(57)【要約】      （修正有）【課題】混合気の燃焼を促進させて、ＰＭの生成を抑制し得る内燃機関の燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法を提供すること。【解決手段】光触媒と光源とを備え、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、燃焼室に存在する燃料を改質する内燃機関の燃料改質システムである。  燃料ガスを光触媒と接触させるとともに、該光触媒に光源から照射された光を吸収させて、該燃料ガスを含酸素化合物や水素を含む混合気に改質する。  光触媒と光源とを備え、燃料の改質を促進し、改質後の混合気の点火を促進する内燃機関の燃料点火システムである。  異なる単波長の光を複数発生させること、光を光学フィルターを介して複数の波長を有する光を発生させることなどにより、改質と点火を行わせる燃料点火方法である。【選択図】図１
2007064060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に配設する光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源とを備える内燃機関の燃料改質システムであって、
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、燃焼室に存在する燃料を改質することを特徴とする内燃機関の燃料改質システム。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の燃料改質システムを用いた燃料改質方法であって、
上記燃焼室に燃料及び空気を混合した燃料ガスを送入し上記光触媒と接触させるとともに、該光触媒に上記光源から照射された光の少なくとも一部を吸収させて、
該燃料ガスを、含酸素化合物及び／又は水素を含む混合気に改質することを特徴とする燃料改質方法。
【請求項３】
上記光源の照射出力を変更して、燃料の部分酸化反応、混合気の着火のそれぞれを行わせることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質方法。
【請求項４】
含酸素化合物及び／又は水素を含む混合気を、火花点火により着火することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質方法。
【請求項５】
燃焼室に配設する２種以上の光触媒と、これら光触媒に光を照射し得る光源とを備える内燃機関の燃料着火システムであって、
上記光触媒の少なくとも１種は、光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料の改質を促進し、
上記光触媒の少なくとも１種は、光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して改質後の混合気の着火を促進する、ことを特徴とする内燃機関の燃料着火システム。
【請求項６】
上記燃焼室が、シリンダヘッド内壁とピストンヘッドによって形成され、
上記改質用光触媒と上記着火用光触媒が、ピストン冠面に均一に分散、配設されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃料着火システム。
【請求項７】
上記燃焼室が、シリンダヘッド内壁とピストンヘッドによって形成され、
上記着火用光触媒と上記改質用光触媒とがピストン冠面に別個独立に配設されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃料着火システム。
【請求項８】
上記着火用光触媒がピストン冠面の中心部及び外周部に配設され、これらの間に上記改質用光触媒が配設されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の燃料着火システム。
【請求項９】
請求項５又は６に記載の内燃機関の燃料着火システムを用いた燃料着火方法であって、
上記光源を複数用い、異なる単波長の光を複数発生させること、及び／又は上記光源からの光を光学フィルターを介して変更し、複数の波長を有する光を発生させることにより、
燃料の改質反応と混合気の着火のそれぞれを、異なる波長域の光を用いて行わせることを特徴とする燃料着火方法。
【請求項１０】
請求項７又は８に記載の内燃機関の燃料着火システムを用いた燃料着火方法であって、
上記光源を複数用い、異なる単波長の光を複数発生させること、及び／又は上記光源の照射位置を変更させることにより、
燃料の改質反応と混合気の着火のそれぞれを行わせることを特徴とする燃料着火方法。
【請求項１１】
請求項５〜８のいずれか１つの項に記載の内燃機関の燃料着火システムを用いた燃料着火方法であって、
上記光源の照射時間及び／又は照射出力を変更させることにより、燃料の改質反応と混合気の着火のそれぞれを行わせることを特徴とする燃料着火方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法に係り、更に詳細には、光触媒の緩慢な酸化反応を利用することでＰＭ（パティキュレートマター）の生成を抑制できる内燃機関の燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の点火方式の１つとしてレーザー点火方式が知られている。レーザー点火方式は、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、他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】
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１，２参照）。
【特許文献１】特開昭５８−１９５０７４号公報
【特許文献２】特開昭６３−１７３８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述のような、光を用いた混合気点火のコンセプトはあるものの、これらは熱エネルギーによる気相反応を利用したものであり、点火時のエネルギー消費が非常に大きいという問題点があった。
また、レーザー点火方式を採用すると装置構成が大きくなってしまい、車載が困難となるという問題点もあった。
【０００６】
一方、燃焼を改善する別の手段として、燃料を改質する方法が知られている。改質した燃料を燃焼室内に供給するものであり、水素や含酸素化合物に改質することによりリーン限界の拡大、すすの低減に効果がある。
しかし、触媒反応による燃料改質は温度制御が困難であった。
【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、混合気の燃焼を促進して、ＰＭ（パティキュレートマター）の生成を抑制し得る内燃機関の燃料改質システム、燃料改質方法、燃料点火システム及び燃料点火方法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、光触媒反応により燃料の一部を改質して水素や含酸素化合物を生成させることにより、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、本発明の内燃機関の燃料改質システムは、燃焼室に配設する光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源とを備える内燃機関の燃料改質システムであって、
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、燃焼室に存在する燃料を改質することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光触媒反応により燃料の一部を改質して水素や含酸素化合物を生成させるので、混合気の燃焼が促進され、ＰＭ（パティキュレートマター）の生成を抑制し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の内燃機関の燃料改質システム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。
【００１２】
本発明の内燃機関の燃料改質システムは、燃焼室に配設する光触媒と、この光触媒に光を照射し得る光源とを備えて成る。
これより、光触媒が光源から照射された光の少なくとも一部を吸収することで、燃焼室に存在する燃料を改質することができる。
【００１３】
照射条件を変更することにより光触媒反応の酸化力を抑制して、燃料を完全酸化せず中間生成物に改質することができ、点火し易い含酸素化合物や水素を高濃度で含む混合ガスを燃焼室内に充満させ得る。また、光を照射したときにのみ改質反応が進行するため、運転状況に応じて燃料組成を適宜変更できる。
【００１４】
反応機構に関して、光触媒にバンドギャップ以上のエネルギーをもつ光が照射されると、価電子帯から伝導帯へ電子が励起され価電子帯には正孔が生じる。そして、電子や正孔は触媒表面に移動し、電子は還元反応、正孔は酸化反応を行う。
このときの酸化還元力は、伝導帯下端が高ければ高いほど還元力が強く、価電子帯上端が低ければ低いほど酸化力が強くなる。
よって、本発明では、燃料の種類や、光触媒の種類、配置、量や、光源の照射光の波長、光子エネルギーの強さなどを調節することで、所望の改質ガスを得ることができる。
【００１５】
ここで、上記光触媒としては、例えば、銅などの遷移金属をシリカなどの多孔質材料に担持した触媒などが使用できる。
これらを使用するときは、酸化反応を制御し易く、完全酸化反応を抑制することで中間生成物を生成し易くなる。
【００１６】
また、これら光触媒の担持部位は、混合気に接触できる限り特に限定されないが、改質効率を向上させる観点からは、比表面積を増加させて担持することが有効である。
例えば、高い比表面積をもつアルミナ、チタニア、シリカ、イットリア、ジルコニア又はセリア、及びこれらを任意に組合わせて成る多孔質無機担体に担持して使用することができる。このときは、光触媒は、多孔質無機担体に担持した形態で、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のが良い。
【００１７】
更に、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照射できるものを適宜使用できる。
また、キセノンランプ、ハロゲンランプ、高圧水銀灯なども適宜使用できる。
【００１８】
なお、改質する燃料は、特に限定されるものではなく、例えば、酸素−メタン、空気−ガソリンなど燃料ガスとして使用できる。
また、上記燃焼室は、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。
【００１９】
次に、本発明の燃料改質方法について詳細に説明する。
本燃料改質方法は、上述の内燃機関の燃料改質システムを用い、燃焼室に燃料及び空気を混合した燃料ガスを送入し光触媒と接触させるとともに、該光触媒に光源から照射された光の少なくとも一部を吸収させて、該燃料ガスを、含酸素化合物、水素のいずれか一方又は双方を含む混合気に改質する。
【００２０】
このように、燃料に空気を供給することにより、燃料を含酸素化合物や水素に改質できる。具体的には、酸素の存在により部分酸化反応が進行して含酸素化合物が生成する。
含酸素化合物としては、メタノール、エタノールなどのアルコール類のほか、アルデヒド類などが挙げられる。
これら含酸素化合物が生成することにより、排気ガス中のＰＭ生成を抑制できる。
【００２１】
また、本燃料改質方法においては、上記光源の照射出力を変更して、燃料の部分酸化反応、混合気の点火のそれぞれを行わせることができる。即ち、照射する光子量を増加すると酸化反応に必要な正孔数が増加し、反応速度を高めることができるので、改質量を増加できる。
例えば、自動車などの内燃機関においては、負荷変動にともない供給される燃料量が増加するので、これに対応するために光子量を増やす、つまり出力を増加することが重要である。
【００２２】
更に、本燃料改質方法においては、含酸素化合物、水素のいずれか一方又は双方（改質ガス）を含む混合気を、火花点火により点火することができる。
このときは、手段が限定されることなく従来の点火プラグなどを使用できるので、コストを低減できる。
なお、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。
【００２３】
次に、本発明の内燃機関の燃料点火システムについて詳細に説明する。
本燃料点火システムは、燃焼室に配設する２種以上の光触媒と、これら光触媒に光を照射し得る光源とを備えて成る。
また、上記光触媒として、光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して燃料の改質を促進する光触媒と、光源から照射された光の少なくとも一部を吸収して改質後の混合気の点火を促進する光触媒と、が少なくとも１種ずつ配設されて成る。
【００２４】
このように、酸化力の異なる光触媒を配設することで、光触媒の酸化力に合わせて改質と点火のそれぞれの反応を制御できるようになる。よって、改質ガスを含む混合気を効率良く点火できる。
即ち、酸化還元力に関しては、伝導帯下端が高ければ高いほど還元力が強く、価電子帯上端が低ければ低いほど酸化力が強くなる。従って、酸化力を制御するためには、価電子帯上端の位置の異なる金属酸化物を配設すればよい。また、同じ金属酸化物であってもアニオンをドープして価電子帯の位置を高くして酸化力を弱めたり、遷移金属を添加することにより酸化反応の活性を制御することができる。
【００２５】
ここで、上記改質用光触媒としては、例えば、銅などの遷移金属をシリカなどの多孔質材料に担持した触媒などが使用できる。
また、上記点火用光触媒としては、上記改質用光触媒と同様の光触媒の他、例えば、ポーラスなチタン系酸化物、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使用できる。                  
【００２６】
具体的には、シリンダヘッド内壁とピストンヘッドによって形成される燃焼室では、上記改質用光触媒と上記点火用光触媒を、ピストン冠面に均一に分散、配設することができる。
【００２７】
このときは、ピストン冠面全域を利用して改質と点火を行うことができる。即ち、ピストン冠面全面で改質できるので、改質ガスが混合気に十分混合され、燃焼が改善され得る。また、点火もピストン冠面全面で行うことができるので、火炎伝播距離が最短になり、超希薄燃焼、希薄燃焼が可能となる。更に、自点火によるノック抑制ができるため、圧縮比が上げられる。
なお、改質、点火の制御は、例えば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る。
【００２８】
また、ピストン冠面において、上記点火用光触媒と上記改質用光触媒とを別個独立に配設してもよい。代表的には、上記点火用光触媒を中心部及び外周部に配設し、これらの間に上記改質用光触媒を配設することができる。
ここで、「中心部」とは、ピストン冠面を形成する円の半径のうち、当該半径の中心側１／３以下で形成される範囲をいう。「外周部」とは、当該半径の円周側１／５以下で形成される範囲をいう。
【００２９】
このときは、点火用光触媒をピストン冠面の中心及びその近傍に配設することにより、燃焼室内中の火炎伝播距離が短縮できるため、また、外周部に配設することにより自己点火によるノックを抑制できるため、有効である。
また、改質用光触媒と点火用光触媒が分離して配設されるので、１種類の波長のみを発生する光源を設置すれば足りる。
【００３０】
なお、改質、点火のタイミングは、光源の照射角度、照射範囲などを調製して制御することができる。例えば、図１，２に示すように、ピストンの上下動により、改質用光触媒から点火用光触媒へ順に光源からの光が照射される構造となり得る。また、このタイミングに合わせて照射光の波長を制御することも有効である。
【００３１】
次に、本発明の燃料点火方法について詳細に説明する。
本発明の第１の燃料点火方法は、上述の内燃機関の燃料点火システムにおいて、光源を複数用い、異なる単波長の光を複数発生させること、光源からの光を光学フィルターを介して変更し、複数の波長を有する光を発生させること、のいずれか一方又は双方を行うことにより、燃料の改質反応と混合気の点火のそれぞれを、異なる波長域の光を用いて行わせるものである。
【００３２】
ここで、光触媒を用いて改質反応と点火反応を進行させるためには、各光触媒のバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光を照射しなければならない。また、使用する複数の光触媒のうち最も大きいバンドギャップに相当するエネルギーをもつ光を照射すると、より小さいバンドギャップをもつ光触媒も光を吸収してしまい、双方の光触媒反応が進行する。
そこで、改質用光触媒のみが吸収する波長と、点火用光触媒も吸収する波長とを発生する光源を配設することにより、異なる種類の光触媒が均一に分散されているときでも、改質と点火を制御することができる。また、このときは、改質、点火がピストン冠面全面で促進されるので有効である。
【００３３】
光学フィルターは、所定の波長を除去できればよく、例えば、ガラス板に光吸収剤を配合したカットオフフィルター、ニュートラルデンシティーフィルターなどを用いることができる。これらを用いることにより、長波長側の光を通過させ、短波長側の光を除去することができる。また、これらを組み合わせることで複数の波長照射を行うこともできる。
【００３４】
また、本発明の第２の燃料点火方法は、上述の内燃機関の燃料点火システムにおいて、光源を複数用い、異なる単波長の光を複数発生させること、光源の照射位置を変更させること、のいずれか一方又は双方を行うことにより、燃料の改質反応と混合気の点火のそれぞれを行わせるものである。
【００３５】
この点火方法によれば、改質用光触媒と点火用光触媒が分離して配設されているときに、１種類の光源の配設により、改質と点火を促進させることが可能である。
即ち、使用する複数の光触媒のうち最も大きいバンドギャップに相当するエネルギーをもつ光を照射すればいずれの光触媒も光を吸収し、光触媒反応を進行させ得る。
また、改質と点火は、例えば、波長をスプリッターにより分離して照射時期を独立して変更させることや、照射位置を変更することにより制御できる。このとき、照射位置は、凹凸レンズにより構成される集光レンズをアクチュエーターなどにより傾斜させることにより変更できる。
【００３６】
更に、本発明の第３の燃料点火方法は、上述の内燃機関の燃料点火システムにおいて、
上記光源の照射時間、照射出力のいずれか一方又は双方を変更させることにより、燃料の改質反応と混合気の点火のそれぞれを行わせるものである。
【００３７】
これにより、例えば、始動時や低負荷時など混合気の温度やピストン冠面の温度が低いときは、改質用光触媒の活性が低下しているので、照射時間を長くすることにより改質量を確保することができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施例及び比較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）
図３に燃料点火システムの概略及びピストン冠面の斜視図を示す。
この点火システムは、燃焼室内上部にレーザー発振器１、インジェクター２を備えている。また、ピストン冠面５には、中央部に点火用光触媒４（Ｃｕ／ＳｉＯ２）が配設され、外周部に改質用光触媒３（ＴｉＯ２）が配設されている。
【００４０】
１）改質工程（図２左側）
この点火システムを用いて、図４に示すように、燃料の改質、点火を試みた。
また、酸素の存在する状態、具体的には、吸気工程中に燃料を燃焼室７に供給した後、レーザー発振器１より４５０nmの光を酸化力の弱い改質用光触媒３に照射したところ、燃料が改質され含酸素化合物が生成した。
【００４１】
２）点火工程（図２右側）
次いで、改質ガスを含む混合気が存在する燃焼室７において、レーザー発振器１より３８０nmの光を酸化力の強い点火用光触媒４に照射したところ、混合気を点火できた。
【００４２】
（実施例２）
図５に燃料点火システムの概略及びピストン冠面の斜視図を示す。
この点火システムは、燃焼室内上部に、異なる波長の光を照射できる２つのレーザー発振器１０，１１を配設したこと、酸化力の異なる複数の光触媒、即ち改質用光触媒（Ｃｕ／ＳｉＯ２）と点火用光触媒（ＴｉＯ２）を均一に混合してピストン冠面に配設したこと、以外は実施例１と同様の構成を有する燃料点火システムとした。
【００４３】
改質工程（吸気及び圧縮）では、酸化力の弱い改質用光触媒が吸収する波長（４５０ｎｍ）の光を照射して燃料を改質した。
次いで、点火工程では、酸化力の強い点火用光触媒が吸収する波長（３８０ｎｍ）の光を照射したところ、混合気を点火できた。
【００４４】
（実施例３）
図６に燃料点火システムの概略を示す。
この点火システムは、ピストン冠面５において、点火用光触媒４を中心部と外周部に配設し、改質用光触媒３をその間に配設した。
また、光源１に、波長を変えるためのフィルター９を配設し、幅広い波長（５５０〜２５０ｎｍ）の光が照射可能となるようにした。
これら以外は実施例１と同様の構成を有する燃料点火システムとした。
【００４５】
改質工程（吸気及び圧縮）では、酸化力の弱い改質用光触媒３が吸収する波長（４５０ｎｍ）の光を照射して燃料を改質した。
また、酸化力の弱い改質用光触媒３が吸収する波長（４５０ｎｍ）の光をフィルター９により選択し、照射して燃料を改質した。
次いで、点火工程では、酸化力の強い点火用光触媒４が吸収する波長（３８０ｎｍ）の光をフィルター９により選択し、照射したところ、混合気を点火できた。
【００４６】
（実施例４）
図７，８に示すように、エンジン回転数とエンジントルクに対して、照射時間と照射出力を変更した以外は、実施例１と同様の構成を有する燃料点火システムとした。
【００４７】
（実施例５）
図９に示すように、レーザー発振器１１を点火プラグ１２とした以外は、実施例１と同様の構成を有する燃料点火システムとした。
【００４８】
改質工程（吸気及び圧縮）では、酸化力の弱い改質用光触媒３に吸収する光（４５０ｎｍ）を照射し、燃料を改質した。
次いで、点火工程では、点火プラグ１２により混合気を点火できた。
【００４９】
（比較例１）
図１０に示すように、ピストン冠面５に混合気の点火用光触媒（ＴｉＯ２）のみを配設した以外は、実施例１と同様の構成を有する燃料点火システムとした。
【００５０】
（評価測定）
実施例及び比較例で得た燃料点火システムに燃料ガスを送入し、燃焼させたときの排気ガス中のＰＭ量を測定した。
混合気としては、ガソリンと空気を空気過剰率λ＝１から１．５となるように調節して供給した。
【００５１】
比較例１に比べて実施例１〜４では排出されるＰＭ量が２０％程度低減した。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】同一光源により改質・点火のタイミングを制御する燃料点火システムの一例を示す概略図である。
【図２】同一光源により改質・点火のタイミングを制御する燃料点火システムの他の例を示す概略図である。
【図３】実施例１の燃料点火システムとそのピストン冠面を拡大した概略図である。
【図４】圧縮工程と燃焼工程の一例を示す概略図である。
【図５】実施例２の燃料点火システムとそのピストン冠面を拡大した概略図である。
【図６】実施例３の燃料点火システムとそのピストン冠面を拡大した概略図である。
【図７】運転条件と照射時間の関係を示すグラフである。
【図８】運転条件と照射出力の関係を示すグラフである。
【図９】実施例５の燃料点火システムを示す概略図である。
【図１０】比較例１の燃料点火システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  レーザー発振器
２  インジェクター
３  改質用光触媒
４  点火用光触媒
５  ピストン冠面
６  窓
７  燃焼室
８  改質用光触媒＋点火用光触媒（均一に分布）
９  フィルター
１０  レーザー発振器１
１１  レーザー発振器２
１２  点火プラグ
【図１】
2007064060.tif 000003
【図２】
2007064060.tif 000004
【図３】
2007064060.tif 000005
【図４】
2007064060.tif 000006
【図５】
2007064060.tif 000007
【図６】
2007064060.tif 000008
【図７】
2007064060.tif 000009
【図８】
2007064060.tif 000010
【図９】
2007064060.tif 000011
【図１０】
2007064060.tif 000012