JP2001355472A

JP2001355472A - 燃焼装置および内燃機関

Info

Publication number: JP2001355472A
Application number: JP2000173129A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Miwa; 克幸三輪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2001-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】エンジンの改良を図る。【解決手段】エンジンの燃焼室１６にガソリンと、水と
メタノールとを含む副燃料とを供給する。副燃料の供給
により燃焼室内の酸素の濃度を高くすることができるた
め、ガソリンを良好に燃焼させることができる。それに
よって、エネルギ効率を向上させることができ、不完全
燃焼を抑制することができる。また、副燃料の供給によ
り燃焼室１６の過熱を抑制することができ、ノッキング
の発生を抑制することができる。さらに、燃焼ガス中の
水蒸気の濃度を高くすることができるため、水蒸気に溶
ける窒素酸化物や炭素化合物等の量を多くすることがで
きる。そのため、燃焼ガスから水分を取り除いてエンジ
ンから排出させられるようにすれば、燃焼ガス中の有害
物質の含有率を低くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は燃焼装置および内燃
機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より種々の燃焼装置が知られてい
る。また、燃焼エネルギを利用した内燃機関も知られて
いる。しかし、燃焼装置や内燃機関において、燃焼に伴
って発生させられる排出ガスが環境問題を引き起こすこ
とがある。また、使用する燃料に対して得られる燃焼エ
ネルギ（以下、エネルギ効率と称する）が十分であると
はいえず、エネルギ効率の向上が望まれていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題，課題解決手段および効
果】そこで、本発明の課題は燃焼装置や内燃機関の改良
である。例えば、排出ガスに含まれる有害物質の含有量
を減らしたり、エネルギ効率を高くしたりすることであ
る。上記課題は、燃焼装置や内燃機関を下記各態様の構
成のものとすることによって解決される。各態様は、請
求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に
応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これ
は、本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に
記載の技術的特徴およびそれらの組合わせが以下の各項
に限定されると解釈されるべきではない。また、１つの
項に複数の事項が記載されている場合、常に、すべての
事項を一緒に採用しなければならないものではなく、一
部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

【０００４】（１）燃焼室と、その燃焼室に主燃料を供
給する主燃焼供給装置と、水と前記主燃料以外の有機物
とを含む副燃料を気化させ、前記燃焼室から排出される
排出ガスの熱を利用して加熱した上で、燃焼室へ供給す
る副燃料供給装置とを含むことを特徴とする燃焼装置
（請求項１）。本項に記載の燃焼装置においては、燃焼
室に主燃料と、水および有機物を含む副燃料との両方が
供給される。副燃料は、気化され、燃焼室から排出され
る排出ガスの熱を利用して加熱された上で、燃焼室に供
給されるのである。本燃焼装置における燃焼状態につい
ては未だ十分に解明されてはいないが、副燃料を供給す
ることによって、排出ガスに含まれる窒素酸化物等の有
害物質の含有量を減らしたり、エネルギ効率を高くした
りできることが実験で確認されている。その理由は、次
のように推測される。副燃料の供給により燃焼室内の酸
素の濃度が高くなり、主燃料および主燃料以外の有機物
を良好に燃焼させることができ、その結果、不完全燃焼
が抑制され、排出ガス中の炭化水素や炭素（粒子）の含
有率が減少する。また、主燃料および有機物を良好に燃
焼させれば、エネルギ効率を高めることができ、得られ
るエネルギが同じである場合における主燃料の量を減ら
すことができる。さらに、副燃料の供給により燃焼室内
の温度が低くなり、窒素酸化物が生成され難くなって、
排出ガス中の窒素酸化物の含有率が低くなる。また、副
燃料の供給により排出ガスに含まれる水蒸気の濃度が高
くなるため、その分、水に溶ける炭素化合物，窒素酸化
物の量を多くすることができる。そのため、燃焼室から
排出される排出ガスから水分を取り除いた後に、燃焼装
置本体の外部へ排出するようにすれば、排出ガス中に含
まれる炭素化合物や窒素酸化物等の有害物質の含有率を
低くすることができる。副燃料は水と有機物とを含むも
のであるが、水および有機物のみを含むものであって
も、他に無機物等の添加物を含むものであってもよい。
有機物は水に溶け易いものであっても、溶け難いもので
あってもよく、例えば、メタノール、エタノール、てん
ぷら油、その他工場において廃棄される油等を使用する
ことができる。また、例えば、主燃料と副燃料との比率
を４対１とし、副燃料における水と有機物との比率を３
対１とした場合に燃焼が良好に行われることは実験によ
って確認されているが、これらの比率は上記の値に限ら
ず、広い範囲で変更することができる。なお、副燃料
は、排出ガスの熱を利用して加熱されるのであるが、排
出ガスが通る排出管の外側において加熱されるようにし
ても内側において加熱されるようにしてもよい。例え
ば、副燃料が通る副燃料供給用管を排出管の外側に巻き
付けたり、排出管の内部に排出管の長手方向に延びる状
態で配設したりするのである。副燃料供給用管は耐熱性
があり、かつ、熱の伝導性が良好な金属製のものとする
ことが望ましい。（２）前記副燃料の有機物がメタノールを含む(1) 項に
記載の燃焼装置。副燃料は水とメタノールとを含むもの
とすることが望ましい。（３）前記副燃料供給装置が、前記燃焼室から排出され
る排出ガスから水分を除く水分除去装置と、その水分除
去装置によって除去された水を前記燃焼室に供給する循
環装置とを含む(1) 項または(2) 項に記載の燃焼装置。
燃焼室から排出される排出ガスから水分を除けば、燃焼
装置から外部へ排出される排出ガスから炭素化合物や窒
素酸化物等の含有量を減らすことができる。また、その
水を副燃料として再利用して燃焼室に供給されるように
すれば、排水処理が不要となる利点がある。また、水分
除去装置は、排出ガスを冷却する冷却装置を含むものと
することができる。排出ガスが通過する排気管の一部を
冷却すれば、排出ガス中の水分を良好に取り除くことが
できる。冷却装置は、排出ガスの温度を常温付近まで冷
却可能な装置とすることが望ましい。（４）前記副燃料供給装置が、前記副燃料を気化させる
気化装置を含む(1) 項ないし(3) 項のいずれか１つに記
載の燃焼装置。（５）前記副燃料供給装置が、前記副燃料に含まれる水
と有機物との割合を調節可能な副燃料調節装置を含む
(1) 項または(4) 項のいずれか１つに記載の燃焼装置。
水と有機物との割合を調節可能とすれば、燃焼状態を調
節することが可能となる。（６）前記主燃料供給装置と副燃料供給装置との少なく
とも一方を制御することによって、前記燃焼室に供給さ
れる主燃料と副燃料との割合を調節する燃料比率調節装
置を設けた(1) 項ないし(5) 項のいずれか１つに記載の
燃焼装置。主燃料と副燃料との割合を調節すれば、燃焼
状態を制御することができる。本項に記載の燃焼装置に
(5) 項の記載の技術的特徴を採用すれば、燃焼室に供給
される主燃料，水，有機物の割合を調節することが可能
となる。当該燃焼装置は、さらに、燃焼室に供給される
空気量を制御する空気量制御装置を含むものとすること
ができる。（７）ハウジングと、そのハウジング内に運動可能に配
設され、ハウジングと共同して容積の可変な燃焼室を形
成する可動部材と、その可動部材の運動を回転運動とし
て出力する出力部材と、前記燃焼室に主燃料を供給する
主燃料供給装置と、水と前記主燃料以外の有機物とを含
む副燃料を気化させ、前記燃焼室から排出される排出ガ
スの熱を利用して加熱した上で、燃焼室へ供給する副燃
料供給装置と、前記燃焼室内で主燃料と副燃料との燃焼
を生じさせる手段とを含むことを特徴とする内燃機関
（請求項２）。本項に記載の内燃機関においては、燃焼
室において主燃料と副燃料とが燃焼させられることによ
って得られるエネルギを利用して出力部材が回転させら
れる。ハウジング内を運動可能な可動部材は往復直線運
動をするピストンであっても横断面が概して三角形状を
成すロータであってもよく、ハウジングは、可動部材の
形状に合わせて円筒状のシリンダボアを有するシリンダ
としても、まゆ型のボアを有するケーシングとしてもよ
い。内燃機関は、レシプロエンジンでも、ロータリエン
ジンでもよいのである。また、主燃料としては、ガソリ
ン，軽油，プロパン等を使用することができる。内燃機
関は、ガソリンエンジンとしたり、ディーゼルエンジン
としたりすることができる。ガソリンエンジンである場
合には、燃焼を生じさせる手段は火花を飛ばす点火装置
であるが、ディーゼルエンジンにおいては、燃料が自然
発火させられるので、圧縮率が自然発火が生じる大きさ
になった状態で主燃料を燃焼室に吹き込む手段が、燃焼
を生じさせる手段になる。主燃焼供給装置が燃焼を生じ
させる手段を兼ねることになるのである。さらに、ガソ
リンエンジンである場合においては、副燃料の供給によ
って燃焼室の過熱が抑制されるため、ノッキングを抑制
できるという利点がある。それによって、圧縮比を大き
くすることができ、出力トルクを大きくすることが可能
である。本項に記載の内燃機関には、(1) 項ないし(6)
項のいずれかに記載の技術的特徴を採用することができ
る。（８）前記ハウジングが、シリンダボアを有するシリン
ダであり、前記可動部材が、前記シリンダボアに実質的
に気密にかつ摺動可能に嵌合され、前記シリンダと共同
して燃焼室を形成するピストンである(7) 項に記載の内
燃機関。（９）前記副燃料供給装置が、前記燃焼室に接続された
排出管に接触する状態で配設された金属製の管を含み、
前記気化された副燃料を前記管に通すことによって、副
燃料の少なくとも一部を水素と酸素とに分解し、その分
解された水素と酸素とを含む状態で前記燃焼室に供給す
るものである(7) 項または(8) 項に記載の内燃機関（請
求項３）。本項に記載の内燃機関においては、気化され
た副燃料を排出管に接触する状態で配設された金属製の
管に通すことによって、その副燃料の少なくとも一部
（有機物と水との少なくとも一方の少なくとも一部）が
水素と酸素とに分解され、その分解された水素と酸素と
を含む状態で燃焼室に供給される。金属製の管は、例え
ば、排出管の途中のマフラに巻き付けることができる
が、排出管の燃焼室近傍の部分に巻き付け、あるいは排
出管に沿って延びる状態で配設することもできる。主燃
料の燃焼によって燃焼室内は高圧高温の状態となる。そ
れによって、水が酸素と水素とに分解され、その分解し
た酸素と水素とが結合して再び水が生成されるのであ
り、この反応が繰り返し行われる。その結果、不完全燃
焼が抑制され、排出ガス中の炭化水素や炭素粒子の含有
率が減少する。また、不完全燃焼が抑制されれば、エネ
ルギ効率を高めることができ、得られるエネルギが同じ
である場合における主燃料の量を減らすことができる。
さらに、主燃料の供給量を減らすことができれば、排出
ガス中に含まれる炭酸ガスの量を減少させることにもな
る。また、上述の反応の繰り返しにより、燃焼室内の温
度が低くなるため、窒素酸化物が生成され難くなって、
排出ガス中の窒素酸化物の含有率が低くなる。さらに、
副燃料の供給により排出ガスに含まれる水蒸気の濃度が
高くなるため、その分、水に溶ける炭素化合物，窒素酸
化物の量を多くすることができる。そのため、燃焼室か
ら排出される排出ガスを冷却することによって水分を取
り除いた後に、燃焼装置本体の外部へ排出するようにす
れば、排出ガス中の炭素化合物や窒素酸化物等の有害物
質の含有率を低くすることができる。また、酸素と水素
との反応や、水の酸素と水素への分解等が起きるため、
主燃料の燃焼が緩やかになり、エンジンが発生する騒音
を減少させることができる。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態である燃焼装
置について図面に基づいて説明する。本燃焼装置は内燃
機関としてのガソリンエンジンに適用されている。図１
において、エンジンは、シリンダボア１０が形成された
シリンダ１２と、そのシリンダボア１０に実質的に気密
にかつ摺動可能に嵌合されたピストン１４とを含み、ピ
ストン１４とシリンダ１２とが共同して燃焼室１６を形
成する。また、ピストン１４の往復運動によってクラン
クシャフト１８が回転させられる。シリンダボア１０は
並列に複数形成されており、それぞれに、ピストン１４
が摺動可能に嵌合されている。

【０００６】燃焼室１６には、インテークマニホールド
２０とエキゾーストマニホールド２２とが接続されてい
る。インテークマニホールド２０は、主通路と分岐通路
とを含むものであり、分岐通路において、複数の燃焼室
１６各々に接続され、主通路に吸気管２４が接続されて
いる。吸気管２４には、スロットルバルブ２５が設けら
れている。スロットルバルブ２５は、バルブ駆動装置２
６によって開閉させられるものであり、スロットルバル
ブ２５による吸気管２４の開度を調節することによっ
て、燃焼室１６に供給される空気量が調節される。ま
た、インテークマニホールド２０の分岐通路には、それ
ぞれ、主燃料としてのガソリンを噴射するインジェクタ
２８が設けられている。インジェクタ２８の制御によ
り、燃焼室１６に供給される主燃料の量が調節される。
インジェクタ２８にはガソリンが蓄えられたタンク３０
が接続されている。

【０００７】エキゾーストマニホールド２２は、インテ
ークマニホールド２０と同様に、分岐通路と主通路とを
含むものであり、主通路において排気管４２に接続され
ている。排気管４２には三元触媒４４，サブマフラ４
６，図示しないメインマフラが設けられている。燃焼室
１６から排出される排出ガスは排気管４２を経て外部に
排出される。副燃料供給装置５０は、水用タンク５２に
蓄えられた水と有機物用タンク５４に蓄えられた有機物
としてのメタノールとを混ぜ合わせて燃焼室１６に供給
する装置である。水用タンク５２には、排出ガスから回
収された水が蓄えられる。水用タンク５２と有機物用タ
ンク５４とは、それぞれ供給管５６，５８によって混合
用タンク６０に接続されている。供給管５６，５８に
は、それぞれ、電磁流量制御弁６２，６４が設けられ、
電磁流量制御弁６２，６４の制御により、副燃料中の水
とメタノールとの割合を広い範囲で調節することができ
る。

【０００８】混合用タンク６０には金属製の供給管７０
が接続され、その供給管７０には、２つのポンプ７２，
７４、霧化器７６、電磁開閉弁７８が設けられている。
供給管７０の途中は、排気管４２に巻き付けられて、排
気管４２の熱が副燃料に伝達されるようにされている。
この排気管４２に巻き付けられた部分によって熱交換器
８０が構成される。混合用タンク６０に蓄えられた副燃
料はポンプ７２によって加圧されて霧化器７６に供給さ
れ、気化させられる。その後、熱交換器８０を経てポン
プ７４によって加圧されてインテークマニホールド２０
の主通路に供給される。混合用タンク６０には活性炭等
の浄化剤が収容されたキャニスタ８２が設けられてお
り、混合用タンク６０に蓄えられた副燃料が浄化されて
インテークマニホールド２０に供給される。

【０００９】水用タンク５２には、サブマフラ４６から
延び出させられた回収管９０が接続されている。回収管
９０の途中にはポンプ９２が設けられ、サブマフラ４６
に溜まった水が汲み上げられて水用タンク５２に供給さ
れる。サブマフラ４６には浄化剤が収容されたキャニス
タ９４が設けられているため、水が浄化されて水用タン
ク５２に供給される。なお、サブマフラ４６を冷却する
冷却装置を設け、サブマフラ４６を通過する排出ガスを
冷却して水分を凝結させるようにすることもできる。

【００１０】本実施形態におけるエンジンは、コンピュ
ータを主体とする制御装置１００によって制御される。
例えば、クランクシャフト１８に運転者の意図する駆動
トルクが得られるように、燃焼室１６における燃焼状態
が制御されるようにすることができる。インジェクタ２
８の制御によって燃焼室１６に供給される主燃料の量や
タイミングが制御され、電磁流量制御弁６２，６４の制
御によって、副燃料中の水とメタノールとの割合が制御
される。また、電磁開閉弁７８の制御により燃焼室１６
に供給される副燃料の量やタイミングが制御される。イ
ンジェクタ２８の制御と電磁開閉弁７８の制御とによ
り、主燃料と副燃料との割合を制御することが可能とな
る。さらに、バルブ駆動装置２６の制御により燃焼室１
６に供給される空気量が制御される。このように、制御
装置１００の制御により、燃焼室１６に供給される主燃
料，副燃料，空気の割合を制御することができるのであ
り、燃焼状態を制御することができる。主燃料の副燃料
に対する比率は、加速時には高く、定速走行中には低く
することが望ましい。

【００１１】ピストン１２の往復運動を伴って燃焼室１
６の容積が変化させられ、吸入，圧縮，爆発，排気工程
が繰り返し実行される。吸収工程においてはピストン１
２が下降させられる。吸気バルブ１０２が開かれ、主燃
料，副燃料，空気が燃焼室１６に吸い込まれる。圧縮工
程においてはピストン１２が上昇させられる。吸気バル
ブ１０２も排気バルブ１０４も閉状態に保たれ、燃焼室
内の混合ガスが圧縮される。爆発工程においてはプラグ
１０６に電圧が印加され火花が飛び、発火させられる。
この排出ガスの膨張力がピストン１２を押し下げる。排
気工程において爆発によって下降させられたピストン１
２は上昇させられるが、この場合に排気バルブ９４が開
かれるので、燃焼室１６内のガスがエキゾーストマニホ
ールド２２へ排出される。

【００１２】本実施形態における燃焼は以下のように推
測される。燃焼室１６に主燃料のみならず副燃料も供給
することによって、酸素を多量に供給することが可能と
なり、主燃料を良好に燃焼させることができる。その結
果、主燃料を減らしても十分なエネルギを得ることが可
能となり、燃費を低減させることができる。また、主燃
料の燃焼状態が良くなるため、不完全燃焼を抑制し、そ
の分、排出ガス中の炭化水素や二酸化炭素の含有量を減
らすことができる。さらに、副燃料の供給によって燃焼
室１６内の温度が低くなるため窒素酸化物が生成され難
くなることも排出ガス中の有害物質の含有量を減らし得
る一因となる。また、副燃料の供給によって、燃焼室内
の過熱を抑制することができるため、ノッキングの発生
を抑制することができる。その分、ピストン１４のスト
ロークを大きくして圧縮比を大きくすれば、エンジンの
出力トルクを大きくすることが可能となる。上述の効果
は、副燃料に含まれる水が燃焼室内において水素と酸素
とに分解したり、水素と酸素とが結合して水が生成され
たりすることによって得られると推測されるが未だ十分
に解明されてはいない。本実施形態においては、インジ
ェクタ２８および主燃焼用タンク３０等によって主燃焼
供給装置が構成され、プラグ１０６等によって燃焼させ
る手段が構成されている。

【００１３】なお、副燃料供給装置５０の構造は上記実
施形態におけるそれに限らない。例えば、霧化器７６の
前後にそれぞれポンプ７４，７６の設けることは不可欠
ではなく、いずれか一方のみでもよい。また、有機物と
してはメタノールに限らず、廃棄油等とすることもでき
る。さらに、エンジンは燃焼室１６に主燃料と副燃料と
の少なくとも一方を直接供給する直噴式エンジンであっ
てもよい。また、ガソリンエンジンでなく、ディーゼル
エンジンに適用したり、ロータリエンジンに適用したり
することができる。さらに、内燃機関以外の燃焼装置に
広く利用することができる。その他、本発明は、前記
〔発明が解決しようとする課題，課題解決手段および効
果〕の項に記載した態様を始めとして、当業者の知識に
基づいて種々の変更，改良を施した形態で実施すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるエンジン全体を示す
概略図である。

【符号の説明】

１２シリンダ１４ピストン１６燃焼室２８インジェクタ５０副燃料供給装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｍ 25/00 Ｆ０２Ｍ 25/00 Ｑ 25/022 25/12 Ｃ 25/12 31/16 Ｃ 31/16 37/00 ３４１Ｈ 37/00 ３４１ 25/02 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室と、その燃焼室に主燃料を供給する主燃焼供給装置と、水と前記主燃料以外の有機物とを含む副燃料を気化さ
せ、前記燃焼室から排出される排出ガスの熱を利用して
加熱した上で、燃焼室へ供給する副燃料供給装置とを含
むことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】ハウジングと、そのハウジング内に運動可能に配設され、ハウジングと
共同して容積の可変な燃焼室を形成する可動部材と、その可動部材の運動を回転運動として出力する出力部材
と、前記燃焼室に主燃料を供給する主燃料供給装置と、水と前記主燃料以外の有機物とを含む副燃料を気化さ
せ、前記燃焼室から排出される排出ガスの熱を利用して
加熱した上で、燃焼室へ供給する副燃料供給装置と、前記燃焼室内で主燃料と副燃料との燃焼を生じさせる手
段とを含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項３】前記副燃料供給装置が、前記燃焼室に接続
された排出管に接触する状態で配設された金属製の管を
含み、前記気化された副燃料を前記管に通すことによっ
て、副燃料の少なくとも一部を水素と酸素とに分解し、
その分解された水素と酸素とを含む状態で前記燃焼室に
供給するものである請求項２に記載の内燃機関。