JPS62165570A - 自動点火性燃焼方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は燃焼装置に関し、特に燃焼装置たとえば内燃
ピストンエンジンの燃焼室に噴射する前に燃料を予備処
理して１点火および燃焼過程の完了が素早く行なわれる
ように、燃料の活性化を達成した自動点火性燃焼方法お
よび装置に関するものである。

（従来の技術・発明が解決しようとする問題点）従来、
点火遅延と、完全燃焼に必要な時間とが共に、燃料が酸
化性雰囲気内に導入された後は無視できる状態で、特に
内燃エンジンの炭化水素燃料に訃いて、いわゆる自動点
火性燃焼を達成することが提案されている。

詳細な議論については、米国特許第４．４４１３．１７
６号明細書；　ｓＡｇ論文第８５００８９号、「内燃エ
ンジンの自動点火性燃焼」、お：びＳＡＷ論文第８２０
３５６号、「点火遅延に関する燃料初期温度の影響」を
参照されたく、これらのものは参考としてここに包含さ
れている。

自動点火性燃焼は前述の引用文献に詳細に示てれるよう
に、特に内燃往復ピストンエンジンに関連しては多くの
利点を有している。

前述の引用文献に詳細に示されるように、点火遅延は、
燃料分子が酸素分子と結合するためにまずラジカルに分
離すると共に、酸素分子自体も酸化が発生するように分
離されなければならない、という要求により生じるもの
と信じられている。典型的な燃焼過程においては、スパ
ークプラグのような点火装置は、燃料−空気混合体中に
燃焼を開始させるのに十分な、局部的に増大された濃度
の燃料ラジカルを生じさせる。

得られた局部的な燃焼からの熱の放出により隣接する燃
料分子の追加分離が生じ、燃焼が燃料−空気混合体の全
体にわたって伝達される。

前記米国特許第４，４４８，１７６号明細書において議
論されるように、燃料の全量について周囲と同温度にあ
る場合におけるよりも高い臨界的割合で分子の分離を生
じさせるように燃料を予備処理した場合は、燃料の「活
性化」かもたらされで、実質的に瞬間的な点火および燃
焼がもたらされる。

このように増大された燃料分子の臨界的割合によシ燃料
分子がラジカルを形成するように分離する［１１．燃料
分子の分離状態に対応する比較的高いエネルギー状態に
この燃料分子を到達させるようにエネルギーが消費され
なければならないという問題がある。

前記米国特許第４．４４ａ１７６号明細書に記載される
ように、燃料が約５３８℃（１ｏｏｏ°Ｆ）以上の比較
的高温に加熱された場合は、燃料分子のこのような臨界
的割合によシ燃料分子が分離〔７てラジカルが形成され
、この燃料分子の臨界的割合によって高エネルギー状態
をもたらすことになる。

係属中の米国特許出願（代理人参照番号８１ＫＲ（ｊ５
５　）明細書には、再生熱交換法によシ燃料を前述の高
温に加熱する方法と装置が記載されて訃り、そこでは燃
料は燃焼室内に直接配置式れた容器中を循環すると共に
１燃焼室はそこに熱を保持するように絶縁されている。

このような構成により、燃料をたとえばエンジンの排気
系における交換器による予備加熱と組合せることにより
、燃料は十分な昇温状態に加熱されて、燃焼室内に噴射
されることによシ自動点火性燃焼が達成される。

また、燃料の活性化を達成するための加熱作用全増大す
るために触媒作用が利用される。

燃料を再生加熱することの欠点は、高温において燃料分
子が分解を起こし、その結果コークス音生じて、燃料の
流動通路を詰まらせる傾向を有するという問題点がある
。燃料が非常に短時間だけ昇温状態に保持てれる場合ｔ
／′ｉ、この問題が避けられることが判っている。

また、前述のような再生加熱方法および装置は燃料を効
率的に前述昇温状態に加熱するが、比較的複雑な燃料の
循環系が必要になると共に、前の燃焼サイクルにおいて
発生した燃焼生成物による熱交換により加熱全達成する
には長時間が必要になることから、コークスが形成てれ
る傾向が高くなる。

係属中の米国特許出ｊｔ［（代理人参照番号８１ＥＲＣ
３５１）明細書には、自動点火性燃焼を可能にするため
燃料の活性化を達成するための、蒸発された燃料を圧縮
加熱する方法が開示されており、そこでは圧縮加熱のみ
によ！ｌｌ達成さｊ。

る効果を増大するために、触媒作用が選択的に利用され
ている。

燃料を予備処理する別の方法は、１９８２年１２月３日
出願の米国特許出願第４４６，７９６号明細書に開示さ
れており、そこでは燃焼前に通過する燃料を活性化する
ためにコロナ放電が利用されて、ラジカルの形成による
燃料分子の活性化を達成している。

係属中の米国特許出願（代理人参照番号８１ＥＲＣ３５
６）明細書には、紫外線の照射により燃料を活性化して
、自動点火性燃焼を可能にする燃料の活性化レベルを達
成する方法が開示嘔れている。

ＳＡＥ　論文第８００２６４号、［低排出５Ｗ！効率エ
ンジンシステム用ジーゼル燃料の気化」。

シーメンス・フォルシｚ　（Ｓｉｅｍｅｕｓ、Ｆｏｒｓ
ｃｈ　）−ｕ。

エンドピック／ｌ／　（Ｅｎｔｗｆｃｋｌ　）　−Ｂｅ
ｒ、　Ｂｄ、　６　。

（１９７７）Ｎｒ、　５．　　ｒ部分酸化による液体炭
化水素の自動熱気化」、およびシーメンス・フォルシュ
ーｕ、エンドピックル−Ｂｅｒ、　Ｂｄ、　７（１９７
８）　Ｎｒ、　２　　ｒ自動車の燃料気化用小型ガス発
生器」Ｋ、液体炭化水素燃料を気化する方法が開示され
ており、その内容はここに参考の次めに包含されている
。

この方法は、触媒の存在下で燃料を部分的に酸化して、
水素および炭化水素ラジカルに富む高温ガスを形成する
ことを包含している。このガスは、それが室温まで冷却
され、かつ通常のスパーク点火エンジンにおけるように
空気と混合された場合は、内燃エンジン用燃料として利
用できる。触媒を利用する部分的酸化および適切な空気
−燃料比により、触媒による反応装置訃よび燃料給送ラ
インにおけるコークスの形成を完全に抑えるかまたは大
いに低減することができる。

しか［７、前述の方法においては、この部分酸化によっ
て発生する熱は内燃エンジンにおいて、水素リッチガス
からその燃焼前に取り出される。

これはエンジンの複雑性を増大し、および／またはエン
ジン効率に逆作用全もたらすものでろり、その理由は１
部分的酸化が燃料の発熱量を低下させるからである。

したがって、この発明の目的は、気化燃料の部分的燃焼
によシ自動点火性燃焼を達成すると共に、コークスの形
成を抑えまたは実質的に軽減させる装置と方法を提供す
ることである。

この発明の別の目的は１部分的酸化により発生した熱を
再生的に取り出す必要がないと共に、燃料によシ発生さ
れ得る熱エネルギーの一部全損失しないでエンジン効率
の損失をもたらさない、燃料の部分的燃焼予備処理の装
置と方法を提供することである。

（問題点を解決するための手段・作用）本発明は、燃料
の部分的な触媒による燃焼を開始させて、５３８°ｃ（
１ｏｏｏ″Ｆ）を越、するｉ度において活性化された独
特の水素リッチガスを発生きせることによシ達成される
。

このガスは、前述の自動点火性燃焼を可能にする十分に
高い温度にあると共に、本発明の概念にしたがって、こ
の昇温状態において燃焼装置の燃焼室へ送入される。

燃焼室は圧縮空気のような酸化性流体雰囲気を含有して
おり、燃料が活性化状態にされると、点火および燃焼が
即時に行なわれ、燃料によフ解放された熱エネルギーの
すべてが効率的に回収されると共に１両者は部分的およ
び引続く完全燃焼段階で行なわれる。

同時に、部分的燃焼による熱エネルギーの損失を避ける
ための、複雑な熱回収装置は不要になる。

高温、かつ活性化された水素リッチ生成ガス全もたらす
部分的燃焼法は、顕著なコークスの形成をもたらすこと
はなく、シたがってコークスによる詰まりの問題を生じ
ることなく自動点火性燃焼が達成できる。

この方法は特に内燃エンジンに適用でき１部分的に燃焼
Ｌ７たガス状燃料は高圧状態にあり。

燃焼室内へ直接噴射され得ると共に、あるいは各分量が
圧ｍされて、エンジンの燃焼室内へ噴射できるようにな
る。

（実　施　例） 以下図面に基づいて、本発明の詳細な説明する。

前述の引用文献に詳細に展開されるように、部分的な触
媒による燃焼は液体炭化水素燃料、たとえばガソリン、
ジーゼル燃料、および軽燃料油に一般的に適用され得る
。この点は前記引用文献において、適切な空気−燃料比
における運転により詳細に説明されている。

活性化された水素リッチ生成ガスは、コークスの形成な
しに生成嘔れ得る。このような部分的駿化にはここに説
明される説計形態の触媒床が利用され、この触媒床は触
媒効率が重大に低減することなく冬時間にわたって運転
され得る。

たとえば、空気−燃料比が５２のものがジーゼル燃料を
使用する場合には利用され、これは自動点火性燃焼のた
めに必要な５３８℃（１０００′Ｆ）を、大きく越えて
１０００℃を越える反応温度において生成ガスを発生す
る。

本発明の概念にし念がって、生成ガスは燃焼装置の燃焼
室内への噴射を完了するのに十分長い時間、自動点火性
燃焼を可能にする十分に高い温度、すなわち約５５８℃
（１０００°Ｆ）以上の高温に維持されており、前記燃
焼室は酸化雰囲気を含有しており、燃焼室装置へ後で導
入するために生成ガスを冷却するのではなく、実質的に
瞬間的な点火および完全燃焼をもたらすようになってい
る。

第１図において、内燃エンジン１０において前述の部分
的な触媒による燃焼を達成する装置が示されており、円
筒孔１４を形成されたエンジンブロック１２が包含され
ていると共に、往復ピストン１６がその内部に配置され
ている。

シリンダヘッド１８には内面２０が形成されておフ、ピ
ストン１６および孔１４と共に燃焼室２２を画定してい
る。吸入弁２４が弁座２８に着座するように配置されて
いると共に１吸入空気通路２６と燃焼室２２との連通を
制御するようになっている。同様の排気弁、弁座訃よび
排気通路（図示しない）が設けられて、燃焼生成物が燃
焼室２２から排除されるようになっている。

本発明において、気化室３２を形成する気化ハウジング
３０が設けられており、この気化室５ｚ内へ液体燃料が
燃料源５４から、たとえばノズル３６を介して噴霧され
、すなわち燃料が気化室３２内へ霧化てれる。燃料源３
４も、たとえば前述の係属中の米国特許出願明細書に記
載されるように、排気系の熱交換器により燃料を予備加
熱する装置を包含している。

気化用空気源５８も設けられていて、圧力空気を気化室
５２内へ供給するようになっており、空気吸入弁作動装
置４２により作動される弁装置４０が設けられて、気化
室３２内に前述の引用文献に記載されるような割合の、
理論混合比よジもはるかに濃厚な燃料−空気混合物が形
成される。

スパークプラグ４４のような点火装置が室３２内に配置
されて、燃料−空気混合物が触媒床４６を通過する時に
部分的な燃焼を開始Ｌ２、かつ部分的な触媒による燃焼
が完了すると共に、触媒床４６の下流側で吸入室４８内
に高温生成ガスが形成きれる。自動点火性燃焼全保証す
るのに十分な程、燃料分子全ラジカルに分離する臨界的
割合に到達するように、生成ガスの温度を５３８℃（１
０００°Ｆ）よりも高くするために種々のパラメータを
制御する必要がある。

部分的燃焼反応に到達（７た温度条件によると、必要な
らば適切な絶縁カバー５０が室３２および触媒床４６を
包囲して配置されて、生成ガスが適切な昇温状態を達成
すると共に、燃料が燃焼室２２内へ噴射δれる時、前述
の温度を維持するようになっている。この噴射は、弁座
５４上に着座すると共に％燃料の吸入室４８と燃焼室２
２との連通を制御する燃料吸入弁５２の制御によ）達成
される。適切な弁作動装置５６が、吸入室４８内の高圧
、高温燃料生成ガスと燃焼室２２との連通を制御してい
る。

燃料吸入弁５２のための適切に制御された弁作動装置５
６が、噴射状態を制御できると共に、燃焼の自動点火性
により燃焼状態を制御することができる。

明らかなように、生成ガスの即座の噴射【て。

り、瞬間的な点火および燃焼全停なって自動点火性燃焼
が達成されると共に１部分的な触媒による燃焼の発熱量
が燃焼室２２内の膨張によりエンジン出力に寄与して、
触媒による燃焼気化装置によって形成される生成ガスに
より運転されるエンジンの効率が改善される。

システムパラメータは、部分的な燃焼後は吸入燃料室４
８内の生成ガス圧力が、生成ガスを燃焼室２２内へ、さ
らに燃焼室２２内に配置テれる圧縮空気内へ噴射するの
に十分な大きさになるように選定される。

第２図にシいて別の実施例が示されて訃り、ここでは特
定量の生成ガスが各燃焼サイクル中Ｉｃ、触媒による燃
焼予備室３０の上方に往復自在に取付けられた噴射ピス
トン５８により噴射はれるようになっており、駆動機構
６０がピストンを往復動させて、混合装置６２から受容
された所定量の燃料−空気混合物を圧縮するようになっ
ている。

混合装置６２は、燃料源６４から予備加熱された燃料を
、そして空気源６６がら空気全受容するようになってい
るが、前記空気源６６も外部補助ヒータまたはエンジン
１０の排気系中の熱交換装置によシ予備加熱はれるよう
になっている。

こう【７て燃料−空気混合物が混合装置６２において形
成てれ、それがポート６８を介して予備室３０内へ送入
され、そこには部分的な触媒による燃焼を開始きせるた
めに適切なスパーク点火装Ｒ４４が設けられている。燃
料−空気混合物はそれを触媒床４６上を通過させる噴射
ピストン５８によフ圧縮嘔れ、そこで部分的な触媒によ
る燃焼が発生する。それから、生成ガスが燃料吸入室４
８に補集され、この吸入室４８から燃焼室２２への圧縮
生成ガスの通過は、燃料吸入弁５２および弁作動装置５
６によシ正確に制御される。

したがって、本発明は１部分的な触媒による燃焼により
形成された生成ガス金、図示の内燃エンジンのような燃
焼装置の燃焼室内へ直接噴射することによル達成される
。すなわち１部分的な燃料の触媒による酸化により生成
された；ガスを噴射することにより、実質的に自動点火
υ二燃焼が達成できる。これはコークスの形成なしに達
成され、それ故触媒反応床の寿命が長くなる。同時に、
触媒による燃焼気化器および噴射吸入機構は、比較的簡
単な構造で内燃エンジンに使用可能となる。

（発明の効果） 以上説明し７たことから本発明は、燃料が触媒反応によ
り部分的に燃焼爆れ高温水素リッチ生成ガスが形成され
るので、燃料の活性化を促進〔、て自動点火性燃焼を達
成できる。

また、上記生成ガスが燃焼室の酸化雰囲気中だ直接噴射
されるので、空気−燃料比は生成ガスの昇温状態におい
てコークスの形成を最小になるように抑えることができ
、さらに部分的酸化により発生した熱を再生的に取り出
す必要がないので熱エネルギーの一部を損失せずにすみ
エネルギー効率を向上させることができる。

東回面の簡単な説明 第１図は、自動点火性燃焼全可能にするため燃料に部分
的な触媒による燃焼を行なわせる装置を備えた内燃エン
ジンの部分断面図。

第２図は、自動点火性燃焼を可能にするため燃料に部分
的に触媒による燃焼を行なわせる第１図に示される装置
の別の実施例を備えた内燃エンジンの部分断面図である
。

３２・・・混合室、３４・・・燃料供給源、３６・・・
噴霧装置、４６・・・触媒反応装置、５２・・・噴射装
置。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼装置の燃焼室の酸化性雰囲気において自動点
   火性燃焼を可能にするのに十分に燃料を活性化するため
   に炭化水素燃料を予備加熱する方法であって、 理論混合比より濃厚な燃料および酸化性流体の混合気を
   形成する過程と、 前記混合室内の前記燃料を触媒による反応装置上に通過
   させることにより部分的に燃焼させて、約５３８℃（１
   ０００°Ｆ）以上の温度で高温炭化水素リッチ生成ガス
   を発生させる過程と、 前記高温度にあるガスを前記燃焼室へ制御自在に送入し
   て、そこに自動点火性燃焼を達成する過程とを包含する
   自動点火性燃焼方法。
2. （２）燃料重量に対する酸化性流体の比率がコークスの
   形成を最少にするように選定されている、特許請求の範
   囲第１項に記載の方法。
3. （３）空気および燃料が往復ピストン型内燃エンジンの
   燃焼室へ噴射可能となるように高圧で混合されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。
4. （４）燃料一酸化性流体混合気を圧縮して、往復ピスト
   ン型内燃エンジンの燃焼室へ噴射可能とする過程をさら
   に含む特許請求の範囲第１項に記載の方法。
5. （５）燃料供給源、 酸化性流体供給源、 酸化性流体を前記供給源から受容する混合室、 前記燃料供給源から受容される燃料を前記混合室の前記
   酸化性流体内へ噴霧して、理論混合比より低い濃厚な燃
   料一酸化性流体混合気を形成する装置。 前記混合室から前記濃厚な燃料一酸化性流体混合気を受
   容し、前記混合気を部分的に触媒燃焼させ、高温の水素
   リッチ生成ガスを形成する触媒反応装置、および 前記高温生成ガスを前記燃焼室へ制御自在に送入して、
   前記生成ガスの高温状態により自動点火性燃焼を可能に
   させる噴射装置、を備え、燃焼装置の燃焼室の酸化性雰
   囲気において炭化水素燃料を予備処理する自動点火性燃
   焼装置。
6. （６）燃焼装置が往復ピストン型内燃エンジンであり、
   かつ酸化性流体および燃料供給源が、前記エンジンの燃
   焼室内へ噴射され得る昇圧状態の酸化性流体および燃料
   を提供するようになっている、特許請求の範囲第５項に
   記載の装置。
7. （７）燃焼室への高圧噴射を許すために混合室内の燃料
   一酸化性流体混合気を圧縮する圧縮装置を包含している
   、特許請求の範囲第５項に記載の装置。
8. （８）噴射装置が、燃焼室へのガスの流量を制御するよ
   うに作動される弁装置を包含している、特許請求の範囲
   第５項に記載の装置。