JPH01500766A - 触媒点火サイクルエンジンの作動方法とそのための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒点火サイクルエンジンの作動方法とそのための装置 発明の背景 この出願は、今では放棄された、１９８１年３月３０日に出願された部分継続出 願一連番号２４９．０７５である１９８３年８月２６日に出願された共に継続中 の出願一連番号５２６，５３０の分割出願でありかつ一連番号５２６．５３０の 分割出願である１９８６年８月１１日に出願された共に継続中の部分継続出願一 連番号８９５．４６８である。

発明の分野 本発明は、燃料が燃焼室内の圧縮空気に噴射されて熱い触媒表面と接触し、その ような接触が前記燃料を気化して点火するのに役立ち、これによっていっそう急 速な燃焼を果たしかつすすの生成を最小にする、サイクル燃料噴射型エンジンの 作動方法に関する。

特に、本発明は、燃料を燃焼室内の圧縮空気に噴射することを含む、触媒点火エ ンジンの作動方法に関する。その内壁は室側面、室ヘッドおよびピストン手段の クラウンからなるのが典型的であり、室壁は堅く取りつけられた燃料の点火用酸 化触媒で覆われた表面の少なくとも約１５％を有するのが好ましい。

触媒は、下にある適当な熱絶縁物により、下にある壁を通る熱損失を最小にする かまたは減少させるために熱的に絶縁されている。一つの具体例では、触媒がセ ラミック絶縁物に堅く取りつけられており、そのセラミック絶縁物は、例えば約 ３５００°Ｆまたはいっそう高い融点を有する約１ミリメートルの厚さでもよく 、セラミック絶縁物は下にある壁に緊密に結合される。触媒は、貴金属または卑 金属酸化物の酸化触媒からなるのが典型的である。燃料の噴射は、触媒の表面が 熱いときにほぼ最大圧縮の時点で燃料の少なくとも一部が触媒に突き当たるよう に実施され、それにより燃料の非常に急速な点火と実質的に完全な燃焼が果たさ れる。

特にまた、本発明は、触媒室を有する触媒点火エンジンに関し、かつ室を作る方 法およびそのようなエンジンで使用されるピストンに間する。

従来技術の簡単な記載 既存のサイクル燃料噴射エンジン、すなわちジーゼルエンジンにより代表される 圧縮点火エンジンは、自動車用の火花点火エンジンより充分に高い熱効率、−酸 化炭素の許容できるレベルおよび軽微な炭化水素を達成する。しかしながら、す すや窒素酸化物のレベルが高い。すすの放射物を減少させるための種々の方法が 提案された。そのような方法には、燃焼室形状を最適化すること、燃料を制御し て噴射すること、触媒排ガスコンバータを使用すること、および燃料を修正する ことさえ含まれる。全てが問題を満足に解決することができなかった。同様に、 窒素酸化物の制御のために提案された方法は同様に効果がないか、または燃料経 済の損失が許容できないものになった。

エンジン燃焼室に触媒を使用することは、以前に他の人により提案された０例え ば、ブラッドストリート（Ｂｒａｄｓｔｒｅｅｔ）その他は、火花点火エンジン の燃焼室に使用するのに適する希土類酸化物を基礎とする触媒を述べている。同 様に、モロトスキー（Ｍｏｒｏｔｓｋｉ）その他（米国特許３，６８４，７４３ ）は、ジーゼルエンジンの燃焼室壁にシリコ−アルミナ被覆を使用することを教 示して、燃料経済の改良を主張している。

ブラッドストリートの被覆は燃料−空気混合物の点火を引き起こしてはならない ことに注目されたい。

さもないと火花制御による点火調時ができないだろう、すなわち早点火または「 ノンキング」が起こるだろう、モロトスキーの被覆は、予火炎期間中燃料分子の 分解を早めると言われ、かつ点火のために燃料を準備し、これによって排ガスの 液状生成物における不飽和化合物の量を減少させる。どちらの特許も、燃料噴射 エンジンで燃料を気化して点火するのに適した被覆を提供するものではない。ム レーイ（Ｍｕｒｒａｙ）　（ＡＳＭＥ論文８Ｏ−ＤＧＰ−４４）は、ジルコニア で被覆した燃焼室の壁にプラチナ触媒を用いてジーゼルエンジンの性能を調査し て、点火と燃焼が遅延されたことを報告した。触媒表面反応だけでははるかにあ まりおそすぎてガスタービンの合理的な完全燃焼を達成することができないし、 まして内燃エンジンでは達成できない。

刊行された私の米国特許３，９２３，０１１と４．０１１．８３９には、ピスト ン型エンジンのシリンダ内に位置する触媒を用いて、ハスレフト（Ｈａｓｌｅｔ Ｌ）の米国特許４．０９２，９６７がそうであるように気相燃焼を促進すること が教示されている。このように放射と燃焼効率が改善されたけれども、シリンダ 内に触媒が存在するため、シリンダ内のガスの流れに対する抵抗が増大し、従っ て吸排気損失が増大する。さらに、触媒がガス流路の中に入っているので、触媒 損傷の可能性が増大する。

本発明の方法は、触媒表面が、燃焼室内のガス流の障害とならずに気相燃焼の多 点点火を引き起こす点で、従来技術の不利益を改善する。

本発明で有用である、表面に触媒を施す方法は、当該技術で知られている０例は 、リーク（Ｌｅａｋ）の米国特許３，３６２．７８３　、ヒンデン（Ｈｉｎｄｉ ｎ）の米国特許３、６２５．１６６およびサージイス（Ｓｅｒｇｅｙｓ）の米国 特許３．９０３，０２０に開示されている。私の米国の特許４，３４１　、６６ ２の方法は、特に好ましい方法である。

内燃エンジンの燃焼室の壁に熱障壁被覆を施す、本発明に有用な方法もまた、当 該技術で知られている０例えば、米国特許４，０７４，６７１に開示された方法 を用いることができる。

通常の内燃エンジンの燃料の燃焼は最大効率のためにははるかにあまりにもおそ すぎて、成るエンジン速度で全（４０から５０のクランク角度または３ミリセコ ンド以上も必要とする。良く設計された小さいエンジンの場合には、約２０のク ランク角度が典型的である。燃焼が上死点の後にスタートする場合には、燃焼が ジーゼルエンジンの典型的な定圧モードに接近するだろう、　１９７５年２月発 行のＭＩＴ技術レビューの３０頁のクーマー（Ｋｕ■ｅｒ）の論説に認められる ように、そのような燃焼は、燃えたガスの完全な膨張を許さず、その結果燃料経 済とエンジン動力の両方が損失することになる。

ジーゼルサイクルはオツトーサイクルより相当に効率がよくないにもかかわらず 、既存のジーゼルサイクルエンジン、すなわちジーゼルエンジンにより代表され る圧縮点火エンジンは、現在の火花点火オツトーサイクルエンジンより著しく高 い熱効率を達成する。なぜなら、ジーゼルエンジンはいっそう高い圧縮比で作動 しかつ絞られた空気取り入口を必要としないからである。ジーゼルエンジンはま た、市場の火花点火エンジンより一酸化炭素のいっそう低い放出と軽微な炭化水 素を有するが、すすや窒素酸化物の高い放出を有しかつ通常、火花エンジンが燃 やすアルコールを燃やさない。

火花点火エンジンが約３ミリセコンドの燃焼時間を有するのが典型的であること に注目しなければならない、従って、火花点火エンジンの火花調時がジーゼルエ ンジンで可能であるよりも真のオツトーサイクル（定容積燃焼）にいっそう近接 できるけれども、燃焼にはなお約２０のクランク角度またはそれ以上が必要であ り、かつ引用されたクマ−（Ｍｕ−ｍａｒ）の論説の３３頁の図に示されている ようにサイクルからサイクルまで相当な変化を示すのが典型的である。

従って、火花点火エンジンでさえ、定容積のときの熱添加のオツトーサイクル必 要条件からかなり外れる。実際に、従来のエンジンはオツトーサイクルの可能性 を充分に開発していないし、または本当にもう少しで理論的なオツトーサイクル 効率を達成しそうになってもいない。

ジーゼルのような圧縮点火エンジンの場合、予備室または主燃焼室それ自体のよ うなガス流のラインに触媒を配置することにより、せいぜい最低の改善しか得ら れない、なぜなら、乱流、従って火炎速度が減少されるからである。このことは 、プラチナ金属レビュー、２４巻（１９８０）の１３３頁、スリング（Ｔｈｒｉ ｎｇ）により刊行されたハスレフト型エンジンに関する報告結果により確認され る。燃料経済と触媒耐久性を改善する必要も注目される。

内燃エンジンから理論的に可能な充分な効率の達成には、まさに従来技術の火花 点火エンジンの燃焼時間より短い程度の大きさの燃焼時間を必要とし、かつ真の オツトーサイクル作動に密接に接近することを必要とする０本発明は、吸排気損 失を増大させずに内燃エンジンのいっそう急速な燃焼方法を与え、従ってかなり 重要である。

発明の概要 用語の定義 本発明のピストンと「ピストン手段」という用語は、慣用のピストンエンジンの ピストンだけではなく、ジーゼルバンケルや他の均等な装置のようなロータリー エンジンのロータも含む、ピストン手段の「クラウン」は、使用中内燃エンジン の燃焼室の壁を形成するピストン手段の部分を指示する。

本発明の目的にとって、「圧縮点火エンジン」という用語は、燃料を圧縮空気に 周期的に噴射して作動するどんなサイクル燃焼エンジンをも意味する。

圧縮の熱は、正常の作動では、燃料が熱い圧縮空気とおよび／または熱い燃焼室 壁と接触する結果として燃焼が起こるほど充分高い、一つの例がジーゼルエンジ ンである０本発明は、ここではエンジン作用流体として空気に関して述べている けれども、酸素が燃焼を支持するのに必要な要素であることが良く理解される。

所望な場合には、作用流体の酸素含量特表千１−５００７６に４） を変えることができ、かつ「空気」という用語は、ここでは自由な酸素を含む作 用流体を指示するために用いられる。

本発明では、「真のオツトーサイクル」という用語は、燃焼が定容積で起こる周 期的エンジンサイクルを意味し、すなわち理論的な教科書のオツトーサイクルを 意味する０本発明の「ジーゼルサイクル」という用語は、燃焼が定圧力で起こる 周期的エンジンを意味し、すなわち理論的な教科書のジーゼルサイクルを意味す る。

私の発明は、従来のジーゼル型エンジンの欠点およびこれらのエンジンを触媒で 改善する種々の試みの欠点を克服するかまたは除去し、かつ精密に化学量論的な 燃料−空気混合物および絞られた空気作用を有する、オツトーサイクルエンジン の低圧縮比に対する限界を克服するかまたは除去する０本発明により、燃焼室を 有する非火花、圧縮点火型エンジンには、燃焼室の壁の表面に緊密に結合された 酸化触媒が設けられる。触媒の下には、室壁の部分を形成する熱絶縁手段を置い て、壁を通って周囲へ出る熱損失を制御するかまたは減少させる。ピストン手段 が上死点（ＴＤＣ）のときに測定して、燃焼室壁の少なくとも約１５％が触媒で 被覆されるのが好ましい、エンジンの作動の際には、燃料の少な（とも部分が、 約ＴＤＣであるほぼ最大圧縮のときに酸化触媒表面に突き当たるように燃料が噴 射される。燃焼室の乱流環境における時間範囲の広い多点連鎖反応開始によくで 起こる点では、ジーゼルサイクル性能よりオツトーサイクルにいっそう近い０本 当に、燃焼が（２００ミリセコンド程度の）瞬間に非常に近いので、燃焼圧力波 が真のオツトーサイクル作動に接近している。

私の発明による燃焼が慣用の火花点火のいわゆるオツトーサイクルエンジンより いっそう早く起こる限りでは、実際の目的のために私の発明の燃焼が瞬間的に起 こる。その結果としてのエンジン作動は、典型的なジーゼルのかたかたいう音が ないのが注目に値するので、ジーゼルエンジンのエンジン作動より実質的に静か である。このように構成されたエンジン燃焼室、そのような室を組み込んである エンジン、室を作る方法、およびエンジンに使用されるピストンが私の発明の部 分でもある。

私の発明で、触媒表面による燃料の点火が少量の燃料の表面酸化に起因すると考 えられ、従って局部温度が増大しかつ点火された燃料が表面から准し進められる 。また、触媒が基の核種を気相に噴射すると考えられる。そのような核種は、燃 焼を早めることが知られている。私の発明の方法による有効な点火のために、触 媒温度は、使用される燃料の自動点火のための温度と同じ（らいかまたはほとん ど同じくらい高く、またいっそう熱い触媒が気相燃焼のいっそう早い点火を促進 するので、触媒温度はいっそう高いのが好ましい、そのような触媒は、燃料とし て水素を有する成る高価な金属触媒の場合に液状窒素温度と同じくらい本当に低 い、非常に低い温度で表面上の燃料を酸化することが知られているけれども、触 媒が燃料点火温度に達するのに要する時間はエンジンの作動には長すぎる。燃料 の点火に必要な温度以下の触媒温度では、触媒が存在すると、気相燃焼をまさに 遅らせることができる。この結果は、気相で発生した基の比較的冷たい表面によ る冷却から起こると考えられる。自由な基のそのような冷却が活性の触媒表面に より促進されることが長く知られている。燃料による多孔性触媒表面の濡れも点 火を遅らせると予想される。従って、触媒の酸化触媒が存在するだけで触媒の点 火を保証しないだけではな（、不利であることも報告されている０本発明では、 触媒が燃料の点火のために充分高い温度に維持される。さらに、触媒は、エンジ ン作動状態で燃料により実質的に濡れないように充分に非多孔性であるのが好ま しい。

大きなおそい速度のエンジン（例えば機関車エンジン）または比較的低い圧縮比 で作動するエンジンのような、私の発明を用いる成るエンジンでは、表面酸化反 応の点火に充分な温度以上の温度であるけれども、触媒を、気相燃料燃焼の急速 な点火のために充分高い温度に都合よく維持することが難しい。

そのようなエンジンでは、燃焼室に存在する圧縮空気の酸素の約５％しか消費し ない表面酸化された燃料のパイロット噴射のような適当な熱源により触媒を必要 な温度まで持ってくることができる。そのようなパイロット噴射は、点火すべき 燃料チャージの噴射より先行しなければならないし、かつ好ましくは最大圧縮の 点（上死点）の前で約１５のクランク角度よりおそくなく終わるか、または上死 点の前でいつくう好ましくは２０°またはまさに２５″で終わらなければならな い。

図面の簡単な記載 この発明を、図面を参照してさらに理解することができる０図面において、 第１図は触媒被覆がどのように熱絶縁被覆に結合されるかを示す拡大概略横断面 図であり、第２図は熱絶縁被覆の触媒作用のない小さい範囲を示す第１図の区分 の正面図であり、 第３図は直接噴射触媒点火エンジンのシリンダ内の修正されたピストンの典型的 な配置の断面図であり、 第４図は予備室触媒点火エンジンのための修正された燃焼室の典型的な配置の断 面図であり、第５図は第３図のエンジンに使用される、代わりの修正されたピス トンの断面図であり、第６図は触媒で被覆された熱絶縁層の下にある壁の空気障 壁熱破断部を示す拡大部分横断面図である。

本発明および好ましい実施例の詳細な記載さらに、本発明を図面と関連して述べ る。燃焼室の壁１１の内面１２を、第１図に見られるように熱絶縁被覆１３、好 ましくはセラミック被覆で被覆するのが好都合である。存用な熱絶縁被覆は、結 晶構造の安定化のため重量で６％の酸化イツトリウムを存する酸化ジルコニウム で構成されている０本発明により、触媒被覆１４が熱絶縁被覆１３に結合されて いる。触媒被覆は、熱絶縁被覆に化学的に結合さ　・れたプラチナのような貴金 属触媒からなるが、燃料滴の気化と気化された燃料の点火を容易にする。この点 火は、触媒表面で少量の燃料が酸化することにより発生した熱に原因があると考 えられている。熱絶縁被覆１３により、緊密に結合した触媒がこの機能に有効な 充分高い温度で作用することができる。

従って、熱絶縁被覆１３は、充分な厚さ、典型的には少なくとも約１〜１０ミリ メートルの厚さでなければならない、被覆を１０ミリメートルより厚くすれば、 そんなに活性でない触媒も使用できるが、熱衝撃の損害を受け、従ってそんなに 耐久性がない。１ミリメートルより薄い被覆は、後述するように下にある壁の熱 破断部で補充すれば使用できる。触媒の気化および点火作用は、充分に高い温度 でまたはそれ以上の温度での燃料、空気および触媒・の組み合わされた効果に原 因がある。熱絶縁被覆１３により、エンジンの作動中の燃焼熱と圧縮熱が触媒を 作用温度に維持することができる。

熱絶縁被覆１３を、第６図に示したように、触媒被ｆｆ１４の下にある壁に空気 障壁５１のような一つまたは複数の熱破断部により補充するのが有利である。こ れに代わる方法として、熱破断部は、セラミックまたは金属の交互の区分または 層として構成することができる。空気障壁熱破断部は、当接するまたは間隔を置 いた板の間のガスフィルム、発泡したセラミックまたは金属内の気泡、または壁 内のからにした空間のような燃焼室壁の不連続部であることができる。空気障壁 ５１を区画する表面５０の少なくとも一つは、赤外線反射し、かつ金のフラッシ ュ被覆を帯びるのが有利である。二〇熱破断部は、高い触媒温度を維持するのを 助け、それによってエンジンが比較的低い圧縮比で作動することができる。

セラミック絶縁被覆は１ミリメートル位薄いかまたはこれより薄くでき、および ／またはそんなに活性のない点火触媒を使用できる。複数の空気障壁熱破断部で は、セラミック層を０．１　ミリメートル位薄くするのが有利であり、その結果 として優れた熱衝撃耐性が得られる。

空気の圧縮はその温度を上昇させるが、この上昇は、特にアルコールが燃料であ れば、またはジーゼルエンジンに関する限りではエンジンが始動するのに圧縮比 が充分高ければ、エンジンを始動させるのに全く充分である。初期の始動に必要 ならば、慣用の電気的グロープラグまたは他の熱源を用いてエンジンを始動させ ることができる。触媒作用中非点火熱源とし、ての始動熱は、電気ヒータでまた は空気取り入れ口の燃料の燃焼によりエンジンへの入口空気を加熱することによ り供給することもできる。

触媒被覆は、熱絶縁被覆１３の部分の上に施される。熱絶縁被覆または層１３の 成る領域１５を第２図に示したように被覆しないでお（のが有利である。

なぜなら、触媒作用領域の燃料消費が隣接する非触媒領域を加熱して非触媒領域 の温度を上昇させ、それによって燃料蒸気の点火と燃焼室を通じての火炎伝播を 容易にするからである。このパターンを描いた触媒の被覆は、特に比較的薄い熱 層の場合、アイドリングのときのような比較的低い触媒温度で特に有利であり得 る。

第３図のように大体示された本発明の一つの好ましい実施例は、直接噴射エンジ ンの燃焼室２４である。ピストン２０は合成構造である。燃焼室の壁ｌｌは、燃 焼室２４の内部に面する表面１２（第１図参照）の上の最小厚さの熱絶縁被覆１ ３で比較的高い触媒作用温度を許すステンレス鋼面板の形態である。所望ならば 、ヘッド２２の燃焼室表面ば熱絶縁（熱障壁）被覆を有することができ、かつ前 記被覆を触媒で被覆することができる。燃料噴射器２３は、燃料噴霧が表面１２ 上の触媒被覆に突き当たるように位置決めされている。或いは、第５図に示した 空気セル補助室４４を有するピストン４０をピストン２０の代わりに使用できる 。ピストン２０の場合のように、ピストン４０は、表面１２に絶縁被覆１３を有 するステンレス鋼面板の形態の室壁１１をもった合成構造である。ピストン４０ を用いた場合、燃料噴霧のほぼ全てまたは大部分が空気セル４４に向けられて有 利であって、かつ燃料噴射がピストン４０の上死点位置の前で終了するように燃 料噴射器２３が位置決めされる。燃料と空気が膨張行程中空気セル４４から放出 され、上死点に接近した表面１２の触媒被覆と接触する。このため燃焼が非常に 急速になるが、これは、比較的単純な燃料噴射システムでさえ上死点のすぐ近く で急な燃焼圧力波が起こる点で高速エンジンにとって好ましい実施例である。

燃焼室の他の好ましい実施例は、第４図に概略的に示した二次室３５に対する補 助室としての予備室３４である。ピストン手段３０が、シリンダ壁３１により区 画されたシリンダ内で作動して、上死点で二次燃焼室３５内の空気の大部分を室 ３４に追い出す。ヘッド３６が両方の室３４と３５の一つの壁を区画する。補助 燃焼室３４の内側面３２が、第１図と第３図に示した表面１２の場合のように熱 障壁と触媒で被覆される。燃料噴射器３３は、燃料噴霧が表面３２上の触媒被覆 に突き当たるように位置決めされる。予備室３４（第４図）は、吸気口から隔離 するのが好ましく、排ガスが吸気と排気行程中冷却を最小にするように流れる。

空気セル４４または予備室３４のような補助室は、エンジン設計に多数の利益を 与える０例えば空気セル４４のような、触媒作用のない補助室により、いっそう 簡単な燃料噴射システムの使用が可能となり、かつその補助室をまさに冷却する ことができ、従って圧縮行程中空気を圧縮する仕事を減らす、従って、触媒作用 のない補助室に噴射される燃料の点火が、触媒と接触する前に点火しないように 防止することができる。触媒作用のある壁を有する補助室も多数の利益を与える 。予備室３４のような触媒作用のある補助室は高温にいっそう容易に維持される 。なぜなら、吸気行程中冷たい吸い込み空気の流れが補助室を通る必要がないか らである。これにより、低いアイドリング速度を有する、小さい高速エンジンの 設計が可能となる。さらに、燃焼は、第４図に示すように、触媒作用のある補助 室に直接噴射することによって調節できるだけではなく、これに代わり、燃料を 圧縮行程中の後半の部分中二次燃焼室に噴射することによっても調節でき、かつ 圧縮行程の後半の部分中または後半の部分でピストン手段により補助室に追い出 すかまたは噴射することができる。

本発明のエンジンでは、熱絶縁手段が触媒被覆の下にある。すなわち、触媒表面 が、壁を通って周囲へ逃げる熱損失または熱流動を最小にするがまたは減少させ るように絶縁されている。適当な絶縁手段は、内部燃焼室壁の部分としてセラミ ック材料を含む、触媒表面の下に適当な絶縁手段がなければ、触媒表面が点火と 点火の間に急速に冷た（なるだろうし、かつ点火が瞬間的に起こらないだろう、 金属燃焼室壁の場合、セラミック絶縁物がまた下にある金属面を作用温度で酸化 しないように保護し、従って金属壁が高温で作用することができ、金属壁内で高 能率の熱破断部を使用することができる。室壁に熱破断部として空気障壁が設け られている場合には、セラミック熱絶縁物により、低いエンジン速度でさえ高い 触媒作用温度が可能となる。安定化したジルコニアはその高い融点のため熱障壁 層のための好ましい材料であるが、当該技術で知られた安定化したハフニア、ウ ラニア、ドリア、アルミナおよびこれらの化合物、およびシリコン窒化物および スピネルを含む他の材料を使用することができる。シリコン窒化物は、特に軽量 のピストンクラウンに有用である。多孔性のある表面は、燃料を衝突させること によりいっそう容易に濡れ、それによって燃焼の完了が延長される。それ故、触 媒表面およびセラミック絶縁物の表面層は濡れを最小にしまたは防止するために 充分に低い多孔性を有するのが望ましい。しかしながら、絶縁物の表面の下の高 い多孔性により絶縁効率が改善され、従って熱損失が減少する。

高い融点の絶縁材料が要求される。燃焼室で火炎にさらされる触媒表面は非常に 高い温度に達するだろうし、触媒表面と接触する絶縁材料は典型的には３５００ °Ｆ以上の融点またはなおいっそう好ましくは４０００°Ｆ以上の融点を有しな ければならない、熱絶縁層は、触媒表面の適当な熱絶縁を達成するために少なく とも１ミリメートルの厚さを有する。厚さがｌＯミリメートルより大きければ、 そんなに活性でない触媒も使用することができるが、絶縁物は熱衝撃損傷に敏感 でありうるし、かつそのような大きい厚さは耐熱衝撃性セラミックを使用しなけ れば好ましくない。それにもかかわらず、全てのセラミック燃焼室壁を本発明の セラミック熱絶縁層のために使用できる。耐熱衝撃性インサートまたはライナー を使用することもできる。

この内燃エンジンは典型的には金属で作られているので、本発明の熱絶縁を燃焼 室壁の被覆に関して述べてきた。本発明において、「熱絶縁被覆」という用語は 、塗布可能な被覆技術により塗布された層であろうと、または合成セラミック構 造の表面層であろうと、どんなセラミック表面層でも含む、金属構造については 、火炎溶射吹きつけにより、燃焼環境で熱サイクルの下で著しく安定したｌＯま たは１５ミリメートルの厚さの熱絶縁被覆が可能になる。燃焼室壁の少なくとも 約１５％、いっそう好ましくは約２５％、すなわちピストン手段が上死点のとき に測定して前記壁の内側表面または面積の１５％およびいっそう好ましくは２５ ％が熱絶縁被覆で覆われる。その被覆は、ピストン手段のクラウンにおよび／ま たはシリンダの壁またはヘッドにあることができる。典型的な絶縁材料が触媒的 に不活性であるけれども、そのような材料に触媒物質を添加してそれらを燃料の 酸化のために触媒的に活性にすることができる。従って、本発明の熱絶縁材料は 、当該技術で知られた、ニッケルを添加した安定化したジルコニアおよび高い融 点のペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉ　ｔｅ）酸化触媒のような触媒材料を含 む。ピストンクラウンのみが触媒を有しなければならない場合には、ピストンク ラウンの少なくとも約４０％をセラミック絶縁被覆で覆って、燃焼室壁の約１５ ％の全適用範囲になるようにする０本発明にとって必要ではないけれども、セラ ミック絶縁物で全ての燃焼室表面の実質的に完全な適用範囲が好ましい。なぜな ら、これにより熱損失が減少するからである。「安定化したジルコニアまたはハ フニア」は、部分的に安定化した材料を含む。

本発明の一つの特定の面において、前述のように、ピストン手段が上死点にある ときに測定して燃焼室の少なくとも約１５％が、燃料の急速な酸化に対し活性な 触媒により占められる。触媒は、絶縁物の表面に化学的に結合されるのが好まし い０表面の触媒被覆は、大部分の有効な熱障壁被覆を触媒特性にかかわらず使用 できる点で有利である。さらに、これにより、好ましくは触媒被覆範囲の約５０ ％より少ない、小さい被覆されない範囲を含むパターンを描いた触媒被覆が可能 となり、それにより必要な触媒の量が減少する。そのような被覆されない範囲と 接触する燃料が表面から離れる急速な火炎伝播を促進し、従って全燃料−空気混 合物のほとんど瞬間的な燃焼に寄与する。触媒に突き当たる燃料は酸化され、そ して触媒で被覆された範囲および隣接する被覆されない範囲の両方から離れた火 炎の伝播のための熱を与える。

触媒は、イリジュウムまたはプラチナ、特に後者のような貴金属からなるのが好 ましい、しかしながら、触媒は、ニッケルまたはコバルトまたは燃料の酸化に活 性である当該技術で知られたまたは他の触媒要素からなることができる。使用さ れる触媒は、少なくとも３０００°Ｆの融点を有するのが好ましい。

適当な融点のベロブスキカイト酸化触媒が当該技術で知られており、使用しても よい、安定化したジルコニュウムの被覆に使用される好ましい化合物は次の通り である。

ａ、塩化第三白金酸の形態のプラチナ金属２　ｇｍｓ、ｂ、アルミニュウムＩｇ ｍ、 Ｃ１窒化ジルコニル約１．５ｇｓ＋ｓを含む水中の窒化ジルコニル溶液５ｃｃ、 本発明の酸化触媒被覆を施すのに適当な方法を次の例により示す、燃焼室２４の 内面１２を、通常の火炎溶射吹きつけにより、イツトリアで安定化したジルコニ アで約５ミリメートルの厚さに予め被覆する。必要ならば、被覆すべき表面を、 はこり、油またはグリースがないように確保するために蒸気脱脂により清浄にす る。触媒のない被覆の所望な範囲１５に適当なマスクを用いる。

塩化第三白金酸、窒化ジルコニルおよび窒化アルミニュウムを好ましくは水溶液 で含む触媒被覆を被覆を汚染しないように注意して施す、この材料は、流出を防 止するためにブラシをすることにより一つまたは複数の軽い平らな被覆に施すこ とができる。

各被覆を施した後、それを約２００″Ｆ以上で１５分間強制循環して熱で乾燥し 、それから約３００″Ｆで３０分間乾燥する。

最後の被覆を乾燥した後、マスク材料を注意深く取り除き、被覆された部分を１ ３００°Ｆに徐々に加熱しそしてその温度に１時間保つことにより硬化させる。

以上のように施された触媒被覆は、熱障壁層に化学的に結合された触媒金属（す なわち、プラチナ）のフィルムまたは層を有する０種々の触媒合成物を用いてど んな熱障壁材料でも被覆することができる。

しかしながら、熱障壁層の表面が非多孔性であるかまたは低い多孔性であれば、 充分に非多孔性の触媒被覆が最も容易に得られる。交換ピストンについては、ピ ストンクラウンの少なくとも約４０％を熱絶縁物の上の触媒が占めて、触媒が燃 焼室表面の少なくとも約１５％を占めるように確保するのが好ましい。

本発明に使用されるエンジンの最小圧縮比は、燃料により変わる。例えば、メタ ノールとエタノールは、１０または１２／１ぐらい低い圧縮比で本発明のための 燃料として用いることができる。最小圧縮比より高いと、始動しやすさを促進し 、従って有利である。

さらに、触媒は吸排気損失の一因とならないので、最大熱効率が１４／ｌより大 きい圧縮比で得られる。

本発明の方法では、エンジンは、燃料が熱い触媒表面と接触することにより点火 する点を除いて通常のように作動される。従って、重量で約３０％またはまさに ５０％以上の芳香族炭化水素を含む芳香族燃料を通常のジーゼル燃料と同様に使 用できる０本発明の方法では、３０／ｌ以上の圧縮比が可能であり、零度以下の 周囲温度での燃料経済と始動しやすさを改善することができる。好ましい圧縮比 は、約ｌＯ／１から約２５／ｌの範囲にあるのが最も多い、しかしながら、燃料 の点火が単に十分に高い触媒温度の関数であるかぎりでは、適当な熱絶縁物で８ ／１またはまさに６／１ぐらい低い圧縮比が可能である。このことは、現在のロ ータシール技術がバンケルエンジンを、信頼できる作動のためにわずかにｌＯま たは１１／ｌの圧縮比に制限するとしても、それにもかかわらず、本発明の触媒 点火技術を用いて、信頼できる、絞りのない燃料噴射型バンケルエンジンを作る ことができることを意味する。

プラチナを含む触媒被覆を有する第３図に示した形式の燃焼室を用いた、３２／ １の圧縮比のエンジンを燃料として無鉛ガソリンを用いて作動させる。熱効率が 高（、かつすすが排気ガスに見られない、試験の示す所によれば、表面が触媒と 炭化水素燃料との接触により範囲の広い燃焼を開始して、非火花内燃エンジンか ら真のオツトーサイクル性能に接近した（真のオツトーサイクル性能は、ピスト ン手段の運動が起こる前に燃焼が完了し始めることを必要とする）。

次の試験では、テストエンジンはハッッＥ６７３単シ特表平１−５００７６６　 （８） リング空冷ジーゼルエンジンで、１９／１の圧縮比と３６０ＯＲＰＭで５ＨＰの 最大動力を有していた。ピストンはそのクラウンに小さな空気セルを有し、その 中へピストンの上死点位置の前に燃料が噴射される。シリンダ圧力を監視するた めに、キストラ−圧電変換器がシリンダヘッドに取りつけられ、かつオッシロス コープに接続された。全ての試験が単一バッチの市販の自動車ジーゼル燃料で行 われ、その際エンジンを小さいダイナモメータに接続してエンジンに負荷を与え た。２３００　ＲＰ？Ｉで、燃焼圧力波が、はぼ上死点で始まって１．５　ミリ セコンドの持続時間上死点の後約２０のクランク角度で終わるジーゼルサイクル 一定圧力モードに接近したことが認められた。　３３００ＲＰＭで、燃焼がなお さらに持続して膨張行程に入ったことが認められた０作動中、典型的なジーゼル エンジンのかたかたいう音が認められた。試験後、エンジンを分解してみると、 ピストンがすすで覆われているのが見出された。

引き続く試験では、同じエンジンを用いて同じ手順をたどったが、その際ピスト ンは、そのクラウンに、（これらの明細書のどこかで述べたように）プラチナ被 覆が結びつけられた約１０ミリメートルの安定化したジルコニア被覆を有するス テンレス鋼板を取りつけることにより修正された。板の整合孔をピストンの空気 孔の開口と整合させることにより、空気孔が修正されないピストンを有する試験 のように機能できるようにした。前記鋼板を取りつける前にピストンクラウンを 機械加工することにより、板が取りつけられた状態のピストンの寸法が、修正さ れないピストンの寸法とほぼ同じであるようにした。

修正されたピストンを取りつけたときに、シリンダへ７ドガスケツトを調整して 、ヘッドとピストンクラウンの間の間隙が以前の試験の間隙に少なくともなるよ うに確保した。以前の試験と同じバッチの燃料を用いて２５００　ＲＰＭで作動 させたときに、燃焼波が、上死点のすぐ後に起こるシリンダ圧力の急な増加でか つ約０．２　ミリセカンドより少なく、すなわち約三つのクランク角度内で真の オツトーサイクル性能に密接に近づくことが認められた。　３３００　ＲＰＭで は、同様なオツトーサイクル型の圧力波が認められた。標準のピストンでの試験 よりもずっとより少ない騒音が前記エンジンの作動中聞かれた。試験後エンジン を分解してみると、ピストンにすすがないことが認められた。

ジーゼルエンジンの燃焼時間はシリンダ寸法と設計の関数であることに注目しな ければならない、比較的大きいエンジンの比較的大きいシリンダは完全燃焼のた めに時間の増加を必要とし、かつ比較的小さいエンジンよりおそい速度で作動す るのが典型的である。上記の試験に使用されたハックのエンジンは非常に小さく かつ火花エンジンの燃焼時間に匹敵する燃焼時間を示したが、さらになお、火花 点火エンジンの遅れた火花作動がそうであるようにジーゼルサイクル型燃焼を示 した。それでもなお、このエンジンでも、本発明の触媒点火を用いると、結合時 間がざっと比較的短い程度の大きさになり、要するに手短に言えば、燃焼圧力波 が全く典型的な火花点火エンジンよりいっそう密接に真のオツトーサイクル作動 に接近した。

本発明を、大抵の既存の燃料噴射型圧縮点火エンジンに適用できる０本当に、大 抵の既存のジーゼルエンジンを、本発明に従って作動するように容易に修正する ことができる。このことは重要である。なぜなら、自動車ジーゼルエンジンの未 来はジーゼルの高いすすの放出によりかつジーゼル燃料の利用可能性の限界によ り脅威を与えられているからである。

さらに、本発明は、シリンダにおける触媒の吸排気損失の増加もまたはエンジン へ損傷を与える危険もなく、能率的な燃焼を与える触媒方法を提供することによ り従来技術の限界を克服する。その上さらに、本発明により、広範囲の燃料、低 セタ、ン価の燃料さえも使用できる。加えて、非常に高い熱効率と組み合わせて 有害な放出物の低い水準を得ることができる。また、点火特性で作動させること ができる圧縮点火型エンジンの方がよ（、実際のところ火花点火エンジンの点火 特性より優れている。

ＦＩＧ、４ 国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．燃焼室を有する触媒点火エンジンを作動させる方法において、 （ａ）前記燃焼室の壁の少なくとも一部分を含む点火触媒を、燃料滴の気化およ び気化した燃料の点火に有効な充分高い温度に加熱し、その際前記触媒を、前記 壁部分を通る熱損失を最小にするために熱的に絶縁し、かつ前記触媒を燃焼熱に より引き続き作用温度に維持し、 （ｂ）前記燃焼室内の空気を圧縮し、 （ｃ）燃料を前記圧縮空気に噴射し、 （ｄ）最大圧縮に近いときに前記燃料の少なくとも一部分を前記の加熱された触 媒の上ヘ衝突させ、そして （ｅ）調節された、範囲の広い多点連鎖反応の開始が前記加熱された触媒により 点火され、その結果急な燃焼圧力波が上死点の付近に起こる点でジーゼルサイク ル性能よりオットーサイクルにいっそう近いほぼ完全燃焼になる方法。
2. ２．前記燃焼室が、空気セルまたは予備室からなる少なくとも一つの補助室を備 え、かつさらに前記燃焼中前記燃料の少なくとも大部分を前記補助室に噴射し、 そして前記加熱された触媒の上ヘ膨張中前記の混合した燃料と空気を前記補助室 から放射することを含む、請求の範囲１による方法。
3. ３．前記燃焼室が少なくとも一つの補助室を備え、前記補助室には前記触媒が設 けられ、かつ前記圧縮の後半の部分の間前記燃料の少なくとも一部分を前記補助 室の上ヘ直接追い出すことを含む、請求の範囲１の方法。
4. ４．前記触媒を前記壁部に、模様をつけた被覆として施すことを含む、請求の範 囲１による方法。
5. ５．前記圧縮中前記補助室の空気を冷却する段階を含む、請求の範囲２による方 法。
6. ６．燃焼室を有する触媒点火エンジンを作動する方法において、 （ａ）前記圧縮室の空気を圧縮し、 （ｂ）燃料のパイロット部分を前記圧縮空気に噴射し、かつ酸化触媒と接触させ ることにより前記燃焼室の壁の少なくとも一部を含む酸化触媒表面を加熱し、そ の際前記パイロット部分は前記圧縮空気の酸素の約５％までを消費して、前記触 媒を前記燃料の点火のために充分高い温度に加熱するのに充分であり、そして （ｃ）最大圧縮時点の近くのときに付加的な燃料を前記燃焼室に噴射し、そして 前記付加的な燃料を前記の加熱された触媒との接触により点火することからなる 方法。
7. ７．圧縮点火エンジンに使用されるピストンにおいて、 （ａ）クラウンを有し、前記クラウンは随意に空気セルを含み、 （ｂ）前記クラウンを通る熱損失を減少させるために前記クラウンの部分として の絶縁手段と、（ｃ）前記クラウンに緊密に結合された酸化触媒とを備え、前期 触媒が模様のついた被覆として随意に施され、前記触媒は、エンジン作動状態で 燃料により実質的に濡れないように充分に非多孔性の表面を有し、それにより前 記触媒は、前記触媒が熱いときに前記燃料の点火に有効であるピストン。
8. ８．触媒点火エンジンのための燃焼室において、（ａ）室壁を有し、前記壁が室 側面、室およびピストン手段のクラウンからなり、 （ｂ）前記壁のうちの少なくとも一つの壁の少なくとも一部分に緊密に結合され た酸化触媒と、（ｃ）前記壁部分を通る熱損失を減少させるために前記触媒の下 にある絶縁手段とを有し、前記触媒は、エンジン作動状態で燃料により実質的に 濡れないように充分に非多孔性の表面を有し、それにより前記触媒が熱いときに 前記触媒は前記燃料の点火のために有効である燃焼室。
9. ９．前記絶縁手段は、前記触媒の下にあってかつ前記触媒から間隔を置いた熱破 断部からなる、請求の範囲８の燃焼室。
10. １０．前記触媒が、パターンを描いた被覆として施される、請求の範囲８の燃焼 室。
11. １１．補助室を含みかつこれと連通する、請求の範囲８の燃焼室。