JPS5949404B2 - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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JPS5949404B2
JPS5949404B2 JP52068765A JP6876577A JPS5949404B2 JP S5949404 B2 JPS5949404 B2 JP S5949404B2 JP 52068765 A JP52068765 A JP 52068765A JP 6876577 A JP6876577 A JP 6876577A JP S5949404 B2 JPS5949404 B2 JP S5949404B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体または気体炭化水素燃料を使用し、かつエ
ンジンシリンダに関連する燃焼室内に触媒点火装置を有
する往復ピストン内燃機関に関するものである。
本発明は往復ピストン型ガソリンおよびディーゼルエン
ジンに適用可能であり、またメチルもしくはエチルアル
コール等の他種液体燃料や気体燃料を使用するエンジン
にも適用可能である。
内燃機関を有する路上車輌が市街地で多数使用されるに
至り、大気汚染問題は特に日照時間の長イ特定の地域で
深刻なものとなっており、それはかかる車輌用エンジン
の排気エミッションと大気との間で光化学反応が生じる
からである。
この効果それ自体はＮＯｘ複合化合物によるスモックと
して視界を減少し、かつ目、鼻、喉に対する刺激となっ
て表われる。
そのために少くとも１つの国において導入された立法に
よれば、全ての路上車輌用エンジンの排気エミッション
中の未燃焼炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の量が局
所的に制限されるに至っている。
この法的規制は年々きびしくなっており、車輌およびエ
ンジン製造業者にかなりの技術的難点をなげかげている
。
望ましくない排気エミッションの問題に対する１つの解
決策によれば、エンジンを可能な限り空燃比の高いリー
ン混合気で作動させ、空燃比の増加に従ってＮＯｘを大
幅に減少しているが、ＨＣはそれば伴って増加する。
。ＮＯｘは高燃焼温度で生成され、しかも生成された後
は極めて安定である。
しかし高い空燃比の場合には、燃焼反応速度が減少し、
使用される少量の燃料からより少い熱量が解放されるの
で、全空気／燃料質量の温度上昇が空燃比の低い混合気
による場合よりも僅かである。
他方、炭化水素燃料の実際燃焼効率は空気内での高度の
拡散のために空燃比が高い場合には低下し、そのために
リーン混合気の場合に燃料を強力なスパークによって局
所的に点火することが可能ではあっても、その着火フレ
ームが全ての燃料に達しないことがしばしば起り、その
結果ある程度の未燃焼炭化水素が排気中に残されること
になる。
上記難点を解決するために所謂成層燃焼ガソリンエンジ
ンが提案されており、このエンジンにおいては燃料をス
パークプラグまたは点火部分の近傍に集中させて局所的
にリッチな部分を形成し、このリッチな混合気は空気の
みで構成することのできる供給物の残部中に拡散する前
に急速に点火燃焼させる。
この提案によれば排気ニーミッション中の未燃焼炭化水
素レベルをある程度減少させることが可能であるが、未
だ改良の余地が残されている。
触媒点火も提案されてはいるが、現状では実用に供され
る内燃機関における空気／燃料混合物の点火方法は、ス
パーク点火および圧縮点火の２種類であり、その各々は
前方のフレームにより燃焼が混合供給気全体に拡がるこ
とに依存している。
本発明の目的は、内燃ピストンエンジンにおける新規な
触媒点火方法を提供し、燃焼の前方フレームによる供給
気全体への拡がりに依存することなく、通常のスパーク
点火または圧縮点火装置による場合には燃焼させること
ができない空燃比の極めて高い混合気でも使用可能とす
ることである。
従来既知の提案によれば、ピストンエンジンのシリンダ
の燃焼室内に触媒部材を取付けて空気／燃料供給物を点
火させ、これによって燃焼を開始する。
この触媒部材は比較的厚いハニカム構造の円板として形
成され、かつシリンダ内に固定されピストンの上死点位
置とシリンダヘッドとの間でシリンダ孔を完全に横切っ
て延在し、燃焼室内に導入される燃料は触媒と接触し先
行する圧縮行程間に圧縮された空気と混合するので、空
気／燃料混合物は触媒により点火され触媒円板を通過し
て燃焼を完了する。
しかし既知の配置では、ピストン頂部およびシリンダヘ
ッド間でシリンダ内に配置される比較的暉い触媒部材は
１通常の設計のエンジンにおいて考えられるよ５Ｋ、機
械的干渉を除去すべき場合には圧縮比の可能な値に深刻
な規制をおよぼすことになる。
低圧縮比は受容しがたい熱効率および燃料経済の低下を
もたらす。
さらに、触媒を点火に使用する効果が通常の点火方法で
使用できるよりもリーンな空燃比の燃料を酸化、すなわ
ち燃焼させることにある以上、通常の薄混合比よりもリ
ーンな空気／燃料混合物を使用するにあたりノッキング
を生ぜずに通常よりも高い圧縮比を利用できるようにす
るのが望ましい。
本発明は、可燃空気燃料混合物をシリンダ内のピストン
により支持された触媒素子を用いて触媒燃焼させる燃料
噴射式往復ピストン型内燃機関において、シリンダ内の
ピストンにより支持される触媒素子を、混合気をその厚
さな通して自由通過可能とする有孔シート構造の頂部触
媒部材と、少なくとも１つの別の触媒部材とにより構成
し、前記触媒素子により付加的な点火手段を持たない当
該シリンダに関連する燃焼室内で混合気の燃焼を開始可
能とし、ピストンが上死点位置にある時の燃焼室容積の
大部分をピストン頂部の上面に形成された開放頂部を有
する凹部により限定し、頂部触媒部材はピストン頂部内
の前記曲部の上側部分を横切って延在させ、頂部触媒部
材によりその下方および前記凹部内のスペースを包囲し
、前記別の触媒部材はその活性面の大部分を前記四部の
底面および側面から離間させて頂部触媒部材の包囲する
前記スペース内に配置し、さらに−シリンダ内で燃焼さ
せるべき燃料の全量を頂部触媒部材の包囲する前記スペ
ース内に噴射する手段を設け、この燃料噴射手段により
ピストンがほぼ上死点位置にある時に燃料噴射を行なう
と共に噴射燃料のほぼ全体を前記触媒素子と接触させて
燃焼を開始し、かつ促進することを特徴とする。
触媒素子に設けた少なくとも１つの前記別の触媒部材は
、例えば、有孔シート構造とすると共に前記スペース内
で頂部触媒部材の下側面から下方に向けて延在させるこ
とができる。
触媒部材は、グリッド、ゲージ、マトリックスもしくは
メツシュ構造とし、または有孔シートもしくは多孔質焼
結材料により構成することができる。
触媒部材は、例えばプラチナ線よりなるメツシュもしく
はゲージ状の触媒材料により、または表面が触媒材料で
被覆された支持構体により構成しうろことは言うまでも
ない。
本発明の一実施態様において、頂部触媒部材は前記凹部
の開放頂部を完全に横切って延在させ、頂部触媒部材に
開口を形成して内燃機関の作動時に燃料を前記開口を通
して前記凹部内のスペース内に噴射し、前記凹部から外
部に排出される混合物の全体を頂部触媒部材を通過させ
る。
頂部触媒部材の下方に位置する凹部内のスペースを１つ
以上の前記別の触媒部材により複数個の区画に分割し、
燃料噴射手段は前記開口を通して別々に各区画内に燃料
を噴射するように配置することができる。
例えば凹部が円筒形状を有する場合に単一の前記別の触
媒部材を凹部を直径方向に横切って配置し、または複数
の前記別の触媒部材を半径方向に延在させて配置するこ
とができる。
触媒部材をピストン上に取付ける手段としては多くの構
造のものを使用することができる。
例えば、触媒素子は前記凹部内に密に嵌合させたカップ
状部材により支持することができる。
本発明においては触媒素子をピストン頂部の燃焼凹部内
でピストンによって支持するため、その凹部内に噴射さ
れる燃料を点火させ、燃焼室内の各位置で空燃比を広範
囲にわたって変化させた場合でも燃焼を促進することが
可能となる。
その目的のために触媒材料を、広範囲に分布した接触面
を有する構体に適用し、シリンダ内で燃焼させるべきほ
ぼ全部の燃料をその接触面と接触させ、これによって全
燃料の排気ポートに至る以前における多酸化点が得られ
るようにする。
したがって全燃料の完全燃焼が前方フレームの拡がりに
依存しないで行なわれる。
空気／燃料混合物の触媒酸化は既知の着火フレームによ
るものよりもかなり低い温度で行なわせることができ、
内燃機関で通常使用されるよりもかなり高い空燃比にお
いて対応する低解放熱および温度上昇のもとでも生じさ
せることができる。
本発明は、メチルもしくはエチルアルコールまたは気体
燃料を使用するエンジンや、ガソリンおよびディーゼル
エンジンに適用することができ−特に燃料節減が将来ま
すます重要となる現状から判断して有用である。
以下、本発明を図示の実施例について詳細に説明する。
第１および第１Ａ図に示す実施例において、直接ガソリ
ンを噴射する形式のエンジンにはシリンダブロック１０
と、ポペット弁１１Ａ、１’ｌＢを有するシリンダヘッ
ド１１とを設け、さらにピストン１２をシリンダ１３内
に配置し、各ピストン１２には圧縮点火エンジンのピス
トンで公知の頂部開放凹部１４をピストン頂部１５の上
面に形成し、この凹部１４によりピストンが上死点位置
にある時にシリンダ１３内の燃焼室の大部分を提供する
。
第１図では凹部１４が平坦な底面を有するが、この凹部
の中央に例えば円錐形状をなす円形断面の突部を底面よ
り上方に突出させて設け、この突部と凹部の円筒状側壁
との間に環状室を形成し、この環状室に沿う突部の周囲
で空気／燃料混合気を旋回させる構成とすることも可能
である。
エンジンには各シリンダに関連して燃料噴射装置１６を
シリンダヘッド１１内で凹部１４の中心上に取付け、各
噴射装置１６のノズルチップ１７を第１図に示すように
上死点位置にある凹部１４の上側部分内に位置するよう
に僅か下方に突出させる。
ノズルチップ１７には計量されたガソリン燃料を関連す
る噴射装置本体１６と通常の噴射ポンプからの図示しな
いパイプとを通して供給する。
ノズルチップ１７には２個の供給孔を直径対向位置に配
置して、気化燃料の２本のジェット１８が凹部１４内に
半径方向および下方に傾斜して噴射されるようにする。
多（の既知の手法の１つによってエンジンシリンダ１３
内には空気をピストン頂板１５の上方に吸込み、または
吹込んで、気流を燃焼室内のシリンダ軸線の周りで回転
運動させる。
後述するところにおいて、この回転空気流を旋回気流と
称することもある。
取付はリング１９およびねじ２０によりピストン頂部１
５には凹部１４の頂部を横切って延在するワイヤーゲー
ジ円板２１を頂部触媒部材として固定し、この円板には
小径の中央孔２２を形成し、この中央孔を通して噴射ノ
ズルのチップ１７は第１図に示すように上死点位置で隙
間なへだでて突出させる。
凹部１４をその底面とゲージ円板２１の下面との間で直
径的に横切って延在し、かつその下縁が凹部の底面と適
合するワイヤーゲージ板２３を、別の触媒部材として、
凹部１４内に密嵌する２つ割り円筒ライナー２４の２個
の半部２４Ａ、２４Ｂの対向端部間でクランプする。
この垂直なゲージ２３の上縁２５は慣性力に対してワイ
ヤー２６により補強する。
ライナーの半部２４Ａ、２４Ｂは円周方向に延在するね
じ２７により相互に固定する。
垂直ゲージ板２３は、したがって、ライナー２４内で凹
部１４を２個の半円筒空間に分割、し、これらの空間の
各々には２本の燃料ジェット１８がそれぞれ噴射ノズル
１７によって第１Ａ図に示すように噴射される。
ゲージ板２３の上縁２５にはノズルチップ１７が収めら
れる小さな切欠き２８を形成する。
ノズル１７からの燃料噴射は、頂部ゲージ２１の中央孔
２２を通して、そして上死点位置に至る直前に行う。
第１Ａ図から明らかなように、噴射燃料の２本のジェッ
ト１８は凹部１４内の対応する空間内における垂直ゲー
ジ２３の近接位置に指向させ、その位置は第１Ａ図に矢
Ａで示した凹部内の旋回気流方向における垂直ゲージの
下流位置とし、したがって旋回気流が気化および蒸発し
た燃料をゲージ２３の下流位置に搬送する以前に燃料を
充分に蒸発させるための時間が得られる。
気流がゲージ２１および２３の材料を自由に通過できる
ことは言うまでもない。
ゲージ２１および２３は燃焼に適当な触媒それ自体によ
り、またはこれを被覆して構成する。
例えばゲージ２１および２３はプラチナ線により、プラ
チナが電気めっきによって被覆された適当な熱抵抗線に
より２または大面積を得るために表面にプラチナを既知
の手法で化学的に沈着させた多孔質耐熱セラミック液が
薄く被覆された適当な熱抵抗線により構成することがで
きる。
純粋なプラチナに代えて他の触媒材料、例えば特殊処理
表面を有する金属または、純粋なプラチナの触媒作用を
向上するプラチナと同一化学群に属する元素およびプラ
チナの既知の結合物の１つを使用してもよい。
言うまでもないが燃料、この場合にはガソリンが頂部ゲ
ージ２１の下方で凹部１４内の半円筒空間中に、そして
直径方向ゲージ２３の片側に噴射されると、気化燃料は
旋回気流により捕捉搬送されて触媒ゲージ２１および２
３の一方または双方と接触し、これによって点火される
。
その中に燃料が噴射された気流全体は、凹部１４から隣
接するシリンダ空間に排出され得る状態となる前に触媒
ゲージの少くとも一方を通過する必要があり、その結果
として燃料はシリンダ排気ポートに至る以前に全体を多
点触媒酸化させることが可能となる。
したがって排気中の未燃焼炭化水素化合物は大幅に減少
させ、または完全に除去することができる。
圧縮行程の終期における酸素の圧力および温度ならびに
量は、既知のエンジン排気システムに設げられる触媒箱
内におけるよりも効果的に触媒酸化を行わせる。
さらに、空燃比が高い所謂リーン混合気を均質な状態で
上述したように触媒酸化させることができるため、供給
成層化は不要である。
エンジン負荷はエンジンへの燃料供給量により容易に制
御することができる。
噴射ノズル１７に３以上の噴射孔が設けられる場合には
、単一の直径ゲージ２３を対応する数の半径ゲージシー
トと置換する。
例えば、噴射ノズルに４個の噴射孔を設けて燃料ジェッ
ト１８を９０°間隔で半径方向に噴射する場合、触媒支
持構体には頂部ゲージ２１の下方で半径方向に延在する
４枚のゲージシートを設けて凹部１４の内部スペースを
４個の４分円に分割し、これらの４分円のそれぞれに燃
料ジェット１８を噴射する。
第２および２Ａ図は第１および１Ａ図のピストンエンジ
ンの変形例を示す。
本例において触媒支持構体にはプレス加工または絞り加
工されたシートメタルのカップ状部材３５を設け、この
部材は凹部１４′内に密に嵌合させるとともに底部を凹
部の底面にクランプし、そのクランプはピストン頂部１
５′の孔を貫通するクランプボルト３６によって行ない
、この孔にはスリーブ３７をライニングとして設ける。
ボルト３６の頭部はクランプ板３８に重ねて溶接し、こ
のクランプ板はカップ状部材３５の底面に重ねて溶接す
ることにより、カップ状部材３５．クランプ板３８およ
びボルト３６の組立体を一体構造とする。
ピストン頂部の下方でボルト３６にねじ込まれるナツト
３９をスペーサとして作用するスリーブ３７に対して締
付け、１組の皿ばね座金４０はボルト３６のジャンクの
周囲でナツト３９とピストン頂部１５′の下面との間に
介挿し、これらの皿ばね座金によってカップ状部材の組
立体を各部の異なる熱膨張が許容されるように凹部１４
′の底面に確実に保持する。
頂部ゲージ２１′にはワイヤーゲージ円板を設け、この
円板は、内周および外周の補強リング４２および４２Ａ
を有する補強部材４１により補強し、かつカップ状部材
３５の頂部突片４３の下方で溶接する。
直径ゲージ２３′は、ボルト３６の頭部を収めるために
下縁に切欠き４４を形成し、各縁部においてカップ状部
材３５およびクランプ板３８に溶接することにより所定
位置に保持する。
ゲージ２１′および２３′は前例におけると同様に触媒
材料それ自体により、またはこれを被覆して構成する。
第３図に示す他の変形例では、触媒支持構体をプレス加
工または絞り加工されたスリーブ５０により構成し、こ
のスリーブに上部および下部の内向き突片５１および５
２を設ける。
頂部ゲージ２τはその周縁で上部突片５１に溶接し、下
部突片５２は環状底板５３の周縁に溶接し、この底板は
第２図の例におけると同様にボルト３６で所定位置に保
持する。
直径ゲージ２′ｇ′はその上縁において頂部ゲージ２ｆ
に、また対向端においてはスリーブ５０に溶接する。
第２および２Ａ図ならびに第３図の実施例は、第１およ
び１Ａ図のものと同様に作用する。
燃料噴射位置をほぼ中央に配置することと関連して一適
正な吸気および排気ポートならびにバルブ寸法を具体的
に設計するにあたり、ピストン頂部の凹部の中心と噴射
ノズルチップとは何れもシリンダの軸線から僅かにオフ
セットさせるのが普通である。
ノズル１７のチップの中心、凹部１４の中心軸線等は一
一般に正確には一致しない。
上述した実施例においては触媒を金属ゲージそれ自体で
構成し、または金属ゲージにより支持したが、別の構成
の触媒部材を使用しうろことは言うまでもない。
例えば、ゲージに代えて理論的には触媒が被覆された穿
孔金属シート：円形、３角形その他の幾何学的形状の通
路を有し、マトリックス構造が形成されるように組合わ
され、触媒が被覆されたセラミックス、ガラスまたは金
属材料よりなる短片；あるいは触媒が被覆された多孔質
焼結材料を使用することができる。
なお、本明細書中で用いられた用語中、「頂部」。
「下側」、「上死点」等は、エンジンのピストンがシリ
ンダヘッドに向けて上方に、およびクランク軸に向けて
下方に変位する状態を基準としているが２本発明を特定
のエンジンの配置のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は燃料噴射形ガソリンエンジンにおける典型的な
シリンダ配置を、燃料噴射ノズルが上死点における位置
にある状態で示す縦断面図；第１Ａ図は第１図のピスト
ンの平面図；第２および２Ａ図は本発明によるピストン
の変形例を示す第１および１Ａ図と同様な断面図および
平面図；そして第３図は本発明によるピストンの他の変
形例を示す縦断面図である。 １２・・・ピストン、１３・・・シリンダ、１４．１４
’１１・・・凹部、１５．１５’、１５”・・・ピスト
ン頂部、１６．１７・・・燃料噴射手段、１８・・・噴
射燃料、２１．２１’、２τ、２３．２３’、２γ・・
・触媒素子、２２・・・同開口、３５・・・カップ状部
材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 可燃空気燃料混合物をシリンダ内のピストンにより
    支持された触媒素子を用いて触媒燃焼させる燃料噴射式
    往復ピストン型内燃機関において、シリンダ１３内のピ
    ストン１２により支持される触媒素子２１．２３； ２
    １’、２３’； ２τ、２３”を、混合気をその厚さを
    通して自由通過可能とする有孔シート構造の頂部触媒部
    材２１．２１’、２１”と、少なくとも１つの別の触媒
    部材２３，２３’、２γとにより構成し、前記触媒素子
    により付加的な点火手段を持たない当該シリンダに関連
    する燃焼室内で混合気の燃焼を開始可能とし、ピストン
    １２が上死点位置にある時の燃焼室容積の大部分をピス
    トン頂部１５．１５’の上面に形成された開放頂部を有
    する凹部１４，１４′、１４′により限定し、頂部触媒
    部材はピストン頂部内の前記凹部１４゜１４’ 、 １
    Ｋ’の上側部分を横切って延在させ、頂部触媒部材に
    よりその下方および前記凹部内のスペースを包囲し、前
    記別の触媒部材はその活性面の大部分を前記凹部の底面
    および側面から離間させて頂部触媒部材の包囲する前記
    スペース内に配置し、さらに、シリンダ内で燃焼させる
    べき燃料の全量を頂部触媒部材の包囲する前記スペース
    内に噴射する手段１６．１７を設け、この燃料噴射手段
    によりピストンがほぼ上死点位置にある時傾燃料噴射を
    行なうと共に噴射燃料１８のほぼ全体を前記触媒素子と
    接触させて燃焼を開始し、かつ促進することを特徴とす
    る内燃機関。 ２、特許請求の範囲第１項記載の内燃機関において、触
    媒素子に設けた少なくとも１つの前記別の触媒部材２３
    ．２３’、２３”を有孔シート構造とすると共に前記ス
    ペース内で頂部触媒部材２１．２１’２τの下側面から
    下方に向けて延在させることを特徴とする内燃機関。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の内燃機関において、頂
    部触媒部材および前記別の触媒部材の少な（とも一方を
    グリッド、ゲージまたはメツシュ構造とすることを特徴
    とする内燃機関。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の内燃機関において、頂
    部触媒部材および前記別の触媒部材の少なくとも一方を
    マトリックス構造とすることを特徴とする内燃機関。 ５ 特許請求の範囲第２項記載の内燃機関において、頂
    部触媒部材および前記別の触媒部材の少なくとも一方を
    焼結構造とすることを特徴とする内燃機関。 ６ 特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１つに記
    載された内燃機関において、頂部触媒部材は前記凹部の
    開放頂部を完全に横切って延在させ、頂部触媒部材に開
    口２２を形成して内燃機関の作動時に燃料を前記開口を
    通して前記凹部内のスペ−ス内に噴射し、前記凹部から
    外部に排出される混合物の全体を頂部触媒部材を通過さ
    せることを特徴とする内燃機関。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の内燃機関であって、燃
    料噴射手段がノズルを有する噴射装置を含むものにおい
    て、前記ノズル１７はピストン１２が上死点位置にある
    時に先端が前記開口２２を通して前記凹部内のスペース
    内に突入するように配置することを特徴とする内燃機関
    。 ８ 特許請求の範囲第２項記載の内燃機関であって、燃
    料噴射手段がノズルを有する噴射装置を含むものにおい
    て、前記ノズル１７はピストン１２が上死点位置にある
    時に先端が前記開口２２を通して前記凹部内のスペース
    内に突入するように配置し、さらに、前記凹部内のスペ
    ースを１つ以上の前記側の触媒部材により複数個の区画
    に分割し、燃料噴射手段１６．１７は前記開口２２を通
    して別々に各区画内に燃料を噴射するよ５に配置するこ
    とを特徴とする内燃機関。 ９ 特許請求の範囲第８項記載の内燃機関において、ピ
    ストン頂部の前記凹部１４，１４′、１７ｒ′を円筒形
    状とし、触媒素子の少なくとも１つの別の触媒部材２３
    ．２３’、２に’は前記凹部を直径方向に横切らせて配
    置することを特徴とする内燃機関。 １０ 特許請求の範囲第１項〜第９項のいずれか１つに
    記載された内燃機関において、触媒素子は前記凹部１４
    内に密に嵌合させたカップ状部材３５により支持するこ
    とを特徴とする内燃機関。
JP52068765A 1976-06-10 1977-06-10 内燃機関 Expired JPS5949404B2 (ja)

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