JP2014227873A

JP2014227873A - 内燃機関及び内燃機関システム

Info

Publication number: JP2014227873A
Application number: JP2013106807A
Authority: JP
Inventors: 島田　敦史; Atsushi Shimada; 敦史島田; 石川　敬郎; Takao Ishikawa; 敬郎石川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: JP6329340B2

Abstract

【課題】燃焼室の表面温度を急速に高くして燃焼室の表面温度を燃焼ガスの温度に近づけて断熱性能を向上すると共に、空気あるいは不活性ガスの割合を高めずに熱的、機械的な強度を高めた内燃機関及びこの内燃機関を使用した内燃機関システムを提供するものである。【解決手段】燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設け、この輻射吸収層によって燃焼室の表面温度を急速に高くして燃焼ガスから燃焼室の外部に流れる対流熱伝達を抑制するようにした。燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設けることで輻射吸収層の表面温度を輻射熱伝達で急速に高くすることができる。燃焼によって生じた燃焼ガスの温度と輻射吸収層の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が燃焼室の外部に流れるのを抑制することで断熱性能を向上でき、しかも空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。【選択図】図１

Description

本発明は可燃性燃料を用いて駆動される内燃機関に係り、特に冷却損失を少なくした内燃機関及び内燃機関システムに関するものである。

一般に、内燃機関は燃焼室に供給されて燃焼される燃料の発熱量の３０％〜４０％が動力に変換され、残りの５０％〜６０％は廃熱として外部に放出されるものである。火花点火式内燃機関の場合、その理論サイクルはオットーサイクルであって理論熱効率は６０％を超えることが知られている。しかしながら、実際の燃焼サイクルでは様々な損失があり、その熱効率は３０％〜４０％に留まるものである。

この損失の大きな原因の一つに燃焼室の冷却に伴う損失が挙げられる。この損失は一般的に冷却損失といわれ、内燃機関に供給される燃料の発熱量に対して２０％〜３０％を占め、これが内燃機関の廃熱の大きな部分を占める。

したがって、内燃機関の燃焼室を理想的に断熱化できれば、つまり、この冷却損失を無くすことができれば、実際の燃焼サイクルをオットーサイクルの理論効率に近づけることができる。また、この他に排気ガスとして捨てられる廃熱も比較的大きな部分を占めている。このため、燃焼室の断熱化は排気ガスの廃熱の割合を大きくできることから排気ガスの排熱回収による効率向上の効果が大きくなる。つまり断熱化と排熱回収を組み合わせることで、内燃機関の大幅な効率向上を実現できることになる。このため、燃焼室の断熱性を向上する開発が鋭意行われている。

燃焼室の断熱化を行うためには、燃焼ガスと燃焼室の壁面の間の熱伝達を抑制することが重要であり、例えば、再公表特許ＷＯ２００９−０２０２０６号公報（特許文献１）においては、燃焼室の表面温度を燃焼室内ガスの温度に近づけ、燃焼室内ガスの温度と燃焼室の表面温度との温度差を小さくし、対流熱伝達を小さくすることが提案なされている。特許文献１では燃焼室最表面の材料に熱伝導率、比熱の極めて低い材料を適用することが記載されている。材料としては例えば、空気層を含んだ複合材料を適用することが挙げられている。また、特許文献１とは別に燃焼室の断熱化を図るためセラミック材料を燃焼室壁面に溶射してコーティングする方法や、蓄熱材料を貼付する方法が提案されている。

再公表特許ＷＯ２００９−０２０２０６号公報

ところで、これまでの断熱化を図った内燃機関においては、特許文献１にあるように、空洞を多く持たせた複合材を適用することは耐熱性、耐圧性等の熱的、機械的な観点で課題を生じている。つまり、特許文献１では対流熱伝達を小さくするために、燃焼室内側の壁面を熱伝動率、比熱の極めて低い材料で構成している。このため、空気あるいは不活性ガスを含んだ材料を断熱材として提案している。この空気あるいは不活性ガスの割合が高いほど、熱伝導率、比熱が低くなり、断熱性能が向上するが、逆に空気あるいは不活性ガスを含んだ材料であるが故に耐熱性、耐圧性等の熱的、機械的特性が劣るという課題がある。

本発明の目的は、燃焼室表面の温度を急速に高くして燃焼室の表面温度を燃焼ガスの温度に近づけて断熱性能を向上すると共に、断熱性を高める空気あるいは不活性ガスの割合を多くせずに熱的、機械的な強度を高めた内燃機関及びこの内燃機関を使用した内燃機関システムを提供するものである。

本発明の特徴は、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設け、燃焼光によってこの輻射吸収層の表面温度を急速に高くして燃焼ガスから燃焼室の外部に流れる熱流束を少なくした、ところにある。

本発明によれば、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設けることで、燃焼光によって燃焼室の表面温度を輻射熱伝達で急速に高くすることができ、これによって燃焼によって生じた燃焼ガスの温度と輻射吸収層の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が燃焼室の外部に流れるのを抑制することで断熱性能を向上できる。しかも空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。

本発明の第１の実施形態になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。図１に示す第１の実施形態の変形例になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。本発明の第２の実施形態になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。図３に示す第２の実施形態の変形例になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。各種金属材料の非酸化物と酸化物に対する光の吸収率について比較した例を示す図である。無垢のアルミニウムと陽極酸化処理したアルミニウムの光吸収率の特性を示す特性図である。煤の単色輻射能とアルミニウムの光吸収率の関係を示す特性図である。燃焼室内ガスの平均温度と燃焼室最表面温度のクランク角度毎の変化を示す特性図である。本発明になる断熱構造と従来の断熱構造における熱流束のクランク角度毎の変化を示す特性図である。燃焼室最表面の熱物性値と１サイクルあたりの積算熱流束の関係を示す特性図である。本発明の第３の実施形態になる燃料改質システムを組み合わせた内燃機関システムの構成を示す構成図である。燃料の種類と断熱性能と熱効率の関係を示す特性図である。図１１に示す燃料改質システムを組み合わせた内燃機関システムの変形例を示す構成図である。改質器の概略の全体構成を示す構成図である。改質器の反応セルの構成を示す構成図である。改質器の反応シートの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

図１に本発明の第１の実施形態になる燃焼室の一部断面を示している。内燃機関の構成は良く知られているのでここで詳細に説明しないが、燃焼室内の燃焼ガスと接触するのは、主にシリンダヘッド下壁、シリンダ内壁、ピストン頂面、吸排気バルブである。場合によっては筒内噴射式であればインジェクタが燃焼ガスと接触し、火花式点火機関では点火プラグが燃焼ガスと接触する。したがって、上述した構成要素の一つ以上が本実施例の適用対象となる。本実施例では燃焼室として典型的なシリンダ内壁面に輻射吸収層を形成した構成を説明する。

図１において、参照番号１０１は高輻射吸収率材料から形成された輻射吸収層であり、その内側に低熱伝導率材料から形成された断熱層１０２が設けられ、更にその内側に燃焼室を構成する基材、つまり、シリンダを構成するシリンダ本体１０３が設けられている。基材としてのシリンダ本体１０３には冷却媒体である冷却水が流れており、シリンダ本体１０３の熱を外部に放出している、シリンダ本体１０３はアルミニウムやアルミニウム合金、鋳鉄、マグネシウム合金などから作られており、熱を効率よく冷却水に逃がすようになっている。また、本実施例の特徴である輻射吸収層１０１は燃焼ガスの燃焼光による輻射熱伝達で急速に温度が上昇する機能を備えており、この温度が上がった輻射吸収層１０１の温度をシリンダ本体１０３に逃がさないように断熱層１０２が設けられている。

燃焼室内の燃焼ガスと接触する輻射吸収層１０１は輻射吸収率の高い材料で形成されており、代表的には次のような材料を用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、酸化錫、酸化ニッケル、タングステンカーバイド、硫化カドミウム、或いは銅・インジウム・錫等の化合物などよりなる酸化物、或いはカーボン等が用いられる。また、これらは、単独或いは組み合せて用いることができる。要は輻射吸収率が高く、しかも高温に耐える機能を備えていればよく、内燃機関の仕様によって適切に選択されれば良いものである。更に、この高輻射吸収率の材料で形成された輻射吸収層１０１の厚さは、望ましくは１００μｍ以下の厚さを備えていれば良いものであるが、これも、内燃機関の仕様によって適切に選択されれば良いものである。このように輻射吸収層１０１の厚さを薄くするのは温度の上昇速度を早めるためである。また、一般に、金属酸化物は非酸化物に比べて光の吸収率が高い材料となり、その吸収率は７０％以上となる。したがって、金属酸化物で輻射吸収率が所定以上、望ましくは７０％以上の吸収率を備える材料を選択することが重要である。

また、シリンダ本体１０３と輻射吸収率層１０１の間に形成されている断熱層１０２は低熱伝導率材料から形成されており、代表的には次のような材料を用いることができる。例えば、ジルコニア、チタン、シリコン、炭素、珪素、酸素等を含んだ有機珪素化合物、または高耐熱性、高強度のセラミック繊維等を用いることができる。また、これらも、単独或いは組み合せて用いることができる。要は輻射吸収層１０１の熱がシリンダ本体１０３側に流れるのを抑制し、しかも高温に耐える機能を備えていれば良く、内燃機関の仕様によって適切に選択されれば良いものである。また、この場合、断熱層１０２は輻射吸収層１０１とシリンダ本体１０３との接合性が良いものが選ばれている。

図２は図１に示す実施形態の変形例を示すものであり、輻射吸収層１０１の内部に断熱層１０２を形成したものである。この場合では、上記した高輻射吸収率材料の内部に低熱伝導率材料を分散させた構成としても良いが、空気や不活性ガスといった気体、もしくは減圧した空洞（真空も含む）で断熱層１０２を形成するものであっても良い。

このように、本実施例においては、シリンダ本体１０３の上面に断熱層１０２を形成し、更にその上面に輻射吸収層１０１を形成しているため、燃焼室内で燃焼火炎が形成されると瞬時に燃焼室の最表面材料である輻射吸収層１０１に、燃焼光による輻射熱伝達が生じて輻射吸収層１０１の温度が急速に高くなる。また、輻射吸収層１０１は本実施例では１００μｍ以下の薄い層に形成しているので、熱容量が小さいことから輻射吸収層１０１は瞬時に高温になる。これによって、輻射吸収層１０１と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が輻射吸収層１０１に流れていくのを抑制することができる。

更に、熱を放出するシリンダ本体１０３と高温度を保つことが必要な輻射吸収層１０１の間を断熱層１０２で遮蔽しているため、輻射吸収層１０１の熱がシリンダ本体１０３に流れるのを可及的に少なくすることができる。このため、輻射吸収層１０１の温度が低下するのを抑制でき、輻射吸収層１０１の温度を高い状態に維持することができる。尚、図２にあるように、輻射吸収層１０１の内部に空気や不活性ガスを含む断熱層１０２を設けると、輻射吸収時の散乱、材料の低比熱化により輻射吸収層１０１は輻射吸収時の温度上昇率を高くすることができる。

このように、輻射吸収層１０１と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの熱が輻射吸収層１０１に流れていくのを抑制することができ、結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。

更に、輻射吸収層１０１を設けているため、空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。尚、この理由については後述する図１０に基づき詳細に説明する。

次に、本発明の第２の実施形態について図３に基づき説明するが、この図も燃焼室の一部断面を示している。図３は断熱層１０２としてシリンダ本体１０３と輻射吸収層１０１の間に空洞を形成したものであり、この空洞はシリンダ本体１０３に直接的に形成することで断熱層１０２を構成している。空洞内には空気や不活性ガスが充填されている他、減圧された空洞であっても良いものである。尚、空洞の形状は図３に限らず、多孔構造等の様々な構造を採用することができる。

図３において、輻射吸収層１０１は、シリンダ本体１０３の表面に酸化処理を施して形成されている。つまり、基材そのものに酸化処理を施して酸化被膜を形成することで輻射吸収層１０１を形成するものである。例えば、望ましくは酸化処理として陽極酸化処理を施すことで図３に示すような、微細孔１０４を多く含んだ多孔質の酸化膜が形成される。例えば、シリンダ本体１０３がアルミニウムで作られていれば、これに陽極酸化処理を施すことでアルマイトが形成されることになる。このアルマイトはアルミニウムに比べて輻射吸収率が大きくなり、輻射吸収層１０１とすることができる。このように、アルマイトによる被膜部分と燃焼ガスの間の温度差を少なくすることが可能となり、実施例１と同様に輻射吸収層１０１と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの熱が輻射吸収層１０１に流れていくのを抑制することができ、結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。尚、シリンダ本体１０３はアルミニウムではなく、他の金属材料、例えばマグネシウム合金等を採用しても問題ないものであり、本実施例に限定されないものである。

ここで、本実施例ではシリンダ本体１０３の構成材料自体によって輻射吸収層１０１を形成するようにしているため、その形成方法が簡略できるという効果の他に、異種材料を使用する場合の接合性等を考慮する必要性が少ないという副次的な効果を期待できる。

また、図４に示す実施例は図３の実施例の変形例を示しており、この変形例はシリンダ本体１０３とは異なった材料によって輻射吸収層１０１と断熱層１０２を形成するものである。つまり、断熱層１０２の材料を酸化処理、例えば陽極酸化処理して輻射吸収層１０１を形成する方法である。図４においては、断熱層１０２の材料としてチタンが使用され、このチタンがアルミニウム合金よりなるシリンダ本体１０３に接合されている。そして、このチタンに陽極酸化処理を施して酸化チタンとし、また、この酸化チタンは微細孔１０４を多く含んだ多孔質の酸化被膜層として形成されるようになる。

更に、図４に示すチタンに代わる他の材料としては、シリンダ本体１０３に比べて熱伝導率の低い材料を用いることが有利である。例えば、シリンダ本体１０３にはアルミニウム合金、鋳鉄等を用い、断熱層１０２の材料にはチタン合金、マグネシウム合金等を用いることができる。そして、チタン合金、マグネシウム合金の表面に陽極酸化処理を施して陽極酸化被膜層を形成する。これによって、チタン合金、マグネシウム合金の陽極酸化被膜層は輻射熱伝達（光吸収）により温度が急速に上昇し、更にチタン合金、マグネシウム合金は低熱伝導率であることからシリンダ本体１０３への熱伝導を抑制できるようになる。このような構成とすることでシリンダ本体１０３は一般的に広く使われているアルミ合金などを使うことができるようになる。

このように、この変形例においても輻射吸収層１０１として機能する陽極酸化被膜部と燃焼ガスの間の温度差を少なくすることが可能となり、実施例１と同様に輻射吸収層１０１と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの熱が輻射吸収層１０１に流れていくのを抑制することができ、結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。

図５に各種金属材料の非酸化物と酸化物に対する光の吸収率について比較したものを示している。例えば、マグネシウムでは非酸化物の光の吸収率は０．２７であるのに対し酸化物の光の吸収率は０．７５であり、酸化物にすることによって光の吸収率が向上していることがわかる。同様に、ニッケル、チタン、アルミニウム、鉄においても非酸化物に対して、酸化物の方が光の吸収率が向上していることがわかる。一般に、金属酸化物は非酸化物に比べて光の吸収率が高い材料となり、その吸収率は７０％以上となる。

また、図３、図４に示すように陽極酸化膜は多孔質構造になることから、表面積が大きくなり、更に光の吸収率を高めることができる。したがって、断熱層１０２の機能と輻射吸収層１０１の機能が優れている材料を選択して断熱層１０２と輻射吸収層１０１を形成してやれば、燃焼ガスと輻射吸収層１０１の間の温度差をより少なくすることが可能となる。また、その構成も簡略化できるものとなる。

図６はアルミニウムに陽極酸化処理を施して輻射吸収層１０１であるアルマイト層を形成したサンプルと、陽極酸化処理を施していない無垢のアルミニウムのサンプルを用いて光の吸収率を比較した例である。陽極酸化処理を施したアルマイト層は広い波長域において光の吸収率を高めることができる。したがって、波長の選択性が少ないので、燃焼に伴う多くの波長の光を吸収することができるので、輻射熱伝達によって急速にアルマイト層の温度を高くすることが可能となる。

ここで、陽極酸化処理を施す場合は、シリンダ本体１０３、或いは断熱層１０２の材料表面を電解質溶液中で化学的に処理することから、耐久性、製造の安定性を確保できるものである。また、陽極酸化処理は電圧や時間等の条件を変えることで、輻射吸収層１０１の表面に微細孔１０４をあけることができ、更にはその深さや間隔などを調整できる。具体的には酸化膜の厚みは０〜１００μｍの範囲で制御できる。

このような構造とすることで、シリンダ本体１０３の燃焼室側の最表面に形成した陽極酸化膜である輻射吸収層１０１は燃焼火炎の光を吸収し、輻射吸収層１０１付近の温度が急速に上昇する。これにより燃焼室内の燃焼ガスの温度と輻射吸収層１０１の間の温度差が少なくなることで対流熱伝達を抑制でき、冷却損失を抑制することができるようになる。

以上説明したように、図１乃至図４に示す実施例に代表される本発明の内燃機関によれば、燃焼室内の燃焼光が高輻射吸収率材料から形成された輻射吸収層１０１に到達した後に、高温の燃焼ガスによる対流熱伝達が行われる。このため、高輻射吸収率材料からなる輻射吸収層１０１が燃焼室内側の表面に形成されているので、この部分の温度が燃焼光の輻射熱伝達により急速に高温になっている。これによって、燃焼室内の燃焼ガス温度と燃焼室表面である輻射吸収層１０１の温度差が小さくなり、結果的に燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室壁面への熱流束が小さくなる。

内燃機関の燃焼室内からの熱流束は、一般的に対流熱伝達と輻射熱伝達に影響され、例えば、ディーゼルエンジンの場合は、輻射熱伝達による熱流束が２割程度を占めている。そして、燃焼室内は一般的にアルミ合金、鋳鉄が使用されることが多く、両材料ともに輻射吸収率が低いため、輻射熱伝達による熱流束が小さくなっている。

図７にはディーゼル火炎に多く含まれる煤の波長毎の輻射強度Ｂとアルミニウムの輻射吸収率Ａの関係を示している。この図からわかるように、アルミニウムの場合では煤の輻射強度Ｂの高い波長領域において、輻射吸収率Ａが低いことがわかる。一方、輻射吸収率Ａが高い領域は煤の輻射強度が低く、十分な光エネルギーが生じていないことがわかる。これにより輻射熱伝達が小さくなっている。したがって、輻射強度Ｂの高い領域で輻射吸収率Ａを高めてやれば輻射熱伝達を大きくすることができる。このためには、図６で説明したように、陽極酸化処理を施したアルマイト層は広い波長域において光の吸収率を高めることができる。したがって、波長の選択性が少ないので、燃焼に伴う多くの波長の光を吸収することができるので、輻射熱伝達によって急速にアルマイト層の温度を高くすることが可能となる。このように、輻射吸収層１０１を形成して輻射熱伝達を大きくすることは有効である。尚、図７ではアルマイトの場合を示しているが、これ以外の金属酸化物においても同様のことが言える。

高輻射吸収材料による輻射吸収層１０１を燃焼室の最表面に形成した場合の燃焼ガスの平均温度の履歴と燃焼室最表面の輻射吸収層１０１の温度の履歴の一例を図８に示している。図８は燃焼開始から燃焼終了までのクランク角度における温度の履歴である。燃焼初期においては輻射熱伝達の効果で、燃焼室最表面の輻射吸収層１０１の温度は燃焼ガスの平均温度よりも高くなっていることがわかる。その後、燃焼が進むにつれて燃焼ガスの平均温度が燃焼室最表面の輻射吸収層１０１の温度よりも高くなるものの、その温度差は小さいものである。したがって、燃焼ガスから輻射吸収層１０１を介してシリンダ本体に流れる熱流束は小さくなるものである。

図９に燃焼開始から燃焼終了までのクランク角度における、特許文献１に記載した従来の断熱構造の熱流束と、本発明になる断熱構造の熱流束の変化状態を示している。この図からわかるように、本発明の断熱構造の方が全体に亘って熱流束が小さくなっており、冷却損失が抑制されていることが理解できる。

図１０には燃焼室最表面に形成した輻射吸収層１０１の熱物性、この場合では横軸に熱伝導率、縦軸に比熱をとり、これに対する熱流束（１サイクルあたりの合計）の等高線を示している。破線は特許文献１の断熱構造を示し、実線は本発明の断熱構造を示している。この図からわかるように、本発明の断熱構造では高輻射吸収材料を使用して輻射吸収層１０１を形成していることから、従来の断熱構造に比べて高い熱伝導率、比熱の材料でも熱流束は小さくなることである。

例えば、積算熱流束が０．４の場合をみると、同じ積算熱流束０．４であっても破線で示す従来の断熱構造に対し、実線で示す本発明の断熱構造の方が熱伝導率、比熱が大きくなっている。つまり、これが意味するところは、同じ断熱性能を得ようとした場合は、断熱層１０２の断熱性能をそれほど高める必要性が少ないということである。このため従来の断熱構造に比べて、空気や不活性ガスを封入する空洞の割合が低い材料によって断熱層１０２を形成できることから、熱的、機械的な強度を十分備えることが可能となる。

このように、燃焼室内の表面に高輻射熱吸収材料よりなる輻射吸収層１０１を形成することで、輻射吸収層と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの温度が輻射吸収層に流れていく熱流束を低減できるので結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。

更に、高輻射熱吸収材料は放射率も高いため、吸気行程時に燃焼室の表面温度は従来の材料に比べて温度が下がり易くなっているので、結果として燃焼室内の吸気温度の上昇を抑制できる。これによって燃焼室に吸入される空気の充填効率を向上でき、更には耐ノッキング性を向上できる効果が期待できる。このため、内燃機関の高トルク化や高熱効率化を実現できるようになる。

上述した本発明になる内燃機関は燃焼時の燃焼室壁面へ流れる熱流束を抑制できるため熱効率を高めることができるが、この燃焼室に閉じ込められた熱は排気熱の割合を増加するという機能を備えている。通常では内燃機関の廃熱は冷却による廃熱と排気による廃熱に分類できるが、上述したしたように燃焼室から逃げる熱を少なくして断熱化を向上すると、冷却による廃熱の割合が低下して排気による廃熱の割合が増加する。そのため、排熱回収システムを容易に組み合わせて効率の良い排熱回収システムを実現することができる。中でも燃料改質器を使った排熱回収システムと組み合わせることで、相乗的に効果を高めることができるようになる。

以下、本発明になる内燃機関と排熱回収システムを組み合わせた実施例の説明を行うことにする。図１１には本発明の断熱性を向上した内燃機関と燃料改質器を使った排熱回収システムを組み合わせた構成図を示している。

本システムは排気管に改質器１１０を備え、排気の熱を改質器１１０に供給する。排気熱を回収した改質器１１０に第１燃料供給装置１１１から第１の燃料を供給することで、燃料が改質器１１０に充填された燃料改質用触媒を通過することで、水素を含む改質ガスに改質される。第１の燃料の供給量は第１燃料供給装置１１１によって調整される。また、改質器１１０で得られた改質ガスは改質ガス供給装置１１２を介して、その供給量が調整され、内燃機関に吸入される吸気に供給される。更に、内燃機関に供給される第１の燃料は第２燃料供給装置１１３によりその供給量を調整されて内燃機関へ供給される。改質器１１０では、例えば以下のような改質反応が生じている。
ＣＨ_４+２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２+４Ｈ_２-１６４ｋＪ
この改質反応の場合、反応前後で１６４ｋＪの熱を吸収する吸熱反応を生じる。このように排気温度が高い排気ガスを改質反応に使うことで、内燃機関の排気熱を燃料のエネルギーとして回収することができる。このような吸熱反応は一般的に改質温度が高いほど改質の変換効率が高くなる。したがって、上述した様な断熱性能を向上した内燃機関にすることで排気ガス温度が高められることから、改質器の変換効率が高くなって改質時の排熱回収量を増やすことができる。

改質ガスは内燃機関の燃料として燃焼室に供給されるが、改質ガスは水素を含むガスであるため、他の炭化水素燃料に比べて希薄燃焼が実現でき高効率な燃焼を実現できる。また、水素はガソリンなどの炭化水素燃料に比べて急速燃焼できることから、オットーサイクルに近づき理論熱効率が高くなる。従来の内燃機関の場合は、急速燃焼すると冷却損失が大きくなり熱効率改善効果は小さいが、図１２に示すように、燃焼室を断熱化するほど、急速燃焼時の熱効率の改善効果は大きくなる。

以上のことから燃焼室の断熱性を向上したことと、燃料改質を使った排熱回収を組み合わせると相乗的に効率が向上する。このような内燃機関と燃料改質器を組み合わせたシステムは、燃料としてメタンの他にも、ガソリン、軽油、メタノール、エタノール、DME、アンモニアなど多種燃料に適用できるものである。

また、図１３に示すように第１の燃料は改質器１１０に供給し、第２の燃料は直接的に燃焼室に供給する複数燃料供給式の内燃機関にも対応できる。この場合は、第１の燃料はガソリン、メタノール、エタノール、アンモニア等のオクタン価の高い燃料を使い、第２の燃料は軽油、重油、バイオディーゼル等のセタン価の高い燃料を使うものとする。

また、第２の燃料は燃焼室に直接的に燃料を噴射する第２の燃料供給装置１１３により供給量を調整される。第１の燃料は第１の燃料供給装置１１１を介して改質器１１０に供給され、改質器１１０から出た改質ガスは改質ガス供給装置１１２を介して流量が調整され、内燃機関の吸気管に供給される。

一般的に、複数燃料供給式の内燃機関においては第１の燃料は改質器１１０を通さずに内燃機関の吸気管に予混合するように供給されるため、空気過剰率が高い条件では燃料は燃えにくくなって燃焼効率が低くなり、未燃ハイドロカーボンが大量に排出されるという課題がある。ところが、本システムは第１の燃料は改質器１１０を通ることで水素を生成できるため、空気過剰率が高い条件でも安定して燃焼ができ、燃焼効率の向上、未燃ハイドロカーボンの排出抑制が可能となる。

また、内燃機関の燃焼室の断熱性を向上することで、燃焼時の燃焼室壁面温度が高くなり、混合気の温度不均一性が低減されることで空気過剰率の高い条件でも安定して燃焼できる。つまり、燃焼室を断熱化することと、燃料改質を使った排熱回収を組み合わせることで相乗的に燃焼効率を向上でき、しかも未燃ハイドロカーボンの排出抑制を実現でき、大幅な効率向上が可能となるものである。

図１１、図１３に示す改質器１１０の詳細な構成を図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃに示している。

改質器１１０は図１４Ａに示すように、外形が円筒状を呈する複数本の反応セル３１と、複数の反応セル３１を収容した円筒状の第１ケーシング３２とを備えている。そして、第１の燃料１が各反応セル３１内を通流し、高温の排気ガスが反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を通流するようになっている。第１ケーシング３２及び後述する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。なお、第１ケーシング３２、第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状、多角形筒状でもよい。

反応セル３１は図１４Ｂに示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、この複数枚の反応シート３３を収容した第２ケーシング３４とを備えている。

各反応シート３３は図１４Ｃに示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７とを備えている。つまり、各反応シート３３は、触媒３７を担持した多孔質層３６、金属箔３５、触媒３７を担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造である。尚、厚さ方向において隣り合う反応シート３３間には、第１の燃料、生成した水素を含む改質ガスが通流可能な隙間が形成されている。

また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温される。これにより、燃料１を水素を含む改質ガスに分解する分解反応の効率は、高くなっている。

更に、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。これにより、排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、第１の燃料、生成した水素を含む改質ガスが、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。ただし、金属箔３５を備えず、又は、金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。

多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、第１の燃料、生成した水素を含む改質ガスが通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層３６は、例えば、アルミナを主体とする酸化物で構成される。

触媒３７は、第１の燃料を分解し、水素を含む改質ガスを生成させるための触媒である。このような触媒３７は、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄等から選択された少なくとも１種で構成される。もちろん、場合によっては複数の材料を組み合わせて使用しても良いことはいうまでもない。

本発明を総括すると、本発明は、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設け、この輻射吸収層によって燃焼室の表面温度を急速に高くして燃焼ガスから燃焼室の外部に流れる対流熱伝達を抑制するようにした。

そして、このような構成によれば、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設けることで燃焼室の表面温度を輻射熱伝達で急速に高くすることができるので、燃焼によって生じた燃焼ガスの温度と輻射吸収層の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が燃焼室の外部に流れるのを抑制することで断熱性能を向上でき、しかも空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。

また、上述したような内燃機関と排熱回収システムを組み合わせると、内燃機関から排出される排気ガスの温度が高くなるので、改質器を流れる燃料をより効率良く改質できるので、改質器の変換効率が高くなって改質時の排熱回収量を増やすことができる。

１０１…輻射急層層、１０２…断熱層、１０３…シリンダ本体、１０４…微細孔。

Claims

可燃性燃料が供給される燃焼室を備え、この可燃性燃料を燃焼して動力を取り出す内燃機関において、
前記燃焼室の表面に燃焼光の輻射吸収率が高い輻射吸収層を形成し、燃焼光によって前記輻射吸収層の温度を急速に上昇させることを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記燃焼室を構成する金属で作られた基材と前記輻射吸収層の間には断熱層が形成され、前記断熱層は前記輻射吸収層の熱が前記基材に流れるのを抑制することを特徴とする内燃機関。
請求項２に記載の内燃機関において、
前記断熱層は前記基材に形成された空洞であることを特徴とする内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関において、
前記空洞は、少なくとも空気、或いは不活性ガスが充填されるか、或いは減圧された空間であることを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記断熱層は前記輻射吸収層の内部に設けられていることを特徴とする内燃機関。
請求項２に記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は前記基材を酸化処理して形成された被覆層であることを特徴とする内燃機関。
請求項６に記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は前記基材を陽極酸化処理して形成された被覆層であることを特徴とする内燃機関。
請求項２に記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は前記断熱層を形成する金属を酸化処理して形成された被覆層であることを特徴とする内燃機関。
請求項８に記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は前記断熱層を形成する金属を陽極酸化処理して形成された被覆層であることを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は輻射吸収率が７０％以上の被覆層であることを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は微細な大きさの微細孔を表面に備えていることを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の内燃機関において、
前記輻射吸収層は厚みが１００μｍ以下であることを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至請求項１２に記載の内燃機関の排気管に水素を含む改質ガスを生成可能な改質器を設け、前記改質器によって得られた改質ガスを前記内燃機関の前記燃焼室に供給する改質ガス供給装置を設けると共に、前記改質器に燃料を供給する第１の燃料供給装置と、前記改質器を介さずに前記燃料を前記内燃機関の燃焼室に供給する第２の燃料供給装置を設けたことを特徴とする内燃機関システム。
請求項１乃至請求項１２に記載の内燃機関の排気管に水素を含む改質ガスを生成可能な改質器を設け、前記改質器によって得られた改質ガスを前記内燃機関の前記燃焼室に供給する改質ガス供給装置を設けると共に、前記改質器に第１の燃料を供給する第１の燃料供給装置と、第２の燃料を前記内燃機関の燃焼室に供給する第２の燃料供給装置を設けたことを特徴とする内燃機関システム。