(57)【要約】      （修正有）【課題】光エネルギーを混合気の活性化に直接利用することで、従来の光を用いた点火システムに比べてエネルギー効率が大幅に向上する光伝導体発火システムを提供すること。【解決手段】混合気に接触する光伝導体２と光を照射する光源とを備え、光伝導体が光を吸収して形成した電子と正孔により、混合気が活性化して発火させ得る光伝導体発火システムである。光源が光伝導体のバンドギャップ以上の波長の光を照射する。光源がレーザーである。内燃機関の燃焼室１に適用され、混合気を発火した際に、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する。【選択図】図１
2006307839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び空気から成る混合気に接触するように配設した光伝導体と、この光伝導体に光を照射する光源とを備える光伝導体発火システムであって、
上記光伝導体は、上記光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して、その表面に電子の励起による正孔を形成し、
この電子と正孔により、混合気が活性化して発火することを特徴とする光伝導体発火システム。
【請求項２】
上記光源が、上記光伝導体のバンドギャップ以上の波長の光を照射することを特徴とする請求項１に記載の光伝導体発火システム。
【請求項３】
上記光源がレーザーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝導体発火システム。
【請求項４】
上記光源が光伝導体表面の少なくとも一箇所以上に光を照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の光伝導体発火システム。
【請求項５】
内燃機関の燃焼室に適用され、混合気を発火した際に、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の光伝導体発火システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝導体発火システムに係り、更に詳細には、光エネルギーを混合気の活性化に直接利用する光伝導体発火システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光を用いた混合気の点火システムは、点火位置を任意に設定できることから、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、従来の点火システムにはない特徴を有する。
よって、これらを利用して混合気の燃焼を大幅に改善することができる。
【０００３】
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。
また、比熱比の高い希薄燃焼を行うエンジンでは、スワール流やタンブル流などの流れを作り出し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、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。
【０００４】
一方、点火に要するエネルギーに関しては混合気中に光を集光させて点火効率を向上する技術が提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。
【特許文献１】特開平１−１９３０８１号公報
【特許文献２】特開昭６３−２５３１１１号公報
【特許文献３】実開昭５８−１５８９６１号公報
【特許文献４】特開昭５９−１０１５８５号公報
【０００５】
また、点火部材に光を照射することで混合気への熱エネルギー変換効率を向上する技術も報告されている（例えば特許文献５〜７参照）。
これらの方法では、光を照射するものの、混合気に熱エネルギーを供給し、熱反応により活性化化を行っている。
【特許文献５】特開昭５８−１３３４８２号公報
【特許文献６】特開昭５９−２２１５２３号公報
【特許文献７】実願平３−１０６１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述のような、光を用いた混合気の点火システムは、点火に要するエネルギー効率が非常に低いという問題点があった。
従来の光（多くはレーザー）による点火システムでは、流動している混合気に光を直接照射して加熱することにより高温化し、分子同士を衝突させることで火炎核を形成していた。つまり、光エネルギーを熱エネルギーに変換しているために低いエネルギー効率であった。
なお、このような背景から、エネルギー効率を向上するために、光を一点に集光させることや、ターゲットとよばれる点火部材を経由して熱エネルギーを混合気に効率良く供給する手段が公知であるが、いずれも熱反応により活性化を生成しているので、大幅なエネルギー効率の向上は難しいと考えられる。
【０００７】
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り、その目的とするところは、光エネルギーを混合気の活性化に直接利用することで、従来の光を用いた点火システムに比べてエネルギー効率が大幅に向上する光伝導体発火システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、熱反応による点火ではなく、光反応により生じた電子と正孔との反応により発火させることにより、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。
【０００９】
即ち、本発明の光伝導体発火システムは、燃料ガス及び空気から成る混合気に接触するように配設した光伝導体と、この光伝導体に光を照射する光源とを備える光伝導体発火システムであって、
上記光伝導体は、上記光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して、その表面に電子の励起による正孔を形成し、
この電子と正孔により、混合気が活性化して発火することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光伝導体発火システムの好適形態は、上記光源が、上記光伝導体のバンドギャップ以上の波長の光を照射することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の光伝導体発火システムの他の好適形態は、上記光源がレーザーであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
光を照射した光伝導体が電子を励起させるとともに正孔を形成し、これらが混合気と行う光触媒反応が活性化することで発火する。言い換えれば、光エネルギーを直接混合気を活性化に利用できるので、従来点火に必要であった供給エネルギーを大幅に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の光伝導体発火システムについて詳細に説明する。なお、本明細書及び本特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【００１４】
本発明の光伝導体発火システムは、光伝導体と光源を備えて成る。
ここで、光伝導体は、発火する混合気に接触するように配設する。例えば、自動車用エンジンの燃焼室内であれば、内壁、ピストン冠面、シリンダーヘッド、吸排気バルブなどの全面又は点在させて配置できる。
また、混合気は、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。
更に、光源は、上記光伝導体に光を照射するものであり、その光の少なくとも一部が該光伝導体に吸収されるようにする。
【００１５】
このような構成により、上記光伝導体の表面には、電子が励起するとともに、この励起による正孔が形成される。そして、この電子と正孔が混合気と反応する、いわゆる光触媒反応により活性化して発火する。
【００１６】
また、かかる発火は、火炎伝播を進行させるための混合気の活性化が、熱反応ではなく光触媒反応（電子、正孔）によって進行するので、照射する光の種類や光伝導体の組成は特に限定されない。
なお、本発明は、混合気が燃焼されればよく、その目的は動力を得るための内燃機関に限定されるものではない。
【００１７】
上記光伝導体としては、光を照射したときに、電子を励起するとともに正孔を形成することにより電気伝導を生じる機能を有する物質であればよく、例えば、半導体、色素（有機金属錯体）などを使用することができる。
また、上記光伝導体としては、例えば、チタン系酸化物、亜鉛系酸化物、ニオブ系酸化物、タンタル系酸化物、ガリウム系酸化物、ストロンチウム系酸化物、鉄系酸化物、タングステン系酸化物又はスズ系酸化物及びこれらを任意に組合わせたものなどが挙げられる。
【００１８】
なお、本システムは、従来技術と一見類似するようであるが、従来の光照射による混合気の点火システムは、混合気中に光を集光することで点火効率を向上するものである。
また、点火部材に光を照射することで混合気への熱エネルギー変換効率を向上する技術も報告されているが、かかる方法は光を照射するものの、混合気に熱エネルギーを供給し、熱反応により活性化化を行うものである。
【００１９】
また、上記光源は、該光伝導体のバンドギャップ以上の波長の光を照射することが好適である。
これは、電子を価電子帯から伝導帯へ励起させるとともに正孔を形成させるには、光伝導体が有する固有のバンドギャップ以上の光エネルギーを吸収しなければならないからである。なお、バンドギャップと波長との関係は以下の式で表される。
波長（ｎｍ）＝１２４０／光のエネルギー（ｅＶ）
【００２０】
このときは、光伝導体のもつ電子の励起と正孔の形成が効率良く進行して、混合気がより短期間で発火し得る。
【００２１】
更に、上記光源としては、短時間に光伝導体を高エネルギー状態にできる光を照射できれば良く、例えば、レーザー、発光ダイオードなどを使用できる。
特に、内燃機関で使用する光源には、短時間で安定した点火を行う観点からは、高いパワー密度が必要であるため、高出力であるレーザーを使用するのが好ましい。
【００２２】
なお、上記光源は、複数設置することもできるが、１つの光源から光学系器具（スプリッタ、集光レンズなど）を介して光を分散させたり焦点を調節しても良い。また、上記光源では、混合気の出入に合わせて定期的に光の照射をオンオフ制御することもできる。
【００２３】
本発明の光伝導体発火システムは、内燃機関の燃焼室に適用され、混合気を発火した際に、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換することが好適である。
なお、上記内燃機関は、混合気を燃焼することにより動力が得られれば良く、燃料、作動方式、サイクル、シリンダー数、シリンダー形式、冷却方式、バルブ機構、バルブ数などは特に限定されない。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２５】
（実施例１）
図１に、光伝導体発火システムの一適用例を示す。
光透過性の窓３を備える燃焼室１を用意し、この内部に光伝導体２を配設した。
また、燃焼室１の外部には、光源として、レーザー発振器４、光ファイバー５、反射鏡６を備えるビームスプリッタ７及び集光レンズを備える集光器８を配設した。
【００２６】
燃焼室１に混合気を所定量流入後に、レーザー発振器４よりレーザーを発振し、光ファイバーケーブル５を通過させ、ビームスプリッタ７で任意の数に分配させ、集光器８、窓３を介して、燃焼室内の光伝導体２の任意の位置に集光させたところ、混合気が発火した。
【００２７】
（実施例２）
図２に、光伝導体発火システムの他の適用例を示す。
ガソリンエンジンの燃焼室において、ピストン１１の冠面に光伝導体２（酸化チタン）を配設した。この光伝導体２の任意の部位をレーザー照射できるレーザー発振器４を設けた。また、燃焼室２で混合気を発生させる装置として、燃焼噴射弁９と空気流入弁１０を設けた。
【００２８】
燃焼室２に混合気を満たした後、ピストン１１が上死点付近になり混合気が圧縮されたときに、３９０ｎｍのレーザー光を光伝導体２に照射した。
レーザー光照射後、混合気が発火し、可燃伝播・燃焼が進行した。
【００２９】
（比較例１）
ピストン冠面に酸化アルミニウム配設した以外は、実施例２と同様の操作を繰返して、混合気を発火させた。
【００３０】
実施例１、２より、本発明に含まれる光伝導体発火システムでは、混合気の発火、燃焼に際し、従来よりもエネルギー効率が顕著に向上した。
また、実施例２より、比較例１の酸化アルミニウムよりも、光伝導体である酸化チタンの方が発火・燃焼の効率が高い（約４０％の出力で点火）ことがわかった。
【００３１】
なお、実施例１、２に記載の光伝導体発火システムは、本発明の一実施形態に過ぎず、特にこれらに限定されるものではない。
例えば、燃焼室内における混合気の発火と同時に点火プラグによる点火も行い、より混合気の燃焼効率を高めることもできる。
【００３２】
（実施例３）
図３に、光伝導体発火システムの一適用例を示す。
石英反応管２７の内部に、光伝導体２２として酸化チタンを１０ｇ配設した。このとき、反応管２７の上部に空間ができるようにした。
石英反応管２７の外部には、光伝導体２２を加熱可能な電気炉２６を配設した。
反応管２７の外部に、光源２１として、キセノンランプ（３００Ｗ）を配設し、照射光がローパスフィルター２５を介して光伝導体２２に照射されるようにした。
反応管２７の外部に、ＰＣ３１に接続されたＩＣＣＤ２９を配設し、反応管２７の内部の発光がハイパスフィルター２８を介する光ファイバー３０を経由してＩＣＣＤ２９で分光されるようにした。
また、反応管２７は、マスフローコントローラー２３と逆火防止装置２４を介して燃料及び空気の混合気が供給され、反応後は排気されるようにした。
【００３３】
上記光伝導体発火システムにより、石英反応管２７に混合気を供給し、電気炉２６で所定温度まで昇温させた後に励起光を照射し、混合気を反応させた。
具体的には、燃料としてのプロパン及び空気をそれぞれマスフローコントローラー２３により所定流量（Ｃ３Ｈ８：１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｉｒ：１０００ｃｃ／ｍｉｎ）に設定し、混合されたガスを石英反応管２７に供給した。また、酸化チタンが設置されている石英反応管２７の下部を、電気炉２６で４００℃まで加熱した。更に、酸化チタンには、キセノンランプ２１からの励起光をローパスフィルター２５を通すことにより３００〜４００ｎｍの紫外領域としてから照射した。
照射した励起光により、酸化チタン上で混合気の一部が点火し、これによる発光をハイパスフィルター２８により紫外光を除去した後、ＩＣＣＤ２９により分光した発光を観測した。
【００３４】
（比較例２）
光照射を行わない以外は、実施例３と同様の操作を繰返して観測した。
【００３５】
（比較例３）
反応器７に供給する反応ガスを空気のみ（１０００ｃｃ／ｍｉｎ）とした以外は、実施例３と同様の操作を繰返して観測した。
【００３６】
図４より、Ｃ３Ｈ８とＡｉｒを流通させ、更に光を照射すると、６４０ｎｍ付近に発光が観測された。
一方、比較例２のように光を照射しない場合や、比較例３のように空気のみ供給した場合は、発光が観測されなかった。
これらの結果から、実施例３で観測された発光は、光触媒反応により混合気が着火したものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１で採用した光伝導体発火システムを示す概略図である。
【図２】実施例２、比較例１で採用した光伝導体発火システムを示す概略図である。
【図３】実施例３、比較例２，３で採用した光伝導体発火システムを示す概略図である。
【図４】Ｃ３Ｈ８の着火による発光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１    燃焼室
２    光伝導体
３    窓
４    レーザー発振器
５    光ファイバー
６    反射鏡
７    ビームスプリッタ
８    集光器
９    燃焼噴射弁
１０  空気流入弁
１１  ピストン
２１  光源
２２  光伝導体
２３  マスフローコントローラー
２４  逆火防止装置
２５  ローパスフィルター
２６  電気炉
２７  石英反応管
２８  ハイパスフィルター
２９  ＩＣＣＤ
３０  光ファイバー
３１  ＰＣ
【図１】
2006307839.tif 000003
【図２】
2006307839.tif 000004
【図３】
2006307839.tif 000005
【図４】
2006307839.tif 000006