特許 6036422 点火装置、内燃機関及び浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6036422

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】点火装置、内燃機関及び浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 23/02 20060101AFI20161121BHJP

【ＦＩ】

   F02P23/02

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-51994(P2013-51994)

(22)【出願日】2013年3月14日

(65)【公開番号】特開2014-177896(P2014-177896A)

(43)【公開日】2014年9月25日

【審査請求日】2015年12月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平井 宏俊

(72)【発明者】

【氏名】永岡 真

(72)【発明者】

【氏名】林 秀光

【審査官】 小林 勝広

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５８−０４７１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０４１２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１３００３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／７３、５３／８６−５３／９０、

５３／９４、５３／９６

Ｂ０１Ｊ ２１／００−３７／７６

Ｆ０１Ｎ ３／００、 ３／０２、 ３／０４− ３／３８、

９／００−１１／００

Ｆ０２Ｂ １／００−２３／１０

Ｆ０２Ｐ １／００− ３／１２、７／００−２３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒金属を有し、前記触媒金属の表面で、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気を酸化反応させ、該酸化反応による反応熱で前記混合気を点火させる点火手段と、
前記触媒金属に電荷を帯電させる電荷帯電手段と、を備え、
前記電荷帯電手段は、前記混合気を点火させる際に、前記触媒金属に帯電する電荷の電荷量を第１閾値以上から前記第１閾値より大きい第２閾値以下の範囲に設定し、前記混合気の点火を阻害する際に、前記触媒金属に帯電する電荷の電荷量を前記第１閾値未満、又は前記第２閾値超の範囲に設定することを特徴とする点火装置。

【請求項2】

前記第１閾値以上から前記第２閾値以下の範囲に設定される前記電荷量は、前記触媒金属の表面における前記炭化水素化合物の解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する前記酸素の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．８５φ〜１．０φの範囲（φは酸素分子を酸化剤とした場合の混合気の当量比を表す）となる電荷量であることを特徴とする請求項１記載の点火装置。

【請求項3】

前記第１閾値未満、又は前記第２閾値超の範囲に設定される前記電荷量は、前記触媒金属の表面における前記炭化水素化合物の解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する前記酸素の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．４φ以下、又は１．３φ以上（φは酸素分子を酸化剤とした場合の混合気の当量比を表す）となる電荷量であることを特徴とする請求項１又は２記載の点火装置。

【請求項4】

前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火装置を備える内燃機関。

【請求項5】

前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火装置を備える浄化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気を点火させるための点火装置の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、自動車のエンジン等の内燃機関等には、内燃機関の燃焼室内に供給される炭化水素化合物及び酸素を含む混合気を点火、燃焼させる点火装置が設けられている。

【0003】

例えば、特許文献１には、高温に熱したグロープラグを用いて、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気を点火する点火装置が開示されている。

【0004】

また、例えば、特許文献２〜６には、触媒表面における混合気の酸化反応による反応熱を利用して、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気を点火する点火装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００６−５２３７９５号公報

【特許文献2】特開昭５５−１２５３６３号公報

【特許文献3】特開昭５８−４１２１８号公報

【特許文献4】特開昭６０−２２０７５号公報

【特許文献5】特開昭６３−１３４８６３号公報

【特許文献6】特開平６−１４８３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、特許文献１の点火装置では、グロープラグの表面温度を高応答に変化させることが困難であるため、混合気の点火時期を制御することが難しい。また、例えば、特許文献２〜６の点火装置では、触媒の反応熱を利用するだけで、触媒表面の触媒活性をコントロールしていないため、混合気の点火時期を制御することが難しい。

【0007】

そこで、本発明の目的は、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気の点火時期を制御することができる点火装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の点火装置は、触媒金属を有し、前記触媒金属の表面で、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気を酸化反応させ、該酸化反応による反応熱で前記混合気を点火させる点火手段と、前記触媒金属に電荷を帯電させる電荷帯電手段と、を備え、前記電荷帯電手段は、前記混合気を点火させる際に、前記触媒金属に帯電する電荷の電荷量を第１閾値以上から前記第１閾値より大きい第２閾値以下の範囲に設定し、前記混合気の点火を阻害する際に、前記触媒金属に帯電する電荷の電荷量を前記第１閾値未満、又は前記第２閾値超の範囲に設定する。

【0009】

また、前記点火装置において、前記第１閾値以上から前記第２閾値以下の範囲に設定される前記電荷量は、前記触媒金属の表面における前記炭化水素化合物の解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する前記酸素の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．８５φ〜１．１φの範囲（φは、酸素分子を酸化剤とした場合の混合気の当量比を表す）となる電荷量であることが好ましい。

【0010】

また、前記点火装置において、前記第１閾値未満、又は前記第２閾値超の範囲に設定される前記電荷量は、前記触媒金属の表面における前記炭化水素化合物の解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する前記酸素の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．４φ以下、又は１．３φ以上（φは、酸素分子を酸化剤とした場合の混合気の当量比を表す）となる電荷量であることが好ましい。なお、以下では酸素分子を酸化剤とした場合の混合気の当量比を単に混合気の当量比と称する場合がある。

【0011】

また、本発明の内燃機関は、前記点火装置を備えるものである。

【0012】

また、本発明の浄化装置は、前記点火装置を備えるものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気の点火時期を制御することができる点火装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係る点火装置を備える内燃機関の構成の一例を示す模式断面図である。

【図2】本実施形態に係る点火装置の構成の一例を示す模式図である。

【図3】触媒金属表面に電界を形成した場合の触媒金属表面におけるメタン及び酸素の解離吸着の活性化エネルギの変化をシミュレーションした結果を示す図である。

【図4】Ｐｄ（１１１）にＡｕをドープした触媒金属表面に電界を形成した場合の触媒金属表面におけるメタン及び酸素の解離吸着の活性化エネルギの変化をシミュレーションした結果を示す図である。

【図5】酸素及びメタンの解離吸着の反応速度定数比における混合気の点火遅れ時間を混合気の当量比１の場合においてシミュレーションした結果を示す図である。

【図6】（ａ）〜（ｃ）は、第１金属の触媒金属表面における混合気の状態を示す模式図である。

【図7】温度、圧力及び当量比を変えた時の酸素及びメタンの解離吸着の反応速度定数比を混合気の当量比で割った値における混合気の点火遅れ時間をシミュレーションした結果を示す図である。

【図8】（ａ）及び（ｂ）は、点火部の設置箇所の例を説明するための内燃機関の模式断面図である。

【図9】（ａ）〜（ｃ）は、その他の実施形態に係る点火装置の構成の一例を説明する模式図である。

【図10】（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の点火装置を備える浄化装置の構成の一例を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

【0016】

図１は、本実施形態に係る点火装置を備える内燃機関の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダ１２と、ピストン１３と、シリンダ１２及びピストン１３により形成される燃焼室１４と、シリンダ上部に設けられた吸気口１５を開閉する吸気弁１６と、シリンダ上部に設けられた排気口１７を開閉する排気弁１８と、後述する点火装置２０と、を備えている。

【0017】

本実施形態の内燃機関１０では、吸気行程において、吸気弁１６が開きピストン１３が下降することで、吸気口１５から燃焼室１４内に、炭化水素及び酸素を含む混合気が導入される。そして、圧縮行程において、吸気弁１６が閉じてピストン１３の上昇により混合気が圧縮され、点火装置２０により圧縮混合気が点火される。これにより、混合気が燃焼して、ピストン１３が押し下げられ、図示しないクランク軸に回転力が発生する。燃焼後の排ガスは、排気行程において排気弁１８が開きピストン１３が上昇することで、排気口１７へ排出される。以下に、本実施形態に係る点火装置２０の構成及び動作について説明する。

【0018】

図２は、本実施形態に係る点火装置の構成の一例を示す模式図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る点火装置２０は、点火部２２と、電荷帯電装置３１と、を備えている。本実施形態では、図１に示すように、点火部２２は、シリンダ１２内の燃焼室１４の上面に設けられている。なお、不図示であるが点火部２２とシリンダ１２との間には絶縁性材料が設けられており、点火部２２とシリンダ１２との絶縁性が確保されている。図２に示す点火部２２は、混合気と接触する第１電極２４と、第１電極２４と対向して配置される第２電極２６と、第１電極２４と第２電極２６との間に挟まれる誘電体２８と、を備えている。また、電荷帯電装置３１は、電源３０と、制御装置３２と、を備えており、電源３０は、第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加するものであり、第１電極２４及び第２電極２６と電気的に接続されている。制御装置３２は、制御装置３２は、電源３０の出力及び出力時期等を制御するものであり、電源３０と電気的に接続されている。

【0019】

第１電極２４は、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気に対して酸化作用を有する触媒金属を含むものである。第１電極２４は、例えば、板状若しくは多孔質状の触媒金属、或いは導電性の多孔体に触媒金属粒子を充填したもの等から構成される。混合気に対して酸化作用を有する触媒金属は、その表面における炭化水素化合物の解離吸着の反応速度と酸素の解離吸着の反応速度が、触媒金属に帯電する電荷量に応じて変化する触媒金属であり、例えば、白金、パラジウム、金、タングステン、モリブデン、ニッケル等が挙げられる。第２電極２６は、導電性を有する材料であれば特に制限されるものではないが、例えば、白金、パラジウム、金、タングステン、モリブデン、ニッケル等が挙げられる。誘電体２８は、絶縁性を有するものであって、電圧印加等により電荷が現れる誘電材料で形成されていれば特に制限されるものではなく、例えば、ガラス、チタン酸バリウム、アルミナ、雲母等が挙げられる。また、本実施形態では、誘電体２８に代えて、固体電解質等を用いてもよい。固体電解質は、電圧印加等によりイオンを移動させることができる固体材料であり、例えば、安定化ジルコニア等が挙げられる。

【0020】

以下に、本実施形態の点火装置２０の動作について説明する。

【0021】

本実施形態では、前述の圧縮行程において、吸気弁１６が閉じてピストン１３の上昇により混合気が圧縮され、点火装置２０により混合気を点火する際に、第１電極２４の触媒金属に電荷を帯電させる。より具体的には、混合気を点火する際に、例えば、制御装置３２から電源３０に出力指令が出され、それを受けた電源３０から第１電極２４及び第２電極２６に電圧が印加され、両電極間に電位差がかけられる。そして、両電極間の電位差により、第１電極２４に電界が形成され、第１電極２４の触媒金属に電荷が帯電する。ここで、混合気を点火する際に触媒金属に帯電させる電荷の電荷量は、第１閾値以上から第１閾値より大きい第２閾値以下の範囲で設定される。すなわち、点火装置２０により混合気を点火する際には、例えば、制御装置３２により触媒金属に帯電させる電荷量が第１閾値以上から第２閾値以下の範囲に設定され、その設定された電荷量となるように、例えば予め設定された出力が電源３０から供給される。第１閾値以上から第２閾値以下の範囲に設定される電荷量は、後述するように混合気の酸化反応を促進させるために設定される電荷量である。このように、触媒金属に帯電する電荷量を混合気の酸化反応が促進する電荷量に設定することで、混合気の酸化反応による熱発生量を増加させることができるため、その発生した熱で混合気を点火させることができる。特に、混合気の酸化反応が促進されることで、触媒金属表面は高温となるため、混合気の点火遅れ等が抑制され、混合気の点火時期において適切に混合気を点火させることができる。

【0022】

また、混合気の点火時以外では、点火装置による混合気の点火を阻害する必要がある。したがって、本実施形態では、混合気の点火を阻害する際に、触媒金属に帯電させる電荷の電荷量は上記第１閾値未満、又は上記第２閾値超の範囲に設定される。すなわち、点火装置２０による混合気の点火を阻害する際には、例えば、制御装置３２により触媒金属に帯電させる電荷量が第１閾値未満又は第２閾値超の範囲に設定され、その設定された電荷量となるように、例えば予め設定された出力が電源３０から供給される。但し、第１閾値未満又は第２閾値超の範囲の電荷量を０に設定する場合には、例えば、制御装置３２により図２に示す点火部２２に設置した放電回路３４をＯＮにして、混合気の点火の際に触媒金属に帯電させた電荷を消費して、触媒金属に帯電する電荷量を０としてもよい。第１閾値未満又は第２閾値超の範囲に設定される電荷量は、後述するように混合気の酸化反応を抑制するために設定される電荷量である。このように、触媒金属に帯電する電荷量を混合気の酸化反応を抑制する電荷量に設定することで、混合気の酸化反応による熱発生量が低下するため、混合気の点火遅れが生じて、混合気を点火させることを阻害することができる。

【0023】

以下に、触媒金属に帯電する電荷の電荷量と混合気の酸化反応との関係について説明する。

【0024】

図３は、触媒金属表面に電界を形成した場合の触媒金属表面におけるメタン及び酸素の解離吸着の活性化エネルギの変化をシミュレーションした結果を示す図である。ここで、触媒金属はＰｔ（１１１）を用いている。図３に示す正の電界は、触媒金属に正の電荷を帯電させた場合に形成され、負の電界は、触媒金属に負の電荷を帯電させた場合に形成される。そして、触媒金属の表面に帯電した正の電荷量を増加させると、正の電界強度が大きくなり、触媒金属の表面に帯電した負の電荷量を増加させると、負の電界強度が大きくなる。

【0025】

図３に示すように、Ｐｔ（１１１）を触媒金属として用いた場合、触媒金属に電荷を帯電させず、電界が０Ｖ／Åの場合（すなわち、電源３０から第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加していない場合）、触媒金属の表面におけるメタンの解離吸着の活性化エネルギは酸素の解離吸着の活性化エネルギより大きくなっている。そして、触媒金属の表面を正に帯電させると（すなわち、電源３０から第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加した場合）、酸素の解離吸着の活性化エネルギが大きくなり、メタンの解離吸着の活性化エネルギが小さくなる。図３に示すように、触媒金属の表面における電界が０．１５Ｖ／Å程度で、酸素の解離吸着の活性化エネルギとメタンの解離吸着の活性化エネルギとが同程度となり、さらに電界を高くすると、メタンの解離吸着の活性化エネルギは、酸素の解離吸着の活性化エネルギより小さくなる。

【0026】

図４は、触媒金属表面に電界を形成した場合の触媒金属表面におけるメタン及び酸素の解離吸着の活性化エネルギの変化をシミュレーションした結果を示す図である。ここで、触媒金属はＰｄ（１１１）にＡｕをドープしたものを用いている。図４に示すように、Ｐｄ（１１１）にＡｕをドープした触媒金属を用いた場合、触媒金属の表面に電荷を帯電させず、電界が０Ｖ／Åの場合（すなわち、電源３０から第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加していない場合）、触媒金属の表面におけるメタンの解離吸着の活性化エネルギは酸素の解離吸着の活性化エネルギより小さくなっている。そして、触媒金属の表面を負に帯電させると（すなわち、電源３０から第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加した場合）、メタンの解離吸着の活性化エネルギが大きくなり、触媒金属の表面における電界が−０．０３Ｖ／Å程度で、酸素の解離吸着の活性化エネルギとメタンの解離吸着の活性化エネルギとが同程度となる。

【0027】

ここで、触媒金属の表面における酸素及びメタンの解離吸着の反応速度定数は、以下に示すアレニウスの式で与えられる。そして、このアレニウスの式から分かるように、例えば、触媒金属の表面におけるメタン又は酸素の解離吸着の活性化エネルギが大きいほど、メタン又は酸素の解離吸着の反応速度定数は小さくなる。
ｋ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｅａ／ＲＴ）
Ａ：頻度因子
Ｒ：気体定数
Ｔ：温度
Ｅａ：活性化エネルギ

【0028】

したがって、使用する触媒金属によって、帯電させる電荷の電荷量、極性は異なるが、触媒金属の表面に帯電する電荷の電荷量を制御することにより、触媒金属の表面におけるメタン及び酸素の解離吸着の反応速度を制御することが可能となる。なお、メタン以外の炭化水素化合物でも同様の原理が成立する。

【0029】

次に、酸素及びメタンの解離吸着の反応速度と混合気の点火遅れ時間との関係について説明する。

【0030】

図５は、酸素及びメタンの解離吸着の反応速度定数比における混合気の点火遅れ時間を当量比１の場合においてシミュレーションした結果を示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、第１金属の触媒金属表面における混合気の状態を示す模式図である。ここで、触媒金属はＰｔ（１１１）を用いている。

【0031】

触媒金属（Ｐｔ）の表面において、酸素分子の解離吸着の反応速度定数がメタンの解離吸着の反応速度定数より大きい場合、例えば、混合気の当量比が１の場合で、図５に示すようにメタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が１．６付近の場合には、図６（ａ）に示すように、触媒金属の表面は主に酸素原子で被覆された状態となっていると考えられる。この場合、触媒金属表面へのメタンの解離吸着は酸素原子によって阻害されているため、混合気を酸化反応させる触媒金属の触媒活性が小さくなり、触媒金属表面からの熱発生率も低下する。このような状態では、酸化反応による反応熱を混合気の点火に利用するまでに時間が掛かり、図５に示すように、触媒金属表面に接触した混合気が点火するまでの時間、所謂、点火遅れ時間が長くなる。また、触媒金属（Ｐｔ）の表面において、酸素分子の解離吸着の反応速度定数とメタンの解離吸着の反応速度定数の比が混合気の当量比と同程度の場合、例えば図５に示すようにメタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が１付近の場合には、図６（ｂ）に示すように、触媒金属の表面では、酸素分子の解離吸着だけでなく、メタンの解離吸着も起こるため、表面には酸素原子だけでなく、メタン由来の水素、炭素も供給されると考えられる。この場合には、触媒金属表面において混合気の酸化反応が効率良く起こるため、触媒金属表面の酸化反応による熱発生率も向上する。このような状態になると、酸化反応による反応熱を速やかに混合気の点火に利用できるため、図５に示すように、点火遅れ時間が短くなる。また、触媒金属（Ｐｔ）の表面において、メタンの解離吸着の反応速度定数が酸素分子の解離吸着の反応速度定数より大きい場合、例えば、混合気の当量比が１の場合で、図４に示すようにメタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．６付近の場合には、図６（ｃ）に示すように、触媒金属の表面に供給される酸素原子が不足すると考えられる。この場合には、触媒金属表面では、酸素原子が不足して、混合気の酸化反応が低下するため、触媒金属表面からの熱発生率も低下する。このような状態では、酸化反応による反応熱を混合気の点火に利用するまでに時間が掛かり、図５に示すように、点火遅れ時間が長くなる。

【0032】

したがって、混合気を点火させる際に、第１閾値以上から第２閾値以下の範囲で設定される触媒金属に帯電させる電荷量を、酸素の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）とメタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が混合気の当量比（φ）と同程度となる電荷量に設定することが好ましい。これにより、触媒金属表面において混合気の酸化反応が促進されるため、混合気の点火遅れ等が抑制され、混合気を適切に点火させることができる。また、混合気の点火を阻害する際に、第１閾値未満又は第２閾値超の範囲で設定される触媒金属に帯電させる電荷量を、酸素の解離吸着の反応速度がメタンの解離吸着の反応速度より大きく又は小さくなる電荷量に設定することが好ましい。これにより、混合気の酸化反応が抑制されるため、混合気の点火遅れが生じ、混合気の点火を阻害することができる。

【0033】

以下に、メタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）の好ましい条件にについて説明する。

【0034】

図７は、温度、圧力及び混合気の当量比を変えた時の酸素及びメタンの解離吸着の反応速度比における混合気の点火遅れ時間をシミュレーションした結果を示す図である。混合気の点火遅れ時間は、例えば燃料室内の温度、圧力、混合気の当量比、運転状況等に依存するため、ここでは、（１）温度１０００Ｋ、圧力１０ａｔｍ、混合気の当量比１、（２）温度９００Ｋ、圧力１０ａｔｍ、混合気の当量比１、（３）温度８００Ｋ、圧力１０ａｔｍ、混合気の当量比１、（４）温度９００Ｋ、圧力２０ａｔｍ、混合気の当量比０．４、（５）温度９００Ｋ、圧力１０ａｔｍ、混合気の当量比０．４、（６）温度９００Ｋ、圧力１ａｔｍ、混合気の当量比０．４、（７）温度９００Ｋ、圧力１ａｔｍ、混合気の当量比０．８、（８）温度９００Ｋ、圧力１ａｔｍ、混合気の当量比１．２の条件で酸素及びメタンの解離吸着の反応速度定数比における混合気の点火遅れ時間をシミュレーションした。また、図７の点火遅れ時間は、様々な圧力、温度及び混合気の当量比を変えた時に得られた点火遅れ時間（ｔ）を以下の式を用いて０〜１の間で規格化した値である。
規格化した点火遅れ時間＝（ｔ−ｔ_ｍｉｎ）／（ｔ_ｎｏ−ｓ−ｔ_ｍｉｎ）
ｔ_ｍｉｎ：電荷量制御で達成される点火遅れ時間の最小値
ｔ_ｎｏ−ｓ：触媒金属表面の触媒作用が全くないと仮定した場合の点火遅れ時間

【0035】

図７に示すように、メタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．８５φ〜１．０φであれば、規格化された点火遅れ時間が０．３以下となる。図７の規格化された点火遅れ時間が０．３以下であれば、点火遅れを抑制して、混合気を点火させることが可能であると言える。したがって、混合気を点火させる際には、第１閾値以上から第２閾値以下の範囲に設定される触媒金属に帯電する電荷の電荷量はメタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．８５φ〜１．０φの範囲となる電荷量であることが好ましい。この場合、触媒金属に帯電する電荷の電荷量の第１閾値はｋｏ／ｋｃが０．８５φとなる電荷量であり、第２閾値はｋｏ／ｋｃが１．０φとなる電荷量である。ここで、φは、酸素分子を酸化剤とした場合の混合気の当量比を表している。

【0036】

また、混合気の点火を阻害する際（非点火状態）においては、触媒金属に帯電する電荷の電荷量は第１閾値未満（例えば、ｋｏ／ｋｃが０．８５φとなる電荷量）、第２閾値超（例えば、ｋｏ／ｋｃが１．０φとなる電荷量）の範囲で設定されればよい。しかし、図７の規格化された点火遅れ時間が０．６以上であれば、ほとんど混合気の酸化反応が起こらないため、燃焼室１４内の混合気が触媒金属上で点火し難くなり、非点火状態をより確実に維持することができる。したがって、混合気の点火を阻害する際（非点火状態）においては、第１閾値未満、又は第２閾値超の範囲に設定される触媒金属に帯電する電荷の電荷量は、メタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）に対する酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）の比（ｋｏ／ｋｃ）が０．４φ以下、又は１．３φ以上となる電荷量に設定することが好ましい。

【0037】

前述のように設定した電荷量を有する電荷を触媒金属に帯電させる方法としては、例えば、混合気を点火させる際、混合気の点火を阻害する際に設定されたメタン及び酸素の解離吸着の反応速度定数の比を、活性化エネルギの比に置き換えて、例えば、前述した図３や図４に当てはめることにより、混合気を点火させる際に必要な電界、混合気の点火を阻害する際に必要な電界強度を予め求めておく。そして、予め求めた電界強度が触媒金属に形成されるように、例えば、電荷帯電装置３１から両電極間に電圧を印加すれば、触媒金属に所望の電荷量の電荷を帯電させることが可能となる。

【0038】

以上のように、混合気を点火する際、混合気の点火を阻害する際に、触媒金属に帯電する電荷の電荷量を設定することで、炭化水素化合物及び酸素を含む混合気の点火時期を制御することが可能となる。

【0039】

また、本実施形態の点火装置では、触媒金属に電荷を帯電させるためにエネルギは消費されるが、混合気を点火する際に必要なエネルギは混合気の酸化反応の反応熱を利用するため、従来のスパークプラグやグロープラグのような点火装置を用いて混合気を点火する際に必要なエネルギよりは少なくて済むため、省エネルギ化を図ることが可能となる。また、本実施形態の点火装置では、混合気を酸化反応させる反応面を広くとることが可能であるため、火炎伝播が困難な希薄条件やメタン等の難燃性燃料を含む混合気においても確実に点火させることができる。

【0040】

本実施形態に用いられる触媒金属は、電荷を帯電させる際に使用するエネルギを少なくすることができる観点等から、例えば、触媒金属に形成される電界が−０．１〜０．１（Ｖ／Å）の範囲において、メタンの解離吸着の反応速度定数（ｋｃ）が、酸素分子の解離吸着の反応速度定数（ｋｏ）より大きくなる触媒金属を用いることが好ましく、より具体的には、白金、金をドープしたパラジウム、金をドープした白金等を用いることが好ましい。

【0041】

以下に、その他の実施形態の点火装置２０について説明する。

【0042】

図８は、点火部の設置箇所の例を説明するための内燃機関の模式断面図である。点火部２２は、触媒金属を含む第１電極２４がシリンダ１２内の燃焼室１４内に配置されていれば、図１に示す点火部２２の位置に制限されるものではない。例えば、図８（ａ）に示すように、シリンダ１２内の燃焼室１４の側面に設置されてもよい。図８（ａ）に示す点火部２２は、燃焼室１４の側面の一部に設けられているが、燃焼室１４の側面周囲を取り囲むように設けられていてもよいし、所定の間隔を空けて複数設けられていてもよい。また、例えば、図８（ｂ）に示すように、ピストン１３の頂面に設置されてもよい。その際には、電磁誘導方式、電波方式等の非接触電力伝送装置や、後述するエレクトレット電極等の電源が不要な電荷帯電装置等を用いることが好ましい。より具体的には、例えば、図８（ｂ）に示すように、ピストン１３に設置される電波受信装置と、シリンダ１２の外部に設置される電波送信装置とを備える非接触電力伝送装置等が用いられる。図８（ｂ）に示す非接触電力伝送装置では、例えば、制御装置３２からの出力信号が電波送信装置に送られると、送信装置から受信装置に電波が送られ、電波を受信した受信装置から点火部２２に電力が供給される。

【0043】

図９は、その他の実施形態に係る点火装置の構成の一例を説明する模式図である。点火装置２０は、触媒金属に電荷を帯電することができる構成であれば、図２に示す点火装置２０の構成に制限されるものではない。例えば、図９（ａ）に示す点火装置２０ａのように、電源３０が第２電極２６と電気的に接続される構成であってもよい。図９（ａ）の点火装置２０ａでは、例えば、電源３０から第２電極２６に正電圧を印加すると、誘電体２８が分極して、対向する第１電極２４の触媒金属には正電荷が帯電する（すなわち、触媒金属には正の電界が形成される）。また、図９（ｂ）に示す点火装置２０ｂのように、点火部２２と電荷帯電装置３１との間に充放電装置３６を設置してもよい。図９（ｂ）に示す点火装置２０ｂでは、充放電装置３６により、例えば、混合気の非点火時において、混合気を点火させる際に触媒金属表面に帯電した電荷を回収することが可能となる。

【0044】

また、図９（ｃ）に示す点火装置２０ｃは、前述の第１電極２４から構成される点火部２２、エレクトレット電極から構成される電荷帯電装置３１を備えるものである。エレクトレット電極は、例えば支持基板と、支持基板上に設けられるエレクトレット膜とから構成されており、エレクトレット膜が、第１電極２４と所定の間隔を空けて対向配置されている。また、エレクトレット電極は、空気圧又は電動モータ等により駆動されるアクチュエータ等の移動機構（不図示）に固定されており、第１電極２４に近づいたり離れたりすることが可能となっている。エレクトレット膜は常に正電荷又は負電荷に帯電しているため、混合気を点火させる際には、移動機構によりエレクトレット電極を第１電極２４に近づけることにより、第１電極２４の触媒金属に電荷を帯電させることができる。そして、触媒金属に帯電する電荷の電荷量は、第１電極２４とエレクトレット電極との距離により調節される。このような電圧を印加しないで、触媒金属に電荷を帯電させる方法を用いれば、より点火の際に必要なエネルギは少なくて済み、更なる省エネルギ化を図ることが可能となる。

【0045】

エレクトレット膜は、例えば、コロナ放電により注入された正電荷や負電荷を半永久的に保持することができる電荷保持材料等であり、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）等のような高分子電荷保持材料や、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）及びシリコン窒化物（ＳｉＮ）のような無機電荷保持材料、イオン伝導を利用したセラミックエレクトレット材料等が挙げられる。

【0046】

本実施形態の点火装置２０は内燃機関の点火装置に限定されるものではなく、例えば、内燃機関から排出される未燃メタンガス等を含む排気ガスを燃焼させて浄化する浄化装置等の点火装置として用いることも可能である。以下に、本実施形態の点火装置２０を備える浄化装置について説明する。

【0047】

図１０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の点火装置を備える浄化装置の構成の一例を示す模式断面図である。図１０に示す点火装置において、図２に示す点火装置２０と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図１０（ａ）に示す浄化装置３８ａは、点火装置と、排ガス導入管４０と、排ガス排出管４２と、を備えるものである。点火装置は、点火部２２ａと、電荷帯電装置３１（図１０においては制御装置３２を省略し電源３０のみ記載）と、を備えている。点火部２２ａは、不図示の筐体に収容されている。また、点火部２２ａは、第２電極２６、誘電体２８（又は固体電解質）、第１電極２４、誘電体２８の順に複数積層された構成となっているが、基本構成は、第１電極２４と第２電極２６との間に誘電体２８（又は固体電解質）が挟まれていればよい。

【0048】

本実施形態では、排ガス導入管４０の一端は、図１に示す排気口１７に接続され、他端は、第１電極２４に接続されている。また、排ガス排出管４２の一端は、第１電極２４に接続され、他端は系外のその他の装置に接続されるか又は大気に開放されている。第１電極２４は、導電性の多孔体に触媒金属粒子を充填したものであり、第１電極２４内を排気ガスが通過するように構成されている。したがって、未燃メタンガス等の炭化水素化合物及び酸素を含む排気ガス（混合気）は、排ガス導入管４０から第１電極２４内を通過し、排ガス排出管４２から排出される。

【0049】

本実施形態では、第１電極２４内を排気ガスが通過する際、すなわち排気ガスを点火する際に、電荷帯電装置３１により、前述した第１閾値以上から第２閾値以下の範囲で設定した電荷量（触媒金属表面で排気ガスの酸化反応を促進するために設定される電荷量）となるように、第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加し、触媒金属表面に電荷を帯電させる。これにより、触媒金属表面で排気ガスの酸化反応が促進されるため、排気ガスの酸化反応による熱発生量を増加させることが可能となる。その結果、排気ガスの点火遅れ等が抑制され、排気ガスが第１電極２４を通過する間に、排気ガス中の未燃炭化水素化合物を浄化することが可能となる。また、排気ガスの点火を阻害する際には、電荷帯電装置３１により、前述した第１閾値未満又は第２閾値超の範囲で設定される電荷量（触媒金属表面で排気ガスの酸化反応を阻害するために設定される電荷量）となるように、第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印加し、触媒金属表面に電荷を帯電させる。なお、前述したように、電荷量を０に設定する場合には、例えば、放電回路等を設置して、排気ガスの点火の際に触媒金属に帯電させた電荷を消費して、触媒金属に帯電する電荷量を０としてもよい。

【0050】

図１０（ｂ）に示す浄化装置３８ｂでは、第１電極２４、誘電体２８（又は固体電解質）、第２電極２６、誘電体２８（又は固体電解質）、第１電極２４の順に積層された点火部２２ｂが、所定の間隔を空けて複数配置された点火装置２０を備えている。また、点火部２２ｂを収容する筐体内には排ガス流路４４が設けられている。この排ガス流路４４は、筐体の内壁と点火部２２ｂの第１電極２４との間、２つの点火部２２ｂの第１電極２４間に形成されている。排ガス導入管４０の一端は、図１に示す排気口１７に接続され、他端は、排ガス流路４４に接続されている。また、排ガス排出管４２の一端は、排ガス流路４４に接続され、他端は系外のその他の装置に接続されるか又は大気に開放されている。すなわち、未燃メタンガス等の炭化水素化合物及び酸素を含む排気ガス（混合気）は、排ガス導入管４０から排ガス流路４４に供給され、第１電極２４と接触しながら排ガス流路４４内を通過し、排ガス排出管４２から排出される。そして、前述したように、排気ガスを点火する際（排気ガスが排ガス流路４４内を通過する際）、及び排気ガスの点火を阻害する際に設定した電荷量となるように、第１電極２４及び第２電極２６に電圧を印可し、触媒金属に電荷を帯電させる。これにより、排気ガスが排ガス流路４４内を通過する間に、排気ガス中の未燃炭化水素化合物を浄化することが可能となる。

【符号の説明】

【0051】

１０ 内燃機関、１２ シリンダ、１３ ピストン、１４ 燃焼室、１５ 吸気口、１６ 吸気弁、１７ 排気口、１８ 排気弁、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 点火装置、２２，２２ａ，２２ｂ 点火部、２４ 第１電極、２６ 第２電極、２８ 誘電体、３０ 電源、３１ 電荷帯電装置、３２ 制御装置、３４ 放電回路、３６ 充放電装置、３８ａ，３８ｂ 浄化装置、４０ 排ガス導入管、４２ 排ガス排出管、４４ 排ガス流路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図8】

【図5】

【図7】

【図9】

【図10】