JPH01187358A - 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、特に吸入空気に酸素ガスを混入し機
関の効率向上を可能と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、或いは軽油や重油類を用いたジーゼルエンジン
、ロータリーエンジン等がある。

これ等は燃料となるガソリン、軽油、アルコール類又は
重油類を気化し加圧下で空気中の酸素で燃焼せしめてエ
ネルギーを得ている。通常空気中に存在する酸素ガスは
約２１％で７９％は窒素ガスである。この４倍もある不
必要な窒素ガスを同時に取込み、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。この結果として余計な重量１機械摩擦、圧縮エ
ネルギーを員などのエネルギーを余分に消費してしまう
。より高い馬力を得ようとする場合は酸素が不足するの
で、この酸素不足を補うためにターボを追加し空気を加
圧供給することにより　これを補っているものもある。

（３）発明の目的 これを改良する為内燃機関に吸入する空気の酸素濃度を
高め、内燃機関の燃焼効率を高め、その出力の向上と排
気ガスの無公害化とを図ることを目的とする。

（４）発明の要点 内燃機関のエネルギーを用いて酸素濃縮装置を作動せし
め、この産出する酸素ガスを内燃機関の吸入ガス中に混
入せしめ、その効率向上を図るようにするものである。

（５）本発明の実施例 現在の内燃機関の研究は大変進んで現在の技術はその究
極に近い所まで進められている。しかし今までの方法で
はその排気中に含むＮＯＸ、ＨＣｌＣ０等による公害が
問題となりその排ガスによる空気浄化規制をクリヤーす
る方に力が注がれてきた。

また、そのエンジンの馬力向上を図るためにはカーレー
スをベースにした新しい技術が導入されターボ車１等が
市販されている。

しかし石油資源もその埋蔵量に限度があり、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し石油以外のエネルギ
ー例えばアルコール、　ｗＩｉ、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（その空気中のｍ変）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空気中の酸素
濃度を変えてやると言う見地から見直すと、より適した
煽ごう条件を晃出しエネルギー効率を高められるのでは
ないかと考えた。そこで我々は空気中より酸素を取出し
、これを内燃機関の吸気に混入し実験を行った。そして
酸素の供給量をコントロールすることによりわずかな酸
素供給量であってもその効果が予想通りに現れることが
判った。すなわち燃焼効率を高めれば燃料の節減、ＨＣ
の低減、ＣＯの低減、馬力の向上がコントロール出来た
。またＮＯＸは還流排ガス瞳と酸素流入量をコントロー
ルすることにより低減の可能性がつかめた。豊富にある
空気中より酸素を取り出す手段として第１に空気を乾燥
して冷却液化した後、沸点の違いにより分離取出す深冷
分離法がある。これは大型の装置２例えば１００ｔ／日
以上のものに適しており、そのガスの純度も高純度のも
のが得られる。第２に吸着剤を用いた圧力変動方式（Ｐ
ＳＡ　：　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒ
ｐｔｉｏｎ方式とも言う）がある。本発明の実施例では
この方式を用いているので後で詳述する。第３に膜弐が
ある。

これは酸素と窒素を分離出来る膜を用いて酸素ガスを濃
縮する方法で、膜の形として中空糸状のものと平膜状の
ものがある。現在この技術で濃縮酸素ガス濃度３０〜４
０％程度のものが経済的に取出すこ゛とが出来る。酸素
を濃縮する技術は上記のどの方法でも良く、使用する内
燃機関の容量に適した方式のものを採用すればよい。発
明者等は圧力変動法を用いた。圧力変動方式の酸素濃縮
装置は酸素ガスの吸着能より窒素ガスの吸着能が優れて
いる吸着剤である結晶ゼオライトを充填した吸着床の一
端に一定時間、原料圧縮空気を送気し、吸着剤に窒素ガ
ス等を吸着させ、他端より吸着能の弱い酸素濃縮ガスを
得る装置で、一定時間原料空気の導入を止め、吸着床を
大気圧が、負圧にまで減圧して吸着している窒素ガス他
を脱着し。

その後酸素生成濃縮ガスによる洗浄工程により吸着剤の
再生を行った後、原料となる圧縮空気を再び導入し、吸
着工程に入り、＃素ガスを製造する。この吸着床を２本
または３本、または４本の複数用う場合もあり、それ等
を交互に順序よく使用し、連続的にガスを製造する方法
が数多く堤案されている。例えば、ワグナ−の米国特許
第３４３０４１８号に記載されて広く使用されている一
つのシステムは平行流れ関係で配置された４つの吸着床
を使用し、各吸着床は多段階サイクルを通して順次進行
すする。成る吸着床からの生成物の産出は連続的でない
ため、吸着床は４つの吸着床のうち少なくとも一つが常
に生成物を生成するよう配置される。要するに、各吸着
床は、供給ガス混合物の少なくとも一成分が吸着床の第
一端部に導入された供給ガスから選択的に吸着され、且
つ一成分除去ガスがこの吸着床の第２端部がら放出され
るような吸着段階を使用する。前記した吸着段階は通常
工程の最高圧力において行われ１次いで第一圧力解除段
階を設け、ここで漸減する低圧下に吸着床から放出され
たガスを使用して工程における他の機能を行わせ９例え
ば予めパージされた他の吸着床の再加圧および（または
）更に別の吸着床のパージを行わせる。この第一圧力解
除段階の後に通常最終圧力解除段階が続き、これは前段
階の吸着段階のガスの流れや第一圧力解除段階との際の
ガス流れに対し特に一般的には向流である。この段階の
間、ガスは通常人口端部から放出され、脱着したガスを
含有する。圧力解除が完了すると、ｌｉ！１常向流とし
て、吸着床中にパージガスが第２端部から導入され、脱
着を行うと共に入口端部において脱着したガスを排出す
る。パージが完了すると、吸着床は一成分除去ガス（ｆ
Ａ縮酸素ガ、ス）により再加圧されて前記した吸着段階
に復帰する（Ｊ（Ｉｉ＃をし、そしてサイクルが反復さ
れる。

このワグナ−の発明例で、第一端部から導入される供給
ガスが圧縮空気であり、吸着剤に合成ゼオライトを使用
した場合、第二端部から得られる一成分除去ガスが、／
！３縮酸素ガスとなる。

濃縮酸素ガスの生成量が１時間当たり約４Ｍ以下のもの
は小型化の要求より吸着床の２本のものが多く、そして
吸着床の脱着を大気圧までの減圧で行い構造を簡単にし
ているものが多い。生成量が前述のものより大きい大型
のものは、装置の運転効率の点より、３本以上の吸着床
を用うものや脱着時の減圧を真空ポンプを用いて、大気
圧以下にして行うものが多くなる。全体のシステムとし
て成立するには設備費としての初期コストと運転コスト
の各々が低い事が望ましい。装置の容量の大きいものは
、−船釣に運転コストの低い事が重視され、容量の小さ
いものは設６１η費の低いことが重視される。我々はこ
の実施例で示し、使用したのは小形のもので２本の吸着
床を有する装置とした。この吸着床を選択した理由は経
済的理由のみであり技術の進歩により模式の方がより経
済的になった時点で模式に変わることを示している。

圧力変動法による酸素濃縮装置もかなり小形化の見通し
も得られており、また現時点でその生成物回収率は４０
〜４５％を得ている。これも酸素濃縮装置の信頼性を重
視し、窒素ガスの脱着の工程を大気圧までとする。いわ
ゆるコンプレッサーのみで真空ポンプを用いない陽圧方
式だけの単純な構成により達成している。これは今後の
改良により更に５０％程麿まで生成物回収率を上げるこ
とが出来るであろう。

本発明は１次の図１の実施例によってその構成を説明す
る。

ｌは燃料供給装置としての気化器、２は吸気マニホール
ド２３は機関本体、４は排気管を示し。

６は吸気弁、７は排気弁である。１０は吸入混合気中に
酸素ガスを供給する制御弁で、低速で、高馬力が必要な
場合とか低負荷で高回転が必要な場合は、その星をコン
［、ロールする。１２はコンプレッサーで機関本体ｒ）
より、ヘルド１８で動力をもらいプーリ１１により回転
している。

此のコンプレッサーは圧力は３ｋｇ　／　ｃ＋Ａで良い
が取込み空気量の多いものが必要であり、ピストン式の
ものより、ローターリ−式か、スクリュー式のものが信
頼性の点から好ましい。

このコンプレッサー１２により圧縮された空気を万力弁
１３により、窒素を吸着する能力の優れている吸着剤を
充填しである吸着床１４に人口端１９より送気し、吸着
床１４の吸着剤に窒素ガスを吸着させ、他端の出口端２
０より酸素ガスが濃縮されて出ている。この万力弁は吸
着床内の圧力と時間の函数で制御され、一定時間か、も
しくは一定圧に達するどちらか早い方のタイミングで一
方の吸着床１４から他方の吸着床１４′　に切り換えて
送気し、２つ（又はそれ以上）の吸着床を交互に使用す
る。一方の吸着床１４“　に送気している間、他方の吸
着床１４は大気圧に開放され、吸着剤が吸着している窒
素ガスを脱着して吸着能力を回復している。この間脱着
中の吸着床１４にオリフィス１６を通して産出、生成物
である酸素ガスを一部、出口端２０より還流してやり、
パージガスとして吸着床１４内を逆？ｆｔさせて２窒素
を洗出して吸着能の再生を促進させてやる。出口端２０
より産出した生成物である約９５％濃度（又はそれ以下
）の酸素ガスは生成物タンク１５に貯留され減圧弁１７
により減圧され制御弁１０に供給される。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．バルブ類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
。制御弁１０は１機関の回転状況により制御されて酸素
ガス量をコントロールすする。実施例では酸素ガスの注
入は気化器の所で行っているが、空気流入。

燃料気化、混合、燃焼室へ吸入するまでの間で酸素ガス
を注入混合し、酸素計を増すようにすればよい。

図示はしてないが燃料過剰供給装置も備え、酸素の流啼
とともにコントロールすることも出来る。このことによ
り大きい馬力の発生を可能にするものである。

酸素′ａ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ｍｍに始動の動
力原としても使用するため、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濃縮ユニットを駆
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。

（６）発明の詳細 な説明のシステムにより酸素の過剰供給により、より完
全な燃焼によるＨＣ，ＣＯ，ＮＯＸの低下や馬力の向上
低燃料費及び排ガスの無公害化を図ることができるよう
にしたものである。

【図面の簡単な説明】

図１は９本発明の略示的平面図を示す。 １、気化器、２．吸気ユニホールド、３８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. 　空気中の酸素を濃縮する酸素濃縮ユニットと気化器と
   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
   ットで濃縮した酸素ガスを前記気化器から燃焼室までの
   間で混入し燃焼ガスとともに燃焼室に吸入せしめるよう
   にした事を特徴とする内燃機関システム。