JPS638312B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、広範囲に使用し得る燃料噴射弁付の
自己加熱式点火装置に関するものである。すなわ
ち、本発明の自己加熱式点火装置は、良好な混合
気形成、燃料と触媒との接触、着火の確保及び触
媒のシンタリング現象への対策を満たすべく燃料
噴射弁を装備し、通電加熱及び自己加熱の相乗作
用を奏して熱効率を良好となし電力節限を図り、
かつ燃料を可及的速やかに蒸発、点火して安定、
円滑な燃焼をもたらすと共に、構造の簡素化を図
り生産性または耐久性を高め安価にしたものであ
る。

従来、デイーゼルエンジン等の圧縮着火式内燃
機関においては、燃料を高圧にてシリンダ内燃焼
室に噴霧状に供給して、高圧高温の空気に接触さ
せて自発火させるものである。しかるに外気温度
の低いときには、圧縮しても空気の温度が十分に
上がらず着火困難となり、エンジンの始動を困難
にする。このため、燃焼室内には燃料の着火を容
易にするために通電により加熱される熱点火栓、
グロープラグと称する補助点火栓を使用してい
る。この種熱点火栓は一種の電熱プラグで、これ
には電気抵抗発熱体が直接外部に露出するタイプ
と、電気抵抗発熱体の外面に絶縁物質を介して金
属保護管を覆着するタイプとがあり、通電により
表面温度が800〓〜1000〓に達する。この従来の
熱点火栓は、エンジン始動に先立つて通電され圧
縮行程の終りの燃焼室内空気の予熱と、燃焼によ
る燃焼室内高温面による燃料噴霧の発火を助長す
る。しかしながら、従来の熱点火栓は多気筒エン
ジンにおいては複数装着され通電加熱の際には１
本当り10アンペア程度の電流を流す必要から多大
な電力を要しバツテリの容量から30〜120秒程度
の使用が限度とされている。そして、エンジンの
始動直後は、燃焼室内壁面の温度が低く燃料の噴
射後より発火に至るまで極めて長い発火遅れが生
ずる。すなわち本発明者等が実験に供した従来の
熱点火栓を装備するエンジンでは、横軸にクラン
ク角度を採り、縦軸に燃焼ガス温度（〓）を採つ
て燃焼サイクルを示す第１図のように、上死点
（TDC）を遥かに過ぎ、下死点（BDC）の直前に
てようやく発火するような異常な燃焼サイクル
（図中実線Ａにて示す）がみられ騒音を生ずる。
なお、図中破線Ｂは正常な燃焼サイクルを示す。
またこのとき、エンジンは十分に出力が出ないば
かりか、不完全燃焼の結果、末燃焼燃料による白
煙を放出すると共に、このような状態を始動後、
燃焼室の壁温が完全に暖まる数分から十数分間継
続するのである。また、本発明者等の従来の熱点
火栓を用いて行つた実験によれば、エンジン始動
後の熱点火栓の表面温度は第２図々示のような傾
向（図中実線Ｃにて示す）がみられた。すなわ
ち、横軸にエンジンの始動よりアイドリングの運
転時間（分）を採り、縦軸に熱点火栓の表面温度
を採つて熱点火栓の表面温度変化を示す第２図の
ように、熱点火栓への通電を断てば、表面温度は
急激に低下し、しかるのち、燃焼室内の燃焼が正
常な状態に近づくに従つて徐々に温度上昇して約
14分後に安定する。これは、エンジン、水温、大
気温度等の条件によつては時間が多少異なる。さ
らに、エンジンより排出される白煙は、本発明者
等の実験結果によれば、熱点火栓の表面温度が
800〓以下で発生することが確認された。しかし
熱点火栓に対し実験的にエンジン始動後約10数分
間通電を継続したところ（実際上はバツテリ容量
の関係で不可能である）白煙の発生はなくなり、
かつ第１図々示のような燃焼サイクルも生じなく
なつた。

従つて、実用上、電力消費の極めて少ない熱点
火栓の出現が望まれている。

一方、従来の熱点火栓にあつては、金属保護管
がその内部に設けた抵抗発熱体により絶縁物質を
介して加熱される構成である。このため、金属保
護管を必要な温度に保持するには抵抗発熱体自体
をかなり高温に維持する必要があつて、これには
高融点物質が要求される。この条件を満たす材料
としては、従来各種あるがそれぞれ固有抵抗値が
少ないため線材となして実用的な抵抗値や所定の
発熱容量を得るように加工を施す必要がある。こ
のため構造が複雑となつて生産性を低下し、また
断線事故等のトラブルが生じ易い欠点がある。さ
らに、従来の熱点火装置としては、触媒点火源を
その触媒機能が汚損被膜により失われるのを防止
するため着火ヒータとは分離して配設し、共に霧
呈するものがある（特開昭53―148633号、特開昭
54―142427号）。これは起動時の点火を着火ヒー
タにより、以後は触媒点火源により着火して運転
を持続させるのである。しかし、着火ヒータと触
媒点火源とは、共に露呈状態に設けられているた
め、特に着火ヒータ自体は若干の触媒活性を有し
自らの通電加熱に触媒活性による酸化反応の発熱
が加わつて異常加熱され溶断するおそれがある。
また、着火ヒータが触媒の酸化反応雰囲気にさら
されて悪影響を受けて短時間に破損する傾向があ
る。しかも、着火ヒータ面が露呈するがゆえに、
これにカーボンが析出して当該部位にリークを起
こしてヒータの短絡を生ずる傾向があつて破損に
至るおそれがあり実用上解決すべき問題を有す
る。

また、通電加熱式熱点火装置（通称グロープラ
グ）は白金（Pt）に代表される触媒物質を担持
し触媒反応をさせるものであり、反応開始させる
ためには触媒の温度は約450℃以上ではなくては
ならない。そして触媒面で反応が起こり燃料が一
旦着火すると温度は600℃〜1000℃に上昇する。
この温度は供給する燃料の量と、触媒付近には供
給される１次空気の量によつて決まる空燃比Ａ／
Ｆで変化する。この燃焼条件下においては、通常
のグロープラグと同様、酸化・腐食によつて加熱
ヒータの溶断が促進される。これには極力空気と
の接触をさせる構造が必要である。この点に関し
ては従来の工夫と近似する思考かもしれない。

しかしながら、担体（セラミツク）上に分散し
た白金（Pt）粒子は、高温にさらされると表面
拡散を起こして凝集し、粒子の粗大化、結晶子の
肥大化を起こす。このことをシンタリング（半
融）現象というが、かかる現象は酸素の共存によ
つて促進される。このシンタリング現象は、当該
分野において充分なる知見が得られていたもので
はない。すなわち、セラミツク担体に白金等を担
持した触媒がエンジン排気等に使用され、かつよ
り高温に耐える研究がなされて、初めて本発明者
等が解明したものである。この種グロープラグは
表面に媒（カーボン）がついて汚れることが多
い。この煤は考えてみれば一種の燃料であり、
700℃以上になれば燃焼する。しかるに、この煤
の燃焼温度とシンタリング温度は近く、煤が700
℃で一度燃焼を始めると800〜1000℃に達してし
まう。したがつて、シンタリング現象を充分に考
慮しなくてはならない。例えば、絶縁物質に白金
等の触媒を担持すると、800℃以上に長時間加熱
され当初の白金（Pt）粒子は成長粗大化し、つ
いには互いにくつつき合う。このため、もはや絶
縁物質は、電気的絶縁体ではなくなり、抵抗発熱
体の抵抗低下を来たし大電流が流れ抵抗発熱体の
溶断に至る。

以上述べたように本発明は従来のような酸化防
止、腐食防止的見地（実開昭52―44076号、実開
昭53―73317号）とは全く別異の技術課題として
のシンタリング現象を解決するための、併せて良
好な混合気形成、燃料と触媒との接触、着火の確
保を実現する手段を具体的な装置として案出した
ものである。

すなわち、本発明は上記問題点を解消するもの
で、良好な混合気形成、燃料と触媒との接触、着
火の確保及シンタリング現象への対策を満たすべ
く燃料噴射弁を装備し、通電加熱により発熱し触
媒を加熱する抵抗発熱体と、該燃料噴射弁より供
給される燃料との接触により酸化反応を生じて発
熱し該燃料を着火する触媒とからなる燃料噴射弁
付の自己加熱式点火装置を提供することを目的と
する。

かかる目的を達成するため、本発明の自己加熱
式点火装置は、装置本体内部に白金、ロジウム及
びパラジウムの少なくとも一つまたはこれらの組
合せよりなる中空筒状の触媒を装着する中空室を
形成し、該中空室内には該装置本体に設けた燃料
噴射弁の供給孔を臨ませると共に、該中空室内に
空気を導入すべく装置本体に連通孔を設け、かつ
前記触媒には該燃料噴射弁の供給孔より供給され
る燃料と接触し酸化反応を生起して発熱する触媒
面を設けると共に、該触媒面または酸化反応雰囲
気から融離もしくは内装して前記抵抗発熱体を配
設して成り、前記抵抗発熱体への通電により触媒
を所定温度に加熱すると共に、抵抗発熱体への通
電を断つたのちは触媒自体が燃料との接触により
酸化反応を生じて発熱し所定温度を保持すること
により燃料を着火燃焼するようにした構成からな
る。具体的には第３図、第５図および第６図々示
のものは、エンジンシリンダ内の燃焼後の着火ア
シスト用とは異なり、小型燃焼器（例えばストー
ブ）やデイーゼル吸気加熱用のマニホールドヒー
タ（燃焼式：吸入空気の一部に燃焼ガスを加える
ことで加熱）に使用するものである。燃焼に伴う
温度は燃料と空気によつて変化するが、理論空燃
比（Ａ／Ｆ）付近では温度が高く稀薄側では温度
が下がるが着火が悪いのでこの空所８２ｆ，８２
ｇ内は過濃混合気（Ａ／Ｆ）として温度を下げ
る。燃焼した過濃混合気または火炎は空所８２
ｆ，８２ｇより噴出し外部の空気（２次空気）と
混合し、さらに高い温度となる。第５図々示のも
のは連通孔８４ｆの１次空気孔により空所８２ｆ
に入る空気を制限し、シンタリング現象が生ずる
温度に至らないようにしたものであり、第３図々
示のものは触媒を担持する層６ｅでシンタリング
現象が起こつても抵抗発熱体８１を含む層のヒー
タに溶断が起こらないよう両者の層を互いに分離
したものである。さらに、第６図々示のものは抵
抗発熱体７ｇを含む層６ｇと触媒の白金（Pt）
等を担持する層６０ｇとを完全に分離したもので
シンタリング現象がいかに進行したとしても白金
（Pt）等粗大化による抵抗発熱体７ｇの破損は生
じない構造としたものである。

以上述べたように本発明は従来のような酸化防
止、腐食防止的見地とは全く別異の技術課題とし
てのシンタリング現象を解決するための手段を具
体的な装置として案出したものであつて、単に加
熱ヒータを内装するものとは根本的に異なり当業
者において容易に想起し得るものではない。

上記構成からなる本発明は、触媒が近傍に設け
た燃料噴射弁の供給孔からの燃料の蒸発潜熱によ
り、ほどよく冷却され適度な温度調整がなされ
る。また、あまり高温には成らないのでシンタリ
ング現象も防止される。また、本発明の自己加熱
式点火装置は、触媒による自己発熱作用を奏する
ばかりでなく、点火部の表面、またはこれに近接
する燃料の自発火温度をも触媒による触媒作用の
効果で引き下げ機関の始動を極めて容易とする効
果がある。さらに、装置本体に設けた連通孔から
導入される空気によつて燃料噴射弁からの噴射燃
料と良好な混合気が形成できると共に効率良く着
火燃焼することができる。

また、本発明にあつては、抵抗発熱体が前記触
媒面または酸化反応雰囲気から隔離もしくは内装
されているため、通電加熱されるのみである。本
発明は抵抗発熱体には触媒活性による酸化反応の
加熱が加わることは全くなく、該抵抗発熱体が通
電加熱と酸化反応による発熱との両者によつて過
熱しすぎて溶断されることはない。また、本発明
は触媒に燃料と接する触媒面を設けることによつ
て酸化反応の促進を期待するのであるが、これか
ら前記抵抗発熱体を融離もしくは内装して配設す
ることにより、該抵抗発熱体が触媒面または酸化
反応雰囲気中で悪影響を受けて短時間に破損する
ことなく、使用寿命の長期化を図ることができ
る。さらに本発明にあつては、抵抗発熱体が触媒
面または酸化反応雰囲気より融離もしくは内装し
配設してあるため、従来のごときヒータが露出す
る場合にみられるように、該ヒータ面にカーボン
が析出して当該部位にリークを起こしてヒータの
短絡を生ずる傾向があつて破損に至るおそれは全
くない。その他、本発明は燃料噴射弁を装備し、
通電加熱及び自己発熱の相乗作用を奏して熱効率
を良好となし電力節減を図り、かつ燃料を可及的
速やかに蒸発、点火して安定、円滑な燃焼をもた
らすと共に、構造の簡素化を図り生産性または耐
久性を高め、安価とする実用上優れた作用効果を
有するのである。

従つて、本発明にあつては、燃料噴射弁から供
給される露状または液膜状の燃料が蒸発潜熱によ
つて熱をうばいつつ着火に至るものでこの領域内
に触媒があること、過濃混合気を形成するための
１次空気導入用の連通孔及び噴射弁が一体的に配
設されていることを必須条件とするものであつて
位置的に別々に配設されている場合は目的を達し
ないのである。

また本発明の自己加熱式点火装置は、デイーゼ
ルエンジン等の圧縮着火式内燃焼機関に適用すれ
ば、前述の通電加熱及び自己発熱によつて点火を
迅速となして発火遅れによる騒音を防止でき、安
定、円滑な燃焼をもたらすことによつて白煙の発
生を抑止でき、排気ガス中の有害成分を減じ燃料
消費量も低減でき、さらに活発な酸化反応によつ
て煤を燃焼する自己清浄作用を実奏することがで
き、さらに本発明装置はこれに燃料が接触するも
のであれば、予熱燃室や、渦流室付内燃機関、筒
内噴射や吸気管噴射式内燃機関、またガスタービ
ン、ボイラ、加熱炉等の定常燃焼装置の点火装
置、暖房用の点火装置、さらには吸入空気の予熱
装置として最適である。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

本発明の第１実施例自己加熱式点火装置８ｅを
第３図及び第４図に基づき説明する。

本第１実施例装置８ｅは、燃料供給装置として
の燃料噴射弁７７を一体的に装備可能としてあ
る。すなわち燃料噴射弁７７を取り付ける取付孔
７３を中央に設けた取付部７８にはその他端７９
に中空円筒状の金属保護管８０を同軸的かつ垂下
状に一体固着する。この保護管８０の内部には、
プラス端子（図示せず）と導電性良好に接続さ
れ、かつ取付部７８に接地され通電により発熱す
るコイル状の抵抗発熱体８１を絶縁的に、さらに
中心側に中空円柱状で所定厚さの触媒６ｅを同心
的かつ一体的に内装支持してある。触媒６ｅは、
白金、ロジウム及びパラジウムの少なくとも一つ
またはこれらの組合せよりなり、燃料との接触に
より酸化反応を生起して発熱するものである。こ
れにより本第１実施例装置８ｅはその他端７９に
有底筒状の空所８２を設けその底部８３に燃料噴
射弁７７の燃料供給孔７７ｅを臨ませ前記触媒６
ｅに燃料が良好に接触するようになすと共にその
底部付近の周壁部に空気を外部より空所８２の内
部に導入すべき複数の連通孔８４を開口してあ
る。そして、本第１実施例装置８ｅは、金属保護
管８０および触媒６ｅが点火部９ｅを構成する。

以上構成よりなる第１実施例装置８ｅはこれを
始動容易とする吸気加熱装置付内燃機関に適用し
た例で作用効果を説明する。

ところで吸気加熱装置付内燃機関は、第４図々
示のように吸入空気導入用の吸気通路８５におい
て、その吸入弁８６上流の通路壁部８７に本第１
実施例装置８ｅを装備してなる。これにより内燃
機関の始動に先立ち、点火装置８ｅを通電加熱し
て所定の高温となし、しかるのち、空所８２およ
び吸気通路８５内に所定量の燃料を噴射供給すれ
ば前記触媒によつて可及的速やかに蒸発、発火す
ることとなり着火燃焼後、直ちに通電を断つても
自己着火機能を奏する。この火炎は空所８２内よ
り吸気通路８５内へ伝播し流通する吸入空気を直
ちに加熱することができる。このとき空所８２内
に噴射された燃料は、連通孔８４を通じて吸気通
路８５より空所８２内へ供給される空気と良好に
混合しこの空気流によつて空所８２内より吸気通
路８５へ流通推進されるため燃焼トラブル等の発
生を抑制でき内燃機関の運転を安定、円滑にする
実用的効果を奏する。

従つて、本第１実施例装置８ｅを装備する内燃
機関は適確に吸気を加熱することができ、この加
熱吸気でもつて筒内燃料噴射による燃焼を完全に
行うことができるので従来に比して一段と始動を
容易となし消費電力を激減することができる作用
効果を奏する。

次に、本発明の第２および第３実施例自己加熱
式点火装置８ｆおよび８ｇを第５図および第６図
に基づき説明する。なお前記第１実施例と同一部
分は同一符号を付し相違点を中心に述べる。

まず第２実施例装置８ｆは、前記第１実施例と
は有底筒状の触媒６ｆを燃料噴射弁７７の供給孔
７７ｆと対向配設した点が異なる。すなわち、第
５図々示のように取付部７８ｆにはその他端に有
底筒状の空所８２ｆを設け、その底部８３ｆに燃
料噴射弁７７の供給孔７７ｆを臨ませてある。ま
た取付部７８ｆにはその底部付近の周壁部に空気
を外部より空所８２ｆ内に導入すべき複数の連通
孔８４ｆを開口してある。ところで本第７実施例
装置８ｆはその空所８２ｆ内の開口側に有底筒状
の触媒６ｆが同軸的に、かつ放射状に架設された
アーム８５により壁部に一体固着されている。こ
の触媒６ｆの内部にはプラス端子（図示せず）と
導電的良好に接続され、かつ取付部７８ｆに接地
され通電により発熱するコイル状の抵抗発熱体７
ｆが充填されている。また触媒６ｆは燃料噴射弁
７７の供給孔７７ｆの直下に対向配設され、これ
よりの燃料とその外周表面にて効率良くかつ確実
に接触するようにしてあり燃料との接触面積を大
にしてある。

また、第３実施例装置８ｇは前記各実施例とは
中空円筒状の触媒６ｇを同軸的に二重にして燃料
噴射弁７７の供給孔７７ｇと対向配設した点が異
なる。すなわち、第６図々示のように取付部７８
ｇにはその他端に有底筒状の空所８２ｇを設け、
その底部８３ｇに燃料噴射弁７７の供給孔７７ｇ
を臨ませてある。また取付部７８ｇにはその底部
付近の周壁部に空気を外部より空所８２ｇ内に導
入すべき複数の連通孔８４ｇを開口してある。と
ころで、本第３実施例装置８ｇはその空所８２ｇ
内に中空円筒状の第１および第２の触媒６ｇ，６
０ｇが同軸的にかつ所定間隔を保持して配設され
ている。第１触媒６ｇは取付部７８ｇの垂下部内
周壁９０に装着され、内部には、プラス端子（図
示せず）と導電的良好に接続され、かつ取付部７
８ｇに接地されて通電により発熱するコイル状の
抵抗発熱体７ｇが充填されている。また小径の第
２の触媒６０ｇは取付部７８の垂下部開口に放射
状に架設されたアーム８５ｇにより一体固着され
ている。これら第１および第２の触媒６ｇ，６０
ｇは、燃料噴射弁７７の供給孔７７ｇの直下に対
向配設され、これよりの燃料とそれぞれの表面に
て効率良くかつ確実に接触するようにしてあり、
燃料との接触面積をより一層大にしてある。

従つて、本第２および第３実施例装置８ｆ，８
ｇをそれぞれ前述した第１実施例の内燃機関に、
またはガスタービン、ボイラ、加熱炉、暖房用等
の定常燃焼装置の点火装置に適用することにより
燃焼の著しい改善を図ることができ、その他前述
の各実施例とほぼ同様な作用効果を実奏する等の
実用上優れた効果を発揮することができる。

以上要するに、本発明の自己加熱式点火装置
は、装置本体内部に白金、ロジウム及びパラジウ
ムの少なくとも一つまたはこれらの組合せよりな
る中空筒状の触媒を装着する中空室を形成し、該
中空室内には該装置本体に設けた燃料噴射弁の供
給孔を臨ませると共に、該中空室内に空気を導入
すべく装置本体に連通孔を設け、かつ前記触媒に
は該燃料噴射弁の供給孔より供給される燃料と接
触し酸化反応を生起して発熱する触媒面を設ける
と共に、該触媒面または酸化反応雰囲気から隔離
もしくは内装して前記抵抗発熱体を配設して成る
ものである。

そして本発明の自己加熱式点火装置は、前記抵
抗発熱体への瞬時の通電により触媒を所定温度に
加熱するとともに、抵抗発熱体への通電を断つて
も、触媒自体が燃料との接触により酸化反応を生
じて発熱し所定温度を保持することにより通電加
熱及び自己加熱の相乗作用を奏して熱効率を著し
く良好となし電力節減を図り、かつ燃料を可及的
速やかに蒸発、点火して安定、円滑な燃焼をもた
らし、さらに構造の簡素化を図り生産性または耐
久性を高め安価となす実用上有意義な効果をもた
らす。

また、本発明の自己加熱式点火装置は、デイー
ゼルエンジン等の圧縮着火式内燃機関に適用すれ
ば、前述の通電加熱及び自己発熱によつて点火を
迅速となして発火遅れによる騒音を防止でき、安
定、円滑な燃焼をもたらすことによつて白煙の発
生を抑止でき、排気ガス中の有害成分を減じ燃料
消費量も低減でき、さらに活発な酸化反応によつ
て煤を燃焼する自己清浄作用を実奏することがで
きる。さらに、本発明装置はこれに燃料が接触す
るものであれば、予燃焼室や過流室付内燃機関、
筒内噴射や吸気管噴射式内燃機関、また、ガスタ
ービン、ボイラ、加熱炉等の定常燃焼装置の点火
装置、暖房用の点火装置、さらには吸入空気の予
熱装置として最適である。さらに本発明の自己加
熱式点火装置は触媒を上述の他に、ニツケル、
鉄、コバルト、クロム、タングステン、モリブデ
ン、バナジウム等の遷移金属及びその酸化物の使
用が有効でありこれら単独又は適宜選択組合せの
実施態様を採り得る。

この他本発明は前記各実施例の適宜選択組合
せ、さらに特許請求の範囲を逸脱しない範囲での
幾多の変更、変形の態様を採り得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼サイクルを示す線図、第２図は熱
点火栓の温度変化を示す線図、第３図及び第４図
は本発明の第１実施例をそれぞれ示す要部断面
図、第５図及び第６図は本発明の第２及び第３実
施例をそれぞれ示す要部断面図である。 図中、８ｅ，８ｆ，８ｇ…点火装置、７７…燃
料噴射弁、８０…保護管、６ｅ，６ｆ，６ｇ，６
０ｇ…触媒、７ｆ，７ｇ…抵抗発熱体、８２，８
２ｆ，８２ｇ…空所、８４，８４ｆ，８４ｇ…連
通孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 装置本体内部に白金、ロジウム及びパラジウ
   ムの少なくとも一つまたはこれらの組合せよりな
   る中空筒状の触媒を装着する中空室を形成し、該
   中空室内には該装置本体に設けた燃料噴射弁の供
   給孔を臨ませると共に、該中空室内に空気を導入
   すべく装置本体に連通孔を設け、かつ前記触媒に
   は該燃料噴射弁の供給孔より供給される燃料と接
   触し酸化反応を生起して発熱する触媒面を設ける
   と共に、該触媒面または酸化反応雰囲気から隔離
   もしくは内装して前記抵抗発熱体を配設して成
   り、前記抵抗発熱体への通電により触媒を所定温
   度に加熱すると共に、抵抗発熱体への通電を断つ
   たのちは触媒自体が燃料との接触により酸化反応
   を生じて発熱し所定温度を保持することにより燃
   料を着火燃焼するようにしたことを特徴とする自
   己加熱式点火装置。