(57)【要約】【課題】内燃機関の始動時に、ハイドロカーボン等の有害物質の発生を低減させることのできる方法を低廉なコストで提供すること。【解決手段】内燃機関が排出する有害物質の低減方法であって、内燃機関の燃焼室内に、有害物質の発生を抑制する酸化剤を生成する酸化剤生成器５を配設し、この酸化剤生成器５は、電磁波発振器ＭＷから発振される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段５０と昇圧された電磁波を放射する放射電極５５ａ及び接地電極５５ｂとから構成され、昇圧手段５０により放射電極５５ａと接地電極５５ｂとの間の電位差を高めプラズマを生成することで酸化剤となるＯＨラジカル、Ｏラジカル、オゾンのうち少なくとも一つの生成物を、内燃機関の始動前及び／又は燃焼室内が所定温度に到達するまで発生させるようにしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関が排出する有害物質の低減方法であって、
内燃機関の燃焼室内に、有害物質の発生を抑制する酸化剤を生成する酸化剤生成器を配設し、
該酸化剤生成器は、電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段と昇圧された電磁波を放射する放射電極及び接地電極とから構成され、
前記昇圧手段により放射電極と接地電極との間の電位差を高めプラズマを生成することで酸化剤となるＯＨラジカル、Ｏラジカル、オゾンのうち少なくとも一つの生成物を、内燃機関の始動前及び／又は燃焼室内が所定温度に到達するまで発生させるようにした内燃機関が排出する有害物質の低減方法。
【請求項２】
前記酸化剤生成器を、点火手段として使用する請求項１記載に記載の内燃機関が排出する有害物質の低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関が排出する有害物質の低減方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置としては、所謂三元触媒を利用した浄化装置を用いる技術が知られている。しかし、この三元触媒は、排ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを対象に酸化還元反応を利用して浄化するものであるが、活性温度範囲があり、内燃機関始動時には活性温度範囲よりも低温で排ガスに含まれる有害成分を浄化することができない。
【０００３】
そのため、例えば、特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、浄化用触媒（触媒を担持した担体）の上流の排気管内にバーナの火炎によって加熱される蓄熱材を配設し、エンジン始動前に蓄熱材を加熱して、その後、すぐにクラッキングを行い、エンジンを始動する。これによって、始動時の低温排ガスが蓄熱材によって昇温され、昇温された排ガスが浄化触媒を通過する際に触媒を昇温し、触媒を活性化するようにした排気浄化装置が開示されている。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、浄化用触媒とは別に蓄熱材を配設する必要があり、従前のマフラーをそのまま利用することができず別途配管通路を設計する必要がある。また、蓄熱材を加熱するためのバーナを配設する必要があるため、バーナ用燃料タンク、ポンプ、コンプレッサ及び点火源としてのグロープラグ等が必要となり装置の大型化と費用の高騰という問題がある。また、特許文献２に記載の浄化装置では、カーボコイルを有する発熱層と被覆層とに分けて構成しているため製作に手間を要するとともに、十分な発熱が得られない虞があるという問題があった。
【０００５】
そのため、本発明者等は、浄化装置の触媒を加熱する手段として、特許文献２に記載の内燃機関の浄化装置（触媒を担持した触媒コンバータ）を加熱する加熱装置を開発した。この内燃機関の浄化装置は、マイクロ波とマイクロ波を吸収して発熱するマイクロコイルを発熱層として、高温ガスが流通する対象空間である浄化触媒に一体に設けた浄化装置が開示されている。この浄化装置は、高温の排ガスが流通する空間に設けられているため、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルが高温ガスに晒され、焼損する等の不具合を防止するために発熱層を被覆する被覆層が設けられており、電磁波を利用して、短時間で触媒を担持した触媒コンバータを加熱することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１０７７２１号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１３／０３９１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献２に記載の内燃機関の浄化装置では、例えばカーボンマイクロコイルを主体とする電磁波吸収体（マイクロ波吸収体）を、浄化用触媒（触媒を担持した触媒コンバータ）の全体に亘って、特に、ハニカム構造・多孔構造の担体内にまで電磁波吸収体を被覆層として積層するように構成しているため浄化用触媒の製造に手数を要するとともに、マイクロ波吸収体の使用量が多くなり製造コストが高騰するという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の始動時に、ハイドロカーボン等の有害物質の発生を低減させることのできる方法を低廉なコストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた本発明の内燃機関が排出する有害物質の低減方法は、
内燃機関が排出する有害物質の低減方法であって、
内燃機関の燃焼室内に、有害物質の発生を抑制する酸化剤を生成する酸化剤生成器を配設し、
該酸化剤生成器は、電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段と昇圧された電磁波を放射する放射電極及び接地電極とから構成され、前記昇圧手段により放射電極と接地電極との間の電位差を高めプラズマを生成することで酸化剤となるＯＨラジカル、Ｏラジカル、オゾンのうち少なくとも一つの生成物を、内燃機関の始動前及び／又は燃焼室内が所定温度に到達するまで発生させるようにした内燃機関が排出する有害物質の低減方法である。
【００１０】
本発明の内燃機関が排出する有害物質の低減方法は、排気浄化装置の改良品を使用することなく、内燃機関の燃焼室内に酸化剤をとなるＯＨラジカル、Ｏラジカル、オゾンのうち少なくとも一つの生成物を生成することで燃料の燃焼を促進することで、未燃炭化物などを削減し、有害物質の発生を抑制する。
【００１１】
この場合において、前記酸化剤生成器を、点火手段として使用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、本発明者等が、電磁波、特にマイクロ波を昇圧して放電電極と接地電極間にプラズマを生成すると、一般的な高電圧によってプラズマを生成する点火プラグ等と比較し、多量のラジカル（ＯＨラジカル、Ｏラジカル）やオゾンが発生することを発見し、これらを燃焼前の内燃機関燃焼室に生成させておくことで未燃の燃料を低減し、排ガス中の有害物質、特にハイドロカーボン（未燃炭化物ＨＣ）を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１に係る方法に使用する酸化剤生成器（点火手段）を示し、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は電極部の平面図である。
【図２】同酸化剤生成器（点火手段）の昇圧手段の等価回路である。
【図３】同酸化剤生成器（点火手段）と点火プラグのＯＨラジカル強度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１５】
本実施形態の内燃機関が排出する有害物質の低減方法は、内燃機関が排出する有害物質の低減方法であって、内燃機関の燃焼室内に、有害物質の発生を抑制する酸化剤を生成する酸化剤生成器５を配設し、この酸化剤生成器５は、電磁波発振器ＭＷから発振される電磁波を昇圧する共振回路からなる昇圧手段５０と昇圧された電磁波を放射する放射電極５５ａ及び接地電極５５ｂとから構成され、昇圧手段５０により放射電極５５ａと接地電極５５ｂとの間の電位差を高めプラズマを生成することで酸化剤となるＯＨラジカル、Ｏラジカル、オゾンのうち少なくとも一つの生成物を、内燃機関の始動前及び／又は燃焼室内が所定温度に到達するまで発生させるようにした内燃機関が排出する有害物質の低減方法である。
【００１６】
また、本発明の酸化剤生成器５は、内燃機関の点火手段として利用することができる。
【００１７】
＜酸化剤生成器＞
酸化剤生成器５について、具体的に説明する。酸化剤生成器５は、電磁波発振器ＭＷから発振される電磁波の供給を受ける入力部５２と、入力された電磁波を昇圧する昇圧手段５０と、放電ギャップ６を形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５０により放電ギャップ６の電位差を高め放電を生じさせるように構成されている。
【００１８】
放電電極５５ａは、入力部５２から伸びる入力軸部５３が挿通される有底の筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂの先端に形成されている。入力部５２から伸びる入力軸部５３は、筒状部５４とは絶縁されている。具体的には、筒状部５４内周面との間に筒状の絶縁体５９が介在している。絶縁体５９を介在させるか筒状部５４の内周面と接触しないように構成することで筒状部５４と入力軸部５３は容量結合となり、後述する等価回路のＣ１を形成する。また、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとケーシング５１の先端側ケーシング５１Ａの内周面との間も電気的に絶縁されている。本実施形態においては、筒状部５４及び電極軸部５５ｂは筒状の絶縁体５９に内包されている。筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１Ａの内周面との間によって、後述する等価回路のＣ２を形成し、電極軸部５５ｂとケーシング５１Ａの内周面との間で等価回路のコンデンサＣ３を形成している。絶縁体５９の種類によって異なる誘電率によって、共振周波数が調整される。なお、上述したＣ１は、入力軸部５３を筒状部材５４と電気的に接続することで省略することもできる。
【００１９】
ケーシング５１の後端側ケーシング５１Ｂは貫通孔を備え、この貫通孔に、一端に電磁波発振器ＭＷからの電磁波の供給を受ける入力部５２を形成し他端に入力部５２から伸びる入力軸部５３が突出する筒状の絶縁体５９を配設するとともに、放電電極５５ａ、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとこれらを覆う絶縁体５９を内包したケーシング５１Ａが組み込まれている。入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９のケーシング５１Ａが組み込み方法は特に限定するものではないが、本実施形態においては、絶縁体５９の外周面及びケーシング５１Ｂの貫通孔に対応する段差を設け、図例左側から挿通し、絶縁体を段差に係合させ、右側への抜け落ちを防止するとともに、左側からケーシング５１Ａを挿通して入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９の左側への抜け落ちも防止する。ケーシング５１Ｂに対するケーシング５１Ａの固定方法も特に限定するものではないが、本実施形態においては、貫通孔に刻設した雌ねじ部にケーシング５１Ａの外周面に刻設した雄ねじ部を螺合することによって固定する。螺合による固定後に溶接等の固定手段を用いてケーシング５１Ａをケーシング５１Ｂに対して確実に固定することもでき、また、ねじ部を形成することなく溶接等の固定手段を用いて固定することもできる。
【００２０】
接地電極５１ａは、放電電極５５ａを覆う筒状のケーシング５１Ａの先端で形成され、この接地電極５１ａの内面と放電電極５５ａの外面との間で放電ギャップ６を形成する。この放電ギャップ６を形成する接地電極５１ａ（ケーシング５１Ａの先端）は図１（ｂ）に示すようにスリットｓを形成するようにしている。このスリットｓによって、酸化剤生成器５を点火手段として使用する際、放電ギャップ６内に混合気を導き燃焼効率を向上させることができる。なお、放電ギャップ６の距離は０．２〜１．２ｍｍの範囲で設定することが好ましい。
【００２１】
昇圧手段５０は、図２に示す等価回路で構成されている。昇圧手段５０は、電極軸部５５ｂをコイルＬとして、上述したコンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３との間の３箇所で共振構造形成し、供給される電磁波を昇圧するようにしている。特に、筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１の内周面との間に形成されるコンデンサＣ２による第１共振領域及び電極軸部５５ｂと電極軸部５５ｂを覆うケーシング５１との間に形成されるコンデンサＣ３による第２共振領域によって、供給される電磁波を昇圧して、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電を生じさせるようにしている。なお、入力軸部５３と筒状部５４を電気的に接続して容量結合としないことで等価回路のＣ１を形成しない構成とすることもできる。
【００２２】
一般に、共振領域、特に第２共振領域での共振周波数から外れた周波数の電磁波を供給しても、電磁波を昇圧して放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高めることができない。共振領域で定まる共振周波数からどの程度外れた周波数を供給しても昇圧することができるかは、所謂Ｑ値によって決定される。Ｑ値とは、
Ｑ=ω０／（ω１−ω２）で表される。
ここで、ω０：共振周波数、ω１及びω２（ω１＞ω２）：それぞれ周波数ω０のときのエネルギが１／２となる周波数である。従って、ω１及びω２の値がω０に近いほど、共振のピークが鋭く、Ｑ値が大きくなり、大きなエネルギを得ることができ一般的にはＱ値が大きくなる設計をすることが望ましい。しかし、Ｑ値が大きい場合、共振させるためには共振領域で定まる共振周波数からのズレを大きくとることはできない。本発明者等の実験によるときは、Ｑ値が５０程度のときに±３０ヘルツ、より好ましくは±２０Ｈｚの範囲の周波数の電磁波であれば共振させて放電させることが可能である。
【００２３】
電磁波発振器ＭＷは、常時所定電圧、例えば１２Ｖを電磁波用電源Ｐから供給される。そして、制御装置４から電磁波発振信号を所定のデューティ比、パルス時間等を設定した発振パターンのパルス波として電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を出力する。
【００２４】
そして、本実施形態の酸化剤生成器５３は、内部の昇圧手段５０によって電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波を共振させて昇圧し、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高め、放電ギャップ６において絶縁破壊を生じさせプラズマを生成する。この電磁波によって生じるプラズマには、一般的な点火プラグによって生じるプラズマと比べて数十倍のラジカル強度を有する(ラジカルを生成する)ことが、本発明者等の実験によって判明した。以下、本実施形態の酸化剤生成器５が生成するＯＨラジカル、Ｏラジカル、オゾンのうち、ラジカル生成強度について説明する。
【００２５】
一般的な点火プラグでは、チャージ時間を２ミリ秒〜３ミリ秒とした放電後から２５マイクロ秒と５０マイクロ秒経過したときの発光強度をレーザ誘起蛍光法（以下、ＬＩＦ法という）によって計測した。また、酸化剤生成器５では、初回の電磁波発振を発振時間５〜２５マイクロ秒、好ましくは１０〜１５マイクロ秒とし、本実施形態においては１５マイクロ秒とした。そして、２回目以降の電磁波発振を発振周期０．０１〜２０マイクロ秒、発振時間０．００１〜２マイクロ秒（デューティ比約１０％）、発振回数を５００〜３０００回、本実施形態においては電磁波発振を発振周期１マイクロ秒、発振時間０．１マイクロ秒（デューティ比１０％）発振回数を１５００回行ってから２５マイクロ秒と５０マイクロ秒経過したとき（図３（ａ）ＣＡの範囲、ｔが２５マイクロ秒と５０マイクロ秒）の発光強度ＬＩＦ法によって計測した。
【００２６】
ＬＩＦ法は、ＹＡＧレーザ光（波長３５５ｎｍ）を共振器と倍波素子を使って２８２ｎｍに変換し、空間中に存在する基底状態ＯＨラジカルが光吸収、励起した際に上準位から直接基底状態に電子遷移したときの波長３１５ｎｍの蛍光強度及び振動準位ｖ’＝１からｖ‘＝０へ振動緩和した後に基底状態遷移で放射される波長３０９ｎｍの蛍光強度をそれぞれ光電増倍管、デジタルオシロスコープを用いてＬＩＦ信号として検出し、得られたＬＩＦ信号からＯＨラジカル密度を得るようにしている。
【００２７】
本実施形態の酸化剤生成器５に対するレーザ照射位置は、図１（ｂ）に示すように、放電ギャップ６の一部である領域ＬＡに照射するようにした。一般的な点火プラグに対するレーザ照射位置は、放電電極と接地電極との間の領域に照射するようにした。また、実験条件として、空気雰囲気下、０．１ＭＰａ、温度は常温（室温約２５℃）で行った。
【００２８】
その結果、図３（ｂ）に示すとおり、点火プラグにおいては図中Ｂで示すように、ＯＨのラジカル強度は僅かな値（０．１以下）しか観測できなかった。しかし、本実施形態の放電装置３では図中Ａで示すように、２５マイクロ秒と５０マイクロ秒のそれぞれで２．２５×１０８（ａ.ｕ．）、１．１５×１０８（ａ.ｕ．）のラジカル強度を計測することができ、点火プラグと比べて３０倍以上のＯＨラジカルの生成が認められた。
【００２９】
次に、制御装置（図示省略）による電磁波の発振パターンについて説明する。制御装置は、酸化剤生成器５が酸化剤を生成する機能を発揮する際の制御と、点火手段として機能させる場合の制御とを、ともに同様の発振パターンとなるように電磁波発振器ＭＷを制御することができる。電磁波のみを使用し、昇圧回路５０によって昇圧し放電ギャップ６でプラズマを生成する酸化剤生成器５では、初回の電磁波の発振時間を５マイクロ秒乃至２５マイクロ秒、好ましくは１０マイクロ秒乃至２０マイクロ秒、本実施形態においては１５マイクロ秒とした。そして、２回目以降の発振時間を１ナノ秒乃至２マイクロ秒かつデューティ比５％乃至３０％となるように制御することが好ましく、本実施形態では発振時間０．１マイクロ秒（１００ナノ秒）デューティ比１０％となるように制御した。デューティ比はこの範囲を超えて長くすることもできるが、５０％以上とすると、発生したプラズマが熱プラズマとなり、プラズマの維持に不具合を生じる場合があった。
【００３０】
このように、初回の電磁波の発振時間のみ２回目移行の発振と比べて１００倍以上の時間とし、２回目以降の発振時間を極端に短い時間でかつ低いデューティ比とすることで、初回の発振で生成されたプラズマが２回目以降に発振される電磁波で維持拡大され、精度良く機能する。
【００３１】
また、２回目以降の発振回数は、３００回乃至７５００回となるように制御する。本発明者等の実験によれば、１５００回程度のパルス発振を行うことで、ラジカルの生成量は７５００回のときと大差がないことが判明した。
【００３２】
そして、本実施形態の制御装置は、内燃機関の燃焼室が未燃生成物の生成が減少する諸低温度までの期間であり、酸化剤生成器５を点火手段として使用しない期間、つまり、排気行程終了から膨張行程までの間、混合気が着火することのない期間に上述したプラズマ生成制御を行い燃焼室内に酸化剤としてのラジカルを大量に発生させる。また、内燃機関の始動前（セルモータ起動前）に電磁波を発振し、プラズマを生成することで酸化剤としてのラジカルを燃焼室内に生成することができ、コールドスタート時においても燃料の未燃を削減し、ハイドロカーボンを含む有害物質の派生を抑制する。この際の電磁波発振器ＭＷから発振する電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）の出力は、特に限定するものではないが、例えば、５００Ｗ乃至１０００Ｗである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上説明したように、本発明は、内燃機関のコールドスタート時に発生するハイドロカーボンを含む有害物質の発生を抑制することができるから、広く内燃機関の有害物質の発生抑制方法として、特に、点火手段と兼用する用途に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
５      酸化剤生成器（点火手段）
５０    昇圧手段
５５ａ  放電電極
５５ｂ  接地電極
ＭＷ    電磁波発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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