(57)【要約】【課題】ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンにおける燃焼促進を行わせる構造及び方法を提供すること。【解決手段】所定燃焼空間で燃料と空気の混合ガスを着火し燃焼させる内燃機関であって、前記着火領域近傍に、前記混合ガスに対してラジカル化有効照射強度のガンマー線を照射する放射線源が設置されていることを特徴とする。放射線源が点火プラグである場合、点火用電極がガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む絶縁体の碍子によって周囲と電気的に絶縁されている。放射線源がピストンヘッドである場合、その内方にガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物が収納されている。 放射線源がシリンダヘッド又はシリンダ上部外套を取り巻く耐熱性固形物である場合、該固形物はガンマー線を発生する放射性鉱石粉末を用いて作成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼空間を構成するシリンダとピストンとを備え、該燃焼空間で燃料と空気の混合ガスを着火し燃焼させる内燃機関であって、
前記燃焼空間の着火領域近傍に、前記混合ガスに対して2mSV/yr以上の有効照射強度のガンマー線を照射する放射線源が設置されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
内燃機関が前記燃焼空間を構成するシリンダ内に点火プラグを備え、該点火プラグが前記放射線源であって、点火用電極とガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む絶縁体碍子を備え、該絶縁碍子が、点火用電極を周囲と電気的に絶縁している請求項1に記載の内燃機関。
【請求項３】
内燃機関が前記燃焼空間を構成するシリンダとピストンを備え、前記放射線源がガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物からなり、前記ピストンのピストンヘッドの内方に収納されている請求項１記載の内燃機関。
【請求項４】
内燃機関が前記燃焼空間を構成するシリンダを備え、前記放射線源がガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物からなり、前記シリンダのヘッド部分又はシリンダの上部外套を取り巻くように取り付けられる請求項１記載の内燃機関。
【請求項５】
内燃機関が前記燃焼空間を構成するシリンダを備え、前記放射線源がガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物からなり、前記シリンダのヘッド部分にシリンダ内部につながる貫通口もしくはシリンダヘッドの厚さの少なくとも半分の深さの非貫通口が設けられ、前記放射線源は、前記貫通口もしくは非貫通口内に設置されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記放射線源がガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物からなり、カリウム40化合物を含む放射性鉱石粉末から構成されている請求項1〜５のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項７】
前記放射線源がガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物からなり、前記着火領域に２mSV/yr以上１００mSV/yr以下のガンマー線を放射可能であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
【請求項８】
点火用電極と、前記点火用電極を周囲と電気的に絶縁する碍子とを有し、前記点火用電極から放電することで内燃機関内部の燃料と空気の混合ガスに着火する点火プラグであって、
前記碍子が、ガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物からなり、ガンマー線を放射する放射線源であることを特徴とする点火プラグ。
【請求項９】
前記碍子は、絶縁体の基体に、カリウム40化合物が混合されてなることを特徴とする請求項８に記載の点火プラグ。
【請求項１０】
前記碍子は前記点火用電極の火花領域におけるガンマー線の放射線量が２ｍSV/yr以上100mSV/yr以下であることを特徴とする請求項8又は９に記載の点火プラグ。
【請求項１１】
燃焼空間で、燃料と空気等の酸化剤とを化合して燃焼させる燃焼機関において、
前記燃焼空間に2mSV/yr以上100mSV/yr以下のガンマー線照射領域を形成し、
前記燃焼空間の燃料と空気等の酸化剤とからなる構成される混合ガスにガンマー線を照射し、前記燃料と空気等の酸化剤との化合燃焼を促進させることを特徴とする混合ガスの燃焼促進方法。
【請求項１２】
燃焼機関が内燃機関であって、燃料と空気とからなる混合ガスに着火する位置から直線距離で15cm以内に、20mSV/yr以下の放射線源を配置することを特徴とする請求項１１に記載の燃焼促進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等のエンジンに代表される内燃機関及びそれに用いる燃焼促進方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の燃焼機関の代表として、種々の内燃機関が広く利用されている。自動車においてはガソリンや軽油が内燃機関における燃料として使用され、将来においては大気汚染のない水素を燃料とする水素エンジンが提案されている。船舶においてはディーゼルエンジンが主流で、大型トラックの排気量の２２００倍にも及ぶ２２００リットルの容量のエンジンが使用され、そのピストン径は１０００ｍｍにもなる。よって、その消費燃料は莫大である。この内燃機関の燃焼効率を向上させるため、添加剤を燃料および潤滑用等に混合することは、よく知られている。この他に、エンジン内に投入する燃料又は燃焼用空気に放射線を予め照射して燃焼効率を向上させる方法が提案されている(特許文献1、特許文献2及び特許文献3)。他方、燃焼排ガスを放射線処理して燃焼効率を高める方法も提案されている(特許文献4)。また、火花放電および圧縮燃焼によらず、マイクロ波またはレーザを用いて点火域を広げる方法が提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平7-19128号公報
【特許文献２】特開平11-166456号公報
【特許文献３】実用新案登録第3145122号公報
【特許文献４】特開2001-234744号公報
【特許文献５】特開2000-230426公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前者の放射線照射による燃焼の改善は完全燃焼の寄与に程遠く、後者においては前者の改良を企図したものと思われるが、エンジン内への実装技術に限界があり、実用化されていないのが現状である。前者は、燃料用空気分子への放射線の照射によって酸素分子のラジカル化が起こる、また、燃料への放射線の照射によって燃料の炭化水素の低分子化が起こると想定したものと思われるが、いずれの提案も、エンジン内に投入する前の燃焼室外での放射線照射であるためか、エンジン内での燃焼に及ぼす効果はないか、微々たるものである。その主たる原因は、燃焼に先立ち燃料の炭化水素の低分子化、及び燃焼空気分子のラジカル化が起こったとしても、分子は再凝集しやすく、ラジカルは瞬時に消滅する可能性が高いため、燃焼室内に導入するまでの間に効果が消失し、燃焼促進に寄与しないためと考えられる。また、燃料炭化水素及び酸素分子のラジカル化には放射線の照射が有効であるとしても、どの放射線の、どの程度の照射強度が有効であるかも実証されていない。そこで、本発明は、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンにおける燃焼促進を行わせる構造及びそれに用いることのできる方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は放射線、特にガンマー線の照射に着目し、内燃機関の燃焼促進に寄与する構造及び方法を提供すべく、鋭意研究の結果、燃焼室内での燃焼開始直前の炭化水素及び酸素分子は２ｍSV/yr程度以上の強度のガンマー線により結合が分断され、ラジカル化されるため、燃焼促進に寄与することを実証するに至った。すなわち、本発明者は、課題解決のため、化石燃料の燃焼機構に着目して鋭意研究を行った。燃料の炭化水素を例にすると、炭化水素分子は炭化水素ラジカル、水素ラジカルに変化した後、空気の酸素分子のラジカル化と同時に、この酸素ラジカルと水素ラジカルとが結合してOHラジカルを生成するという過程をたどる。化石燃料の燃焼の化学反応は100以上ある素反応を経る複雑なものであるといわれるが、これを単純化するために、水素の燃焼を例に考えた。燃焼が最も単純な水素の燃焼機構についてみると、各素反応は、開始反応、連鎖分岐反応、置換反応、停止反応の4つに分類され、次の通りになる。
開始反応(元となる分子がラジカルに分離する反応)
・Ｈ2 ＋Ｍ→  Ｈ＋Ｈ＋Ｍ（水素分子の開裂）
・Ｏ2 ＋Ｍ→Ｏ＋Ｏ＋Ｍ  （酸素分子の開裂）
このうち、結合エネルギーから、水素分子の開裂のほうが起こりやすい。
連鎖分岐反応（ラジカルの数が増える反応で、開始反応以外のもの）
・Ｏ2 ＋Ｈ→ＯＨ+ Ｏ
・Ｈ2 ＋Ｏ→ＯＨ＋Ｈ
・Ｏ2 ＋ＯＨ→ＨＯ2 ＋Ｏ
置換反応（ラジカルの個数は変わらず、種類が変わるもの）
・Ｈ2 ＋ＯＨ→Ｈ2 Ｏ＋Ｈ
・Ｈ2 ＋ＨＯ2 →Ｈ2 Ｏ＋ＯＨ
停止反応（ラジカルの数が減少するもの）
・Ｈ＋ＯＨ＋Ｍ  →Ｈ2 Ｏ +Ｍ
・Ｈ＋Ｈ＋Ｍ→Ｈ2 ＋Ｍ
・Ｏ＋Ｏ＋Ｍ→Ｏ2 ＋Ｍ【０００６】
かかる燃焼の化学反応機構において、安定した水素分子や酸素分子を開裂させるために、火花等による着火が必要となる。着火による熱エネルギーが分子間の結合を切断することで、以降の一連の連鎖反応が生じるといわれる。この機構はエンジンシリンダ内の炭化水素分子も同様であり、ガソリンエンジンはプラグによる着火に対し、ディーゼルエンジンは圧縮による高温着火が連鎖反応のきっかけとなる点で異なるが、一連の連鎖反応で反応が進行する点で同一である。本発明者は、次の知見を得た。エンジンは円筒状のシリンダ内を内径と一致した円柱状のピストンが上下するが、その空間である燃焼室内に、2〜3mSV/yr以上のガンマー線を照射すると、炭化水素分子及び酸素分子の分断、ラジカル化が促進され、燃焼が促進されることを見出した。ガンマー線は放射性物質から放出される放射線の一種であるが、エネルギーが高いため、炭化水素の分子結合を切断し、また、酸素分子の結合を分断し、ラジカル化を促進することができることを見出した。そのようなラジカル化及びその促進が着火後の燃焼の拡散を早め、かつ均一に火炎が拡散するものと思われる。【０００７】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、所定燃焼空間内に燃料と空気の混合ガスを導入し、この空間において混合ガスに着火し燃焼させることにより動力を得る内燃機関において、燃焼空間に炭化水素及び酸素分子の開裂ラジカル化に有効な強度のガンマー線を照射する放射線源が設置されることにより実現したものである。すなわち、本発明は、燃焼空間を構成するシリンダとピストンとを備え、該燃焼空間で燃料と空気の混合ガスを着火し燃焼させる内燃機関であって、前記燃焼空間の着火領域近傍に、前記混合ガスに対して2mSV/yr以上の有効照射強度のガンマー線を照射する放射線源が設置されていることを特徴とする内燃機関にある。【０００８】
燃焼空間の着火領域に放射線源が配置されると、燃焼空間において継続的にラジカルを発生させ、着火の開始反応に応じて、直ちに燃焼空間内に火炎がすばやく均一に拡散し、燃焼を促進して完了する結果を招来させることが実証されている。ここで、有効照射強度とはガンマー線の自然放射線量を含んで測定される。測定場所によってバックグラウンドの放射線量が変化する（岐阜県で最も高くて１．１９ｍSV/ｙｒ,神奈川県で０．８１ｍSV/ｙｒと変化し、バックグラウンド値を平均１．０ｍSV/ｙｒとして計算）ので、自然照射線量を含め、２ｍSV/yr以上を有効照射強度とする。したがって、バックグラウンドの放射線量が２ｍSV/yr以上となる場合は、３ｍSV/ｙｒ以上となる。通常のガソリンエンジン内の燃焼空間内でのガンマー線吸収係数を考慮すると、５ｍSV/ｙｒ以上が好ましく、燃焼室に露出させてガンマー線を照射する以外の場合はガンマー線の減衰率を考え、放射線源自体の照射強度は１０ｍSV/yr以上が好ましい。ただ、放射線源の取り扱いを考慮すると、放射線源自体の照射強度は医学的に安全といわれる１００ｍSV/ｙｒ以下に設定されるのが好ましく、さらに好ましくは５０ｍSV/ｙｒ以下であって、通常、２０ｍSV/ｙｒ以下で使用されるのがよい。【０００９】
この放射線源としては、放射線のうちガンマー線を照射する鉱石成分を含む固形の、セラミックス等で形成される耐熱性固形物が使用される。その代表としては、モナザイト（モナズ石）成分である、セリウム、ランタン、イットリウム、トリウムなどの放射性鉱石成分を含み、花崗岩、片麻岩や砂鉱床中に産出され、希土類元素の重要な原料となっている。通常このモナザイトがラジウム鉱石と認識されており、この放射性鉱石成分をそのまま、または適宜選択して用いることができる。また、その他各種ガンマー線放射線源となる鉱物成分を適宜添加調合し、安全な領域２ｍSV/ｙｒ以上１００ｍSV/ｙｒ以下で放射線源として使用することができる。以下で述べるが、放射性鉱石成分としてカリウム４０を含む放射線源が好ましい。【００１０】
ところで、この放射線源は以下のように形態化される。第１に、燃焼領域に着火の火花を供給する点火プラグを放射線源とするのが好ましい。点火プラグは、絶緑体の碍子によって点火用電極が周囲と電気的に絶縁されてなる。点火プラグの碍子を放射線源とすることにより、点火用電極の至近に放射線源を配置し、火花が生じる周囲に確実にラジカルを発生させることができる。更に、放射線源、特に碍子が、例えば酸化アルミニウムのようなセラミックスまたはシリコンゴムの絶縁体の基体に、カリウム40化合物を含むラジウム鉱石粉末が混合されて構成されると、分子間結合を切断するのに十分に高いエネルギーのガンマー線を放射することができる。炭化水素及び酸素分子のラジカルをより確実に発生させ、点火用電極の火花領域におけるガンマー線の放射線量は好ましくは２mSV/yr以上100mSV/yr以下とすることができる。特にカリウム40は、温泉地などでも採掘可能な天然の鉱石、いわゆるラジウム鉱石を構成する元素のひとつであり、入手が容易である。また、絶縁物質であるため、碍子の成分の一つとして酸化アルミニウムに混入してセラミック材を形成しても、絶縁性能の低下を引き起こしにくく、しかも酸化アルミニウムと同等に融点が高く耐熱性に優れる。また既存の点火プラグの碍子と同じ形状に成形することが可能であり、既存のエンジンから点火プラグだけを置換して、本発明を実施することが可能である。【００１１】
上記放射線源としては第２にピストンヘッドが挙げられる。ピストンヘッドの内方にガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む耐熱性固形物、例えば放射性セラミックス材が収納されていると、燃焼開始直前の混合気をいち早くラジカル化し、燃焼を促進しやすい。【００１２】
上記放射線源としては、第３にシリンダヘッド又はシリンダ上部外套を取り巻くように上記耐熱性固形物、例えば放射性セラミックス材を配置するのがよい。該固形物にガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含ませると、シリンダ内の燃焼開始領域の炭化水素及び酸素をラジカル化するのに好都合である。【００１３】
上記放射線源としては、第４に、前記シリンダヘッドにシリンダ内部につながる貫通口もしくはシリンダヘッドの厚さの少なくとも半分の深さの非貫通口が設けられ、前記放射線源は、前記貫通口もしくは非貫通口内に設置されるようにしてもよい。放射線源は、この貫通口/非貫通口内に設置すれば、燃焼室に対してより大きな面積で放射線源を対向配置させることができるので、より弱い放射線源を用いて達成することが可能である。シリンダヘツドに開口した貫通口に、十分な強度の放射線源を配置すれば、シリンダ内部に効率よく放射線を照射することができる。シリンダヘッドに開口した非貫通口に放射線源を配置すれば、シリンダ内部に貫通口に起因する段差が生じたり、放射線源の硬度がシリンダヘッドを構成する金属部品と異なることによる破損が生じたりする不具合を回避することができる。ガンマー線は薄い金属であれば十分に透過することができるので、非貫通口であっても放射線を照射することは可能である。一瞬で消滅するラジカルは燃焼着火時に火花近傍に発生させておくことが重要であり、そのために、放射線源を着火領域の近傍、20cm以内、好ましくは15ｃm以内に20mSV/yr以下の放射線源を配置するようにするのがよい。【００１４】
上記放射線源は、カリウム40化合物を含むラジウム鉱石粉末を用いて製造され、前記燃焼又は着火領域に２mSV/yr以上１００mSV/yr以下のガンマー線を放射可能であるように調整される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、着火領域（着火点）の近傍でガンマー線を発生させ、圧縮されつつある混合気にガンマー線を照射し、燃焼直前の燃料分子及び酸素分子をいち早くラジカル化し、発生したラジカルを再結合させず、燃焼させるので、燃焼促進を行い、燃焼の改善ができる。本発明によって燃焼が促進されると、燃焼室内の燃料分子がより早く完全燃焼し、ピストンが上昇した位置にとどまっている間により多くの分子の燃焼が進むので、より多くの燃料が推力に変換されてエネルギー効率が上昇する。それに加え、不完全燃焼による大気汚染も回避できる。【００１６】
また、ガソリンとディーゼル燃料は、オクタン価とセタン価がちょうど反対の関係があり、自然発火性に関して全く反対の性能を要求されるのであるが、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれにおいても着火後の燃焼の発展過程そのものは同等であり、燃焼室内に均一に火炎が拡散し、シリンダが所定位置にとどまる間に燃焼が終了するように燃焼を促進する。１〜数/100秒というごく短時間の領域であるが、燃焼に時間を要すると、燃焼室内に火炎が広がるよりも先にピストンが下降し始め、推力に置き換わりにくく、効率の低下につながるやすいからである。したがって、燃焼の促進が燃焼効率の向上に如何に重要であるか言うまでもない。【００１７】
本発明はガソリンエンジン、ディーゼルエンジンだけでなく、ジエットエンジン等の内燃機関にも適用できる。それだけでなく、ボイラー等の燃焼機関に広く適用することができる。本発明によれば、燃焼空間で、燃料と空気等の酸化剤とを化合して燃焼させる燃焼機関において、前記燃焼開始空間に2mSV/yr以上100mSV/yr以下のガンマー線照射領域を形成し、燃料と空気等の酸化剤とからなる混合ガスに前記ガンマー線を照射し、構成分子の少なくとも一部をラジカル化することによって、前記燃料と空気等の酸化剤との化合燃焼を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガソリンエンジンのシリンダ1つを模式的に示したもので、吸気、圧縮、爆発、排気のサイクルを示す。
【図２】点火プラグの一部断面正面図である。
【図３】本発明の放射線源を点火プラグに装着したガソリンエンジンの内部説明図である。
【図４】本発明の放射線源をピストンヘッドに装着したガソリンエンジンの内部説明図である。
【図５】本発明の放射線源をシリンダヘッドの近傍周囲に装着したガソリンエンジンの内部説明図である。
【図６】ガンマー線放射線源の照射強度を示すグラフである。
【図７】株式会社小山ガレージ製エンジン実験装置の透明シリンダ内での燃焼試験でのＯＨラジカルの形成推移を撮影した高速度カメラ撮影システムを示す概略図である。
【図８（ａ）】ガンマー線を照射した場合と照射しない場合のＯＨラジカルの形成推移を示す着火時の対比写真である。
【図８（ｂ）】ガンマー線を照射した場合と照射しない場合のＯＨラジカルの形成推移を示す着火後０．０３秒時の対比写真である。
【図８（ｃ）】ガンマー線を照射した場合と照射しない場合のＯＨラジカルの形成推移を示す着火後０．０６秒時の対比写真である。
【図８（ｄ）】ガンマー線を照射した場合と照射しない場合のＯＨラジカルの形成推移を示す着火後０．１１秒時の対比写真である。
【図８（ｅ）】ガンマー線を照射した場合と照射しない場合のＯＨラジカルの形成推移を示す着火後０．１６秒時の対比写真である。
【図８（ｆ）】ガンマー線を照射した場合と照射しない場合のＯＨラジカルの形成推移を示す着火後０．２０秒時の対比写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は内燃機関の混含気の燃焼方法によって代表されるが、これに限られるものではなく、燃焼室で燃焼直前の燃料及び酸素分子をラジカル化して燃焼を促進させることを要旨とするもので、以下、自動車用ガソリンエンジンを例示して説明する。
図１はガソリンエンジンのシリンダ1つを模式的に示したものである。燃焼室はシリンダヘッド１の内部に形成された円筒形状の空間であるシリンダ２と、シリンダ２の内部を上下可動に設置されたピストン３によって形成されている。ピストン３にはクランクアーム４を通じて回転軸５と連結されており、ピストン３の上下運動が回転軸5の回転運動となって出力される。シリンダ２の上部シリンダヘッドには吸気バルブ6、吸気口６０と排気バルブ7、排気口７０、点火プラグ8が配置されている。
【００２０】
ガソリンエンジンの動作は、(1)ピストン３の低下とともに吸気バルブ６が開き、図示しない燃料供給装置から空気と燃料の混合ガスである混合気が吸気口６０からシリンダ２内に吸引される吸引工程、(2)吸気バルブ６を閉じ、ピストン３の上昇とともにシリンダ２内部に封じ込められた混合気が圧縮される圧縮工程、(3)圧縮した混合気に点火プラグ８の火花によって着火し、混合気の燃焼による体積膨張によってピストン３が押し下げられて推力を発生させる点火・爆発工程、(4)排気バルブ７を開き、排気口７０からピストン３の上昇に伴って燃焼が終了した排気ガスをシリンダ２外に放出する排気工程からなり、所定の回転運動を得ている。
【００２１】
次に点火プラグ８について述べる。図２は点火プラグ8の拡大模式図である。点火プラグ８は、自動車用エンジン等の燃焼機関の点火に用いられるものであり、該燃焼機関の燃焼室を区画するエンジンヘッドに設けられたねじ穴に挿入されて固定されるようになっている。点火プラグ８は、ラジウム鉱石粉末を含む焼結体を用いて略筒状に形成した絶縁碍子８０と絶縁碍子８０の内側に保持される中心電極８１と絶縁碍子８０の外周を覆いつつエンジンヘッドに固定する取付け金具８２と取付け金具８２に沿設された接地電極８３とによって構成される。即ち、取付け金具８２は先端側に向かって径小となる係止部８２３が形成され、内側に絶縁碍子８０の大径部８０２が係止、固定される。取付け金具８２の基端側外周にはネジ部８２２を締めつけるためのナット部８２４が形成されている。 ネジ部８２２は、エンジンヘッドに設けられたネジ穴にガスケット８５を介して螺結される。ネジ部８２２を形成した取付け金具８２の内側は、中心電極８１との間で電界を形成する側面電極８２０を構成している。絶縁碍子８０は、詳しくは絶縁碍子８０の軸孔には略長軸状に形成された中心電極８１が挿入・固定されている。絶縁碍子８０の中腹には径大となる大径部８０２が形成され、取付け金具８２の内側に係止・固定されている。絶縁碍子８０はその先端部が、取付け金具８２の先端部８２１から燃焼室側に突出している。 絶縁碍子８０の基端側は、取付け金具８２から露出する碍子頭部８０４が設けられている。取付け金具８２の先端部８２１に沿設して、接地電極８３が形成されている。 接地電極８３の側面には、中心電極８１の先端部に設けられた中心電極放電チップ８１２と火花放電ギャップ８４を介して対向して基端側に向かって突出する接地電極放電チップ８３２が設けられている。 
【００２２】
点火プラグ８は、碍子８０によって相互の絶縁が保たれ、中心電極８１と接地電極8３とが設けられた端部は燃焼室内に突出して設けられる。点火プラグ８の先端にある中心電極８１と接地電極8３との間に所定の電圧が印加されると、電極間の絶縁が破れて電流が流れる放電現象が起こり、電気火花を発生させる。この火花のエネルギーにより圧縮混合気に着火し、爆発を起こさせる。この放電は極めて短時間(約1000分の1秒)の現象であり、非常に複雑である。点火プラグ８の役割は、定められた期間に正確かつ確実に強い火花を電極間に発生させ、混合気の燃焼のきっかけを作ることにある。電気火花による着火は、電極間の燃料粒子が火花放電により活性化され、化学反応(酸化)を起こし、反応熱を発生し、火炎核ができることから起こる。この熱が周囲の混合気を活性化し、やがて自分で燃焼を周囲に広げていくだけの炎の核になる。しかし、電極の消炎作用(電極が熱を吸収して火炎を消化しようとする働き)の方が火炎核の発熱作用より大きいと火炎核は消滅し失火する。プラグギャップ８４(電極８１と8３の距離)が広いと、火炎核は大きくなり、消炎作用も小さくなるため確実な着火が期待できるが、広げすぎると大きな放電電圧が必要となり、端子に供給される電圧では放電が発生しなくなる。
【００２３】
そこで、本発明の第１の実施態様では、点火プラグから電気火花だけでなく、ガンマー線を照射して燃焼直前の燃料の炭化水素を低分子化しつつ、燃料及び空気の分子のラジカル化を促進する。これにより、着火した火炎をより早くかつ均一に燃焼室内に拡散させ、完全燃焼を実現するものである。燃料と空気の混合気にガンマー線を照射してラジカル化を促進するには、放射線源を配置する領域としては、混合気が最も圧縮されて爆発寸前にあるので、ピストンが最も上昇した位置、点火プラグ８が火花を発生させる位置が、最も優れている。図３に示すように、点火プラグ８自体を放射線源とすることで、最も効率良く、着火位置にガンマー線を照射することができる。点火プラグ８の構成の中で、碍子８０を放射線源とするのが最も好適である。一般的に碍子８０はアルミナ(酸化アルミニウム)の粉末を圧縮・焼成して作られる、いわゆるセラミックである。その目的は電極８１、８３の保持・絶縁である、このセラミックを作成する際に、アルミナに後述するラジウム鉱石粉末を混ぜて、圧縮・焼成する。ラジウム鉱石粉末は、鉱物を粉砕して作る粉末であり、絶縁物であるので、アルミナに混入してセラミックを形成しても絶縁性は保たれる。また、ラジウム鉱石粉末に含まれる放射性同位体は、碍子８０の圧縮・焼成工程においても放射性能を失うこと無く維持される。碍子８０は中心電極８１と接地電極8３の周囲を覆って絶縁しており、そこを放射線源とすることで、着火位置の至近から混合気にガンマー線を放射することができ、燃焼領域に２〜５０ｍSV/yr、好ましくは２０ｍSV/yr以下のガンマー線を照射するように調整されている。これによって、着火の瞬間に生成されたラジカルは、直ちに燃焼の促進に寄与するのである。これによって、点火プラグの目的である電極の保持・絶縁に加えて、放射線源としての目的を付与することができる。点火プラグは、交換可能な消耗品であり、既存のエンジンをそのまま活用し、点火プラグだけを本実施形態の点火プラグに交換することで、容易に実施することが可能である。また、並んだシリンダヘッドの形状が異なっていても各シリンダヘッドにおけるガンマー線濃度を統一しやすい。
【００２４】
ガンマー線放射線源
図６に、本実施形態で用いたラジウム鉱石粉末のガンマー線放出核種の放射能濃度を示す。ラジウム鉱石粉末は鉛、タリウム、ビスマス、アクチニウム、カリウムを含有している。この中で、特に注目すべきはカリウムの放射性同位体であるカリウム４０である。カリウム４０は核の崩壊によって１４６０ｋｅＶのエネルギーを持つガンマー線を放出する。このエネルギーは、炭化水素鎖の分子間結合を切断するのに十分に高いエネルギーである。ガンマー線の放出核種の放射能濃度をＧｅ半導体検出器を用いたガンマー線スペクトロメトリ（ＥＧ＆Ｇ  ＯＲＴＥＣ社製ＧＭＸ−４０１９５−Ｓ）を用いて共試量５．０ｇのラジウム粉末を測定した結果を図６に示す（測定時間２０００秒）。図６では、鉛２１２のエネルギーは２３６．６ｋｅＶであるのに対し、カリウム４０は１４６０ｋｅＶと大きなエネルギーを有することが示されている。
【００２５】
次に、第２の実施形態について説明する。図４は第２の実施形態のピストンヘッドを示す。図４では前記放射線源がピストンヘッド３であって、その内部にガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含む円盤形固形物３０が収納され、取り付けられる。円盤状固形物３０はガンマー線を発生する放射性鉱石成分を含むセラミック材から形成されるので、燃焼領域に２ｍSV/yr以上、５０ｍSV/yr以下、好ましくは、２０ｍSV/yr以下の強度のガンマー線を照射するように調整される。ピストンヘッド３がシリンダヘッドに最接近する燃焼開始直前にピストンヘッド３とシリンダヘッドの間にある炭化水素と酸素分子の混合気はガンマー線の照射を受けてエネルギーのロスなくラジカル化されるため、ラジカル元素同士の反応が促進され、燃焼が促進されることになる。その他は図３と同じであるので、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。
【００２６】
次に、第３の実施形態について説明する。図５は前記放射線源がシリンダヘッド又はシリンダ上部外套を取り巻く耐熱性固形物９であって、セラミック材から一対の円筒形９０、９１に形成され、図示しないクラップ等で緊締され、シリンダヘッド周囲を取り囲むように取り付けられる。セラミックス材からなる固形物９はガンマー線を発生する放射性鉱石粉末を含み、燃焼領域に２ｍSV/yr以上５０ｍSV/yr以下、好ましくは、２０ｍSV/yr以下の強度のガンマー線を照射するように調整される。この場合は後付けが容易であるので、エンジンの改造なく、実施できる利点がある。さらに、内部空間の容積による制限を受けないので、ガンマー線照射強度を比較的自由に調節できる。点火プラグ８のセラミック碍子又はピストンヘッド内のセラミック材に代えて又は共存して用いることができる。このようなセラミック材はシリンダヘッド側面でもよいし、上端を覆うカバー形状や基板上としてもよい。その他は図３と同じであるので、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。
【００２７】
また、第４としては、図示しないが、シリンダヘッドに貫通ロを開口し、ラジウム鉱石粉末を圧縮・焼成したセラミック材を充填して、点火プラグの周囲からガンマー線を照射しても良い。このように形成すれば、貫通口は点火プラグの碍子よりも大きくし、十分な量の放射線源を着火位置の近傍に配置することができる。但し、シリンダヘッドに貫通口を開口することは、シリンダ内部に貫通口に起因する段差を生じさせ、異なる材質の硬度の差によって磨耗速度が異なることなどからシリンダヘッドの機械的強度を低下させる可能性があるが、そのような場合は、貫通口ではなく、シリンダヘッドの厚さの半分程度の深さの非貫通口を形成し、そこにラジウム鉱石粉末を圧縮・焼成したセラミック材を充填しても良い。シリンダヘッドは典型的には鉄であり、ガンマー線は数cmの厚さであれば鉄を透過してシリンダヘッドの外部から着火位置に照射することが可能である。ピストンが最も上昇した位置、すなわち点火プラグの着火位置の真横にあたる位置のエンジン外形に合わせた形状に、上述したラジウム鉱石粉末を混入したアルミナセラミックを形成すれば、エンジンの外部に取り付けることが可能である。着火位置の周囲を放射線源が取り囲む形状とすることによって、放射線源が発するガンマー線を効率よく着火位置に照射することができる。いずれにせよ、シリンダ内部の点火プラグ近傍が、２mSV/yr〜２０mSV/yrとなるガンマー線を照射すればよい。但し、ガンマー線は放射線源からランダムな方向に放射状に放たれるため、距離が遠すぎると点火プラグ近傍への照射量を維持するために、それ以外の領域へのガンマー線放射量を増大させざるを得なくなり、健康被害などの心配が生じる。そのために、放射線源を着火領域の近傍、20cm以内、好ましくは15cm以内に配置すると良い。
【００２８】
上記実施形態ではガソリンエンジンを例に説明したが、ディーゼルエンジン、船舶用エンジン、ジェットエンジンなど燃料を燃焼させて推力を得る内燃機関であれば、実施可能である。用いる燃料もガソリンに限定されるものではなく、軽油、灯油、重油などを燃料として使用する場合も、燃料の低分子化、ラジカル化が行われ、燃焼に効率よく利用される。ちなみにガソリンエンジンで上述したガンマー線照射環境にしておくと、軽油や灯油をガソリンの代わりに使用しても、黒煙の排出やノッキングが発生しなくなる。これは、炭化水素の低分子化、ラジカル化により燃焼の促進が起こる結果と推察される。
【００２９】
(燃焼促進確認実験)
次に、本発明の効果を検証する実験について述べる。上述したように、100以上ある燃焼の素反応は、開始反応、連鎖分岐反応、置換反応、停止反応の4つに分類される。この中で、燃焼の化学反応の進行を観察するにあたり、本発明者はOHラジカルに着目した。OHラジカルは、開始反応前には存在せず、中間の多くの素反応で生成され、停止反応後には消滅するからである。従って、OHラジカルを観察することで、燃え残り等の反応前後の物質に惑わされること無く燃焼の活発さを観察することができる。OHラジカルは、燃焼時に310nmと430nmの波長の光を放出することが知られている。従って、この波長の光の強度を観察すれば、OHラジカルの燃焼の活発さを観察することができる。
【００３０】
（実験設備）
そこで、以下の実験により、ガンマー線を照射した場合としない場合の燃焼形態を比較した。シリンダの実物大エンジン模型（小山ガレージ製）を用いた。この機器では単気筒で、エンジンシリンダ部分は水晶製で透明となっている。実際のエンジンとは逆に、外部モーターの回転によってシリンダが上下運動を行い、これに連動して各種バルブの開閉、燃料噴射、点火プラグによる点火を行うことができる。力の作用は逆であるが、燃焼の様子を実際のエンジンと同じ大きさの燃焼室、同じプラグ点火と同じタイミングでのシリンダ上下の環境下で、外部から観察できる。エンジンの仕様はボアクロストーク86mmX86mm、排気量500ccである。空燃比12,5、回転数1500rpmで動作させ、図７に示す株式会社フォトロン製高速度カメラ撮影システムで撮影を行った。高速度カメラの前面に取り付けたバンドパスフィルタレンズは、中心波長310nm、430nmの光を選択的に透過させ、他の波長の光は遮断する。上述したように、この波長はOHラジカルが燃焼する際に放出される光の波長であるので、バンドパスフィルタレンズを通して撮影された火炎は、OHラジカルの燃焼素反応の様子を示しているものと言える。
【００３１】
以上の実験設備でラジウム鉱石粉末をシリコンゴム筒に充填した放射線源（２０mSV/yr）をシリンダヘッドの側面に取り付けた場合と、取り外した場合とで比較実験を行った。ここで用いた放射線源は、ラジウム鉱石粉末をシリコンチューブに収納したものを用い、シリンダヘッドに着脱自在となるようにした。放射線源の配置位置は、シリンダヘッド上部位置であり、これは点火プラグの着火位置から直線で15cm以内であった。なお、この放射線源を、ガンマー線スペクトロメトリ（ＥＧ＆Ｇ  ＯＲＴＥＣ社製ＧＭＸ−４０１９５−Ｓ）を近接させて測定したところ、20mSV/yrであった。この放射線源によって、シリンダ部分の水晶部品を通して着火プラグの位置は有効照射強度が2〜3mSV/yr以上となっている。
【００３２】
図８(a)乃至(f)に、前記高速度カメラで撮影されたOHラジカルの燃焼の様子を、ガンマー線照射の有無で対比して示す。全て左側がガンマー線照射された本発明の実施形態、右側がガンマー線照射されなかった比較例の写真である。ガンマー線照射の有無以外の諸条件は同じである。図８(a)の着火の瞬間から経過時間毎に、(b)0.03秒、(c)0,06秒、(d)0,11秒、(e)0.16秒、(f)0,20秒の6コマを動画から切り出したものである。
【００３３】
着火の瞬間、図８(a)は実施例、比較例ともに点火プラグによる火花が輝点となって写っている。この時点ではOHラジカルは存在しないため、火花の輝点以外は暗闇となっている。着火後0.03秒、図８(b)ではOHラジカルが発生しており、この時点では輝点の周囲に雲状の火炎が確認できる。ガンマー線が照射された実施形態の左写真は、比較例の右写真に比較して3倍程度の長さの火炎となっていることが判読できる。OHラジカルの発生量(火炎の体積)はガンマー線照射された方がおよそ30倍多いことになる。
【００３４】
着火後0.06秒、図８(c)では、ガンマー線照射下の実施形態はすでに本格的な燃焼に移っており、この時点では明るい火炎が観察されているが、ガンマー線非照射下の比較例ではまだ薄暗い雲状の火炎にとどまっている。
【００３５】
着火後0.1１秒、図８(d)では、実施形態では燃焼が最盛期であり、この時点では全体に火炎が広がっているが、比較例では左側のみに暗い領域が観察されており、燃焼が不均一であったと推察される。両方の写真の中央付近にある影は、点火プラグの燃焼室に突出した碍子、点火用電極、接地電極の影である。
【００３６】
着火後O.16秒、図８(e)では実施形態では局所的な火球は見られるものの、この時点では燃焼が収束に向かい全体的に暗くなり始めている。比較例ではまだ燃焼が継続している。ここで注目すべきは図８(d)に比べて図８(e)では明るい領域が下方に拡大している点である。これはすでにシリンダが下降を始めていて、燃焼室が下方に広がっているためである。
【００３７】
着火後0.20秒、図８(f)では、本発明の実施形態ではOHラジカルはすでに消失しているが、比較例では未だ消失しきらず、火球も残っており、未燃焼ガスが残留している様子が観察されている。
【００３８】
以上の実験から、実施形態のガンマー線照射下での燃焼は、ガンマー線非照射下の比較例に比較して、OHラジカルの生成速度が速く、燃焼の伝播が均一で、未燃焼ガスの残留が少ない様子が観察できた,ガンマー線照射により、混合気の単価水素分子、酸素分子のラジカル化が促進されたから燃焼速度が増加し、未燃焼成分が残留せず、シリンダヘッドが上端に位置する間に完全燃焼が起こる、即ち、燃焼が終了するのである。本実験は模型による実験であるが、同様の現象は当然、実際の内燃機関でも同様に発生すると考えられる。
【００３９】
本実施形態において、燃え残り、いわゆるススの発生はなく、燃焼室に注入された燃料は全て燃焼した。更に、本実施形態では、シリンダヘッドが下降し始める前に燃料ガスの燃焼が終了することで、その膨張エネルギーがより効率的に駆動力に変換される。シリンダヘッドが下降し始めた後で燃焼する分は、燃焼が進行したとしてもすでに燃焼空間自体が拡大を開始しているため、最終的に完全燃焼したとしても、その燃焼分はあまり推進力には寄与しないからである。従って、内燃機関の燃焼効率改善、排気ガスの清浄化が達成できる。但し、内燃機関を構成するシリンダヘッドは典型的には鋼鉄製であり、水晶とはガンマー線の透過率が異なる点を考慮して放射線源の強度を選択する必要がある。シリンダヘッドの周囲にそのまま放射線源を配置する場合、実際のエンジンの形状やスペースの問題から、着火点の近くに配置することが困難である場合も想定される。そのような場合でも、点火プラグの着火点、より具体的には、点火用電極と接地電極の中間点におけるガンマー線照射強度が2〜3mSV/yr以上を確保することで、上述した実験と同様の効果が期待できる。
【産業上利用分野】
【００４０】
以上、ガソリンエンジンを例に本発明を説明したが、発明者の知見によれば、ガンマー線照射下に置いては、例えば植物の種子や廃棄物を粉砕したもの(典型的には小麦粉であるが、例えばパームオイルを抽出した後のスラッジなどでも同様である)を空気中に噴霧して空気と混合した混合ガスに着火しても、ガンマー線非照射下に比較して大きな火炎となることが判明している。してみれば、本発明の技術思想は自動車及び船舶のガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、航空機のジェットエンジン等の内燃機関に限定されるものでなく、機関車のような外燃機関、火力発電所やボイラーの燃焼機関に適用しても、燃料効率の改善が期待できる。したがって、本発明において、燃焼機関とは上記内燃機関だけでなく、広く内燃機関以外の燃焼機関を含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図８（ｃ）】
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【図８（ｄ）】
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【図８（ｅ）】
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【図８（ｆ）】
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【国際調査報告】
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