(57)【要約】【課題】大幅に少ない光エネルギー量で希薄な混合気を点火させ得る内燃機関用点火システムを提供すること。【解決手段】光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用点火システムであり、燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを照射する光発生装置と、を備えた内燃機関用点火システム。  光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用点火システムであり、燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを面状に照射する光発生装置と、を備えた内燃機関用点火システム。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用点火システムであって、
燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを照射する光発生装置と、を備えたことを特徴とする内燃機関用点火システム。
【請求項２】
上記光発生装置が、上記光触媒に対して光エネルギーを面状に照射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項３】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、上記光触媒が、該ピストンヘッドの冠面に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項４】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、該ピストンヘッドの冠面において、該冠面上の混合気濃度が相対的に高い領域側に、上記光触媒が多く設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項５】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、該シリンダヘッドは、その内壁面に凸部を有し、上記光触媒が該凸部に設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項６】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、該ピストンヘッドは、その冠面に他の凸部を有し、上記光触媒が該他の凸部に設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項７】
上記燃焼室の内部に、上記燃焼室の内壁面に端部が接合されたメッシュ状担体を有し、上記光触媒が、該メッシュ状担体に設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項８】
上記燃焼室の内壁面の一部が、鏡面として機能することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項９】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、上記光発生装置が照射する光エネルギーの光軸方向が、上記ピストンヘッドの往復動方向と平行でないことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項１０】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、上記光発生装置が、該ピストンヘッドの冠面の端部に光エネルギーを照射することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項１１】
上記光発生装置が、照射位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の内燃機関用点火システム。
【請求項１２】
上記燃焼室が、シリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されており、且つ当該燃焼室の温度を検知する温度検知手段を備え、該温度検知手段が検知する温度が所定の温度以下の場合に、上記照射位置調整手段が、該ピストンヘッドの冠面の端部に光エネルギーが照射されるように照射位置を調整することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関用点火システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用点火システムに係り、更に詳細には、光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用点火システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費を向上させるための手段としては、熱効率を向上させることがその一つとして挙げられる。そして、正味の熱効率を向上させる手段としては、例えば混合気の高圧縮比化や希薄化などが挙げられる。
混合気の希薄化に関しては、希薄化するにしたがって、燃焼の安定性が悪くなるため、燃焼室内にスワールやタンブルなどの強力なガス流動を発生させて、火炎伝播速度を向上させることにより、燃焼期間を短縮し、燃焼を安定させている。
また、点火プラグに関しても、点火の安定性を確保するために、電極放電部を細径化すると共に耐消耗性向上のためにイリジウムを使用している。
【０００３】
多点点火により火炎伝播距離を短縮して燃焼を安定化することも行なわれている。
多点点火に関しては、従来の点火プラグではなく、強力なガス流動に対しても安定に点火が可能なレーザーを用いる技術が報告されている（特許文献１及び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】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１及び２に記載された点火装置は、いずれも空間における混合気の点火であるため、高エネルギー密度の光ビームを焦点を結んで照射させる必要があった。
また、ビームスプリッタを用いる場合には、その内部に点火する箇所の分だけ反射鏡を設置する必要があると共に、集光レンズも同数必要であり、システムが大きくなるという問題点があった。
更に、吸排気バルブが存在するために、光発生装置の設置可能な箇所には限界があるという問題点があった。
【０００５】
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、大幅に少ない光エネルギー量で希薄な混合気を点火させ得る内燃機関用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】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、光発生装置から光エネルギーを光触媒に照射し、該光触媒を活性化させ、混合気の点火に必要なラジカルを生成させることなどとしたため、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の内燃機関用点火システムは、光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火する内燃機関用点火システムであって、燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを照射する光発生装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の内燃機関用点火システムの好適形態は、上記光発生装置が、上記光触媒に対して光エネルギーを面状に照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光発生装置から光エネルギーを光触媒に照射し、該光触媒を活性化させ、混合気の点火に必要なラジカルを光触媒反応を利用して生成させることなどとしたため、大幅に少ない光エネルギー量で希薄な混合気を点火させ得る内燃機関用点火システム、更には希薄燃焼によって燃費を向上させ得る内燃機関用点火システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の内燃機関用点火システムについて説明する。
上述の如く、本発明の内燃機関用点火システムは、光発生装置から照射される光エネルギーを利用して、光触媒により混合気を点火するものであって、燃焼室と、該燃焼室に設けられた光触媒と、該光触媒に対して光エネルギーを照射する光発生装置と、を備えたものである。
このような構成とすることにより、光触媒反応を利用して例えばＨＣやＯ２ラジカルなどを生成することができ、大幅に少ない光エネルギー照射量で混合気の点火が可能となる。
また、希薄燃焼によって燃費を向上させ得る内燃機関用点火システムを提供することができる。
【００１１】
また、本発明においては、備える光発生装置が、備える光触媒に対して光エネルギーを面状に照射することが望ましい。
本システムでは、光触媒に光を照射して光触媒表面で電子と正孔を生成し、これらが混合気と反応することによりラジカルが生成され混合気が点火する。このため、従来のレーザー点火のように焦点を結ぶ必要がないでの、光エネルギーを面状に照射して、光エネルギーが照射された光触媒により形成される点火箇所を増やすことができる。その結果、燃焼をより安定させることができる。
また、光エネルギーを面状に照射させることができるため、上述したように点火箇所を増やして多点点火するに当たり、必ずしも光発生装置を複数必要とせず、また、必ずしもビームスプリッタや集光レンズを必要とせずシステムを小型化できるという利点がある。
なお、「面状に照射する」とは、光発生装置により照射された光エネルギーが燃焼室内において焦点を結ばないように照射することをいう。
【００１２】
更に、本発明における光触媒の配置の第１の好適例としては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、備える光触媒が、そのピストンヘッドの冠面、即ち燃焼室の内壁面の一部であるピストンヘッドの冠面に設けられたものを挙げることができる。
具体的には、ピストンヘッドの冠面上に光触媒を塗布や蒸着するなどして光触媒層を形成する、又はピストンそのものに光触媒材料を使用することによって、光触媒反応を効率良く進行させることが可能となる。
【００１３】
更にまた、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、そのピストンヘッドの冠面、即ち燃焼室の内壁面の一部であるピストンヘッドの冠面において、その冠面上の混合気濃度が相対的に高い領域側に、光触媒が多く設けられたものが望ましい。
例えば、ピストンヘッドの冠面上に光触媒層を形成する際に、混合気濃度が相対的に高い領域側において、その冠面における光触媒層の被覆率を高くすることなどにより、効率良く混合気を点火することができる。
なお、ピストンヘッドの冠面上の混合気濃度は、通常、燃焼室に備えられた吸気口、つまり吸気バルブに対向する側において、相対的に高いものとなっている。
【００１４】
また、本発明における光触媒の配置の第２の好適例としては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、そのシリンダヘッドが、その内壁面に凸部を有し、備える光触媒がその凸部に設けられたものを挙げることができる。
このような光触媒を設けた凸部を備えることにより、シリンダヘッド内壁面やピストンヘッド冠面のような燃焼室の内壁面近傍だけでなく、燃焼室の中央部付近においても混合気を点火することが可能となり、火炎伝播距離を短縮することができる。
この結果、より安定的に希薄燃焼を行なうことができる。
なお、「シリンダヘッドの内壁面が備える凸部」は、燃焼室内において、通常備える吸排気バルブやピストンの動きを阻害せず、急激な変動を伴った高温、高圧条件に耐え得るものであれば、その大きさや形状について特に限定されるものではないが、例えば、一端を燃料室壁に固定し、光触媒を光照射方向に設置できるようＬ字型の形状をした、いわゆるジグのようなものなどを挙げることができる。
【００１５】
更に、本発明における光触媒の配置の第３の好適例としては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、そのピストンヘッドが、その冠面に他の凸部を有し、備える光触媒がかかる他の凸部に設けられたものを挙げることができる。
このような光触媒を設けた他の凸部を備えることにより、シリンダヘッド内壁面やピストンヘッド冠面のような燃焼室の内壁面近傍だけでなく、燃焼室の中央部付近においても混合気を点火することが可能となり、火炎伝播距離を短縮することができる。
この結果、上述したように、より安定的に希薄燃焼を行なうことができる。
なお、「ピストンヘッドの冠面が備える他の凸部」は、燃焼室内における吸排気バルブやピストンの動きを阻害せず、急激な変動を伴った高温、高圧条件に耐え得るものであれば、その大きさや形状について特に限定されるものではないが、例えば、柱状や錘状の突起物だけでなく、更にはこれらが適当な貫通孔を有し、いわゆる櫓のような形状をしたものなどを挙げることもできる。
【００１６】
更にまた、本発明における光触媒の配置の第４の好適例としては、燃焼室の内部に、燃焼室の内壁面に端部が接合されたメッシュ状担体を有し、備える光触媒がそのメッシュ状担体に設けられたものを挙げることができる。
このような光触媒を設けたメッシュ状担体を備えることにより、シリンダヘッド内壁面やピストンヘッド冠面のような燃焼室の内壁面近傍だけでなく、燃焼室の中央部付近においても混合気を点火することが可能となり、火炎伝播距離を短縮することができる。
この結果、上述したように、より安定的に希薄燃焼を行なうことができる。
なお、「メッシュ状担体」は、燃焼室内における吸排気バルブやピストンの動きを阻害せず、急激な変動を伴った高温、高圧条件に耐え得るものであれば、その大きさや形状について特に限定されるものではないが、例えば、燃焼室内のガス流動を妨げにくい大きさの開口部を有するメッシュ担体などを挙げることができる。
【００１７】
また、本発明においては、燃焼室の内壁面の一部が、鏡面として機能するものを挙げることができる。
このような鏡面として機能する部位を燃焼室の内壁面に設けることにより、照射された光エネルギーが反射され、その反射された光エネルギーが他の部位に照射され、当該他の部位に光触媒を設けることにより、例えば分散した多くの箇所を点火箇所とすることができる。
これにより、火炎伝播距離を短縮することができると共に、より安定的に希薄燃焼を行なうことができる。
なお、燃焼室の内壁面の一部を鏡面として機能させるためには、例えばピストンヘッドやシリンダヘッド、吸排気バルブのヘッドに適用されるアルミニウム合金などのような金属を鏡面加工すればよいが、これに限定されるものではない。
【００１８】
更に、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、備える光発生装置が照射する光エネルギーの光軸方向が、備えるピストンヘッドの往復動方向と平行でないことが望ましい。
具体的には、上記光軸方向とピストンヘッドの冠面とのなす角が鋭角であることが望ましい。
光軸方向とピストンヘッドの往復動方向とが平行である場合、換言すれば光軸方向とピストンヘッドの冠面とのなす角が直角である場合には、ピストンヘッドの冠面以外、即ちシリンダヘッドの内壁面などを点火箇所として利用し難く、火炎伝播距離の短縮という観点からは望ましくない。
【００１９】
また、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成されている場合に、備える光発生装置が、そのピストンヘッドの冠面の端部に光エネルギーを照射することが望ましい。
端部に光触媒が設けられている場合には、このように光エネルギーを照射することにより、混合気を点火することができる。
一方、端部に光触媒が設けられていない場合であっても、このように光エネルギーを照射することにより、ピストンヘッドの冠面の端部は比較的低温であるため、暖機することができ、より安定的な希薄燃焼を行なうことができる。
【００２０】
更に、本発明においては、備える光発生装置が、照射位置調整手段を備えることが望ましい。
このような照射位置調整手段を備えることにより、光エネルギーを照射する位置を適宜調整することができ、より安定的な希薄燃焼を行なうことが可能となる。
【００２１】
更にまた、本発明においては、備える燃焼室がシリンダヘッドとピストンヘッドによって形成され、且つ当該燃焼室の温度を検知する温度検知手段を備え、その温度検知手段が検知する温度が所定の温度以下の場合に、備える照射位置調整手段が、燃焼室の内壁面の一部であるピストンヘッドの冠面の端部に光エネルギーが照射されるように照射位置を調整することが望ましい。
このような構成とすることにより、更に効率良く、より安定的な希薄燃焼を行なうことができる。
なお、「所定の温度」は、適宜実験等などによって定めることができる。
【００２２】
ここで、光エネルギーを照射する位置（領域）を調整する照射位置調整手段を備えた光発生装置の一例を図面を用いて説明する。
図１は、照射位置調整手段を備えた光発生装置の一例である照射位置可変ユニット付きレーザー発振器の概略的な断面形状を示す説明図である。
同図に示すように、照射位置可変ユニット付きレーザー発振器５０は、共振部分５２と、光学系の一例である照射位置可変ユニット５４とから構成され、照射位置可変ユニット５４は、前後一対の透明ガラス（５４ａ、５４ｂ）と、これらに間に配設した凹レンズ５４ｃと、これらを結合するロット５４ｄと、集光レンズ５４ｅと、を備える。
そして、共振部分５２から取り出された光Ｌは、透明ガラス５４ａ、凹レンズ５４ｃ、透明ガラス５４ｂ、集光レンズ５４ｅの順に透過して、図示しない光触媒に照射される。
そして、凹レンズ５４ｃを図示しないアクチュエータによってロット５４ｄに沿う方向に前後移動することにより、レーザー発振器５０は光エネルギーの照射領域を制御することができる。
なお、図１においては、照射位置可変ユニット５４の近傍に共振部分５２を配設しているが、図示しないが例えば光ファイバーなどによりレーザー光を伝送することが可能であるため、双方を離して配設することも可能であり、その配設する際の位置関係は任意である。
【００２３】
また、図２に、照射位置可変ユニット付きレーザー発振器を用いて、光触媒層を形成したピストンヘッド冠面に対して、光エネルギーを照射する様子を示す。
同図（ａ）は、焦点を結んで一点に光エネルギーを照射した場合を示し、同図（ｂ）は、焦点を結ばずに面状に光エネルギーを照射した場合を示す。
照射位置可変ユニット付きレーザー発振器５０から、取り出された光Ｌは、ピストンヘッド冠面に設けられた光触媒Ｃに照射される。
なお、同図（ａ）中のθは、光エネルギーの光軸方向とピストンヘッドの冠面とのなす角を示す。また、同図（ｂ）中のＡは、照射領域を示す。
【００２４】
また、ここで、本発明の内燃機関用点火システムを構成する具体的な要素について説明する。
まず、本発明の点火システムに適用する内燃機関は、混合気を燃焼することにより動力が得られればよく、燃料、作動方式、サイクル、シリンダー数、シリンダー形式、冷却方式、バルブ機構、バルブ数などは特に限定されるものではない。更に、ロータリーエンジンにも適用可能である。
【００２５】
次に、本発明の内燃機関用点火システムに用いる光触媒は、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を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
次に、本発明の内燃機関用点火システムに適用する混合気は、特に限定されるものではないが、代表的には、燃料ガス（ガソリン、軽油、天然ガス、アルコールなど）と空気を任意に配合して得られる。
【００２７】
次に、本発明の内燃機関用点火システムに用いる光発生装置としては、例えばレーザー発振器を用いることができる。
かかるレーザー発振器としては、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単独で又は適宜組合わせて利用することができる。
また、かかるレーザー発振器の光学系装置としては、従来公知のものを使用することができる。なお、混合気を点火するに当たり、少ない光エネルギー量で点火することができるため、必ずしも焦点を結ぶ必要がなく、そのため必ずしも集光レンズを必要としないなどの理由から、光学系装置をより小型化することが可能である。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
図３は、本例の内燃機関用点火システムの概略的な断面形状を示す説明図である。
同図に示すように、本例の内燃機関用点火システム１は、シリンダヘッド１２とピストンヘッド１４によって形成された燃焼室１０と、燃焼室１０のピストンヘッド１４の冠面に設けられた光触媒２０と、その光触媒２０に対して光エネルギーを照射する光発生装置の一例であるレーザー発振器３０と、を備える。
また、シリンダヘッド１２は、窓１２ａを有しており、レーザー発振器３０より照射された光エネルギーは窓１２ａを通過して、図２（ｂ）に示すように光触媒２０に照射され、光エネルギーが照射された光触媒２０は点火箇所となり、燃焼室１０内の混合気を点火する。
なお、混合気は、吸気ポート１２ｂに設けられたインジェクション１２ｃから供給される燃料と吸入された空気から得られ、吸気バルブ１２ｄが開くことにより燃焼室１０に供給される。また、混合気が燃焼した後は、排気バルブ１２ｅが開き、排気ポート１２ｆから燃焼ガスとして排気される。
【００３０】
このように、光触媒を用いて、従来よりも少ない光エネルギーで点火可能となったため、より広い領域で点火することができる。
その結果、燃焼が安定して、希薄燃焼が可能となり、希薄燃焼領域が拡大した。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】照射位置可変ユニット付きレーザー発振器の概略的な断面形状を示す説明図である。
【図２】照射位置可変ユニットを用いて、光触媒層を形成したピストンヘッド冠面に対して、光エネルギーを照射する様子を示す説明図である。
【図３】実施例１の内燃機関用点火システムの概略的な断面形状を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１        内燃機関用点火システム
１０        燃焼室
１２        シリンダヘッド
１２ａ      窓
１２ｂ      吸気ポート
１２ｃ      インジェクション
１２ｄ      吸気バルブ
１２ｅ      排気バルブ
１２ｆ      排気ポート
１４        ピストンヘッド
２０        光触媒
３０        レーザー発振器
５０        照射位置可変ユニット付きレーザー発振器
５２        共振部分
５４        照射位置可変ユニット
５４ａ，ｂ  透明ガラス
５４ｃ      凹レンズ
５４ｄ      ロット
５４ｅ      集光レンズ  
【図１】
2007064037.tif 000002
【図２】
2007064037.tif 000003
【図３】
2007064037.tif 000004