JPH0364687B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野） 本発明は内燃機関における燃焼方法に関し、さ
らに詳しくは燃焼室の内壁面が各燃焼サイクルの
初期において250℃以下の温度に冷却されて該内
壁面にそつて消炎層が形成される型の内燃機関の
燃焼方法に関する。 （従来技術とその問題点） ガソリンエンジンのような燃焼室の外壁が冷却
される型の往復動式内燃機関では、その内壁は各
燃焼サイクルの初期において250℃以下に冷却さ
れ、そのため燃焼室内の混合気に着火してもその
火炎は内壁面に伝播せず、内壁面にそつて消炎層
が形成され、未燃焼のまま排気される問題があ
る。このような消炎層はデイーゼルエンジンでも
その各燃焼サイクルの初期に250℃以下の温度と
なる内壁面においても形成され、同様な問題を生
じる。 従来、燃焼効率を上げるために内燃機関の内壁
面の内、ピストンが摺動しない非摺動部分に触媒
を固着することが提案されている。しかしこれら
の技術は消炎層の燃料に自力で低温燃焼を起こさ
せ、その反応熱を混合気主体に供給して燃焼速度
を高め、内燃機関の燃焼全体を改善することを意
図したものではなく消炎層を直接低温燃焼させる
ことを意図したものではなくて、燃焼室の高温燃
焼温度を利用して消炎層の燃焼を助長しようとす
るものにすぎない。例えば、特開昭50−7910号公
報には燃焼室の内壁面に表面活性化Ni、Cu、ま
たはそれらの合金を担持させ、酸化還元を繰り返
させて触媒の温度を高め、条件を熟させたうえで
燃焼を起こさせることが記載されている。また、
例えば、特開昭53−22906号公報には内燃機関の
燃焼排気を再燃焼させて未燃焼混合気や有害ガス
を除去するための触媒コンバーターに用いられる
触媒を、燃焼室の内壁に固着することが記載され
ているが、触媒層は燃焼室の燃焼混合気から伝播
した火炎によつて高温に加熱されたときに初めて
所定の燃焼をおこなうものであることは、触媒コ
ンバーターが高温排気に適用される技術であるこ
とから明らかである。 又、例えば特開昭51−66907号にはピストンの
トツプランド周縁における未燃焼ガスの酸化を促
進するためにCuを基質とする分散強化型銅を被
覆した燃焼室の構造が記載されているが、銅は未
燃焼ガスを酸化させようとするものであり、Cu
は250℃のような低温度で機能するものではなく、
又これは触媒ではない。 更に、白金系触媒をピストンヘツドに取りつけ
て有害燃焼生成物を燃焼させる方法が英国特許第
1589011号及び特開昭49−33016号に記載されてい
るが、あくまで混合気主体の燃焼後に触媒が動作
するものであり、白金触媒は250℃以下の低温活
性を有しないため、混合気主体の燃焼に先立つ消
炎層の着火と火炎の主体への伝播を起こさせるこ
とはできない。したがつてこれらの文献の技術は
本発明のものとは異質なものである。 これらの従来技術は、混合気の主体に着火し、
次いでその燃焼火炎を消炎層にむけて伝播させ、
触媒の加熱による作動温度の達成により未燃焼ガ
スの燃焼を促進するものであり、消炎層そのもの
の温度での燃焼はできなかつた。さらに混合気が
過度の希薄混合気の場合には、混合気の主体部分
に失火が起きることがあるので理論空燃比以下の
濃厚混合気にしておく必要があつた。いずれにし
ても、従来、250℃以下の消炎層の燃焼を低温接
触燃焼法によつて直接行なうこと、或はこの燃焼
法によつて失火の問題を解決する適切な技術は提
案されていない。 （発明の目的） したがつて、本発明の目的は、内燃機関のう
ち、内壁が燃焼サイクルの初期において250℃以
下となる型の往復動式内燃機関において、過度の
希薄混合気でも消炎層の能率的な燃焼を達成し、
混合気主体の燃焼を安定に導いて従来の方法では
失火を起こすような濃度の混合気で正常な運転を
可能にする燃焼方法を提供することである。 （発明の概要） 本発明は、外壁冷却式ガソリンエンジンまたは
デイーゼルエンジンのうち、内壁面が燃焼の各サ
イクルの初期において250℃以下になり内壁面に
そつて消炎層が形成される型の燃焼室を有する内
燃機関において、前記消炎層が形成される内壁面
のうちのピストン非摺動部に白金族系金属または
その化合物を主体とする触媒層であつて前記燃焼
室に導入される燃料−空気混合気が250℃以下で
燃焼を開始させるに十分な活性を有する触媒層を
固着し、前記燃焼室に燃料混合気を導入させ、消
炎層の炭化水素を燃焼させることを特徴とする内
燃機関の燃焼方法により本発明の目的を達成す
る。 本発明によると、消炎層の低温接触燃焼が達成
される。即ち、燃焼室の内壁に沿つた消炎層が自
力で着火され、またこの領域の反応熱が燃焼室の
他の部分即ち主体部分に伝播されるものであり、
このため希薄混合気でも失火の恐れなく完全燃焼
が達成されるものである。このように、本発明で
は火炎の伝播が従来の内燃機関における火炎の伝
播方向とは逆方向となつているという著しい特徴
を有する。 本発明によると消炎層の炭化水素の完全燃焼が
達成されるため、燃焼効率の増大、排気中の
NOx、CO、HCの減少というすぐれた作用効果
が達成される。更に、従来理論値よりも濃厚な混
合気を用い失火を防いでいたケースが解除出来、
希薄混合気でも失火を生じないで安定な燃焼が可
能である。 （発明の具体的な説明） さきに述べたように、本発明の燃焼方法は250
℃以下の温度で活性を有する。白金族金属または
その化合物を主体とした触媒層を利用することに
より消炎層の完全燃焼を達成することができる。
この触媒層は、内燃機関の内壁のうちピストンが
摺動しない箇所に直接または間接に取り付けられ
るものである。内燃機関の燃焼室の外壁が冷却さ
れる型のものにはガソリンエンジンがあり、その
内壁は約500℃以下の温度に維持されるが、その
燃焼の各サイクルの初期期間には内壁温度が約
250℃以下になり、消炎層が形成されることにな
る。またデイーゼルエンジでは、その内壁温度は
約800℃以下に維持されるが、その燃焼の各サイ
クルの初期期間には内壁温度が約250℃以下にな
り、消炎層が形成されることになる。本発明の触
媒層はこれらいずれの型の内燃機関にも適用可能
である。触媒層は約250℃以下の温度において消
炎層の炭化水素に燃焼を開始させるに充分な触媒
活性を有しなければならない。かかる触媒活性を
有する触媒には、白金族金属があるが、適当な特
性を有しなければこの系統の金属といえども所定
の低温度で消炎層の燃焼を開始させることはでき
ないので、適当な製造方法を選択する必要があ
る。このような触媒としては、例えば活性γ−ア
ルミナに白金族系金属の塩類を担持し、900℃以
下で〓焼して得られる触媒などを用いる。 白金族金属またはその化合物を主体とする触媒
を支持部材に固着した本発明の触媒層またはそれ
を担持した担体は、燃焼室の非摺動部に取り付け
られる。内壁温度は約250℃以下となる期間が各
サイクル毎に生じるけれども、この温度範囲で内
壁に沿つて形成されている消炎層を着火するに充
分な活性を有する本発明の触媒により、先ず消炎
層に着火が起こり、近傍の燃料混合気を撹動させ
ながら燃焼させて、その反応熱を燃焼室内に圧縮
されている燃料混合気に伝播させて効率の良い安
定な燃焼反応に導き燃焼させるものである。この
燃焼方式によれば、過度の希薄混合気でも失火の
恐れなく正常に効率よく燃焼させることができ
る。 この燃焼方式は、従来の内燃機関における燃焼
方法とは本質的に違う。従来の方式では、燃料混
合気は先ず適当な点火栓または圧縮作用により混
合気の主体部分に点火され、主体部分の燃焼が内
壁方向に伝播したのであり、そのため内壁に沿つ
た消炎層の燃焼が充分に達成できなかつたし、又
過度の希薄に達しない混合気では失火が生じた。
本発明では、先ず消炎層に着火するから、消炎層
の完全燃焼が達成できるだけでなく、点火栓や圧
縮作用では着火できない希薄混合気でも着火する
ことができるので失火の恐れがないのである。 以下図面について説明する。 図面に示す実施例において、ガソリン内燃機
関、デイーゼル内燃機関などの内燃機関１の燃焼
室２内のシリンダ内壁面３、シリンダヘツド内壁
面４、ピストン頭部壁面５等のピストン６の非摺
動部分の内壁面に、250℃以下の低温度にても触
媒層との接触によつて、燃料混合気の燃焼を開始
できる触媒層７が、直接に、または間接的に取付
けボルト８又は接着剤８′にて取付けられて形成
固設されている。また、触媒層７としては、粗笨
凹凸面を有する活性γ−アルミナに担持した白金
海綿、または表面に大仏頭状の粗笨凹凸面７′、
ハニカム状凹凸面７″、針ネズミ状凹凸面７が
形成された活性γ−アルミナに担持した白金族系
金属が用いられている。 この出願の発明における低温接触式往復動内燃
機関としては、第１図に示す如き吸入弁９及び電
気点火栓１０を有するガソリン内燃機関が示され
ているが、第７図に示す如き噴射弁１１を有する
デイーゼル式内燃機関においても同効である。 一実施例として、触媒は、白金をγ−アルミナ
に担持させたものを、（結合剤と共に）孔径２〜
３mm、深さ２〜３ｍ／ｍのハニカム状孔に充填し
たものである。 言うまでもなく、孔の直径および深さを変える
ことによつて、熱の伝達率が変わるので、触媒の
表面温度を望ましい温度範囲に制御することがで
きる。 これ以外の触媒の取付け方法として、次の方法
が考えられる。 真空蒸着方法 ある種の金属又は酸化物を真空中において加熱
状態の陽極とし陰極に被蒸着物を置いて直流電界
をかけることによつて触媒物質をメツキすること
ができる。また、メツキの迅速、確実化、高結合
化を図るため、両極の間に高周波コイルをおいて
高周波をかける。この装置の放電空間に若干の酸
素を存在させることによつて必要に応じ酸化物の
触媒被膜を堅硬に附着させることも可能である。 この方法によると、被膜の厚さは蒸着時間と電
流密度を調整することにより、任意の厚さに調整
附着させることができ、従つて、エンジンに好ま
しい触媒の必要表面温度を得させることが可能で
ある。 また、被蒸着面の表面（シリンダヘツド内面、
ピストン頭部の表面）に凹凸（大仏頭状）をつけ
たり、粗く梨地状にすることにより、更に蒸着条
件を選ぶことによつて触媒層の厚さ、多孔性を制
御することができ、触媒表面温度を調整すること
ができると共に、接触比表面積を大きくすること
ができる。 また、予め触媒物質を担持した担体をエンジン
内壁面に接合するように成型加工し、これをボル
ト、又は接着剤によつて固定する。触媒の厚さ、
表面形状についての考え方は、前述と同様であ
る。 この出願の発明における実験は次の通りであつ
た。 内燃機関はオートバイに搭載された通常の４サ
イクル90c.c.であつた。 実験に先立ち、気化器内の燃料通過孔（メーン
ノズル）を絞つて小さくし、標準の燃料通過量よ
りも少なくなるように改造した。 こうすることによつて、エンジンに希薄混合ガ
スを供給することができ、希薄ガスに起因する不
安定な運転状態を得ることができた。以上の状態
を確認した上で、触媒を取付けない場合と触媒
を取付けた場合の比較実験を行つた。 その結果を表に示す。 なお測定に使用した計器は、COについてはCO
濃度計、NOxについては米国サーモ・エレクト
ロン社製ケミ・ルミネセント・アナライザ44型を
使用した。

【表】 ※ 濃度は排ガスの濃度変化
尚、実験終了後（実験時間200時間）エンジン
を分解して非摺動壁面を点検した。触媒層は、健
全に原形を保つており、その表面は全く汚染され
ておらず、触媒層のついていない内壁面はカーボ
ンが附着し黒色を呈していた。このことにより、
触媒層は、消炎層の酸化に有効に寄与したことが
確認できた。 亦、この触媒層によつて一般に反応速度が高め
られるから、過早着火が原因となるノツキング等
の異常現象が起こることはない。 この表に示すように、触媒の使用後の改善効果
は歴然としている。 この出願の発明の実験結果は、一般に公表され
ている排ガス対策車の数値よりも若干劣るが、こ
れは、実験に使用したエンジンが老朽化して、充
分高い圧縮比を得ることが困難であつたためと、
触媒の非摺動面における接触面積を充分とつてい
なかつたことなどに因るもので、正規の圧縮比
と、蒸着等による触媒の取付けを行うことによつ
て接触面積を充分確保すれば、疑うまでもなく排
ガスは更に改善されるものと推定される。 以上説明したように、この出願の発明によれ
ば、混合ガスの燃焼特性に基づく効果と、消炎層
の燃焼効果とを共に得られるので、有害排ガス成
分（NOx、HC、CO）を大幅に減らすことが可
能である。 特に消炎層で起こる不完全燃焼は、従来の方法
では解決することが不可能であつた。これをこの
出願の発明によつて解決させることができたもの
で、この出願の発明によれば、内燃機関の構造を
大幅に変更することなく、容易に、且つ、安価に
公害対策および省エネルギー型の内燃機関を提供
することが可能になる。 尚、従来の内燃機関の内部に屡々見受けられる
カーボンの如き不完全燃焼に因る残滓の堆積は、
殆んど発生せず、触媒の表面に至つては全く見ら
れない。 従つて、この面で起こりがちの出力低下や故障
も未然に防ぐことができて頗る有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明をガソリン内燃機関に施し
た場合の一実施例の縦断面図、第２図は第１図Ａ
部拡大断面図、第３図、第４図、第５図及び第６
図は、夫々同部分の他の実施例の拡大断面図、第
７図はこの発明をデイーゼル式内燃機関に施した
場合の実施例の縦断面図を示す。 図中、同一符号は同一部分または均等部分を示
し、１は内燃機関、２は燃焼室、３はシリンダ内
壁面、４はシリンダヘツド内壁面、５はピストン
頭部壁面、６はピストン、７は触媒層、７′は大
仏頭状の粗笨凹凸面、７″はハニカム状凹凸面、
７は針ねずみ状凹凸面、８は取付けボルト、
８′は接着剤を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外壁冷却式ガソリンエンジン及びデイーゼル
   エンジンのうち、内壁面が燃焼の各サイクルの初
   期において250℃以下になり内壁面にそつて消炎
   層が形成される型の燃焼室を有する内燃機関の燃
   焼方法において、 前記消炎層が形成される内壁面のうちのピスト
   ン非摺動部に前記消炎層に250℃以下で燃焼を開
   始させるに十分な活性を有する白金族系金属また
   はその化合物を主体とする触媒層を固着し、前記
   燃焼室に前記触媒層が存在しなければ失火が起き
   るような希薄燃料混合気を導入し、前記混合気の
   消炎層に燃焼サイクルの初期において先ず前記
   250℃以下の消炎層に直接低温接触燃焼を起こさ
   せ、その燃焼熱を混合気主体に供給して混合気の
   火炎伝播速度を上げることによつて混合気主体の
   燃焼を安定化する内燃機関の燃焼方法。