の実施形態における上記シリンダヘッド１１に設けられた整流板７ａの一例を示す。

上記整流板７ａは上記シリンダ１０内で発生した渦流を上記点火プラグ２付近で整流し、上記Ｏ⁻イオン発生部で発生したＯ⁻イオンを効率よく上記点火プラグ２の上記中心電極２１の近くへ導くことができる。

図６（Ａ）、（Ｂ）に、本発明の第５の実施形態における上記点火プラグ２に設けられた整流板７ｂの一例を示す。

整流板７ｂは例えばセラミック等の絶縁部材からなり、上記点火プラグ２の上記中心電極２１を覆うように起立する一対の壁面を構成し、上記点火プラグ２と一体的に設けられている。

本実施形態によれば、発生したＯ⁻イオンを点火プラグの中心電極に集中させることができるので燃料混合気の着火性が更に向上する。

なお、当然のことながら、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、本発明の実施形態においてはＯ⁻イオン発生部材をシリンダヘッドに直接添着する方法について説明したが、シリンダヘッドに係止部を設けてＯ⁻イオン発生部を固定する形態としても良いし、Ｏ⁻イオン発生部を点火プラグと同様の筒状のハウジングに納め、これをシリンダヘッドに固定するようにしても良い。

また、本発明は、燃料をキャブレターで混合する内燃機関でも、燃料をシリンダ内に直噴する内燃機関でも適用され得るものである。

さらに、本発明の説明において、点火プラグによって着火を誘発する内燃機関について説明したが、点火プラグを必要としないディーゼルエンジン等であっても内燃機の内側に本発明のＯ⁻イオン発生部を設けることにより、着火に必要な活性化エネルギーを小さくすることができ着火性の向上が見込まれる。

（Ａ）は、本発明の第１の実施形態における全体構成を示す要部断面図で、（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態におけるＯ⁻イオン発生部の添着位置を示す下面視平面図である。 本発明のＯ⁻イオン発生部の基本構成およびＯ⁻イオン発生推定メカニズムを表す模式図。 （Ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるＯ⁻イオン発生部の構成の詳細を示す要部断面図で、（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態におけるＯ⁻イオン発生部の構成の詳細を示す要部断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるＯ⁻イオン発生部の形状を示す下面視平面図。 （Ａ）は、本発明の第４の実施形態におけるシリンダヘッドに設けられた整流板の一例を示す下面視平面図で、（Ｂ）は、本発明の第４の実施形態における整流板の外観を示す要部斜視図である。 （Ａ）は、本発明の第５の実施形態における点火プラグに設けられた整流板の一例を示す下面視平面図で、（Ｂ）は、本発明の第５の実施形態における整流板の外観を示す要部斜視図である。 （Ａ）は、燃料と酸素分子との燃焼反応における活性化エネルギーを表す模式図で、（Ｂ）は、燃料とＯ⁻イオンとの燃焼反応における活性化エネルギーを表す模式図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１０ シリンダ
１１ シリンダヘッド
１１０ 吸気筒
１１１ 吸気バルブ
１２０ 排気筒
１２１ 排気バルブ
２ 点火プラグ
２１ 中心電極
２２ 接地電極
３ ピストン
４ Ｏ⁻イオン発生部材
４１ アノード電極
４２ カソード電極
４３ 電気絶縁中間層
５ 電源
６ ＥＣＵ
Ｈ シリンダ軸方向Ｏ⁻イオン発生部材添着可能範囲
Ｄ シリンダ径方向Ｏ⁻イオン発生部材添着可能範囲

Claims (9)

1. シリンダとシリンダヘッドとピストンとを有し、燃料と空気との混合気の燃焼によって発生する膨張力を動力源とする内燃機関において、
   上記シリンダヘッドの内壁に添着され、上記混合気の燃焼に際して燃焼反応の活性化エネルギーを小さくするＯ⁻イオンを、上記混合気中の酸素分子から発生させるＯ⁻イオン発生部材と、
   上記混合気の燃焼のタイミングにあわせて、上記Ｏ⁻イオンを発生させるべく、電源から上記Ｏ⁻イオン発生部材への電力供給を制御する電力供給制御手段と、を具備することを特徴とする内燃機関。
2. 上記混合気の燃焼を放電によって誘発する点火プラグを有する請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記Ｏ⁻イオン発生部材の添着位置は、上記点火プラグにより上記混合気に着火される前時期に、上記シリンダ内に発生する渦流の上記点火プラグに対して上流側の位置とした請求項２に記載の内燃機関。
4. 上記Ｏ⁻イオン発生部材の形状は、上記シリンダ内に発生する渦流の上記点火プラグに対して上流側ほど表面積が小さく、下流側ほど表面積が大きくなる形状を有する請求項２または３に記載の内燃機関。
5. 上記Ｏ⁻イオン発生部材から発生したＯ⁻イオンを上記点火プラグの放電領域に案内する案内手段を上記シリンダヘッドの内壁または上記点火プラグの少なくとも一方に設けた請求項２ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 上記Ｏ⁻イオン発生部材と上記シリンダヘッドとは電気絶縁中間層を介して添着される請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関。
7. 上記電気絶縁中間層が多孔質アルミナである請求項６に記載の内燃機関。
8. 上記電気絶縁中間層がジルコニアである請求項６に記載の内燃機関。
9. 上記Ｏ⁻イオン発生部材は
   １２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃａ₁₂Ａｌ₁₀Ｓｉ₄Ｏ₃₅、及びＣａＦｅ₂Ｏ₅のいずれかからなる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の内燃機関。