JPH01187357A - 内燃機関システム - 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】 （１）発明の対象 本発明は内燃機関、特に吸入空気に代えて酸素ガスを燃
料と混入した内燃機関に関する。

（２）従来技術とその問題点 内燃機関は２サイクルあるいは４サイクルのガソリンエ
ンジン、ロータリーエンジン或いは軽油、重油類を用い
たジーゼルエンジン等がある。これ等は燃料となるガソ
リン、軽油、アルコール又は重油類を気化し、加圧空気
中の酸素で燃焼せしめてエネルギーを得ている。通常空
気中には酸素ガスが約２１％で残りの７９％は窒素ガス
が存在している。この為４倍もある不必要な窒素ガスを
同時に取組み、圧縮し、加熱し、排気しなければならな
い。このためピストン、シリンダー、気化器など気体を
取扱う部分を５倍に大きくしなければならない。その結
果として重量も重くなり、＊械摩擦損は太き（、圧縮エ
ネルギーも大きく５種々の損耗エネルギーが大きくなっ
てしまう憂いがある。このように空気中には、窒素ガス
が多くあるため機関そのものを５倍も大きくする必要が
あり、又その為に各種のエネルギー損が発生している。

従来空気を内燃機関用燃焼ガスの酸化源として用いるの
は、容易に無料で入手出来るからで内燃機関の構造も簡
単に出来る。また燃焼、特に煽ごう時の高温は純酸素に
近い程その温度は高くなる。その為不燃性ガスである窒
素ガスが約７９％含まれている方が煽ごう温度が低いの
で、耐熱性の点から容易に機関本体のシリンダー、シリ
ンダーヘッド、ピストンヘッドが製作できると言うメリ
ットもあった。しかし反面、その窒素ガスが酸化されて
ＮＯＸが発生し公害として人体に悪影響を及ぼしている
のが現状である。このＮＯＸを減らずため現在の技術と
して、その点火時朋を遅らせるとか。排気ガスなど他の
不燃ガスを混入し、その燃焼温度を下げる事によって行
っている。又触媒等を用いた排気ガス処理システムでそ
れを部分的に除去しようと試みられている。

現今では耐熱性の優れたセラミックスによってシリンタ
ー、及びシリンダーヘッド、ピストンヘッドを製作でき
るようになってきており、そのため耐熱性の傍れた内燃
機関の製作も可能になったので、空気より濃縮したより
純酸素に近い酸素ガスが用いられ易くなっている。

一方、燃料として使用された石油’［はその埋装置に限
度があり、より広範囲な視野でエネルギーを見直し、そ
の石油エネルギーの効率的な利用法を考える必要がある
。また石油以外のエネルギー、例えばアルコール、液化
石炭などの燃料も活用できるような内燃機関の開発が要
求されている。これ等燃料の燃焼に必要な酸素量をそれ
ぞれ燃料毎に調節してやることより、適切な煽ごう条件
を見付は出すことが出来、いろんな燃料をそれぞれの条
件に適した構成にしてやれば内燃機関として使用できる
。また、従来より使用されている燃料も燃焼に必要な酸
素にを調整してやると言う見地から見直すと、より適し
た煽ごう条件を見出しエネルギー効率を高められるし、
今まで内燃機関に使用されていなかった燃料も使用でき
る可能性が高い。また、燃焼効率を高めれば燃料の節減
。

ＨＣの低減、ＣＯの低減、馬力の向ヒが可能である。

（３）発明の目的 我々はこのため窒素ガスを取除いて酸素だけを用いた内
燃機関を実現し、燃料の効率的燃焼により機械効率の向
上を図り、徘ガス中にＨＣ９Ｃ０、ＮＯＸのないクリ−
な内燃機関を提供しようとするものである。

（４）発明の要点 空気中より酸素を濃縮する酸素濃縮ユニットを作動せし
め、この産出する酸素ガスを内燃機関の燃料燃焼用酸化
ガスとして用うことにより機関の発生する効率の向上を
図るようにしたものである、空気中の酸素を濃縮する具
体的方法の例とじて圧力操作方式（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　
ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＰＳ＾法）による
酸素濃縮装置がある。この方式では空気中には約１％の
アルゴンガスが存在し酸素ガスと同様に濃縮されるため
現論上９５％の酸素濃度にしかならない。しかし５％の
アルゴンは安定な不活性ガスの為燃焼に関係しないので
この窒素ガスを含まない９５％の酸素ガスを用いて内燃
機関の燃焼に用うことは第１にＮＯＸの発生は生じない
こと。第２にＨＣやＣＯをなくすことが出来る。

それはＮＯＸの発生がないので燃焼温度を必要以上に低
くする必要がないため完全燃焼させることが出来るのた
めで、このように排気のクリーンな内燃機関を製造する
ことが出来る。９５％の酸素を用いても燃焼温度が高す
ぎるきらいがあるがこれは従来より行われていた徘ガス
の一部を還流。

または残留させることにより炭酸ガスや水蒸気など窒素
のない不活性ガスを混入して酸素濃度を下げることによ
り燃ビ温度を下げることも出来る。

勿論又、従来型の水冷、空冷の冷却装置の技術も使用し
、それの部分改良により高温化した部分の冷却を行うこ
とも勿論必要である。このことにより現在可能な内燃機
関の材料と技術を用いて実現できるようにしたものであ
る。

（５）本発明の実施例 空気に代えて濃縮酸素ガスを用いる場合その機関の寸法
を１１５にすることが出来る。例えば２０００ｃｃのシ
リンダーに代えてＦｉ６０ｃｃ／のシリンダーで良いこ
とになる。するとピストン、シリンダーの摩擦抵抗は重
量や面積にある程度比例すると考えられるので１　／２
．５以下に縮減できる。

またピストン径も小さくなるので圧縮力は１１５以下と
なる。

次に図１によりその動作を説明する。１は気化器で従来
の空気に代えて、後述する酸素を濃縮するユニットによ
り送られてくる濃縮酸素ガスと燃料が気化混合される。

２は吸気マニホールドであり、３は機関本体である。４
は排気管で５はプラグ（点火栓）である。６は吸気弁で
吸気でマニホールドにり送られる燃料ガスを吸入する。

７は排気弁で、燃焼排ガスを排出する弁である。１２は
コンプレッサーで空気を取込み圧縮する。このコンプレ
ッサー１２は内燃機関よりヘルド１　Ｂよりプーリー１
１でその回転エネルギーを得ている。

これは大量の空気の取込みを要しその必要圧力は約２．
５ｋｇと低いためコンプレッサーの信頼性上の理由から
ピストン形式のものよりロータリー式かスクリエー式の
ものが好ましい。このコンプレッサー１２で圧縮された
空気は五方弁１３を経由して吸着床１４に入口端１９か
ら送気される。吸着床１４及び１４゛　の中には窒素ガ
スをより多く吸着する吸着剤のゼオライ１〜が充填され
ており、圧力を加えて空気を送り込むことにより窒素ガ
スが吸着され、出口端２０から生成物である９５％の濃
縮された酸素ガスが得られる。これは、チエ７クバルブ
２１をブツシュスルーして生成物タンク１５に貯留され
、減圧弁１７で必要圧に減圧されて気化器】の方へ送達
される。

吸着床１４へ送気されていた圧縮空気は吸着床１４へ送
気する時間と、吸着床内の圧力が定められた値に達する
と吸着床１４’　　の方に五方弁１３を切替えて送気し
、この吸着床１４″を用いて酸素の濃縮を継続する。こ
の間空気を送り込んでない側の吸着床１４は五方弁１３
により大気圧に開放されて先に吸着した窒素と水分を脱
着し、吸着剤の吸着能の再生を図っている。吸着床１４
°　で生成された酸素ガスはチエツクバルブ２１をブツ
シュスルーして生成物タンク１５に貯留されている。ま
た生成酸素ガスの一部はオリフィス１６を経由して一部
脱着中の吸着床１４に送られパージガスとして吸着床１
４中の吸着剤に吸着している窒素ガスの洗いだしに使用
され、吸着能力の再生を促進させている。所定の時間を
経由すると五方弁１３が再び切替り吸着床１４の方に圧
縮空気が送気されるようになる。この時また先述と同様
に吸着床１４で生成された酸素ガスは生成物タンク１５
に貯留されるし、一部の生成物である酸素ガスがオリフ
ィス１６を先とは逆の方へ流れて吸着床１４°　の脱着
窒素ガスを洗い出すパージガスとして流入する。この時
吸着床１４°　は五方弁ｌ：３により大気圧に開放され
て減圧状態にある。このような動作を繰り返して連続し
て酸素ガスを濃縮しながら生成物タンク１５から減圧弁
１７で気化器ｌを経由してシリンダー内に送り、これを
燃焼ガス酸化用として活用する。以上述べたコンプレッ
サー１２．吸着床１４．１４°、生成物タンク１５、パ
ルプ類１３，２１，２１°、減圧弁１７までの酸素濃縮
に関係する部分を酸素濃縮ユニットと称する。前述の酸
素濃縮ユニットは吸着床を２本のものについて記述した
が吸着床を複数本用いてこれを順序よく多段サイクルで
進行させ、成る吸着床からの生成ガスの産出は連続的で
ないため、複数の吸着床の少なくともひとつが常に生成
ガスを生成するよう配置するものもある。

また脱着サイクルは実施例では大気圧までの減圧で脱着
の工程を行ったが、真空ポンプを用いて。

大気圧以下の減圧工程を行ってもよい。またこの実施例
では酸素濃縮ユニットを内燃機関の回転エネルギーを直
接ベルトにより伝えているが、内燃機関は一般に必要電
力の発電と始動の動力源としても使用するためにダイナ
モ発電機を備えているものが多い。この電力を用いて酸
素′ａ縮ユニットを駆動させても良い。また大形の内燃
機関の場合、別の小形の内燃機関より、または電動力に
より酸素濃縮ユニットを独立に駆動し、これより得られ
る酸素ガスを本体の内燃機関に供給するようにしても良
い。

このようにして濃縮した酸素ガスを使用する。

本発明の対象内燃機関は４サイクルのものでも良いし、
ロータリー式、或いは２サイクルのものでも良い。現在
使用されている４サイクルのＮＯＸ低減のための排ガス
還流用システムはそのままの方法で本システムの必要以
−ヒの燃焼温度上昇を押さえる手段に活用できる。２・
す・イクルの内燃機関にも排ガス還流の手段を用いて燃
焼温度を下げる必要があるかも知れない。この必要性の
如何は内燃機関の設計思想と耐熱機材の使用如何によっ
て変わってくる。耐熱性の高いセラミック材を多用し、
現゛在ジーゼル機関に使用されているようにピストンヘ
ッド上死点直前に燃焼ガスと、酸素ガスを直接噴射し爆
発させて点火栓を用いない方法もあろう。これは酸素ガ
スを高圧にするポンプを追加し、燃料ポンプを追加する
必要がある。点火栓有無を別にして、こうすることによ
り今までとは別の思想の４サイクル内燃機関の２サモ燃
機関が可能である。すなわち排気後のピストン上死点で
酸素ガスと燃焼ガスを圧送し爆発させ。

エネルギーを回収する機関である。これは従来のものよ
り酸素分圧が自由にコントロールできるだけ自由な設計
が可能である。

このような２サイクル形の内燃機関はクリーンな熱効率
の良いものが可能となる０以上の本発明の応用はガソリ
ンエンジンに限らず軽油又は重油類を用いたジーゼルエ
ンジンにも活用でき、小型で熱効率の良いものが得られ
る。

その結果将来的には低オクタン価燃料、アルコール類等
のエネルギー活用としての道をも作り出せる。

（６）効　果 以」二の説明の如く、酸素ガスにより完全燃焼するので
排ガスのＨＣ，Ｃｏ、がなくなり、吸入側に窒素ガスが
ないためＮＯＸの心配のない小形で熱効率の良い内燃機
関を従供できる。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の略式的平面図を示す。 １、気化器、２．吸気ユニホールド、３１機関本体、４
．排気管、５．プラグ（点火栓）、６．吸気弁、７．排
気弁、１０．制御弁、１２．コンプレッサー、１３．万
力電磁弁、１４．吸着床、１５、生成物タンク、１７．
減圧弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸素濃縮ユニットと燃焼室を有する内燃機関システム
   において酸素濃縮ユニットにより酸素ガスを濃縮し、こ
   の濃縮された酸素ガスと燃料を燃焼室に取入れて燃焼さ
   せることによりエネルギーを得ることを特徴とする内燃
   機関システム。