JP2008038618A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストにマイナスイオンを燃焼室へ送入することで燃焼向上を図る。
【解決手段】内燃機関（１）は、燃焼室（２０）を構成する壁面の少なくとも一部が圧電素子（３０で覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばエンジン等の内燃機関の技術分野に関する。

高電圧の印加を利用したマイナスイオン付与手段を備えることで、排気ガスの分解消去や、混合気の燃焼の効率化を実現する内燃機関に関する技術が知られている（特許文献１及び２参照）。例えば、特許文献１では、電気衝撃力の強い電子放射を行うマイナスイオン付与手段により、水分子やガス分子の低クラスター化や解離が促進され、その結果、高密度のマイナスイオンが生成される。これにより、有害ガスや排気ガス或いは臭気ガスに対して高い分解消去効果を発揮することができると共に、内燃機関の混合気を高い燃焼性を持って燃焼することで低燃費化が実現される。また、例えば、特許文献２では、燃焼室に接続されている吸入ダクト内に、高電圧による出力電流の大容量を放電針負荷するマイナスイオン付与手段を備えた内燃機関が開示されている。高電圧による出力電流の大容量を放電針負荷することで、吸入ダクト中の吸入空気がイオン活性化され、キャブレター等から噴射された燃料との電子的結合、超微粒化、ガス化が一層促進され、着荷が早まり完全燃焼による爆発力の強化と馬力アップ、燃費改善という効果が現れる。

特開２００４−１３９９４６号公報 特開２０００−１６１１５３号公報 特開平１１−３４３９３６号公報

他方で、上述した特許文献１及び２に記載の技術では、いずれも高電圧を印加することができる電源が必要になり、電力消費量が大幅に増大してしまう。これは、マイナスイオンの付加による燃焼の改善という効果を打ち消しかねない。加えて、スペース的な余裕のないエンジンルーム内等に、電源を備え付けるための新たなスペースが必要になるという技術的な問題が生ずる。まとめると、上述した特許文献１及び２に記載の技術では、費用的なコスト及びスペース的なコストの双方が増大してしまう。

本発明は、例えば上述した従来の問題点に鑑みなされたものであり、例えば低コストにマイナスイオンを燃焼室へ送入することで燃焼向上を図ることが可能な内燃機関を提供することを課題とする。

本発明の第１の内燃機関は、燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部が圧電素子で覆われている。

本発明の第１の内燃機関によれば、燃料と空気が混合した混合気が内部で燃焼する燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部が、圧力の印加に応じて静電気等を発生させる圧電素子で覆われている。混合気を燃焼させる際には、一般的には、燃焼室内に圧力が印加されることで混合気が圧縮される。更には、混合気が爆発的に燃焼することで燃焼室内の圧力が高まる。この混合気を圧縮するための圧力や混合気が燃焼することで高まる圧力が、燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部にも及ぶため、圧電素子が静電気を発生させる。静電気が発生した結果、マイナスイオンが燃焼室内に供給される。

これにより、混合気中の燃料の酸化が促進され、燃焼速度の向上を図ることができる。そして、燃焼速度を向上させることにより、点火進角を進めることができるため、内燃機関の性能の向上を図ることができる。

加えて、燃焼室を構成する壁面の少なくとも圧電素子で覆えば上述した効果を享受することができるため、高電圧を印加するための電源等を備え付ける必要がない。これにより、費用的なコスト及びスペース的なコストの増大を抑制しつつ、上述した効果を享受することができる。つまり、全体として低コストに、マイナスイオンを燃焼室に供給することができる。

本発明の第１の内燃機関の一の態様は、内部でピストンが往復運動するシリンダを備えており、前記燃焼室を構成する壁面は、前記ピストンの頭頂部及び前記シリンダの内壁を含む。

この態様によれば、ピストンの頭頂部やシリンダの内壁が圧電素子で覆われることで、上述した各種効果を享受することができる。

尚、燃焼室を構成する壁面としては、例えばシリンダに接続されている吸気バルブや排気バルブの底面等も含まれる。

本発明の第２の内燃機関は、内部でピストンが往復運動するシリンダを備える内燃機関であって、前記ピストン及び前記シリンダにより囲まれた空間に相当する燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部が圧電素子で覆われている。

本発明の第２の内燃機関によれば、ピストン及びシリンダにより囲まれた空間である燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部（例えば、ピストンの頭頂部やシリンダの内壁等）が、圧力の印加に応じて静電気等が生ずる圧電素子で覆われている。従って、上述した本発明の第１の内燃機関と同様の効果を享受することができる。

本発明の第１又は第２の内燃機関の他の態様は、前記ピストンが上死点に移動した場合における前記燃焼室を構成する壁面が前記圧電素子で覆われている。

この態様によれば、圧電素子で覆われている壁面とピストンとが接触することがなくなる。このため、ピストンの往復運動に伴う摩擦や接触等によって圧電素子が燃焼室を構成する壁面から剥離する不都合を好適に防止することができる。

本発明の第１又は第２の内燃機関の他の態様は、前記圧電素子は、トルマリン、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムの少なくとも一つを含む。

この態様によれば、これらの材料を用いることで、比較的容易に、上述した各種効果を享受することができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施の形態から更に明らかにされよう。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１及び図２を参照しながら、本発明の内燃機関に係る実施形態について説明を進める。ここに、図１は、本実施形態に係る内燃機関の構成を概念的に示す断面図であり、図２は、本実施形態に係る内燃機関中の燃焼室に圧力が加わる様子を概念的に示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関１では、シリンダ１１内をピストン１２が図１中の上下方向に往復運動する。ピストン１２は、コンロッド１８を介してクランクシャフト１９と接続されており、ピストン１２の往復運動のエネルギーが、クランクシャフト１９の回転運動のエネルギーに変換される。

より具体的には、まず、ピストン１２が上死点（つまり、図１の状態）から下死点に向かって下がっていくまでに、吸気バルブ１４が開状態になると共に、シリンダ１１とピストン１２に囲まれた空間に相当する燃焼室２０内の負圧により、燃料と空気が混ざり合った混合気が燃焼室２０内に供給される。つまり、いわゆる吸気工程が実施される。但し、内燃機関１がディーゼルエンジンや筒内噴射型エンジンの場合には、吸気マニホールド１３を介して、空気のみが燃焼室２０内に供給される（この場合、燃料は、燃焼室２０内に直接噴射される）。

その後、ピストン１２が下死点から上死点に向かって上がっていくまでに、燃焼室２０内に供給された混合気が圧縮される。つまり、いわゆる圧縮工程が実施される。

その後、点火プラグ１７により点火動作が行われることで、燃焼室２０内において混合気が燃焼される。但し、ディーゼルエンジンの場合には、点火動作に代えて、燃焼室２０内に燃料が供給される。その結果、燃焼によって混合気が膨張することで、上死点まで到達していたピストン１２が再度上死点から下死点に向かって下がっていく。つまり、いわゆる燃焼工程が実施される。

その後、ピストン１２が再度下死点から上死点に向かってあがっていくまでに、排気バルブ１６が開状態となることで、燃焼した混合気（つまり、排気ガス）が排気マニホールド１５を介して内燃機関１の外部へ排出される。つまり、いわゆる排気工程が実施される。

以降は、上述した動作が繰り返されることで、ピストン１２の往復運動のエネルギーが、クランクシャフト１９の回転運動のエネルギーに変換される。

本実施形態では特に、シリンダ１１とピストン１２により囲まれた空間に相当する燃焼室２０を構成する壁面（具体的には、例えば、シリンダ１１の内壁や、ピストン１２の頭頂部や、吸気バルブ１４及び排気バルブ１６の底面等）は、トルマリンは、圧力の印加によって静電気を発生させる特性を有した圧電素子の一種であるトルマリン膜３０がコーティングされている。

特に、本実施形態では、ピストン１２が上死点に位置しているときの燃焼室２０（つまり、図１中における上下方向におけるピストン１２の往復運動に伴って変動する体積が最小になるときの燃焼室２０）を構成する壁面にトルマリン膜３０がコーティングされている。言い換えれば、ピストン１２と接触する可能性が低い、殆どない又は全くない燃焼室２０の壁面にトルマリン膜３０がコーティングされている。

このため、圧縮工程において混合気が圧縮されることに伴って、図２に示すように、燃焼室２０の壁面にコーティングされたトルマリン膜３０に圧力が加えられる。加えて、燃焼行程において混合気が燃焼されることに伴って、混合気が膨張し、その結果、図２に示すように、燃焼室２０の壁面にコーティングされたトルマリン膜３０にも圧力が加えられる。

トルマリン膜３０に圧力が加えられると、トルマリン膜３０は静電気を発生させ、その結果、ＯＨ⁻等のマイナスイオンが発生する。つまり、燃焼室２０内にマイナスイオンが供給される。マイナスイオンは、燃料の酸化を促進させるため、燃焼室２０内における混合気の燃焼速度が増進するという効果を享受することができる。これにより、点火進角を進めることができ、内燃機関１の性能向上（例えば、燃費の改善等）を実現することができる。

加えて、燃焼室２０内にマイナスイオンを供給するためには、燃焼室２０を構成する壁面にトルマリン膜３０をコーティングすれば足りる。言い換えれば、燃焼室２０内にマイナスイオンを供給するために、高電圧を発生させる電源を内燃機関１に備え付ける必要がない。そして、トルマリン膜３０のコーティングは比較的容易に且つ安価に行うことができるため、燃焼室２０内にマイナスイオンを供給するための費用的なコストを抑えることができると。加えて、燃焼室２０内にマイナスイオンを供給するためのスペース的なコストを抑えることができる。更には、高電圧を発生させる電源を必要としないため、マイナスイオンの供給による内燃機関１の性能の向上が、高電圧の印加に必要な電力消費によって打ち消される又は相殺されるという不都合が生じなくなる。このため、内燃機関１の性能の向上を十二分に享受することができる。

更に、ピストン１２が上死点に位置しているときの燃焼室２０（つまり、その体積が最小となる燃焼室２０）を構成する壁面にトルマリン膜３０がコーティングされているため、コーティングされたトルマリン膜３０がピストン１２と接触する状況が殆ど或いは全く生じない。このため、トルマリン膜３０が剥がれ落ちる不都合を好適に防止することができる。

尚、図１及び図２に示す実施形態では、ピストン１２が上死点に位置するときの燃焼室２０を構成する壁面にトルマリン膜３０がコーティングされている。しかしながら、トルマリン膜３０がコーティングされる箇所は、図１及び図２に示す例には限定されない。ここで、図３及び図４を参照して、トルマリン膜３０の他のコーディング態様について説明する。ここに、図３は、第１のコーティング態様にてトルマリン膜３０がコーディングされた内燃機関２の構成を概念的に示す断面図であり、図４は、第２のコーティング態様にてトルマリン膜３０がコーティングされた内燃機関３の構成を概念的に示す断面図である。

図３に示すように、ピストン１２が下死点に位置するときの燃焼室２０（つまり、図３中における上下方向におけるピストン１２の往復運動に伴って変動する体積が最大になるときの燃焼室２０）を構成する壁面にトルマリン膜３０がコーティングされている内燃機関２であっても、上述した各種効果を享受することができる。

特に、内燃機関２では、より広い範囲にトルマリン膜３０がコーティングされているため、より多くのマイナスイオンを燃焼室２０に供給することができる。

但し、シリンダ１１の内壁（特に、相対的に下側の内壁）にコーティングされたトルマリン膜３０は、ピストン１２の往復運動に伴って、ピストン１２と接触するおそれがある。このため、シリンダ１１の内壁（特に、相対的に下側の内壁）にコーティングされるトルマリン膜３０に対しては、ピストン１２との接触による剥離を抑える処理が行われていることが好ましい。

図４に示すように、ピストン１２が下死点から上死点の間のいずれかの位置に位置するときの燃焼室２０（つまり、図３中における上下方向におけるピストン１２の往復運動に伴って変動する体積が最小でもなく且つ最大でもないときの燃焼室２０）を構成する壁面にトルマリン膜３０がコーティングされている内燃機関３であっても、上述した各種効果を享受することができる。

特に、内燃機関３では、相対的に広い範囲にトルマリン膜３０がコーティングされているため、より多くのマイナスイオンを燃焼室２０に供給しつつ、ピストン１２の往復運動に伴って該ピストン１２と接触するおそれがあるトルマリン膜３０がコーティングされる面積を相対的に低減させることができる。

但し、内燃機関３においても、図３に示す内燃機関２と同様に、シリンダ１１の内壁にコーティングされたトルマリン膜３０であって且つピストン１２の往復運動に伴って接触するおそれがあるトルマリン膜３０に対しては、ピストン１２との接触による剥離を抑える処理が行われていることが好ましい。

尚、トルマリン膜３０に加えて又は代えて、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）及びニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の少なくとも一つを含む材料を、燃焼室２０を構成する壁面にコーティングするように構成してもよい。更には、これらの材料に限らず、圧力の印加に応じて静電気を発生させる各種材料を、燃焼室２０を構成する壁面にコーティングするように構成してもよい。このように構成しても、上述した各種効果を享受することができる。

また、トルマリン膜３０は、より多くのマイナスイオンを供給させることにより内燃機関１の性能をより向上させるという観点からは、より広い範囲にコーティングされることが好ましい。しかしながら、燃焼室２０を構成する壁面の少なくとも一部にトルマリン膜３０がコーティングされていれば足りる。燃焼室２０を構成する壁面の少なくとも一部にトルマリン膜３０がコーティングされていれば、上述した各種効果を相応に享受することができる。

また、上述の実施形態では、トルマリン膜３０をコーティングする箇所として、例えば、シリンダ１１の内壁や、ピストン１２の頭頂部や、吸気バルブ１４及び排気バルブ１６の底面等を具体例として示した。しかしながら、これら以外の箇所であっても、圧力の変化が及ぶ燃焼室２０内の箇所であれば、トルマリン膜３０をコーティングしてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本実施形態に係る内燃機関の構成を概念的に示す断面図である。 本実施形態に係る内燃機関中の燃焼室に圧力が加わる様子を概念的に示す断面図である。 第１のコーティング態様にてトルマリン膜がコーディングされた内燃機関の構成を概念的に示す断面図である。 第２のコーティング態様にてトルマリン膜がコーディングされた内燃機関の構成を概念的に示す断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 吸気マニホールド
１４ 吸気バルブ
１５ 排気マニホールド
１６ 排気バルブ
１７ 点火プラグ
１８ コンロッド
１９ クランクシャフト
２０ 燃焼室
３０ トルマリン膜

Claims (5)

1. 燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部が圧電素子で覆われていることを特徴とする内燃機関。
2. 内部でピストンが往復運動するシリンダを備えており、
   前記燃焼室を構成する壁面は、前記ピストンの頭頂部及び前記シリンダの内壁を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 内部でピストンが往復運動するシリンダを備える内燃機関であって、
   前記ピストン及び前記シリンダにより囲まれた空間に相当する燃焼室を構成する壁面の少なくとも一部が圧電素子で覆われていることを特徴とする内燃機関。
4. 前記ピストンが上死点に移動した場合における前記燃焼室を構成する壁面が前記圧電素子で覆われていることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. 前記圧電素子は、トルマリン、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。

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