WO2007026558A1

WO2007026558A1 - 内燃機関用燃料点火システム、燃料点火方法、燃料改質システム、燃料改質方法

Info

Publication number: WO2007026558A1
Application number: PCT/JP2006/316308
Authority: WO
Inventors: Yusuke Niwa; Masaharu Matsumoto
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2007-03-08
Also published as: US20090260592A1; US7793631B2; EP1930583A1

Abstract

　光発生装置３０，３１，３２から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用燃料点火システム１であって、燃焼室１０と、該燃焼室１０に設けられた光触媒２０，２１，２２，２３と、該光触媒２０，２１，２２，２３に対して光エネルギーを面状に照射する光発生装置３０，３１，３２と、を備えた内燃機関用燃料点火システム１。

Description

明細書

内燃機関用燃料点火システム、燃料点火方法、燃料改質システム、燃料改質方法

技術分野

[0001] 本発明は、内燃機関用燃料点火システムに係り、更に詳細には、光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用燃料点火システムに関する。

[0002] また本発明は、内燃機関用燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法に係り、更に詳細には、光触媒の緩慢な酸化を利用することで P M (パティキュレートマター）の生成を抑制できる内燃機関用燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法に関する。

背景技術

[0003] 燃費を向上させるための手段としては、熱効率を向上させることがその一つとして挙げられる。そして、正味の熱効率を向上させる手段としては、例えば混合気の高圧縮比化や希薄化等が挙げられる。

[0004] 混合気の希薄化に関しては、希薄化するに従って燃焼の安定性が悪くなるため、燃焼室内にスワールやタンブルなどの強力なガス流動を発生させて、火炎伝播速度を増加させることにより、燃焼期間を短縮し、燃焼を安定させている。

[0005] また、点火プラグに関しても、点火の安定性を確保するために、電極放電部を細径化すると共に耐消耗性向上のためにイリジウムを使用して、る。

[0006] 多点点火により火炎伝播距離を短縮して燃焼を安定ィ匕することも行なわれている。

[0007] また特開昭 58— 195071号及び特開昭 63— 173852号では、多点点火に関して開示しており、従来の点火プラグではなぐ強力なガス流動に対しても安定に点火が可能なレーザーを用いる技術が報告されて、る。

[0008] 更に、レーザー点火方式は、点火位置を任意に設定できることから、この点においても、多点での点火が可能である。また、点火に要する時間が数十ナノ秒 (従来の点火プラグでは約千ナノ秒）と非常に短時間で終了するなど、他の点火システムにはない特徴を有する。

[0009] よって、これらを利用して混合気の燃焼を大幅に改善できる。

[0010] 例えば、自動車エンジンの燃焼室において、混合気を高圧縮比化するとノッキングをともなうことがあるが、点火位置変更や多点点火を行うことにより、エンドガス領域を狭めてノッキングを抑制できる。

[0011] また、比熱比の高!、希薄燃焼を行うエンジンでは、スワールやタンブルなどの流れを発生させて火炎伝播速度を増加するが、これが強すぎると点火が困難となることがある。この点においても、レーザー点火方式では、数十ナノ秒で点火が終了するために安定な点火が可能となる。

[0012] 特開昭 58— 195071号及び特開昭 63— 173852号では、点火に要するエネルギ一に関して、混合気中に光^^光させて点火効率を向上する技術を提案している。発明の開示

[0013] しかしながら、特開昭 58— 195071号及び特開昭 63— 173852号に記載された点火装置は、いずれも空間における混合気点火であるため、高エネルギー密度の光ビームを焦点を結んで照射させる必要があった。

[0014] また、ビームスプリッタを用いる場合には、その内部に点火する箇所の分だけ反射鏡を設置する必要があると共に、集光レンズも同数必要であり、システムが大きくなるという問題点があった。

[0015] 更に、吸気バルブ'排気バルブが存在するために、光発生装置の設置可能な箇所には限界があるという問題点があった。

[0016] 更に、上述のような、光を用いた混合気を点火するコンセプトはあるものの、これらは熱エネルギーによる気相反応を利用したものであり、点火時のエネルギー消費が非常に大き、と、う問題があった。

[0017] またレーザー点火方式を採用すると装置構成が大きくなつてしまい車載が困難となるという問題もあった。

一方、燃焼を改善する別の手段として、燃料を改質する方法が知られている。改質した燃料を燃焼室内に供給するものであり、水素や含酸素化合物に改質することによりリーン限界の拡大、すすの低減に効果がある。 [0018] しかし、触媒反応による燃料改質は温度制御が困難であった。

[0019] 本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、大幅に少な、光エネルギー量で希薄な混合気を点火させ得る内燃機関用燃料点火システムを提供することにある。更に、その目的とするところは、混合気の燃焼を促進して、 PM (パティキュレートマター）の生成を抑制し得る内燃機関用燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法を提供することにある。

[0020] 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた。その結果、光発生装置から光エネルギーを光触媒に照射し、該光触媒を活性化させ、混合気点火に必要なラジカルを生成させることなどとしたため、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。更に、光触媒反応により燃料の一部を改質して水素や含酸素化合物を生成させることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

[0021] 本発明の第 1局面によると、光発生装置力照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用燃料点火システムであって、燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを面状に照射する光発生装置と、を備えたことを特徴とする内燃機関用燃料点火システムを提供している。

[0022] 本発明の第 2局面によると、上記燃焼室に 2種以上の光触媒を配設し、上記 2種以上の光触媒の少なくとも 1種は、該光発生装置力照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料の改質を促進し、上記光触媒の少なくとも 1種は、該光発生装置から照射された光の少なくとも一部を吸収して改質後の混合気点火を促進する、ことを特徴とする第 1局面に記載の内燃機関用燃料点火システムを用いた燃料点火方法であつて、上記光発生装置を複数用いて異なる単波長の光を複数発生させることと、上記光発生装置からの光を光学フィルターを介して変更して複数の波長を有する光を発生させることの、少なくとも 1つにより、燃料改質と混合気点火のそれぞれを、異なる波長域の光を用いて行わせることを特徴とする燃料点火方法を提供して、る。

[0023] 本発明の第 3局面によると、燃焼室に配設する光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光発生装置とを備える内燃機関用燃料改質システムであって、該光発生措置から照射された少なくとも一部を光触媒が吸収し燃焼室に存在する燃料を改質する構造を持つことを特徴とする内燃機関用燃料改質システムを提供している。

[0024] 本発明の第 4局面によると、第 3局面に記載の内燃機関用燃料改質システムを用いた燃料改質方法であって、上記燃焼室に燃料及び空気を混合した燃料ガスを送入し上記光触媒と接触させるとともに、該光触媒に上記光発生装置力照射された光の少なくとも一部を吸収させて、該燃料ガスを、含酸素化合物と水素の少なくとも 1つを含む混合気に改質することを特徴とする燃料改質方法を提供している。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]図 1は、照射位置可変ユニット付きレーザー発振器の概略的断面形状を示す説明図である。

[図 2]図 2は、照射位置可変ユニットを用いて、光触媒層を形成したピストン冠面に対して、光エネルギーを面状に照射する様子を示す説明図である。

[図 3]図 3は、実施例 1における、内燃機関用燃料点火システムの概略的断面形状を示す説明図である。

[図 4]図 4 (a) , (b)は、同一光発生装置により改質 ·点火のタイミングを制御する燃料点火システムの第 1例を示す概略図である。

[図 5]図 5 (a) , (b)は、同一光発生装置により改質 ·点火のタイミングを制御する燃料点火システムの第 2例を示す概略図である。

[図 6]図 6 (a) , (b)は、実施例 2における、燃料点火システムとそのピストン冠面を拡大した概略図である。

[図 7]図 7 (a) , (b)は、それぞれ圧縮工程と燃焼工程の一例を示す概略図である。

[図 8]図 8 (a) , (b)は、実施例 3における、燃料点火システムとそのピストン冠面を拡大した概略図である。

[図 9]図 9 (a) , (b)は、実施例 4における、燃料点火システムとそのピストン冠面を拡大した概略図である。

[図 10]図 10は、実施例 5における、運転条件と照射時間の関係を示すグラフである。

[図 11]図 11は、実施例 5における、運転条件と照射出力の関係を示すグラフである。 [図 12]図 12は、実施例 6における、燃料点火システムを示す概略図である。

[図 13]図 13は、比較例 1における、燃料点火システムを示す概略図である。

発明を実施するための最良の形態

[0026] <内燃機関用燃料点火システム >

以下、本発明の内燃機関用燃料点火システムについて説明する。

[0027] 本発明の内燃機関用燃料点火システムは、光発生装置力照射される光エネルギ一を利用して、光触媒により混合気を点火するものであって、燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを面状に照射する光発生装置と、を備えたものである。

[0028] このような構成とすることにより、光触媒反応を利用して例えば HCや Oラジカルな

2 とを生成でき、大幅に少な、光エネルギー照射量で混合気点火が可能となる。

[0029] また、希薄燃料によって燃費を向上させ得る内燃機関用燃料点火システムを提供できる。

[0030] 本発明においては、備える光発生装置が、備える光触媒に対して光エネルギーを面状に照射する。

[0031] 本内燃機関用燃料点火システムでは、光触媒に光を照射して光触媒の表面で電子と正孔を生成し、これらが混合気と反応することによりラジカルが生成され混合気が点火する。このため、従来のレーザー点火とは異なり焦点を結ばないので、光ェネルギーを面状に照射して、光エネルギーが照射された光触媒により形成される点火箇所を増やすことができる。その結果、燃焼を安定させることができる。

[0032] また、光エネルギーを面状に照射させることができるため、上述したように点火箇所を増やして多点点火するに当たり、必ずしも光発生装置を複数必要とせず、また、必ずしもビームスプリッタを必要とせずシステムを小型化できるという利点がある。

[0033] なお、「面状に照射する」とは、光発生装置により照射された光エネルギーが燃焼室内にお!、て焦点を結ばな!/、ように照射することを!、う。

[0034] (第 1実施形態）

更に、本発明における光触媒の配置の第 1実施形態としては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、備える光触媒力そのビストン冠面、即ち燃焼室の内壁面の一部に設けられたものを挙げる。

[0035] 具体的には、ピストン冠面上に光触媒を塗布や蒸着するなどして光触媒を形成する、又はピストンヘッドそのものに光触媒の材料を使用することによって、光触媒反応を効率良く進行させることが可能となる。

[0036] 更にまた、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによつて形成される場合に、そのピストン冠面、即ち燃焼室の内壁面の一部において、ビストン冠面上の混合気濃度が相対的に高い領域側に、光触媒 20が相対的に多く設けられたものが望ましい。

[0037] 例えば、ピストン冠面上に光触媒を形成する際に、混合気濃度が相対的に高い領域において、ピストン冠面における光触媒層の被覆率を高くすることなどにより、効率良く混合気を点火できる。

[0038] なお、ピストン冠面上の混合気濃度は、通常、燃焼室に備えられた吸気口、つまり吸気バルブに対向する側にぉ、て、相対的に高!、ものとなって!/、る。

[0039] (第 2実施形態）

また、本発明における光触媒の配置の第 2実施形態としては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、そのシリンダヘッドが、その内壁面に第 1凸部を有し、備える光触媒がその第 1凸部に設けられたものを挙げる

[0040] このような光触媒を設けた第 1凸部を備えることにより、シリンダヘッドの内壁面ゃピストン冠面のような燃焼室の内壁面近傍だけでなぐ燃焼室の中央部付近においても混合気を点火可能となり、火炎伝播距離を短縮できる。

[0041] この結果、より安定的に希薄燃焼を行なえる。

[0042] なお、「シリンダヘッドの内壁面が備える第 1凸部」は、燃焼室内において、通常備える吸気バルブ'排気バルブやピストンヘッドの動きを阻害せず、急激な変動を伴つた高温、高圧条件に耐え得るものであれば、その大きさや形状について特に限定されないが、例えば、一端を燃料室の壁に固定し、光触媒を光照射方向に設置できるよう L字型の形状をした、 V、わゆるジグのようなもの等を挙げる。

[0043] (第 3実施形態）更に、本発明における光触媒の配置の第 3実施形態としては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されて、る場合に、そのピストン冠面が第 2凸部を有し、備える光触媒力 Sかかる第 2凸部に設けられたものを挙げる。

[0044] このような光触媒を設けた第 2凸部を備えることにより、シリンダヘッドの内壁面ゃピストン冠面のような燃焼室の内壁面近傍だけでなぐ燃焼室の中央部付近においても混合気を点火可能となり、火炎伝播距離を短縮できる。

[0045] この結果、上述したように、より安定的に希薄燃焼を行なえる。

[0046] なお、「ピストン冠面が備える第 2凸部」は、燃焼室内における吸気バルブ'排気バルブゃピストンヘッドの動きを阻害せず、急激な変動を伴った高温、高圧条件に耐え得るものであれば、その大きさや形状について特に限定されないが、例えば、柱状や錘状の突起物だけでなぐ更にはこれらが適当な貫通孔を有し、いわゆる櫓のような形状をしたもの等を挙げることもできる。

[0047] (第 4実施形態）

更にまた、本発明における光触媒の配置の第 4実施形態としては、燃焼室の内壁面に端部が接合されたメッシュ状担体を燃焼室の内部に有し、備える光触媒がそのメッシュ状担体に設けられたものを挙げる。

[0048] このような光触媒を設けたメッシュ状担体を備えることにより、シリンダヘッドの内壁面やピストン冠面のような燃焼室の内壁面近傍だけでなぐ燃焼室の中央部付近においても混合気を点火可能となり、火炎伝播距離を短縮できる。

[0049] この結果、上述したように、より安定的に希薄燃焼を行なえる。

[0050] なお、「メッシュ状担体」は、燃焼室内における吸気バルブ'排気バルブやピストンヘッドの動きを阻害せず、急激な変動を伴った高温、高圧条件に耐え得るものであれば、その大きさや形状について特に限定されないが、例えば、燃焼室内のガス流動を妨げにく、大きさの開口部を有するメッシュ状担体等を挙げる。

[0051] また、本発明においては、燃焼室の内壁面の一部が、鏡面として機能するものを挙げる。

[0052] このような鏡面として機能する部位を燃焼室の内壁面に設けることにより、照射された光エネルギーが反射され、その反射された光エネルギーが他の部位に照射され、当該他の部位に光触媒を設けることにより、例えば分散した多くの箇所を点火箇所とすることができる。

[0053] これにより、火炎伝播距離を短縮できると共に、より安定的に希薄燃焼を行なえる。

[0054] なお、燃焼室の内壁面の一部を鏡面として機能させるには、例えばピストンヘッドやシリンダヘッド、吸気バルブ'排気バルブのヘッドに適用されるアルミニウム合金などのような金属を鏡面カ卩ェすればょ、が、これに限定されな、。

[0055] 更に、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、備える光発生装置が照射する光エネルギーの光軸方向が、備えるピストンヘッドの往復動方向と平行でな、ことが望まし、。

[0056] 具体的には、上記光軸方向とピストン冠面とのなす角が鋭角であることが望ましい。

[0057] 光軸方向とピストンヘッドの往復動方向とが平行である場合、換言すれば光軸方向とピストン冠面とのなす角が直角である場合には、上ピストン冠面以外、即ちシリンダヘッドの内壁面等を点火箇所として利用し難ぐ火炎伝播距離の短縮という観点からは望ましくない。

[0058] また、本発明にお、ては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、備える光発生装置が、そのピストン冠面の端部に光エネルギーを面状に照射することが望ま、。

[0059] 端部に光触媒が設けられている場合には、このように光エネルギーを面状に照射することにより、混合気を点火できる。

[0060] 一方、端部に光触媒が設けられていない場合であっても、このように光エネルギーを面状に照射することにより、ピストン冠面の端部は比較的低温であるため、暖機でき、より安定的な希薄燃焼を行なえる。

[0061] 更に、本発明においては、備える光発生装置が、照射位置調整手段を備えることが望ましい。

[0062] このような照射位置調整手段を備えることにより、光エネルギーを面状に照射する位置を適宜調整でき、より安定的な希薄燃焼を行なうことが可能となる。

[0063] 更にまた、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによつて形成され、且つ当該燃焼室の温度を検知する温度検知手段を備え、その温度検知手段が検知する温度が所定の温度以下の場合に、備える照射位置調整手段が、燃焼室の内壁面の一部であるピストン冠面の端部に光エネルギーが照射されるように照射位置を調整することが望まし、。

[0064] このような構成とすることにより、更に効率良ぐより安定的な希薄燃焼を行なえる。

[0065] なお、「所定の温度」は、実験等によって適宜定めることができる。

[0066] ここで、光エネルギーを面状に照射する位置 (領域)を調整する照射位置調整手段

54を備えた光発生装置の一例を図面を用いて説明する。

[0067] 図 1は、照射位置調整手段 54を備えた光発生装置の一例である照射位置可変ュニット付きレーザー発振器 50の概略的断面形状を示す説明図である。

[0068] 図 1に示すように、照射位置可変ユニット付きレーザー発振器 50は、共振部分 52と

、光学系の一例である照射位置可変ユニット 54とから構成され、照射位置可変ュ- ット 54は、前後一対の透明ガラス 54a' 54bと、これらに間に配設した凹レンズ 54cと、これらを結合するロッド 54dを備える。

[0069] そして、共振部分 52から取り出された光 Lは、透明ガラス 54a、凹レンズ 54c、透明ガラス 54bの順に透過して、光触媒（図示無し）に照射される。

[0070] そして、凹レンズ 54cをァクチユエータ（図示無し）によってロッド 54dに沿う方向に前後移動することにより、照射位置可変ユニット付きレーザー発振器 50は光ェネルギ一の照射領域を制御できる。

[0071] なお、図 1においては、照射位置可変ユニット 54の近傍に共振部分 52を配設しているが、例えば光ファイバ一など（図示無し）によりレーザー光を伝送可能であるため

、双方を離して配設することも可能であり、その配設する際の位置関係は任意である

[0072] また、図 2に、照射位置可変ユニット付きレーザー発振器 50を用いて、光触媒 20層を形成したピストン冠面 14aに対して、光エネルギーを面状に照射する様子を示す。

[0073] 照射位置可変ユニット付きレーザー発振器 50から、取り出された光 Lは、ピストン冠面 14aに設けられた光触媒 20に照射される。

[0074] なお、図 2中の Aは、照射領域を示す。

[0075] また、ここで、本発明の内燃機関用燃料点火システムを構成する具体的な要素について説明する。

[0076] まず、本発明の内燃機関用燃料燃料点火システムに適用する内燃機関は、混合気を燃焼することにより動力が得られればよぐ燃料、作動方式、サイクル、シリンダ一数、シリンダー形式、冷却方式、バルブ機構、ノレブ数などは特に限定されない。更に、ロータリーエンジンにも適用可能である。

[0077] 次に、本発明の内燃機関用燃料点火システムに用いる光触媒は、例えばポーラスなチタン系酸ィ匕物、亜鉛系酸化物、ニオブ系酸化物、タンタル系酸ィ匕物又はスズ系酸ィ匕物及びこれらを任意に組合わせたもの等を挙げるが、これらに限定されない。

[0078] 次に、本発明の内燃機関用燃料点火システムに適用する混合気は、特に限定されないが、代表的には、燃料ガス (ガソリン、軽油、天然ガス、アルコールなど）と空気を任意に配合して得られる。

[0079] 次に、本発明の内燃機関用燃料点火システムに用いる光発生装置としては、例えばレーザー発振器を使用できる。

[0080] 力かるレーザー発振器としては、燃焼させる混合気や光触媒の種類などにより異なるが、固体レーザー、気体レーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー、自由電子レーザー等を単独で又は適宜組合わせて利用できる。

[0081] また、かかるレーザー発振器の光学系装置としては、従来公知のものを使用できる。なお、混合気を点火するに当たり、少ない光エネルギー量で点火できるため、焦点を結ばず、そのため集光レンズを必要としないなどの理由から、光学系装置をより小型化することが可能である。

[0082] 以下、本発明を実施例 1により更に詳細に説明する。

[0083] (実施例 1)

図 3は、本例の内燃機関用燃料点火システム 1の概略的断面形状を示す説明図である。

[0084] 図 3に示すように、本例の内燃機関用燃料点火システム 1はシリンダヘッド 12とビストンヘッド 14によって形成された燃焼室 10と、燃焼室 10のピストン冠面 14aに設けられた光触媒 20と、その光触媒 20に対して光エネルギーを面状に照射する光発生装置 30の一例であるレーザー発振器 50と、を備える。 [0085] また、シリンダヘッド 12は、窓 12aを有しており、レーザー発振器 50より照射された光エネルギーは窓 12aを通過して、図 2に示すように光触媒 20に照射され、光エネルギ一が照射された光触媒 20は点火箇所となり、燃焼室 10内の混合気を点火する

[0086] なお、混合気は、吸気ポート 12bに設けられたインジェクター 12cから供給される燃料と吸入された空気力も得られ、吸気バルブ 12dが開くことにより燃焼室 10に供給される。また、混合気が燃焼した後は、排気ノレブ 12eが開き、排気ポート 12fから燃焼ガスとして排気される。

[0087] このように、光触媒 20を用いて、従来よりも少な!/、光エネルギーで点火可能となつたため、より広い領域で点火できる。

[0088] その結果、燃焼が安定して、希薄燃焼が可能となり、希薄燃焼領域が拡 (大した。

[0089] <内燃機関用燃料改質システム >

以下、本発明の内燃機関用燃料改質システムについて詳細に説明する。なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。

[0090] 本発明の内燃機関用燃料改質システムは、燃焼室に配設する光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光発生装置とを備えて成る。

[0091] これにより、光発生装置から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収することで、燃焼室に存在する燃料を改質できる。

[0092] 照射条件を変更することにより光触媒反応の酸化力を抑制して燃料を完全酸化せず中間生成物に改質でき、点火し易い含酸素化合物や水素を高濃度で含む混合ガスを燃焼室内に充満させ得る。また、光を照射したときにのみ改質が進行するため、運転状況に応じて燃料組成を適宜変更できる。

[0093] 反応機構に関して、光触媒にバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光が照射されると、価電子帯力伝導帯へ電子が励起され価電子帯には正孔が生じる。そして、電子や正孔は触媒表面に移動し、電子は還元、正孔は酸ィ匕を行う。

[0094] このときの酸ィ匕還元力は、伝導帯下端が高ければ高いほど還元力が強ぐ価電子帯上端が低ければ低いほど酸ィ匕力が強くなる。 [0095] よって、本発明では、燃料の種類や、光触媒の種類、配置、量や、光発生装置の照射光の波長、光子エネルギーの強さ等を調節することで、所望の改質ガスを得ることができる。

[0096] ここで、上記改質用光触媒としては、例えば、銅などの遷移金属をシリカなどの多孔質材料に担持した触媒等が使用できる。

[0097] これらを使用するときは、酸化を制御し易ぐ完全酸ィ匕を抑制することで中間生成物を生成し易くなる。

[0098] また、これら光触媒の担持部位は、混合気に接触できる限り特に限定されないが、改質効率を向上させる観点力もは、比表面積を増カロさせて担持することが有効である。

[0099] 例えば、高い比表面積を持つアルミナ、チタ-ァ、シリカ、イットリア、ジルコユア又はセリア、及びこれらを任意に組合わせて成る多孔質無機担体に担持して使用できる。このときは、光触媒は、多孔質無機担体に担持した形態で、ピストンヘッドの上部や、シリンダヘッドの外周辺に配設するのが良い。

[0100] 更に、上記光発生装置は、燃焼させる混合気や光触媒の種類などにより異なるが、固体レーザー、気体レーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー、自由電子レーザ一等を照射できるものを適宜使用できる。

[0101] また、キセノンランプ、ハロゲンランプ、高圧水銀灯なども適宜使用できる。

[0102] なお、改質する燃料は、特に限定されるものではなぐ例えば、酸素メタン、空気

-ガソリンなど燃料ガスとして使用できる。

[0103] また、上記燃焼室は、特に限定されるものではなぐ例えば、半球形型、多球形型、くさび型、ノ《スタブ型、ペントルーフ型等を所望の排気量で使用できる。

[0104] <燃料改質方法 >

次に、本発明の燃料改質方法について詳細に説明する。

[0105] 本燃料改質方法は、上述の内燃機関用燃料改質システムを用い、燃料及び空気を混合した燃料ガスを燃焼室に送入し光触媒と接触させるとともに、光発生装置から照射された光の少なくとも一部を該光触媒に吸収させて、含酸素化合物と水素の少なくとも 1つを含む混合気に該燃料ガスを改質する。 [0106] このように、燃料に空気を供給することにより、燃料を含酸素化合物や水素に改質できる。具体的には、酸素の存在により部分酸化が進行して含酸素化合物が生成する。

[0107] 含酸素化合物としては、メタノール、エタノールなどのアルコール類のほ力、アルデヒド類等が挙げられる。

[0108] これら含酸素化合物が生成することにより、排気ガス中の PM生成を抑制できる。

[0109] また、本燃料改質方法においては、上記光発生装置の照射出力を変更して、燃料の部分酸化、混合気点火のそれぞれを行わせることができる。即ち、照射する光子量を増加すると酸ィ匕に必要な正孔数が増加し、反応速度を高めることができるので、改質量を増加できる。

[0110] 例えば、自動車などの内燃機関においては、負荷変動にともない供給される燃料量が増加するので、これに対応するために光子量を増やす、つまり出力を増加することが重要である。

[0111] 更に、本燃料改質方法においては、含酸素化合物と水素の少なくとも 1つ（改質ガス)を含む混合気を、火花点火により点火できる。

[0112] このときは、手段が限定されることなく従来の点火プラグ等を使用できるので、コストを低減できる。（なお、点火プラグとしては、例えば、 U溝型、突出し型、 2極型、沿面型、ワイド U型、ワイド型、 4極型、レジスター内蔵型、レーシング用等が挙げられる。

[0113] <内燃機関用燃料点火システム >

次に、本発明の内燃機関用燃料点火システムについて詳細に説明する。

[0114] 本燃料点火システムは、燃焼室に配設する 2種以上の光触媒と、これら光触媒に光を照射し得る光発生装置とを備えて成る。

[0115] 上記光触媒として、光発生装置から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料の改質を促進する光触媒と、光発生装置力照射された光の少なくとも一部を吸収して改質後の混合気点火を促進する光触媒と、が少なくとも 1種ずっ配設されて成る。

[0116] 尚、 1種のみの光触媒を含む内燃機関用燃料点火システムについては図 2〜3を参照しながら上記している。

[0117] このように、酸化力の異なる光触媒を配設することで、光触媒の酸化力に合わせて改質と点火のそれぞれを制御できるようになる。よって、改質ガスを含む混合気を効率良く点火できる。

[0118] 即ち、酸ィ匕還元力に関しては、伝導帯下端が高ければ高いほど還元力が強ぐ価電子帯上端が低ければ低いほど酸ィ匕力が強くなる。従って、酸ィ匕カを制御するには、価電子帯上端の位置の異なる金属酸ィ匕物を配設すればよい。また、同じ金属酸化物であってもァニオンをドープして価電子帯の位置を高くして酸ィ匕カを弱めたり、遷移金属を添加することにより酸ィ匕の活性を制御できる。

[0119] ここで、上記改質用光触媒としては、例えば、銅などの遷移金属をシリカなどの多孔質材料に担持した触媒等が使用できる。

[0120] また、上記点火用光触媒としては、上記改質用光触媒と同様の光触媒の他、例えば、ポーラスなチタン系酸ィ匕物、亜鉛系酸化物、ニオブ系酸化物、タンタル系酸化物、ガリウム系酸ィ匕物、ストロンチウム系酸ィ匕物、鉄系酸化物、タングステン系酸ィ匕物又はスズ系酸ィ匕物、及びこれらを任意に組合わせたもの等が使用できる。

[0121] 具体的には、シリンダヘッドの内壁面とピストンヘッドによって形成される燃焼室では、上記改質用光触媒と上記点火用光触媒を、ピストン冠面に均一に分散、配設できる。

[0122] このときは、ピストン冠面の全域を利用して改質と点火を行える。即ち、ピストン冠面の全面で改質できるので、改質ガスが混合気に十分混合され、燃焼が改善され得る。また、点火もピストン冠面の全面で行えるので、火炎伝播距離が最短になり、超希薄燃焼や希薄燃焼が可能となる。更に、自点火によるノック抑制ができるため、圧縮比が上げられる。

[0123] なお、改質，点火の制御は、例えば照射する光の波長を切り替えることにより行える

[0124] また、ピストン冠面において、上記点火用光触媒と上記改質用光触媒とを別個独立に配設してもよい。代表的には、上記点火用光触媒をピストン冠面の中心部及び外周部に配設し、これらの間に上記改質用光触媒を配設できる。

[0125] ここで、「中心部」とは、ピストン冠面を形成する円の半径のうち、当該半径の中心側

1Z3以下で形成される範囲をいう。「外周部」とは、当該半径の円周側 1Z5以下で形成される範囲をいう。

[0126] このときは、点火用光触媒をピストン冠面の中心及びその近傍に配設することにより燃焼室内中の火炎伝播距離が短縮できるため、また外周部に配設することにより自己点火によるノックを抑制できるため、有効である。

[0127] また、改質用光触媒と点火用光触媒が分離して配設されるので、 1種類の波長のみを発生させる光発生装置を設置すれば足りる。

[0128] なお、改質 ·点火のタイミングは、光発生装置の照射角度、照射範囲等を調製して制御できる。例えば、図 4 (a) , (b) ,図 5 (a) , (b)に示すように、ピストンヘッドの上下動により、点火用光触媒から改質用光触媒へ順に光発生装置からの光が照射される構造となり得る。また、このタイミングに合わせて照射光の波長を制御することも有効である。

[0129] <燃料点火方法 >

次に、本発明の燃料点火方法について詳細に説明する。

[0130] 《第 1の燃料点火方法〉〉

本発明の第 1の燃料点火方法は、上述の内燃機関用燃料点火システムにおいて、光発生装置を複数用いて異なる単波長の光を複数発生させることと、光発生装置からの光を光学フィルターを介して変更して複数の波長を有する光を発生させることの、少なくとも 1つを行うことにより、燃料改質と混合気点火のそれぞれを、異なる波長域の光を用いて行わせるものである。

[0131] ここで、光触媒を用いて改質と点火を進行させるには、各光触媒のバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光を照射しなければならない。また、使用する複数の光触媒のうち最も大きいバンドギャップに相当するエネルギーを持つ光を照射すると、より小さいバンドギャップを持つ光触媒も光を吸収してしまい、双方の光触媒反応が進行する。

[0132] そこで、改質用光触媒のみが吸収する波長と、改質用光触媒と点火用光触媒が吸収する波長とを発生させる光発生装置を配設することにより、異なる種類の光触媒が均一に分散されているときでも、改質と点火を制御できる。また、このときは、改質 '点火がピストン冠面の全面で促進されるので有効である。 [0133] 光学フィルタ一は、所定の波長を除去できればよぐ例えば、ガラス板に光吸収剤を配合したカットオフフィルター、ニュートラルデンシティ一フィルタ一等を使用できる。これらの使用により、長波長側の光を通過させ、短波長側の光を除去できる。また、これらを組み合わせることで複数の波長の照射をも行える。

[0134] 《第 2の燃料点火方法〉〉

また、本発明の第 2の燃料点火方法は、上述の内燃機関用燃料点火システムにおいて、光発生装置を複数用いて異なる単波長の光を複数発生させることと、光発生装置の照射位置を変更させることの、少なくとも 1つを行うことにより、燃料改質と混合気点火のそれぞれを行わせるものである。

[0135] 第 2の燃料点火方法によれば、改質用光触媒と点火用光触媒が分離して配設されているときに、 1種類の光発生装置の配設により、改質と点火を促進できる。

[0136] 即ち、使用する複数の光触媒のうち最も大きいバンドギャップに相当するエネルギ一を持つ光を照射すれば!/ヽずれの光触媒も光を吸収し、光触媒反応を進行させ得る。

[0137] また、改質と点火は、例えば、波長をスプリッタにより分離して照射時期を独立して変更させることや、照射位置を変更することにより制御できる。

[0138] 《第 3の燃料点火方法〉〉

更に、本発明の第 3の燃料点火方法は、上述の内燃機関用燃料点火システムにおいて、上記光発生装置の照射時間と照射出力の少なくとも 1つを変更させることにより、燃料改質と混合気点火のそれぞれを行わせる。

[0139] これにより、例えば、始動時や低負荷時など混合気の温度やピストン冠面の温度が低いときは、改質用光触媒の活性が低下しているので、照射時間を長くすることにより改質量を確保できる。

[0140] 以下、本発明を実施例 2〜6及び比較例 1により更に詳述するが、本発明は実施例

2〜6に限定されない。

[0141] (実施例 2)

図 6 (a) , (b)に内燃機関用燃料点火システム 1の概略及びピストン冠面 14aの斜視図を示す。 [0142] この内燃機関用燃料点火システム 1は、燃焼室 10内上部に光発生装置 30の一例であるレーザー発振器 50、インジェクター 12cを備えている。また、ピストン冠面 14a には、中央部に点火用光触媒 22 (CuZSiO )が配設され、外周部（上記の「当該半

2

径の円周側 1Z5以下」ではありません）に改質用光触媒 21 (TiO )が配設されてい

2

る。

[0143] 1)改質工程 (吸気工程及び圧縮行程） {図 7 (a) }

内燃機関用燃料点火システム 1を用いて、図 7に示すように、燃料の改質 '点火を ρ み/こ。

[0144] また、酸素の存在する状態、具体的には、吸気工程中に燃料を燃焼室 10に供給した後、光発生装置 30の一例であるレーザー発振器 50より波長 450nmの光を酸ィ匕力の弱い改質用光触媒 21に照射したところ、燃料が改質され含酸素化合物が生成した。

[0145] 2)点火工程 (燃焼行程） {図 7 (b) }

次いで、改質ガスを含む混合気が存在する燃焼室 10において、光発生装置 30の一例であるレーザー発振器 50より波長 380nmの光を酸ィ匕力の強い点火用光触媒 2

2に照射したところ、混合気を点火できた。

[0146] (実施例 3)

図 8 (a) , (b)に内燃機関用燃料点火システム 1の概略及びピストン冠面 14aの斜視図を示す。

[0147] この内燃機関用燃料点火システム 1は、燃焼室 10内上部に、異なる波長の光を照射できる 2つのレーザー発振器 51 (光発生装置 31の一例），レーザー発振器 53 (光発生装置 32の一例)を配設したこと、酸化力の異なる複数の光触媒、即ち改質用光触媒 21 (CuZSiO )と点火用光触媒 22 (TiO )を均一に混合した光触媒 23をピスト

2 2

ン冠面 14aに配設したこと、以外は実施例 2と同様の構成を有する内燃機関用燃料点火システム 1とした。

[0148] 改質工程（吸気工程及び圧縮工程)では、酸化力の弱い改質用光触媒 21が吸収する波長 450nmの光を照射して燃料を改質した。

[0149] 次いで、点火工程 (燃焼行程)では、酸ィ匕力の強い点火用光触媒 22が吸収する波長 380nmの光を照射したところ、混合気を点火できた。

[0150] (実施例 4)

図 9 (a) , (b)に内燃機関用燃料点火システム 1の概略を示す。

[0151] この内燃機関用燃料点火システム 1は、ピストン冠面 14aにおいて、点火用光触媒

22を中心部と外周部に配設し、改質用光触媒 21をその間に配設した。

[0152] また、波長を変えるためのフィルター 9を光発生装置 30の一例であるレーザー発振器 50に配設し、幅広い波長 250nm〜550nmの光が照射可能となるようにした。

[0153] これら以外は実施例 2と同様の構成を有する内燃機関用燃料点火システム 1とした

[0154] 改質工程（吸気工程及び圧縮工程)では、酸化力の弱い改質用光触媒 21が吸収する波長 450nmの光を照射して燃料を改質した。

[0155] また、酸ィ匕力の弱い改質用光触媒 21が吸収する波長 450nmの光をフィルター 9により選択し、照射して燃料を改質した。

[0156] 次いで、点火工程 (燃焼行程)では、酸ィ匕力の強い点火用光触媒 22が吸収する波長 380nmの光をフィルター 9により選択し、照射したところ、混合気を点火できた。

[0157] (実施例 5)

図 10,図 11に示すように、エンジン回転数とエンジントルクに対して、照射時間と照射出力を変更した以外は、実施例 2と同様の構成を有する内燃機関用燃料点火システム 1とした。

[0158] (実施例 6)

図 12に示すように、光発生装置 30の一例であるレーザー発振器 50と、コード 13に接続した点火プラグ 11を、併用した以外は、実施例 2と同様の構成を有する内燃機関用燃料点火システム 1とした。

[0159] 改質工程（吸気工程及び圧縮工程)では、酸化力の弱い改質用光触媒 21が吸収する波長 450nmの光を照射し、燃料を改質した。

[0160] 次、で、点火工程 (燃焼行程)では、点火プラグ 11により混合気を点火できた。

[0161] (比較例 1)

図 13に示すように、ピストン冠面 14aに混合気の点火用光触媒 22 (TiO )のみを配設した以外は、実施例 2と同様の構成を有する内燃機関用燃料点火システム 1とした

[0162] (評価測定）実施例 2〜6及び比較例 1で得た内燃機関用燃料点火システム 1に燃料ガスを送入し、燃焼させたときの排気ガス中の PM量を測定した。

[0163] 混合気としては、ガソリンと空気を空気過剰率え = 1から 1. 5となるように調節して供給した。

[0164] 比較例 1に比べて実施例 2〜6では排出される PM量が 20%程度低減した。

[0165] 特願 2005— 248708 (曰本国出願曰： 2005年 8月 30曰）及び特願 2005— 2493

83 (日本国出願日： 2005年 8月 30日）の全内容はここに援用される。

[0166] 以上、実施形態及び実施例に沿って本発明の内容を記載したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなぐ種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

産業上の利用可能性

[0167] 本発明によれば、光発生装置力光エネルギーを光触媒に照射し、該光触媒を活性化させ、混合気点火に必要なラジカルを光触媒の反応を利用して生成させることなどとしたため、大幅に少ない光エネルギー量で希薄な混合気を点火させ得る内燃機関用燃料点火システム、更には希薄燃焼によって燃費を向上させ得る内燃機関用燃料点火システムを提供できる。

[0168] 更に本発明によれば、光触媒反応により燃料の一部を改質して水素や含酸素化合物を生成させるので、混合気の燃焼が促進され、 PM (パティキュレートマター）の生成を抑制し得る。

Claims

請求の範囲

[1] 光発生装置力照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用燃料点火システムであって、

燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを面状に照射する光発生装置と、を備えたことを特徴とする内燃機関用燃料点火システム。

[2] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、上記光触媒が、ピストン冠面に設けられたことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[3] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、ピストン冠面上の混合気濃度が相対的に高い領域側に、上記光触媒が相対的に多く設けられたことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[4] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、該シリンダヘッドがその内壁面に第 1凸部を有し、上記光触媒が該第 1凸部に設けられたことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[5] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、該ピストンヘッドがピストン冠面に第 2凸部を有し、上記光触媒が該第 2凸部に設けられたことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[6] 上記燃焼室の内壁面に端部が接合されたメッシュ状担体を上記燃焼室の内部に配置し、上記光触媒が、該メッシュ状担体に設けられたことを特徴とする請求項 1〖こ記載の内燃機関用燃料点火システム。

[7] 上記燃焼室の内壁面の一部が、鏡面として機能するように構成されたことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[8] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、上記光発生装置が照射する該面状の光エネルギーの光軸方向力上記ピストンヘッドの往復動方向と平行でなヽことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[9] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、上記光発生装置力該ピストン冠面の端部に光エネルギーを照射することを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[10] 上記光発生装置が、照射位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[11] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、且つ当該燃焼室の温度を検知する温度検知手段を備え、該温度検知手段が検知する温度が所定の温度以下の場合に、上記照射位置調整手段が、該ピストン冠面の端部に光エネルギ一が照射されるように照射位置を調整するように構成されてヽることを特徴とする請求項 10に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[12] 上記燃焼室に 2種以上の光触媒を配設し、

上記 2種以上の光触媒の少なくとも 1種は、該光発生装置力照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料の改質を促進し、

上記光触媒の少なくとも 1種は、該光発生装置から照射された光の少なくとも一部を吸収して改質後の混合気点火を促進する、ことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[13] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、

上記改質用光触媒と上記点火用光触媒が、ピストン冠面に略均一に分散、配設されていることを特徴とする請求項 12に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[14] 上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、

上記点火用光触媒と上記改質用光触媒とが、ピストン冠面に別個独立に配設されていることを特徴とする請求項 12に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[15] 上記点火用光触媒がピストン冠面の中心部及び外周部に配設され、これらの間に上記改質用光触媒が配設されていることを特徴とする請求項 14に記載の内燃機関用燃料点火システム。

[16] 請求項 12に記載の内燃機関用燃料点火システムを用いた燃料点火方法であって上記光発生装置を複数用いて異なる単波長の光を複数発生させることと、上記光発生装置からの光を光学フィルターを介して変更して複数の波長を有する光を発生させることの、少なくとも 1つにより、燃料改質と混合気点火のそれぞれを、異なる波長域の光を用いて行わせることを特徴とする燃料点火方法。

[17] 請求項 14に記載の内燃機関用燃料点火システムを用いた燃料点火方法であって上記光発生装置を複数用いて異なる単波長の光を複数発生させることと、上記光発生装置の照射位置を変更させることの、少なくとも 1つにより、

燃料改質と混合気点火のそれぞれを行わせることを特徴とする燃料点火方法。

[18] 請求項 12に記載の内燃機関用燃料点火システムを用いた燃料点火方法であって上記光発生装置の照射時間と照射出力の少なくとも 1つを変更させることにより、燃料改質と混合気点火のそれぞれを行わせることを特徴とする燃料点火方法。

[19] 燃焼室に配設する光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光発生装置とを備える内燃機関用燃料改質システムであって、

該光発生措置から照射された少なくとも一部を光触媒が吸収し燃焼室に存在する燃料を改質する構造を持つことを特徴とする内燃機関用燃料改質システム。

[20] 請求項 19に記載の内燃機関用燃料改質システムを用いた燃料改質方法であって上記燃焼室に燃料及び空気を混合した燃料ガスを送入し上記光触媒と接触させるとともに、該光触媒に上記光発生装置力も照射された光の少なくとも一部を吸収させて、

該燃料ガスを、含酸素化合物と水素の少なくとも 1つを含む混合気に改質することを特徴とする燃料改質方法。

[21] 上記光発生装置の照射出力を変更して、燃料の部分酸化、混合気点火のそれぞれを行わせることを特徴とする請求項 20に記載の燃料改質方法。

[22] 含酸素化合物と水素の少なくとも 1つを含む混合気を、火花点火により点火することを特徴とする請求項 20に記載の燃料改質方法。