(57)【要約】【課題】酸化能力の高い活性酸素を極めて大量に発生させることが可能なアニオン包接結晶を燃焼室開口縁又はピストン頂面に設けてクエンチングゾーンに侵入した未燃物質を燃焼させるようにした内燃機関の燃焼室内排気浄化装置を提供する。【解決手段】ピストン３の頂部に設けられた燃焼室４にノズルから燃料を噴射する内燃機関であって、燃焼室４の開口周縁部７ａ又はピストン頂面３ａに燃焼室内の燃料が燃焼したときの熱により活性酸素を放出し、燃焼終了後に比較的高温下で且つ残存酸素により再生するアニオン包接結晶８を配置し、クエンチングゾーン５に侵入した未燃燃料を燃焼させてＨＣ、ＰＭ等の排出を低減させる。【選択図】　　　図１
2004100600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂部に設けられた燃焼室にノズルから燃料を噴射する内燃機関であって、前記燃焼室の開口周縁部又はピストン頂面に前記燃焼室内の燃料が燃焼したときの熱により活性化して活性酸素を放出し、燃焼終了後残存酸素により再生するアニオン包接結晶を配置し、前記燃焼室からクエンチングゾーンに侵入した未燃燃料を燃焼させることを特徴とする内燃機関の燃焼室内排気浄化装置。
【請求項２】
前記燃焼室の開口周縁部にエッジ部を設け、燃焼時の熱により温度を上昇させて前記アニオン包接結晶の活性酸素の放出及び再生を促進することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室内排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室内排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接噴射式（以下「直噴式」という）ディーゼルエンジンは、ピストン頂部に形成された凹形状の燃焼室の中にノズルから燃料を噴射し、噴射された燃料が噴霧となって燃焼室内に広がり、圧縮されて高温高圧になった空気により燃焼させるもので、構造が簡単で出力が大きい、熱効率が高く冷却損失が少ない、燃料消費率がよい、常温において予熱装置なしで容易に始動できる等の特徴があり、多く採用されている。
【０００３】
一方、酸化能力の高い活性酸素を大量に包接し、加熱（６５０℃〜７００℃程度）することにより高活性化を示して活性酸素を大量に発生し、酸化雰囲気において加熱（５００℃程度）することで活性酸素を再生することができ、酸化触媒、抗菌剤、イオン伝導体、固体電解質燃料電池用電極材料等に用いることが可能な化合物としてアニオン包接結晶（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３２１８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
直噴式ディーゼルエンジンでは、燃焼室に噴射された燃料が噴霧となって広がるが、一部は、燃焼室外へとはみ出してしまい、クエンチングゾーンと呼ばれる領域（ピストンが上死点に達したとき、ピストン上面とシリンダヘッドの間にある扁平な隙間）に侵入してしまう。このはみ出した噴霧は、シリンダ壁面に熱を奪われたり、一時的な酸素不足で燃焼する条件を満たせずに消炎してしまう。このため、前記クエンチングゾーンに侵入した燃料は燃えることなく排出され、ＨＣやＰＭ（粒子状物質）等の排出ガスの原因となる。
【０００６】
このため、本発明では、酸化能力の高い活性酸素を大量に発生させることが可能なアニオン包接結晶を燃焼室開口縁又はピストン頂面に設けてクエンチングゾーンに侵入した未燃物質を燃焼させるようにした内燃機関の燃焼室内排気浄化装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、ピストン頂部の燃焼室にノズルから燃料を噴射する内燃機関において、前記燃焼室の開口周縁部又はピストン頂面に配置したアニオン包接結晶は、前記燃焼室内の燃料が燃焼したときの熱により活性酸素を放出し、前記燃焼室からクエンチングゾーンに侵入した燃料を燃焼（酸化）させる。アニオン包接結晶は、燃焼終了後にも比較的高温に保持され、膨張行程が進むにつれ燃焼室内の残存酸素が供給されて活性酸素を再生し、次サイクルの燃焼時に再び放出する。このサイクルを繰り返して未燃燃料を燃焼させる。これにより、未燃物質の排出が低減される。
【０００８】
燃焼室の開口縁部に設けられたエッジ部は、燃焼時の熱が集熱されて温度が高くなり易く、前記アニオン包接結晶の活性酸素の放出及び再生を促進することができ、クエンチングゾーンに侵入した未燃燃料の燃焼が更に効果的に行われる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明に係る燃焼室内排気浄化装置を適用した直噴式ディーゼルエンジンのシリンダとピストンの実施形態を示す説明面である。図１に示すように直噴式ディーゼルエンジン１は、シリンダヘッド２の底面２ａが平面をなし、ピストン３の頂面３ａに燃焼室４が凹設されており、図示のようにピストン３が上死点に達したとき、ピストン頂面３ａとシリンダヘッド底面２ａとの間にクエンチングゾーン（冷領域）と称する扁平な隙間５（以下「クエンチングゾーン５」という）が画成される。
【００１０】
ピストン３の燃焼室４の開口周縁部（ピストン口元部）には、全周に亘り耐熱対策で使用されている繊維強化金属複合部材（ＦＲＭ）７がリング状をなして設けられており、その表面に図２に示すようにアニオン包接結晶（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３）が例えば、焼き付け、或いは溶射等の手段により膜状に設けられている（以下「アニオン包接結晶膜８」という）。尚、燃焼室４の開口周縁部の耐熱対策として使用される部材としては、上記繊維強化金属複合部材（ＦＲＭ）の他に、セラミックス等の部材が使用されることもあり、セラミックスの場合でもその表面にアニオン包接結晶を焼き付けて、或いは溶射してアニオン包接結晶の膜を形成する。また、アニオン包接結晶は、これら繊維強化金属複合部材（ＦＲＭ）やセラミックスの表面に層状に形成してもよい。
【００１１】
アニオン包接結晶（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３）は、ＣａとＡｌとＯとで構成されたケージ（カゴ状結晶）中にＯ２−若しくはＯ−が１個包まれたような構造をとり、活性酸素であるＯ２−イオンラジカル及びＯ−イオンラジカル（以下、両酸素イオンラジカルを総称して、活性酸素と称する）を、高濃度に包接する酸化物である。このアニオン包接結晶（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３）は、１ｃｍ３当たり１０２０個以上の極めて大量の活性酸素を包接し、加熱（６５０℃〜７００℃程度）することによって大量の活性酸素を放出し、酸素共存下（酸素雰囲気中）で加熱（５００℃程度）することにより活性酸素が再生されるという機能を有している。このアニオン包接結晶（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３）については、特許文献１に開示されている。
【００１２】
上述したようにアニオン包接結晶８が高活性化を示すには、６５０℃以上の温度が必要であるため、アニオン包接結晶８を燃焼室４内で比較的温度が上がりやすい燃焼室内の開口縁部（ピストン口元部）に配置し、更に、繊維強化金属複合部材７の内周面上端部をエッジ部７ａとして集熱効果を持たせ、必要な温度条件を得るようにしている。
【００１３】
尚、アニオン包接結晶膜８を形成する繊維強化金属複合部材７の内周面の形状としては、上記エッジ部７ａを設ける場合に限るものではなく、図３に示すように内周面上端７ｂを半径方向内方にフランジ状に形成してもよく、或いは内周面に全周に亘り凹凸例えば、歯車状の凹凸を設けてもよい。また、アニオン包接結晶は、ピストンの燃焼室開口縁部に設ける場合に限るものではなく、図４に示すようにピストン３の頂面３ａに全面に亘り設けてもよい。
【００１４】
以下に作用を説明する。
図１に示すように燃料噴射弁（図示せず）から燃焼室４に噴射された燃料は、噴霧となって燃焼室４内に広がり、その一部が矢印のように燃焼室４外へとはみ出してクエンチングゾーン５へ侵入してしまう。図５は、図１に示すエンジンのエンジン回転８００ｒｐｍ、全負荷運転時における筒内ガス温度変化、燃焼室開口縁部に設けたアニオン包接結晶膜の温度変化、及びアニオン包接結晶膜の活性酸素の放出、再生の一例を示す特性図である。燃焼室４内に広がった燃料の燃焼時に筒内ガス温度が急激に上昇し（図５（ａ）の曲線Ｉ）、クエンチングゾーン５に向かって高温の燃焼ガスが流れ、この燃焼熱が燃焼室開口周縁部の繊維強化金属複合部材７のエッジ部７ａからアニオン包接結晶膜８に供給され、当該アニオン包接結晶膜８が活性酸素の放出温度に至る（図５（ａ）の曲線ＩＩ）。アニオン包接結晶膜８は、十分な活性温度（６５０℃以上）になると大量の活性酸素を放出し（図５（ｂ））、クエンチングゾーン５に侵入した未燃燃料（未燃物質）を直接酸化し（燃焼させ）、若しくは燃焼で発生したＮＯを酸化してＮＯ２と変換させ、このＮＯ２を酸化剤として間接的に前記未燃燃料を酸化（燃焼）する。
【００１５】
尚、曲線ＩＩに示すアニオン包接結晶膜８の温度は、前述した燃焼室４の開口縁部の形状を変化させることで、調整することが可能である。また、曲線ＩＩＩは、燃焼室開口縁部（口元部）の形状をエッジ部としない場合の温度変化を示す。
アニオン包接結晶膜８は、結晶内の活性酸素が消費されると再生しない限り効力を失うこととなるが、エッジ部７ａが集熱効果を有しているため、燃焼が終了した後に膨張行程が進むにつれて温度が低下するものの、所定期間に亘って５００℃程度に保持されているため燃焼室４内の残存酸素が供給され、取り込まれた酸素が活性酸素へと再生し（図５（ｃ））、次サイクルの燃焼時に再び放出することができる。更に、圧縮行程の後期においても、図５（ｃ）に示すように再生が行われる。このサイクルを繰り返して未燃燃料を燃焼させる。これにより、燃焼室４から排出される未燃燃料が浄化され、ＨＣやＰＭ等の排出の低減が図られる。
【００１６】
特に、高負荷運転における燃料噴射量過大で噴霧が過濃となる割合が高く、ＰＭの排出が高くなる場合、アニオン包接結晶により少ない酸素量でも活性の高い活性酸素に変換することで、高い確率で未燃燃料の燃焼（酸化）を実現することが可能となる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関のクエンチングゾーンに侵入した未燃燃料の燃焼を促進することができ、ＨＣやＰＭ等の排出の低減が図られる。特に、高負荷運転における燃料噴射量過大で噴霧が過濃となる割合が高く、ＰＭの排出が高くなる場合、少ない酸素量でも活性の高い活性酸素に変換することができ、高い確率で未燃燃料の酸化を実現することが可能となる（請求項１）。
【００１８】
請求項２では、燃焼室の開口縁部に設けられたエッジ部は、燃焼時の熱が集熱されて温度が高くなり、前記アニオン包接結晶の活性酸素の放出及び再生を促進することで、大量の活性酸素が放出され、クエンチングゾーンに侵入した未燃燃料の燃焼が更に促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼室内排気浄化装置を適用した直噴式ディーゼルエンジンのシリンダとピストンの実施形態を示す説明面である。
【図２】図１に示すピストンの燃焼室開口縁部の拡大図である。
【図３】図１に示すピストンの燃焼室開口縁部の他の実施形態を示す拡大図である。
【図４】図１に示すピストンの頂部にアニオン包接結晶を設けた実施形態を示す一部拡大断面図である。
【図５】図１に示すエンジンの筒内ガス温度変化、燃焼室開口縁部に設けたアニオン包接結晶膜の温度変化、及びアニオン包接結晶膜の活性酸素の放出、再生の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
１　直噴式ディーゼルエンジン
２　シリンダ
３　ピストン
４　燃焼室
５　クエンチングゾーン（冷領域）
７　繊維強化金属（ＦＲＭ）
７ａ　エッジ部
７ｂ　フランジ部
８　アニオン包接結晶
【図１】
2004100600.tif 000003
【図２】
2004100600.tif 000004
【図３】
2004100600.tif 000005
【図４】
2004100600.tif 000006
【図５】
2004100600.tif 000007