JPH08326541A

JPH08326541A - 内燃機関の燃焼方法

Info

Publication number: JPH08326541A
Application number: JP7159809A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mizusawa; 尚水澤; Shigeo Hagino; 茂雄萩野
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1996-12-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】エンジンのノッキングの発生防止と経済性の
向上。【構成】１サイクルに使用する燃料の一部を予混合気
として燃焼室８内に吸入し、可燃限界以下の希薄混合気
を、ピストン２のトップランドに装着した触媒層３によ
りその燃料の自着火温度よりも低い温度で予備燃焼さ
せ、次いで残部の燃料を燃焼室に吹込み、点火栓６を着
火源とする火炎伝播により主燃焼させる。【効果】高空燃比でも安定した燃焼が得られる。高圧
縮比化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、点火栓で着火し、ガソ
リン、メタノール、ＬＰＧ等を燃料とする内燃機関の燃
焼方法に係り、特に着火温度の低い燃料を用いてもノッ
キングの発生を防止できる燃焼方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンの熱効率の向上は、供
給燃料が保有している熱量を圧縮膨張工程で可及的に多
くの仕事としてピストンに取出すとともに、それをクラ
ンク軸からいかに少ない損失で取出すかにかかってい
る。このためには、高圧縮比化等が重要となる。圧縮比
は主にノッキングの限界により決定されるため、高圧縮
比化できるかどうかは、ノッキングを抑制できるかどう
かにかかっている。

【０００３】ところで、ノッキングの発生メカニズム
は、以下のように理論づけられている。ノッキングは、
混合気の火炎伝播の末端部の未燃ガス（エンドガス）が
火炎の到達前に自発的に発火して爆発的に燃焼すること
により引起こされる。すなわち、ガソリンエンジンで
は、圧縮工程でシリンダー内でピストンが上昇すること
により混合気が圧縮され、ピストンが上死点に達する少
し前に点火遅れ、着火遅れを見越して混合気に点火され
る。この点火によって生成する燃焼核へ空気と燃料とが
拡散して火炎を形成し、混合気の燃焼はこの火炎伝播に
より進行する。しかし、火炎伝播が遅れたり、あるいは
その遅れに起因する燃焼室近傍の消炎層や、燃料が希薄
な領域では、混合気は未燃のまま圧縮される。この未燃
のまま圧縮される混合気がいわゆるエンドガスである。

【０００４】エンドガス中のガソリンは、圧縮過程で分
解を受けアルデヒド等を発生させるが、これらを含む混
合気は着火温度を超えても着火することなく圧縮され、
混合気に着火された直後に、点火栓による燃焼の火炎伝
播によらずに自発的に発火し、燃焼する。この燃焼は、
ほとんど爆発的であることから衝撃的な圧力上昇を招
く。この衝撃的な圧力上昇がノッキングとなる。

【０００５】したがって、ノッキングの防止対策として
は、エンドガスを正常な火炎伝播で燃焼させるのが有効
である。具体的には、圧縮比を低く抑える（ディーゼルエンジンの１／２
程度）。着火温度の高いハイオクタンガソリンを使用する。消炎層の温度を下げて消炎層の自発着火を防止する
ため、シリンダー側壁を冷却する。混合気の均一化と騒乱流とにより火炎伝播速度を上
げるために、シリンダー内に激しいスワールを起こす。

【０００６】しかしながら、これらの対策は、いずれも
エンドガスの生成を必然的なものとして是認した上での
ものであり、極めて不経済な対策といえる。

【０００７】これらの対策とは別に、シリンダー壁、
シリンダヘッド、ピストンのトップランド面に触媒層を
設けることによってノッキングを防止する方法が知られ
ている。すなわち、この方法は、燃焼室壁面近傍に発生
する消炎層を触媒により良好に燃焼させることによって
消炎層の爆発的な自発発火を防止し、ノッキングを防止
させるもので、さらに、触媒を選択することにより燃焼
ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の低減も可能とするもの
である。

【０００８】また、燃焼室を複数とし、各燃焼室に点
火栓を設け、混合気への点火を同期させることによって
ノッキングを防止させる方法もある。

【０００９】しかし、このような対策がこうじられたエ
ンジンも、エンドガスの生成を前提としたものであるた
め、前記〜と同様に経済性を犠牲にするものであ
る。また、のシリンダー壁、シリンダヘッド、ピスト
ンのトップランド面に触媒層を設けることによってノッ
キングを防止する方法は、吸入工程で１サイクルに使用
する燃料のすべてを吸入し、かつ触媒層の温度は自然に
上昇するため、過早着火のおそれが高く、燃焼により発
生する動力が負の動力となる危険性があり、必ずしもノ
ッキングを十分に防止し得るとは言い得ない。また、
の複数の燃焼室に点火栓を設ける方法は、エンジンの構
造を複雑にし、かつ同期のための調整も困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来の〜のノッキング防止対策の問題点を解決するた
めになされたもので、エンドガスの生成を防止すること
によってノッキングの発生防止と経済性の向上をはかる
内燃機関の燃焼方法を提案しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃焼方法
は、燃焼室で混合気を燃焼させる方法として、多元着火
方法を採用したもので、その要旨は、１サイクルに使用
する燃料の一部を予混合気として燃焼室内に吸入し、可
燃限界以下の希薄混合気をその燃料の自着火温度よりも
低い温度で燃焼（予備燃焼）させ、次いで残部の燃料を
燃焼室に吹込み、点火栓を着火源とする火炎伝播により
燃焼（主燃焼）させる方法であり、具体的には、１サイ
クルに用いられる燃料の１〜１０％を理論空燃比の１０
〜数１０倍の希薄混合気として吸入させ、ピストンが上
死点に達する少し前の圧縮工程終末期直前、燃料の残部
を燃焼室に吹込む直前に３００〜５００℃に維持した触
媒層により燃焼（予備燃焼）させ、その直後に燃料の残
部を燃焼室に噴射して点火、燃焼（主燃焼）させること
を特徴とするものである。

【００１２】また、上記の燃焼方法における予備燃焼手
段として、活性金属と多孔質無機担体と支持体とから構
成される触媒層を用いることを特徴とし、また、前記支
持体がハリネズミ型、あるいは迷路型であることを特徴
とする。この支持体材料としては、ステンレス、サイヤ
ロンやジルコニア等のセラミックスからなる群より選ば
れる少なくとも１種を用いることを特徴とし、また、多
孔質無機担体が活性アルミナ、ＢａＡｌ_１２０_１９、Ｃ
ａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、Ｍ_Ｘ・ＺｒＯ_Ｖ等の耐熱化合物の
うちの少なくとも１種から主として構成されることを特
徴とし、さらに、活性金属として、貴金属や貴金属と類
似の機能を持つＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどを用い
ることを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明における予備燃焼は、混合気中の燃料
が、その活性化エネルギーが例えば燃焼触媒等により低
下され、自着火温度より低い温度で、かつ可燃限界以下
の稀薄混合気であるにもかかわらず燃焼することにより
生ずる。したがって、予備燃焼と主燃焼とはその目的が
異なり、燃焼条件も異なる。このため、燃焼制御を容易
にし、各機能を妨害しないようにするためには、予備燃
焼と主燃焼とを別々に制御することが好ましい。

【００１４】例えば、燃焼室内に触媒層を設けたエンジ
ンを用いる場合、予備燃焼により触媒層温度が高くなり
すぎると、主燃焼での点火栓による着火時期の詳細なコ
ントロールを乱すおそれを生ずる。また、触媒層温度が
高くなりすぎる場合には、通常予備燃焼での過剰の燃料
を燃焼している場合であるから負の動力が大きくなり不
経済である。一方、低すぎる場合には、主燃焼でエンド
ガス生成を防止できなくなる。したがって、予備燃焼と
主燃焼は別々に制御することが好ましい。

【００１５】本発明における予備燃焼では、例えばイン
テーク部より１サイクルに必要とされる空気と予備燃焼
に使用される燃料とをシリンダー内に吸入させる。この
場合、シリンダ内の混合気の空燃比は理論空燃比の１０
〜数１０倍という極めて希薄なものであり、可燃限界以
下である。よって、触媒等の活性化手段を用いない限り
着火燃焼しない。

【００１６】本発明において、予備燃焼に必要な燃料量
を１サイクルに使用される燃料の１〜１０％とし、触媒
層温度を３００〜５００℃の範囲に保つこととしたの
は、以下に記載する理由による。すなわち、予備燃焼の
最も重要な目的は、予備燃焼用燃料を燃焼させることに
より、ノッキングの原因となるエンドガスの発生を防止
することであり、そのためには触媒層温度を３００〜５
００℃の範囲に保つことが好ましい。その理由は、触媒
層の温度は、予備燃焼が良好に継続する範囲であればよ
く、具体的には用いる触媒、圧縮比、予備燃焼用燃料量
により多少異なるが、触媒金属成分として貴金属を用い
る場合には、概ね３００〜５００℃程度である。すなわ
ち、触媒層温度が３００℃未満と低い場合には、予備燃
焼が継続せず、かえってノッキングを発生することにな
り、他方、５００℃を超える温度では予備燃焼のタイミ
ングが早まり、圧縮工程での動力の損失が大きくなるた
めである。

【００１７】また、触媒層温度を上記３００〜５００℃
の温度に維持するには、予備燃焼に必要な燃料量を１サ
イクルに使用される燃料の１〜１０％とする必要があ
る。その理由は、予備燃焼用燃料が１％未満と少なすぎ
ると、触媒層温度を３００〜５００℃の範囲に維持する
ことができず、ノッキングが多発することになり、他
方、１０％を超えると主燃焼での燃料が減少し、膨張工
程での動力に負の効果を与えるばかりか、圧縮工程での
動力に負の効果を与えることになり、エンジンの熱効率
の低下が無視できなくなるためである。

【００１８】なお、用いる触媒によっては、予備燃焼時
の混合気流中の燃料は２００℃以下でも燃焼するが、こ
の温度では反応速度が小さく、燃料の一部しか燃焼させ
られないため、安定した予備燃焼状態を得ることができ
ない。

【００１９】本発明における触媒層は、触媒金属成分を
担持した比表面積の大きな担体（以下「燃焼触媒」と称
する）とこれらを支持する支持体とから一体型（モノリ
ス）に構成したものである。この触媒層の形態は、平面
的なものより、混合気と触媒表面との接触時間が長くで
きるもの、例えばハリネズミ型や迷路型にすることが望
ましい。触媒金属成分としては、燃焼触媒としての機能
をはたすものであればよく、貴金属、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｖ等が適しているが、貴金属が使用温度等の
関係で貴金属がより好ましい。

【００２０】また、触媒層を構成する支持体の材料とし
てステンレス、サイヤロンやジルコニア等のセラミック
ス群等より選ばれる少なくとも１種を用いることとした
のは、機械的、熱的衝撃性を向上させ、またルイス数を
低下させ、さらに主燃焼時の火炎の照射による触媒の熱
的劣化を防止するためである。

【００２１】また、多孔質無機担体として活性アルミ
ナ、ＢａＡｌ_１２０_１９、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、Ｍ_Ｘ
・ＺｒＯ_Ｙ等の耐熱化合物のうちの少なくとも１種から
主として構成されるものを用いることとしたのは、これ
らのものは、いずれも多孔質物質であり、良好な耐熱性
が得られるからである。これらのもののいずれを用いる
かは、必要とされる耐熱度に応じて決定されることにな
る。

【００２２】一方、予備燃焼にとって最も注意を要する
ことは、シリンダ内の気流による触媒温度の低下であ
る。例えば、ピストンの上昇によるシリンダー内の風速
は、回転数６０００ｒｐｍの時、Ｎ、Ｔ、Ｐで１６ｍ／
ｓｅｃ、圧縮比を９とした場合、圧縮工程終末直前の燃
焼室内の圧力、温度はそれぞれ１５ｋｇ／ｃｍ^２程度、
２５０℃程度と推定されていることから、２ｍ／ｓｅｃ
と推定できる。このように、シリンダー内の気流速度は
大きく変動するが、風速が急激に上昇するとき、放散熱
量が急激に増加し、触媒温度が低下し、着火しないこと
がある。そのため、グロープラグ等による補熱が必要と
なる場合もある。

【００２３】次に、主燃焼について説明する。実質的に
エンジンの動力を発生させる主燃焼は、従来のエンジン
と同様に、圧縮工程の終末期直前に点火栓近くの噴射ノ
ズルより燃焼室内に燃料を噴射し、これに点火すること
により行われる。燃焼室内は予備燃焼で加熱されている
ため、蒸発潜熱の影響は無視できる。このため、点火栓
より発生した火炎伝播により燃焼室内の燃料を良好に燃
焼させることができる。

【００２４】このように、本発明の方法によれば、燃焼
室内での燃焼状態を良好にすることができ、ノッキング
の発生防止が可能となる。また、これらの結果、圧縮比
を高め、安価な着火温度の低い燃料を用いることが可能
となる。なお、圧縮比を高めることは、予備燃焼時の風
速が低下するので、本発明の方法にとって有利になる。

【００２５】なお、予備燃焼と主燃焼の各条件は、燃焼
状態等を検知し、制御することにより１サイクル全体と
して最良の燃焼状態が得られるように設定されることは
当然である。

【００２６】

【実施例】

実施例１図１はこの発明方法を実施するためのエンジンの一例を
示す概略図で、１はシリンダー、２はピストン、３は触
媒層、４はインテーク部、５は予備燃焼用噴射ノズル、
５−１は電磁弁、６は点火栓、７は主燃焼用噴射ノズ
ル、８は燃焼室、９はグロープラグ、１０は潤滑油の防
油堤である。

【００２７】すなわち、ここに例示したエンジンは、ピ
ストン２のトップランドに予備燃焼用の触媒層３を設け
たもので、インテーク部４に予備燃焼用の燃料を噴霧す
るための噴射ノズル５が設けられ、電磁弁５−１により
噴霧量が調整可能となっている。主燃焼用の燃料は、点
火栓６近傍の噴射ノズル７より燃焼室８内に吹込まれる
構造となっている。グロープラグ９は、触媒温度が低下
した場合に使用する補熱のためのものである。

【００２８】触媒層３は、前記したごとく燃焼触媒とこ
れを支持する支持体とから一体型（モノリス）に構成し
たものである。図２はその触媒層の形態を例示したもの
で、（Ａ）はステンレス製のハリネズミ型の触媒層、
（Ｂ）は同じくステンレス製の迷路型の触媒層である。
触媒金属成分としては、パラジウムや白金等を採用でき
る。また、担体としては、例えば比表面積が１００ｍ^２
／ｇのγーアルミナに酸化物として約１０重量％のセリ
ウムを添加したものを用いることができる。さらに、機
械的、熱的衝撃性、ルイス数、主燃焼時の火炎の照射に
よる触媒の熱的劣化を考慮すると、例えば次のような組
合わせがより有効である。すなわち、支持体にサイヤロ
ン、ジルコニア等のセラミックスを用い、１１００℃以
上の加熱後の比表面積が５０ｍ^２／ｇ以上のＢａＡｌ
_１２０_１９、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、Ｍ_Ｘ・ＺｒＯ_Ｙ等
の耐熱化合物を担体とする。なお、これらの耐熱化合物
を用いる場合、これらは支持体用材料としても使用可能
であるため、触媒層の構成を単純化することが可能であ
る。

【００２９】燃焼触媒を支持体へ担持させる方法として
は、触媒金属成分と担体との混合スラリーを支持体にウ
オッシュコート法を用いて担持させることができるが、
その他の一般的な方法によっても担持させることは可能
である。

【００３０】触媒層３をピストンヘッドに装着する方法
としては、鋳ぐるみ法によりステンレスの支持体を銅合
金層に接合し、この銅合金層をピストン２のトップラン
ドに埋め込む方法を用いることができる。

【００３１】なお、図１では触媒層３を装着する燃焼室
８の部位は、ピストン２のトップランド部のみとした
が、燃焼室８の有効面積すべてに装着した方がより有効
である。しかしながら、シリンダーヘッド部は、給・排
気バルブの大型化、多数化のために、装着できる面積は
ごく限られており、しかも点火栓６の位置に近くて火炎
の到達が速く、形状も平板状であるため、もともとノッ
キングの原因となりにくい部分であるから、触媒層３を
装着する意味はそれ程大きくない。

【００３２】また、ピストン２が上死点に近づいた時、
ピストンヘッドとシリンダー１との間に形成され、混合
気流を形成させるための空間であるスキッシュ・エリア
は、本発明では特に設ける必要はない。

【００３３】本発明方法は、燃焼室８内にレーザ光を照
射し得る装置を備えたエンジンにも適用可能である。レ
ーザ光により燃料の活性化エネルギーを低下させること
が可能だからである。

【００３４】実施例２比表面積が１２０ｍ^２／ｇのγーアルミナを混練し、シ
リンダー状に成形した担体に塩化白金酸アンモニウム溶
液を含浸させ、乾燥後、空気中５００℃で３時間焼成
し、白金を０．５重量％含むＰｔ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒を得
た。次いで、この触媒を粉砕して得た粒径が２５０〜５
００μｍの触媒粉０．５ｃｃ（０．２５ｇ）を試料と
し、通常の常圧固定床流通式反応装置を用いて表１に示
す反応条件で当該触媒能力を測定した。なお、本実施例
では、内径１６ｍｍのＳＵＳ３１６製反応管を使用し
た。また、測定前に工業用酸素のみを供給し、触媒層に
付着したカーボン（反応副生成物）を除去した。測定
は、ＴＣＤ検出器付きガスクロマトグラフ（ＧＣー１
４：島津製作所製）を用いて行った。得られたＣＯ_２量
からｎーペンタンの転化率を求めた結果を図３に示す。

【００３５】図３の結果より、ＳＶが５０００００ｈ
^ー１の場合には、ほぼ２５０℃より触媒表面での燃焼反
応速度が物質移動律速域になっていることがわかる。

【００３６】

【表１】

【００３７】次に、上記の触媒粉を用い、ハリネズミ型
のステンレス製支持体にウオッシュコート法を用いて該
触媒粉を担持させて、図１に示す構造のエンジンを用い
て表２に示すエンジンテスト条件で燃焼テストを行った
結果を表３に示す。なお、ノッキングは混合気中の燃料
量が理論空燃比より少ない、すなわち希薄であるほど起
し易いが、本発明の燃焼方法はこのような状況下であっ
てもノッキングを起こす可能性はほとんどないため、本
実施例では空燃比を調整してテストを行った。また、エ
ンジンを運転するための表３に示す条件以外の他の条件
は、運転状態が表３の各条件で最も良好となる条件に設
定した。表３中、○印はノッキングを起こすことなく安
定した運転状況であることを示し、△印はノッキングを
起す頻度は少なく、実用上の問題はない運転状況である
ことを示し、×はノッキングが頻発し、安定した運転が
望めない状態であることを示す。

【００３８】表３の結果より、本発明方法によれば、空
燃比が２２と高く、リーンバーン状態であっても良好な
燃焼状態が確保できることがわかる。なお、空燃比２
２、予備燃焼用燃料の割合を１５％としたものでは、過
早着火によりノッキングが発生したものと推察される。

【００３９】また、テスト終了後、エンジンを分解し非
摺動壁面を点検した結果、触媒層は完全に原型を保ち、
表面は汚染されていなかったのに対し、触媒層以外の壁
面はカーボンが付着して黒色となっていた。この結果よ
り、触媒層は十分にその機能をはたしたことがわかる。

【００４０】

【表２】

【００４１】

【表３】

【００４２】実施例３触媒として、自動車排ガス処理に従来より用いられてい
る三元触媒を用いた以外は、実施例２と同様にしてエン
ジンテストを行った。その結果、空燃比２２、予備燃焼
用燃料の割合を１％としたものでは、実施例２より多少
ノッキングが増加し、予備燃焼用燃料の割合を１５％と
したものでは、実施例２より多少ノッキングが減少した
ものの大略同様の結果となった。

【００４３】実施例４ディーゼルエンジンを図１と同様の構造に改良し、燃料
としてレギュラーガソリンを使用し、圧縮比２２、予備
燃焼用燃料の割合を０と１０％とで運転した。その結
果、予備燃焼用燃料の割合を０％とした場合には、過早
着火によりノッキングが異常に発生して運転できる状態
ではなかったのに対し、予備燃焼用燃料の割合を１０％
とした場合には、多少のノッキングはあるものの運転に
支承はなかった。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明方法によれ
ば、燃焼を予備燃焼と主燃焼とに分けることにより、予
備燃焼が触媒等により可能となり、高空燃比でも安定し
た燃焼が得られる結果、ノッキングの発生防止と経済性
の向上がはかられ、加えて高圧縮比化が可能となるとい
う、優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するためのエンジンの一例を
示す概略図である。

【図２】同上のエンジンにおける触媒層の形態を例示し
たもので、（Ａ）はステンレス製のハリネズミ型の触媒
層、（Ｂ）は同じくステンレス製の迷路型の触媒層を示
す概略平面図である。

【図３】本発明の実施例２におけるｎーペンタンの転化
率を示す図である。

【符号の説明】

１シリンダー２ピストン３触媒層４インテーク部５予備燃焼用噴射ノズル５−１電磁弁６点火栓７主燃焼用噴射ノズル８燃焼室９グロープラグ１０潤滑油の防油堤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｍ 63/00 Ｆ０２Ｍ 63/00 Ｐ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室で混合気を燃焼させる方法とし
て、１サイクルに使用する燃料の一部を予混合気として
燃焼室内に吸入し、可燃限界以下の希薄混合気をその燃
料の自着火温度よりも低い温度で燃焼（予備燃焼）さ
せ、次いで残部の燃料を燃焼室に吹込み、点火栓を着火
源とする火炎伝播により燃焼（主燃焼）させる多元着火
方法を用いることを特徴とする内燃機関の燃焼方法。
【請求項２】１サイクルに用いられる燃料の１〜１０
％を理論空燃比の１０〜数１０倍の希薄混合気として吸
入させ、ピストンが上死点に達する少し前の圧縮工程終
末期直前、燃料の残部を燃焼室に吹込む直前に３００〜
５００℃に維持した触媒層により燃焼（予備燃焼）さ
せ、その直後に燃料の残部を燃焼室に噴射して点火、燃
焼（主燃焼）させることを特徴とする請求項１記載の内
燃機関の燃焼方法。
【請求項３】予備燃焼させる手段として、活性金属と
多孔質無機担体と支持体とから構成される触媒層を用い
ることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の
燃焼方法。
【請求項４】支持体がハリネズミ型、あるいは迷路型
であることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃焼
方法。
【請求項５】支持体材料として、ステンレス、サイヤ
ロンやジルコニア等のセラミックスからなる群より選ば
れる少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項３
または４記載の内燃機関の燃焼方法。
【請求項６】多孔質無機担体が活性アルミナ、ＢａＡ
ｌ_１２０_１９、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３、Ｍ_Ｘ・ＺｒＯ_Ｙ
等の耐熱化合物のうちの少なくとも１種から主として構
成されることを特徴とする請求項３または４記載の内燃
機関の燃焼方法。
【請求項７】活性金属として、貴金属を用いることを
特徴とする請求項３〜６のうちのいずれか１項記載の内
燃機関の燃焼方法。