(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関のリーン燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上しうる燃料改質装置及びこれを用いた燃料点火システムを提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室において、光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源と、燃焼行程で生成される水を燃焼室内に保持・回収する手段とを備え、光源から照射された光を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素を生成する燃料改質装置である。水保持・回収手段として水トラップ材を備える。水保持・回収手段として内部ＥＧＲや外部ＥＧＲを備える。更に犠牲試薬を供給する手段を備える。犠牲試薬が燃料とする。  燃料改質装置を適用した燃料点火システムである。【選択図】図４
2007120369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室において、光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源と、燃焼行程で生成される水を燃焼室内に保持・回収する手段とを備える燃料改質装置であって、
光源から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素を生成することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
水保持・回収手段として水トラップ材を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
水保持・回収手段として内部ＥＧＲ及び／又は外部ＥＧＲを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
更に犠牲試薬を供給する手段を備え、光触媒による酸化反応を促進させうることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
上記犠牲試薬が燃料であることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。
【請求項６】
上記犠牲試薬がアルコールであることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。
【請求項７】
上記犠牲試薬が排気から回収した未燃の炭化水素であることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料改質装置を適用したことを特徴とする燃料点火システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質装置及びこれを用いた燃料点火システムに係り、更に詳細には、光触媒による水分解反応を利用することでエネルギー利用効率を向上できる燃料改質装置及びこれを用いた燃料点火システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化ガスの一つである二酸化炭素を削減する手段として、希薄燃焼による燃料消費率の改善が挙げられる。特に、筒内噴射ガソリンエンジンにおいては、タンブルやスワールの強化、点火系の強化により空燃比が５０〜６０程度まで拡大している。
しかし、これ以上の空燃比では火炎が筒内に十分に伝播することが困難となり、燃焼が不安定になる。
【０００３】
また、超希薄混合気においても筒内に火炎を十分伝播する方法としては、火炎核をより大きくすることや、点火プラグを複数配置して火炎伝播距離をすることや、更には火炎伝播速度が向上する混合気とすることなどが知られている。
【０００４】
例えば、プラグの電極間距離を拡大し高電圧を供給することにより、火炎核を大きくすることが提案されているが、より高電圧を供給するため、電極の寿命を短くすることがある（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「スパークプラグ」西尾兼光、山海堂（１９９９）
【０００５】
また、点火プラグを複数配置することにより火炎伝播距離を短縮することが提案されているが、シリンダヘッドの吸排気バルブがあるため、点火プラグを３個以上設置することは難しい（特許文献１参照）。
【特許文献１】特公昭５９−１８５３３号公報
【０００６】
更に、水素を供給することにより火炎伝播速度を向上する方法が提案されているが、水素貯蔵用タンクや水素吸蔵合金を利用するため、非常に高価である（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献２】特開２００５−１５５５７０号公報  更にまた、プラズマを利用して燃料から水素を生成する方法が提案されているが、効率が低いために十分な水素量を供給することが難しい（特許文献３参照）。
【特許文献３】特開２００５−９８２２６号公報
【０００８】
また、触媒によるアルコール改質反応により、火炎伝播速度が向上する混合気とすることが提案されているが、この方法には、高温の反応温度を必要とし、また水の電気分解に要する消費電力も多い（特許文献４参照）。
【特許文献４】特開昭５８−７４５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来の方法はいずれもコストや効率に問題があり、また水やアルコールなどの水素発生源を別途供給する必要があった。
【００１０】
一方、混合気の点火にレーザー光を利用する方法が知られている（非特許文献２参照）。
この方法は、任意の位置で焦点を結び、この焦点で混合気が点火ができるため、点火自由度が高く、また安定した燃焼が実現できる。
【非特許文献２】自動車技術会  学術講演会前刷集  ２００５５００７
【００１１】
他方、光触媒と水を共存させ、光を照射すると水素と酸素が生成することが知られている。
これは、光触媒が光を吸収し価電子帯の電子を伝導帯へ励起することで電子と正孔が生成し、この電子が水を還元して水素を発生させ、正孔が水を酸化して酸素を発生させることによる。
【００１２】
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、内燃機関のリーン燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上しうる燃料改質装置及びこれを用いた燃料点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】
【００１３】
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、混合気を燃焼するときに発生する１０％程度の水を光触媒と共存させるとともに、光を照射することにより、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。
【００１４】
即ち、本発明の燃料改質装置は、内燃機関の燃焼室において、光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源と、燃焼行程で生成される水を燃焼室内に保持・回収する手段とを備える燃料改質装置であって、
光源から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素を生成することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の燃料点火システムは、上記燃料改質装置を適用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、混合気を燃焼するときに発生する１０％程度の水を光触媒と共存させるとともに、光を照射することとしたため、内燃機関のリーン燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の燃料改質装置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。
【００１８】
本発明の燃料改質装置は、内燃機関の燃焼室において、光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源と、燃焼行程で生成される水を燃焼室内に保持・回収する手段とを備えて成る。
【００１９】
これより、光源から照射された光の少なくとも一部を光触媒が吸収し、燃焼室に存在する水から水素が生成される。
言い換えれば、従来のように水素発生源となる水やアルコールを外部から供給する必要がなく、既存のシステムにおける燃料の燃焼によって生成した水から光触媒水分解反応を利用して水素を生成できる。
【００２０】
また、生成した水素を混合気に供給することにより、燃焼速度が増加し、希薄燃焼領域が大幅に拡大する。
更に、図１に示すように、光触媒はバンドギャップ以上の光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起して電子と正孔を生成する。そして、電子は水を還元して水素を生成し、正孔は水を酸化して酸素を生成する。このように、水素を生成する際は同時に酸素も生成するため、混合気中の酸素濃度が増大できるので出力も向上しうる。
【００２１】
ここで、上記光触媒は、伝導帯の下端のエネルギー順位が水からの水素発生電位よりマイナス側にあることが必要である。
上記光触媒としては、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、タンタル酸カリウムなどを用いることができる。
これら光触媒は、燃焼室内の任意の部位、具体的には、ピストンヘッド上部や、シリンダヘッド外周辺に配設することができる。また、多孔質無機担体に担持した形態で光触媒を配設してもよい。
なお、燃焼室は、特に限定されるものではなく、例えば、半球形型、多球形型、くさび型、バスタブ型、ペントルーフ型などを所望の排気量で使用できる。
【００２２】
また、上記光源は、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、自由電子レーザーなどを適宜用いることができる。更に、キセノンランプ、ハロゲンランプ、高圧水銀灯などを使用してもよい。
【００２３】
なお、これら光源は、光触媒のバンドギャップ以上の波長を有する光を発生できればよく、連続でもパルスでもよい。
【００２４】
本発明の燃料改質装置において、上記水保持・回収手段としては、水トラップ材を用いることが好適である。
このときは、燃焼室内の水をより多く吸着させることで水の利用効率を向上できる。これにより、より多くの水素を生成させて、混合気中の水素濃度を増大できる。
【００２５】
上記水トラップ材としては、例えば、ゼオライト、酸化マグネシウムなどを使用できる。
また、これら水トラップ材は、光触媒と接触していること又は光触媒の近傍に配置することが望ましく、代表的には、光触媒上に配設したり、該水トラップ材上に光触媒を配設して使用できる。
【００２６】
また、上記水保持・回収手段としては、内部ＥＧＲ（Ｅｘｈｏｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）、外部ＥＧＲのいずれか一方又は双方を用いることも好適である。
このときは、該ＥＧＲが燃焼行程で生成した水を燃焼室内に供給することで、光触媒水分解反応素により水素が生成し、混合気中の水素濃度が増加しうる。なお、ＥＧＲを用いるときは、上記水トラップ材を併用して燃焼室内に配設し、供給した水を吸着させることが望ましい。
例えば、図３に示すように、ＥＧＲコントロールバルブ、ＥＧＲバルブ、サーモバルブ、ダイヤフラムから構成される外部ＥＧＲを設置し、排気バルブ４から排出された排ガス中の水を吸気側へ回収することができる。
【００２７】
本発明の燃料改質装置においては、光触媒による酸化反応を促進させる観点から、犠牲試薬を供給する手段を備えることが好適である。
光触媒水分解反応では、水から水素を生成する還元反応は容易に進行するが、水を酸化して酸素を生成する酸化反応は進行しにくい。このため、図２に示すように、犠牲試薬を供給して酸化反応を促進させれば、水の還元反応により水素の生成が阻害されることを回避できるので有効である。
上記犠牲試薬供給手段としては、例えば、パイロット噴射や主噴射の一部を利用するものが挙げられる。
【００２８】
上記犠牲試薬としては、代表的には、燃料を使用することができる。
このときは、燃焼行程で生成した水と、犠牲試薬として水よりも容易に酸化される燃料を用いることで、これら光触媒水分解反応素により水素を円滑に生成でき、混合気中の水素濃度を増大できる。
言い換えれば、水分解反応での半反応である酸化還元反応において、酸化反応に水の代わりに燃料が用いられるので、水の還元反応が促進され水素生成量が増加しうる。
【００２９】
なお、上記燃料とは、代表的には、ガソリン、軽油、ＬＰＧなど、一般的な内燃機関の燃焼室に混合気体として噴射される燃料をいう。
【００３０】
また、上記犠牲試薬としては、アルコールを使用することもできる。
このときは、燃焼行程で生成した水と、犠牲試薬として上記燃料よりもより酸化されやすいアルコールを用いることで、これら光触媒水分解反応素により水素を更に円滑に生成でき、混合気中の水素濃度を増大できる。
言い換えれば、水分解反応での半反応である酸化還元反応において、酸化反応に水の代わりにアルコールが用いられるので、水の還元反応が更に促進され水素生成量が増加しうる。
【００３１】
なお、上記アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどが使用できる。
また、アルコールの使用形態としては、単体での使用や複数種を混合して使用する他にも、例えば、ガソリンや軽油などの燃料にエタノールを添加したり、バイオ燃料を利用することなどができる。
【００３２】
更に、上記犠牲試薬としては、排気から回収した未燃の炭化水素を使用することもできる。
このときは、燃焼行程で生成した水と、犠牲試薬として炭化水素を用いることで、これら光触媒水分解反応素により水素を更に円滑に生成でき、混合気中の水素濃度を増大できる。
言い換えれば、炭化水素は酸化されれば二酸化炭素と水になるため、逆反応が進行する水に比べて非常に有効となる。
【００３３】
なお、上記炭化水素としては、例えば、エチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエンなどが挙げられる。
また、排気中の未燃の炭化水素を利用するには、内部ＥＧＲや外部ＥＧＲを適宜使用すればよい。
【００３４】
次に、本発明の燃料点火システムについて詳細に説明する。
本発明の燃料点火システムは、上述した燃料改質装置を適用して成る。
具体的には、例えば、図３に示すように、シリンダ２とピストン１で形成される燃焼室に、吸気バルブ３、排気バルブ４、図示しない点火手段を備えている。また、燃料改質装置として、光源５、光触媒６、水トラップ材７を備えている。
【００３５】
図３に示すように、まず、燃焼行程で生成した水は、排気行程〜吸気行程〜圧縮行程においては、光触媒６の近傍に配設した水トラップ材に吸着される。
また、混合気を爆発させるまでの吸気行程〜圧縮行程においては、光源５から光触媒６に照射する光の作用で、水素に分解される。
次いで、圧縮行程において水素濃度が増大された混合気は、点火手段により点火される。
【００３６】
このように、本発明の燃料点火システムは、混合気の水素濃度を増加させてから点火するので、リーン限界が拡大し、燃料の利用効率に優れた内燃機関が実現できる。
【００３７】
なお、上記点火手段としては、例えば、光源５により照射する光の波長を切り替えることにより行うことができ、光源５の照射角度、照射範囲などを調製して点火タイミングを制御することができる。
また、従来の点火プラグを用いた火花点火により点火することもできる。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、レーシング用などが挙げられる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
燃焼室に、光触媒として酸化チタンを０．１ｇ配設した。また、この光触媒に光を照射し得る光源としてキセノンランプを配設した。
次いで、燃焼行程で生成される水と同程度の水分（質量換算で１０％）を含み、メタンと酸素を１：２の割合で含むモデルガスを燃焼室内に供給し、光源から光触媒へ３００〜４００ｎｍの光を照射した。
光照射後に燃料室内の水素濃度を測定したところ、０．１％であった。
【００４０】
（実施例２）
光触媒の近傍に水トラップ材としてゼオライトを０．１ｇ配設した以外は、実施例１と同様の操作を繰返した。
光照射後に燃料室内の水素濃度を測定したところ、０．１３％であった。
【００４１】
（実施例３）
更にモデルガスに犠牲試薬としてメタノールを２％混合した以外は、実施例２と同様の操作を繰返して、モデルガスの改質を行った。
光照射後に燃焼室内の水素濃度を測定したところ、０．３％であった。
【００４２】
本発明の好適形態である実施例１〜３の燃料改質装置によれば、水素濃度が増大することがわかった。特に水トラップ材や犠牲試薬を用いるとより水素生成能が大きい。
また、本発明の好適形態である実施例４の燃料点火システムでは、混合気の水素濃度の増大により、リーン限界が拡大するので、特に燃焼行程〜排気行程〜吸気行程〜圧縮行程が繰返される自動車等の内燃機関では、良好なエネルギー効率が得られることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】光触媒による水分解反応を示す概略図である。
【図２】犠牲試薬を用いたときの光触媒による水分解反応を示す概略図である。
【図３】外部ＥＧＲを用いた燃料点火システムの概略図である。
【図４】燃料点火システムの各行程を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  ピストン
２  シリンダ
３  吸気バルブ
４  排気バルブ
５  光源
６  光触媒
７  犠牲試薬
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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