(57)【要約】      （修正有）【課題】混合気の点火時期に影響されない、言い換えれば、点火時期を除くすべての行程で光照射によるカーボンデポジットの除去が可能である内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室１０に点火手段と光源３を備え、光源が燃焼室の内壁面に付着したカーボンデポジットに光を照射し分解、除去する内燃機関である。光触媒反応を利用してカーボンデポジットを分解、除去する。光の照射を、排気行程〜吸入行程〜圧縮行程の任意の期間に行う。光源は、光照射位置、光照射エネルギー、光照射波長、光照射面積及び照射するパルス幅などを調節可能とする。点火手段は、光源やプラグとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に点火手段と光源を備え、この光源は、前記燃焼室の内壁面に付着したカーボンデポジット及び／又その近傍に光を照射し、該カーボンデポジットを分解、除去することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
燃焼室に光触媒を備え、この光触媒の光触媒反応を利用することにより、カーボンデポジットを分解、除去することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
上記光触媒は、混合気が接する燃焼室、吸気バルブ、排気バルブ及び排気ポートから成る群より選ばれた少なくとも１種の部位に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
上記光源による光の照射を、排気行程〜吸入行程〜圧縮行程の任意の期間に行う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。
【請求項５】
上記光源は、光照射位置、光照射エネルギー、光照射波長、光照射面積及び照射するパルス幅から成る群より選ばれた少なくとも１種の因子を調節可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの硬に記載の内燃機関。
【請求項６】
上記点火手段が、光源及び／又はプラグであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの硬に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に係り、更に詳細には、燃焼効率の低下、未燃炭化水素の排出の原因となるカーボンデポジットを低減できる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃焼室内のカーボンデポジットの抑制手段として、カーボンの付着しにくい材料を適用することが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１の技術においては、カーボンが水素結合を介して金属に付着する点に着目し、水素結合を切断可能なリチウム元素を含むセラミックス被覆層を設けている。また、カーボンと化学結合そのものが進行しにくいチタンの被覆層を設けるなど、カーボンの燃焼室への付着力を低下することを目的としている。
なお、カーボンデポジットの発生原因としては、未燃の燃料が付着し、これが不完全燃焼により炭化することが挙げられる。
【特許文献１】特開平８−１０５３５２号公報
【０００３】
しかし、カーボンデポジットは元となる物質が生じると急速に進行する傾向がある。このため、付着力低下に基づく従来技術ではカーボンデポジットを十分抑制することは困難であった。
【０００４】
一方、燃焼室の材料に光触媒物質である酸化チタンを適用し、混合気の燃焼時の発光を利用した光触媒反応によりカーボンデポジットを抑制することが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献２】特開平１１−３２４８７９号公報
【０００５】
特許文献２の技術においては、混合気の燃焼に伴う発光では光量が少ないためか、燃焼後に点火プラグの放電による発光を利用して光触媒反応の効率を向上させている。
但し、点火プラグの放電による発光で混合気を点火するため、利用できる期間は新しい混合気が形成されるまでに限られていた。従って、ＭＰＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｏｉｎｔ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）では混合気燃焼後から吸気工程の前までの期間しか発光を利用できず、光触媒反応の効率を向上する観点から、混合気の点火時期に影響されないことが要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、混合気の点火時期に影響されない、言い換えれば、点火時期を除くすべての行程で光照射によるカーボンデポジットの除去が可能である内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、光照射による酸化反応を進行させて、カーボンデポジットを分解し付着を抑制しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明の内燃機関は、燃焼室に点火手段と光源を備え、この光源は、前記燃焼室の内壁面に付着したカーボンデポジット及び／又その近傍に光を照射し、該カーボンデポジットを分解、除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、混合気の点火時期に影響されない、言い換えれば、点火時期を除くすべての行程で光照射によるカーボンデポジットの除去が可能である。
【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。
【００１１】
本発明の内燃機関は、吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程をこの順に繰返す内燃機関である。代表的には、自動車エンジンなどが挙げられる。
また、本発明の内燃機関は、燃焼室に点火手段と光源を備える。そして、この光源が、前記燃焼室の内壁面に付着したカーボンデポジット、その近傍のいずれか一方又は双方に光を照射する。例えば、ピストン冠面の全体に光を照射できる光源を使用できる。
【００１２】
このように、燃焼室内に堆積したカーボンデポジットやその近傍に光を照射することで、加熱により酸化反応が進行し、該カーボンデポジットが分解、除去される。
【００１３】
なお、燃焼行程で燃焼室で点火される混合気は、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が使用できる。
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。
【００１４】
本発明の内燃機関においては、燃焼室に更に光触媒を配設することが好適である。
このときは、意図的に光を照射して光触媒の光触媒反応を利用することができるので、熱反応、触媒反応のいずれも利用して、カーボンデポジットの除去効率を向上できる。言い換えれば、温和な燃焼条件下でのカーボンデポジットの抑制が可能となり、赤外線、紫外線など長波長から短波長までの光を利用することができる。
【００１５】
上記光触媒は、燃焼後の排ガスが接触する個所であれば任意に配設できるが、代表的には、混合気が接する部位、即ち、燃焼室、吸気バルブ、排気バルブ又は排気ポート、及びこれらの任意の組合せに係る部位に配設されていることが好適である。
これにより、出力の低下を抑制できる。また、排ガス組成が良好となりうる。更に、オイル消費量増加を抑制できる。
【００１６】
例えば、図１に示すように、吸気バルブと排気バルブを備えるシリンダ１とピストン２で構成される燃焼室１０において、ピストン冠面に光触媒６を配設することができる。この光触媒６には窓５を介して光源３から光が照射されうる。
なお、光触媒を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こともできる。
【００１７】
ここで、光触媒とは、触媒が所定の光を吸収して電子と正孔を生成し、これらにより活性種（ラジカル）が生成して反応物質を酸化・還元することが可能な材料をいう。
光触媒反応を進行させるためには、光触媒のバンドギャップに相当する波長を有する光、又はそれより短い波長を有する光を照射する。所定の光を吸収した後、光触媒上に吸着した酸素、水、炭化水素（未燃、既に付着しているカーボン）が電子、正孔と反応することで酸素ラジカル、ヒドロキシラジカル、炭化水素ラジカルなどを生成する。これらのラジカルが反応してカーボンデポジットを分解、除去できる。
【００１８】
かかる光触媒としては、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。
【００１９】
上記光源としては、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。
【００２０】
また、上記光源による光の照射は、排気行程〜吸入行程〜圧縮行程の任意の期間に行われることが好適である。言い換えれば、燃焼室に新しい混合気が形成される直前までに行うことができる。例えば、図２に示すように、燃焼行程を除き、上記すべての行程を通して光を照射することができる。
このときは、光照射時間の増加に伴う照射エネルギー低減が図れる。
【００２１】
なお、混合気の状態、カーボンの燃焼状態によっては、混合気の点火を伴う可能性がある。混合気の点火を伴うと、早期点火となり十分な出力が得られないことがある。このために、光を照射する期間は、点火可能な混合気の状態が形成される前までがよい。
【００２２】
更に、上記光源は、光照射位置、光照射エネルギー、光照射波長、光照射面積又は照射するパルス幅、及びこれらの任意の組合せに係る因子を調節可能とすることが好適である。
【００２３】
即ち、カーボンが付着する個所は特定しにくいため、光照射位置を変更可能とすることができる。言い換えれば、照射光の焦点を移動することができる。
このときは、カーボンデポジットの発生、堆積を効率良く抑制できる。また、自己着火によるノックが抑制できるため、圧縮比が上げられる。
光照射位置を変更する方法としては、例えば、光源そのものを移動することや、焦点を変化させたり、反射鏡を使用することなどができる。
【００２４】
また、混合気の点火を伴わないよう、光照射エネルギーを調節可能とすることができる。
このときは、光照射時間の増加に伴う照射エネルギーを低減できる。
照射エネルギーは光子の量に関連する。即ち、光触媒上での電子と正孔を生成する量に影響を与える。電子と正孔の量が増加すると、活性種であるラジカル量も増加し、混合気が点火することがある。従って、混合気の点火しない条件で光照射エネルギーを制御することにより、新しい混合気が形成されてもカーボンを除去することが可能となる。
【００２５】
光照射エネルギーの増減に関しては、例えば、図３に示すように、カーボンデポジットの除去に要するエネルギーを、点火に要するエネルギーよりも小さくすることができる。
一般に光触媒によるカーボンデポジットの分解は、その付着量が少ない場合は十分可能であるが、多量に付着した場合は困難となることがある。このため、混合気の燃焼後、点火に比べてより少ないエネルギーで光照射を行うことで徐々にカーボンデポジットが除去されうる。
【００２６】
更に、混合気の点火を伴わないよう、光照射波長を調節可能とすることができる。
このときは、光照射時間の増加に伴う照射エネルギーを低減できる。
光照射エネルギーの調節は、例えば、図４に示すように、燃焼時に照射する波長を短波長側に変更することができる。
一般に、吸収波長が長波長になるに従い吸光度は徐々に減少する傾向が見られる。従って、光触媒上で生成する電子と正孔の量は照射する波長を長くするに従い減少し、照射する波長を短くするに従い増加することを利用すればよい。
【００２７】
更にまた、混合気の点火を伴わないよう、光照射面積を調節可能とすることができる。
このときは、光照射時間の増加に伴う照射エネルギーを低減できる。
光照射面積の調節は、例えば、図５に示すように、燃焼時に照射する面積を小さくすることができる。このように、照射する出力が一定であれば照射面積の増加に伴い光触媒上で生成する電子と正孔の量は減少し、照射す面積の減少に伴い生成する電子と正孔の量は増加することを利用すればよい。
【００２８】
また、混合気の点火を伴わないよう、照射するパルス幅を調節可能とすることができる。
このときは、光照射時間の増加に伴う照射エネルギーを低減できる。
パルス幅の調節は、例えば、図６に示すように、燃焼時にパルス幅を小さくすることができる。このように、パルス幅を短くすると、エネルギー密度が増加するために、光触媒上で生成する電子と正孔の量を増加させることができる。一方、パルス幅を長くすると、エネルギー密度が低下するために、光触媒上で生成する電子と正孔の量を減少させることができる。
【００２９】
本発明の内燃機関において、燃焼室に備える点火手段としては、光源、プラグの一方又は双方を用いることができる。
【００３０】
光源を用いるときは、カーボンデポジットの分解、除去に用いる上記光源をそのまま使用できるので有効である。このときは、該光源の光照射位置、光照射エネルギー、光照射波長、光照射面積、照射するパルス幅などをカーボンデポジットの分解、除去に用いるときより増大すればよい。
また、点火用光触媒を用いることもできる。点火用光触媒としては、上記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。
【００３１】
一方、プラグを用いるときは、燃焼行程で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。
【実施例】
【００３２】
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。
【００３３】
（実施例１）
図７に内燃機関の概略及びピストン冠面の斜視図を示す。
この内燃機関においては、燃焼室１０の上部に、光源であるキセノンランプ３と点火プラグ７が併設されている。また、吸気側にはインジェクター４が配設されている。
【００３４】
・吸入行程〜圧縮行程、排気行程
キセノンランプ３より３００〜４００ｎｍの光をピストン冠面２に照射した。
【００３５】
・燃焼行程
点火プラグ７により、燃焼室内の混合気を点火した。
【００３６】
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程をこの順に定常運転を２時間行った後、ピストン冠面２に存在する炭化水素をＧＣ−ＭＳにより測定した。
【００３７】
（実施例２）
図１に内燃機関の概略及びピストン冠面の斜視図を示す。
この内燃機関においては、燃焼室１０の上部に、光源であるレーザー発振器３が配設されている。また、吸気側にはインジェクター４が配設されている。更に、ピストン冠面２には、光触媒６（ＴｉＯ２）が配設されている。
【００３８】
・吸入行程〜圧縮行程、排気行程
キセノンランプ３より光エネルギーが１００Ｗの光をピストン冠面２に照射した。
【００３９】
・燃焼行程
キセノンランプ３より光エネルギーが３００Ｗの光をピストン冠面２に照射し、燃焼室内の混合気を点火した。
【００４０】
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程をこの順に定常運転を２時間行った後、ピストン冠面に存在する炭化水素をＧＣ−ＭＳにより測定した。
【００４１】
（実施例３）
実施例２と同様な構成の内燃機関を用いた。
【００４２】
・吸入行程〜圧縮行程、排気行程
キセノンランプ３より３８０〜４００ｎｍの光をピストン冠面２に照射した。
【００４３】
・燃焼行程
キセノンランプ３より３００〜３５０ｎｍの光をピストン冠面２に照射し、燃焼室内の混合気を点火した。
【００４４】
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程をこの順に定常運転を２時間行った後後、ピストン冠面に存在する炭化水素をＧＣ−ＭＳにより測定した。
【００４５】
（実施例４）
図８に内燃機関の概略及びピストン冠面の斜視図を示す。
この内燃機関においては、燃焼室１０の上部に、光源であるレーザー発振器３が配設されている。また、吸気側にはインジェクター４が配設されている。更に、ピストン冠面２には、中央部に点火用光触媒６ａ（Ｃｕ／ＳｉＯ２）が配設され、外周部にカーボンデポジット除去用光触媒６ｂ（ＴｉＯ２）が配設されている。
【００４６】
・吸入行程〜圧縮行程、排気行程
キセノンランプ３より３８０〜４００ｎｍの光をカーボンデポジット除去用光触媒６ｂに照射した。
【００４７】
・燃焼行程
キセノンランプ３より３００〜３５０ｎｍの光を点火用光触媒６ａに照射し、燃焼室内の混合気を点火した。
【００４８】
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程をこの順に定常運転を２時間行った後、ピストン冠面に存在する炭化水素をＧＣ−ＭＳにより測定した。
【００４９】
（比較例１）
図９に内燃機関の概略及びピストン冠面の斜視図を示す。
この内燃機関においては、燃焼室１０の上部に、光源である点火プラグ７が配設されている。また、吸気側にはインジェクター４が配設されている。更に、ピストン冠面２には、光触媒６（ＴｉＯ２）が配設されている。
【００５０】
・吸入行程〜圧縮行程、排気行程
混合気の供給のみ（光をピストン冠面２に照射せず）を行った。
【００５１】
・燃焼行程
点火プラグ７より、燃焼室内の混合気を点火した。
【００５２】
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程をこの順に定常運転を２時間行った後、ピストン冠面に存在する炭化水素をＧＣ−ＭＳにより測定した。
【００５３】
比較例１の内燃機関に比べて実施例１〜５の内燃機関では、ピストン冠面上にほとんど炭化水素が検出されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の内燃機関の一例を示す概略図である。
【図２】照射光のタイミング制御の一例を示す概略図である。
【図３】照射光のエネルギー制御の一例を示す概略図である。
【図４】照射光の波長制御の一例を示す概略図である。
【図５】照射光の照射面積制御の一例を示す概略図である。
【図６】照射光のパルス幅制御の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の内燃機関の他の例を示す概略図である。
【図８】本発明の内燃機関の更に他の例を示す概略図である。
【図９】比較例１の内燃機関の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  シリンダ
２  ピストン冠面
３  光源
４  インジェクター
５  窓
６  光触媒
６ａ  点火用光触媒
６ｂ  カーボンデポジット除去用光触媒
７  点火プラグ
１０  燃焼室
【図１】
2007177762.tif 000003
【図２】
2007177762.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007177762.tif 000007
【図６】
2007177762.tif 000008
【図７】
2007177762.tif 000009
【図８】
2007177762.tif 000010
【図９】
2007177762.tif 000011