JP5051048B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の点火システムに関し、混合気の着火性を促進させる物質を生成し、または混合気を体積的な点火に至らしめる装置に関する。

混合気の着火性を向上させる物質を生成する装置として、光発生装置から燃焼室内に配置した光触媒に光エネルギを照射することで、混合気の着火に必要なラジカルを生成するものが特許文献１に開示されている。
特開２００７−６４０３７号公報

しかしながら、特許文献１では、ピストン冠面やシリンダ内壁に設けた光触媒に、光発生装置によって光エネルギを照射する構成となっているため、光発生装置を設ける必要がある。光発生装置は光触媒に光を照射することはできるが、ラジカル生成に直接的には寄与しておらず、ラジカル生成の観点で改良の余地があった。

本発明の内燃機関は、燃焼室内、又は燃焼室に連通する吸気通路の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高める化学活性種（ラジカル）を生成する非平衡プラズマ放電手段と、この非平衡プラズマ放電手段が発する光の少なくとも一部を吸収してラジカルを生成する光触媒と、を有する。

本発明によれば、非平衡プラズマ放電手段が自らラジカルを生成するのに加えて、さらに非平衡プラズマ放電手段の発光による光を受けて、光触媒においてもラジカルが生成される。すなわち、非平衡プラズマ放電装置による光を、光触媒のラジカル生成にも用いることで、光触媒に光を照射するための光発生装置を設ける必要が無い。本発明では、非平衡プラズマ放電を行えば、自ら生成するラジカルに加えて、光触媒作用によるラジカルが得られるので、多くのラジカルを高い効率で得ることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。

非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。

シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気通路３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気通路４０とが形成される。

吸気通路３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気通路３０を開閉する。また、吸気通路３０には、非平衡プラズマ放電によって混合気に着火する放電装置５０が設置される。放電装置５０は、中心電極５１と、接地電極としての円環状電極５２と、光触媒層５２ａと、絶縁部５３と、主体金具５４とを備える。

放電装置５０は、絶縁部５３の軸方向中央に設けられた主体金具５４によってシリンダヘッド２０に設置される。そして、放電装置５０の絶縁部５３と円環状電極５２との間には、吸気通路３０と連通する点火室５５が形成される。また、中心電極５１の後端には、後端側端子５１ａが設置されている。この後端側端子５１ａには、エンジン運転状態に応じた交流電圧を印加する高電圧高周波発生器６０が接続される。放電装置５０の詳細な構成については後述する。

一方、排気通路４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気通路４０を開閉する。なお、排気通路４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。

上記した吸気通路３０と排気通路４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、燃焼室１３に臨むように燃料噴射弁３４及び点火プラグ９０が設置されている。

非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、高電圧高周波発生器６０を制御するため、コントローラ７０を備える。コントローラ７０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ７０には、エンジン回転速度、エンジン負荷など、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。コントローラ７０は、これら出力に基づいて高電圧高周波発生器６０の交流電圧の電圧値、印加時間、交流周波数、印加時期を制御して、放電装置５０の放電エネルギを調整する。

なお、放電装置５０に印加する電圧は交流に限らず、直流であってもよい。直流電源であっても、絶縁部５３の表面と円環状電極５２の広範囲の空間領域に複数のストリーマが形成されるため、体積的なバリア放電が可能だからである。また、多重のパルス電圧を印加するようにしてもよい。

図２（Ａ）は放電装置５０の側面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中心電極５１は棒状の導電体からなり、点火室５５に突出するように、燃焼室１３に延設して配置、形成される。中心電極５１は、誘電体からなる絶縁部５３によって覆われている。

そして、この絶縁部５３を取り囲むように、かつ、中心電極５１に対向して、導電体からなる円環状電極５２が配置される。この円環状電極５２の内周面には光触媒である酸化セリウム（ＣｅＯ₂）がコーティングされて光触媒層５２ａを形成しており、側壁部には吸気通路３０と点火室５５とを連通する複数のスリット５２ｂが設けられている。

このような構造にすることで、吸気通路３０を流れる吸気の一部が点火室５５を通過するようになり、点火室５５のガス交換量が多くなる。その結果、ラジカル生成量を増加させることが可能となり、着火性をより向上させることができる。さらには、希薄燃焼下における初期燃焼期間の短縮及び燃焼安定性の向上を図ることができる。

上記のような構成の放電装置５０に電圧を印加すると、中心電極５１と円環状電極５２との間に絶縁部５３があることによりアーク放電に遷移することが抑制され、点火室５５内に複数のストリーマ（非平衡プラズマ）が形成される。この非平衡プラズマ放電は、バリア放電や無声放電と呼ばれる。非平衡プラズマ放電で生成される高エネルギ電子が吸気ガス中の窒素、酸素分子と衝突して分子解離を誘発し、高反応性のラジカル（化学活性種）を生成し、混合気の酸化連鎖反応、すなわち混合気の着火性の向上に寄与する。

さらに、光触媒層５２ａにおいても、非平衡プラズマの発光の少なくとも一部を吸収してラジカルが生成される。

なお、光触媒の温度を上昇させるための電熱ヒータを電極内または電極周辺に設けてもよい。エンジンは、運転中は常に放熱しているため、触媒温度を一定以上に保つことは容易であるため、ヒータは必ずしも必要ではない。しかし、ヒータを用いることで、早期に触媒温度を一定以上に昇温させることができる。

ここで、光触媒層５２ａを形成する光触媒の作用について説明する。

光触媒にバンドギャップ以上のエネルギを持つ光を照射すると、価電子帯にある電子（ｅ^-）が励起されて伝導帯に移動し、価電子帯には電子が抜けたことにより正孔（ｈ⁺）ができる。伝導帯に移動した電子は空気中の酸素を還元してスーパーオキサイドアニオン（Ｏ₂ ^-）を生成し、一方、正孔は空気中の水分を酸化させてヒドロキシラジカル（ＯＨ・）を生成すると考えられている。これらは非常に強い酸化力を有しているため、有機物を二酸化炭素と水に分解することができる。そこで、本実施形態では、このような光触媒反応を利用することで、反応性の高いラジカルを生成する。

なお、電子を価電子帯から伝導帯に移動させるには、上述したように光触媒が有する固有のバンドギャップ以上の光エネルギが必要であり、この光エネルギと光の波長との関係は式（１）で表わされる。

波長（ｎｍ）＝１２４０／光エネルギ（ｅＶ） ・・・（１）
したがって、図４に示すように約４５０（ｎｍ）から吸収が始まる酸化セリウムの場合には、必要な光エネルギは約２．８（ｅＶ）となる。なお、図４は酸化セリウムのＵＶ−ＶＩＳスペクトルを示す図である。

図５は非平衡プラズマの発光スペクトルを示す図である。この図に示すように、非平衡プラズマによる発光は最も短い波長で２９０（ｎｍ）である。したがって、非平衡プラズマの発光によって電子を伝導帯に励起させるためには、バンドギャップは約４．３（ｅＶ）以下であればよい。すなわち、本実施形態では光触媒として酸化セリウムを使用するが、バンドギャップが約４．３（ｅＶ）以下であればよい。例えばチタン、銅、鉄等の遷移金属の酸化物、硫化物、窒化物、あるいはこれらの混合物も使用可能である。

なお、本実施形態における光触媒層５２ａは、混合気の着火性向上のためのラジカル生成を目的とするものであって、誘電体や電極への煤の付着防止や汚れ除去を目的とするものではない。したがって、光触媒層５２ａが酸化チタン等のように親水性を顕現する必要はない。

また、光触媒の効率をさらに向上させるために、助触媒を添加してもよい。これは、吸収した光により分離した電子と正孔の再結合を抑制するためのものである。一旦再結合してしまうと再び分離することはなく、ラジカルの生成効率が低下する。助触媒を添加すると、分離した電子が助触媒に集まることで、正孔との再結合を抑制することができる。

助触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、銀、金、ニッケルが有効である。光触媒への担持方法としては、例えば、金属塩を溶媒に溶解し、光触媒に含浸後、乾燥そして焼成する方法がある。

上述したような構成の放電装置５０を備えるエンジンでは、混合気を圧縮することにより自己着火に至らしめる自己着火燃焼モードを実行する運転領域を有し、この自己着火燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部において、放電装置５０を作動させてラジカルを生成し、混合気の着火性を高める。

また、自己着火燃焼モードを実行する運転領域より高負荷側に、点火プラグ９０により混合気にスパーク点火をして火炎伝播させる火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有する。この火炎伝播燃焼モードを実行する領域の少なくとも一部においても、放電装置５０を作動させ、混合気の着火性を高める。

以上により、本実施形態によれば次の効果を得ることができる。

（１）燃焼室１３内、又は燃焼室１３に連通する吸気通路３０の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高めるラジカルを生成する放電装置５０と、この放電装置５０が発する光の少なくとも一部を吸収してラジカルを生成する光触媒層５２ａと、を有するので、非平衡プラズマ放電によるラジカル生量に加えて、さらに光触媒層５２ａによってもラジカルを生成できる。これにより、ラジカル生成量を増加して混合気の着火性をさらに高めることができる。

（２）光触媒が、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、または遷移金属窒化物等の遷移金属化合物であるので、非平衡プラズマ放電による発光の波長で十分に光触媒反応が起こる。

（３）光触媒層５２ａを、非平衡プラズマ放電により形成されるストリーマの密度が相対的に低い位置に配置するので、より広い領域でラジカルを生成することができ、着火性を向上させることができる。

（４）放電装置５０が、中心電極５１と、これを囲む円環状電極５２と、中心電極５１と円環状電極５２との間に形成される点火室５５と、を有し、光触媒層５２ａが円環状電極５２の内周壁面に配置されているので、電界強度が相対的に低いためにストリーマ密度が低くなる位置に光触媒層５２ａが配置されることとなり、点火室５５内のラジカル生成量を増加させることができる。

（５）中心電極５１が誘電体で構成される絶縁部５３に覆われているので、バリア放電による非平衡プラズマとなり、アーク放電（熱プラズマ）への遷移を確実に防止することができる。

（６）光触媒層５２ａが、吸収した光により分離した電子と正孔の再結合を抑制するための助触媒を有するので、ラジカルの生成効率の低下を抑制できる。

（７）光触媒層５２ａを昇温させる手段を備える、または機関が放出する熱により光触媒層５２ａを昇温させることにより、光触媒作用によるラジカルの生成効率が高まる。

（８）自己着火燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、放電装置５０を作動させるので、非平衡プラズマ及び光触媒作用によってラジカルが生成され、混合気の自己着火性がより向上させることができる。例えば、放電装置５０を作動させない場合には燃焼安定性を確保できないような低負荷希薄燃焼であっても、放電装置５０を作動させてラジカル量を増加させることにより、安定した燃焼を行うことが可能となる。また、燃焼効率が低下しがちな低負荷領域において放電装置５０を作動させることにより、混合気の着火性を向上させて熱効率の高い自己着火燃焼を実現できる。

（９）火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、放電装置５０を作動させてラジカルを生成するので、混合気の着火性が高まり、例えば点火プラグ９０で点火して火炎伝播させる場合の燃焼効率を高めることができる。

第２実施形態について説明する。

図６は本実施形態を適用する非平衡プラズマ放電式エンジン１００の構成図である。第１実施形態との違いは、放電装置５０が吸気通路３０ではなく燃焼室１３に臨むように配置されること、点火プラグ９０を備えないこと、そして放電装置５０の構造である。ただし、放電装置５０の位置は図６に示した位置に限られるわけではなく、点火室５５が燃焼室１３に臨む位置であればよい。

放電装置５０の構造の違いは、円環状電極５２にスリット５２ｂを有しない点である。

なお、燃焼室１３内の熱により光触媒層５２ａの温度が上昇するので、電熱ヒータは不要となる。

本実施形態では、印加電圧、印加時間、交流周波数を制御することによって、放電装置５０を点火装置として使用する火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有する。この火炎伝播燃焼モードでは、非平衡プラズマにより生成される高エネルギ電子が混合気中の窒素、酸素分子と衝突して分子離脱を誘発して高反応性のラジカルを生成し、混合気の燃焼酸化連鎖反応の促進に寄与する。

さらに、電界強度が中心電極５１付近より低いためストリーマ密度も低くなる円環状電極５２付近においても、光触媒層５２ａがあることによってラジカルが生成されるので、より広い空間での体積点火が可能となる。

これにより、混合気の着火ロバスト性の向上及び燃焼期間の短縮が可能となるので、従来のスパーク点火と比較して、希薄燃焼やＥＧＲ導入による希釈燃焼時、または機関始動時等の低温燃焼時における燃焼安定性が向上する。さらに、高負荷運転時に火炎伝播燃焼モードを適用すれば、燃焼期間の短縮により、ノッキングの発生を防止することができる。

また、混合気に着火させるための作動の前、主に吸気行程中に、放電装置５０をラジカル生成のために作動させてもよい。これによれば、点火時における混合気の着火性が向上するので、希薄燃焼限界もしくは希釈燃焼限界をさらに広げ、または低温燃焼時の燃焼安定性をさらに向上させることができる。なお、別途点火プラグ９０を備え、混合気への着火を点火プラグ９０によるスパーク点火としてもよい。

以上により、本実施形態によれば次の効果を得ることができる。

（１）放電装置５０を点火手段として用いるので、広い空間での点火（体積点火）が可能となり、着火ロバスト性の向上、燃焼期間の短縮が可能となる。

（２）火炎伝播燃焼モード時に、混合気に点火するための放電装置５０の作動時期以前に、ラジカル生成のために放電装置５０を作動させるので、点火前に混合気の着火性を向上させて、着火ロバスト性の向上や燃焼期間の短縮の効果をより高めることができる。

第３実施形態について説明する。

図７は、本実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００の概略構成図である。本実施形態では、放電装置５０及び光触媒をコーティングする位置以外は図６と同様なので、吸・排気弁３１、４１、吸・排気通路３０、４０等は省略している。

また、燃焼モードについては、第２実施形態と同様とする。

放電装置５０は、円環状電極５２が中心電極５１の長手方向に短く、シリンダヘッド２０に取り付けられた状態で、絶縁部５３に覆われた中心電極５１のみが燃焼室１３内に突出する。また、非平衡プラズマによる発光が届く範囲の、燃焼室壁面及びピストン１１の冠面の少なくとも一部に光触媒層５２ａを設ける。

上記構成では、中心電極５１付近の燃焼室壁面が接地電極として機能し、圧縮行程後半から膨張行程前半にかけてはピストン冠面も接地電極として機能するので、中心電極５１と燃焼室壁面及びピストン冠面との間で非平衡プラズマが形成されて、ラジカルが生成される。

さらに、非平衡プラズマによる発光が届く範囲に光触媒層５２ａを設けることにより、光触媒層５２ａ付近では、光触媒の作用によってもラジカルが生成される。

以上により本実施形態では次のような効果を得ることができる。

（１）放電装置５０は、燃焼室内に突出する中心電極５１を有し、中心電極５１と燃焼室壁面またはピストン冠面の少なくとも一方との間で非平衡プラズマ放電を形成し、光触媒層５２ａが、非平衡プラズマ放電による発光が届く範囲の燃焼室壁面及びピストン冠面の少なくとも一部に配置されているので、より広い空間でラジカルを生成することができる。

なお、上記各実施形態では、非平衡プラズマ放電を形成する手段として、バリア放電を行う放電装置５０を用いたが、非平衡プラズマを形成できる電極・電源仕様であれば、その他の形成手段であってもよい。例えば、短パルス波を印加してアークに遷移する前に電界を遮断して非平衡プラズマを形成する方法や、マイクロ波・ラジオ波等を利用して非平衡プラズマを形成する方法でもよい。電極の形状についても、上述した形状に限られるものではなく、例えば電極が同軸状でなくてもよく、誘電体で覆われてなくてもよい。

また、４ストロークレシプロエンジンに適用する例について説明したが、これに限られるわけではなく、例えば２ストロークエンジンについて適用することもできる。さらに、燃料噴射弁３４は筒内に直接燃料を噴射するよう設けているが、吸気通路３０内に噴射するような配置であってもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

第１実施形態を適用するシステムの構成図である。 （Ａ）は放電装置の電極部の構成を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 光触媒によるラジカル生成のメカニズムを説明する図である。 酸化セリウムのＵＶ−ＶＩＳスペクトル図である。 非平衡プラズマの発光スペクトル図である。 第２実施形態を適用するシステムの構成図である。 第３実施形態を適用するシステムの構成図である。

符号の説明

１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１２ シリンダ
１３ 燃焼室
２０ シリンダヘッド
３０ 吸気通路
３１ 吸気弁
３２ 吸気側カムシャフト
３３ カム
３４ 燃料噴射弁
４０ 排気通路
４１ 排気弁
４２ 排気側カムシャフト
４３ カム
５０ 放電装置
５１ 中心電極
５２ 円環状電極
５２ａ 光触媒層
５３ 絶縁部
５４ 主体金具
６０ 高電圧高周波発生器
７０ コントローラ
９０ 点火プラグ

Claims (14)

1. 燃焼室内、又は燃焼室に連通する吸気通路の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高める化学活性種を生成する非平衡プラズマ放電手段と、この非平衡プラズマ放電手段が発する光の少なくとも一部を吸収して前記化学活性種を生成する光触媒と、を有することを特徴とする内燃機関。
2. 前記光触媒を、非平衡プラズマ放電により形成されるストリーマの密度が相対的に低い位置に配置することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記非平衡プラズマ放電手段は、中心電極と、前記中心電極を囲む環状電極と、前記中心電極と前記環状電極との間に形成される点火室と、を有し、前記点火室が前記燃焼室に臨むように、または前記点火室が前記吸気通路に臨むように配置され、
   前記光触媒が前記環状電極の前記中心電極と対向する面に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記非平衡プラズマ放電手段は、燃焼室内に突出する中心電極を有し、前記中心電極と燃焼室壁面またはピストン冠面の少なくとも一方との間で非平衡プラズマ放電を形成し、
   前記光触媒が、前記非平衡プラズマ放電による発光が届く範囲の燃焼室壁面及びピストン冠面の少なくとも一部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記中心電極が誘電体に覆われていることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関。
6. 前記光触媒が、吸収した光により分離した電子と正孔の再結合を抑制するための助触媒を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の内燃機関。
7. 前記光触媒を昇温させる手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関。
8. 前記光触媒を、機関が放出する熱により昇温することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関。
9. 混合気を圧縮することにより着火に至らしめる自己着火燃焼モードを実行する運転領域を有し、この自己着火燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、前記非平衡プラズマ放電手段を作動させて前記化学活性種を生成することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関。
10. 混合気に点火する点火手段を備え、
    この点火手段により混合気に点火して火炎伝播させる火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有し、この火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、前記非平衡プラズマ放電手段を作動させて前記化学活性種を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の内燃機関。
11. 前記非平衡プラズマ放電手段及び前記光触媒が燃焼室内に配置され、
    前記非平衡プラズマ放電手段が前記点火手段として機能することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
12. 前記火炎伝播燃焼モードを実行する場合に、混合気に点火するための非平衡プラズマ放電手段作動時期より以前に、化学活性種生成のために前記非平衡プラズマ放電手段を作動させることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
13. 前記光触媒が、遷移金属化合物からなることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の内燃機関。
14. 前記遷移金属化合物が、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、または遷移金属窒化物のいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。

Images