JP2004116502A - エンジン排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

［課題］自動車およびその他のエンジンの排気ガス浄化対策装置に決定的なものがない現状である。良いものを発案したい。
［解決手段］エンジンの排気ガスの有害成分を一酸化炭素、未燃炭化水素、煤の群と酸化窒素との二つに分けて、一は燃焼して二酸化炭素と水蒸気にして、二は６２０度Ｃに冷却して窒素と酸素に自然分解して、夫々無害化して浄化すると言う装置である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
［発明の属する技術分野］
自動車およびその他のエンジンの排気ガス浄化装置である。
【０００２】
［従来の技術］
従来の排気ガス浄化対策としては、カソリンエンジンではサーマルリアクター方式、三元触媒システム、酸化触媒と排気ガス再循環方式（ＥＧＲ）の組み合せ、リーンバーン方式が、亦ディーゼルエンジンでは噴射時期の遅延、ＥＧＲ、高圧燃料噴射システム、パティキュレートトラップ（煤濾過焼却装置）などがある。
しかしガソリンエンジンにおいては三元触媒装置が主流となっていて、他の対策法は殆ど用いられていない。亦ディーゼルエンジンにおいては煤のため三元触媒装置が効かないので、これはと言う対策法はなく、仕方なく乗用車ではディーゼル車は殆ど生産されなくなっている。
三元触媒の作用は「自動車エンジン工学（山海堂・２０００年）」によると、（ＣＯ＋２ＨＣ）＋（２ＮＯ＋２Ｏ_２）＝３ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２だとある。これら対策物質が全く同時に反応すれば全く問題はないのであるが、「触媒機能（共立出版・１９９２年）」には、排気ガス自身の熱で白金やパラジウムなどの触媒層を加熱し、ＮＯｘはＣＯまたは炭化水素と反応してＮ_２となり、ＣＯと炭化水素は残存するＯ_２およびＮＯｘによって酸化されＣＯ_２とＨ_２Ｏになって無害化される、とある。即ち対策物質の反応は全く同時に丁度好く起こるのではなく、起こりやすいもの同士から起こって行くようである。従って私は、２ＮＯ＋Ｏ_２＝Ｎ_２＋２Ｏ_２が起こり、２ＣＯ＋Ｏ_２＝２ＣＯ_２も起こり、亦炭化水素例えばイソオクタンも、Ｃ（８）Ｈ（１８）＋１５Ｏ_２＝８ＣＯ_２＋９Ｈ_２Ｏと起こり、最早ＮＯｘを還元するＣＯもＣｎＨｍも存在しないことになる。ＮＯ_２は何ら還元されないまま排出されることになろう。こう考えてみると、三元触媒装置は本当に機能しているものかどうか疑問が沸いてくる。
【０００３】
［発明が解決しようとする課題］
従って、ガソリンエンジンにもディーゼルエンジンにもその他のエンジンにも等しく機能する排気ガス浄化対策法が案出されなくてはならない。
【０００４】
［課題を解決するための手段］
ＣＯやＣｎＦｍや煤Ｃは燃焼すれば、ＣＯ_２やＨ_２Ｏとなって無害化するが、ＮＯ_２は燃焼すれば酸化が進んで、ＮＯｘと化して行くばかりである。こうなるとＨ_２やＣＯなどで還元する以外に好い方法はない。排気されるＣＯとＮＯ_２とを特殊に捕り出して、両者のみを反応させることが出来れば、問題はないが、こう言うことは常識的には行なえない。トヨタのＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒装置はこれに近いことを行なうと言うのであるが、即ちＮＯ_２を吸蔵材に吸蔵しておいて、反応条件の好くなった時にＣＯなどの還元剤で還元すると言うのであるが、その場合も還元剤だけを捕り出す術はなく、Ｏ_２も混在しているので、還元剤が先ず先に酸化されてしまい、還元作用を失ってしまおう。
そこで、私はＣＯやＣｎＨｍやＣは空気を必要にして十分与えて燃焼させ、ＮＯ_２は別途処理することを考えた。ＣＯやＣｎＨｍやＣを燃焼浄化すると言う考えは古くからあり、サーマルリアクター（熱反応器）として実用化されていた。これは排気孔出口に反応器を取り付け、そこに空気をポンプで圧入すると言うもので、機構的にコストが掛かり、もう少し進歩が要求されるものであった。そこで私は空気の添加は排気ガス流の外気の吸入力を利用し、その混合と共に燃焼はターボチャージヤーのタービンで行なうことを思い付いた。
「理科年表（丸善・１９７７年）」によると、ＣＯは６４１〜６５８度Ｃで自然発火し、木炭が３２０〜４００度Ｃで自然発火するとあるので、煤もそれくらいで自然発火すると思われる。亦「新・ディーゼル自動車の本（山海堂・１９９９年）」によると、ガソリンの自然発火点は約５００度Ｃ、軽油は約３５０度Ｃとあるので、ガソリンエンジンの排気ＣｎＨｍは５００度くらいで、ディーゼルエンジンの排気ＣｎＨｍは３５０度Ｃくらいで自然発火するものと思われる。
また、「自動車（朝倉書店・１９８０年）」の８頁には、ガソリンエンジンの燃焼温度は１６００〜２５００度Ｃに達する、とあり、ディーゼルエンジンの燃焼温度ははっきりとは判らないのであるが、いろいろな書籍から見て２０００度Ｃくらいが平均であると思われる。亦いろいろと調べてみて両エンジンの排気口近くの排気ガスの温度は共に１０００度Ｃくらいであると思われる。
これらからして、ターボチャージャーに射入される排気ガスにＣＯとＣｎＨｍとＣの燃焼に必要な空気を供給すると、それらは完全燃焼するだろうと思われる。現に前述したサーマルリアクターではそれらは２次空気を圧入するだけで十分に燃焼していたのである。
そして、その熱反応器としても働くターボチャージャーでＮＯが酸化されて出来たＮＯ_２は従来では誰も浄化する方法を見出していなかった。私はたまたま「解明化学Ｉ（文英堂・空巣盗人が盗んで行ってその後すり替えてこっそり戻して来た１９８２年版には載っていないのであるが、最初に盗まれた恐らく１９７８年の改訂以前の版だと思うが）」で、「ＮＯは空気に曝すと発熱反応で容易にＮＯ_２に変わり、それが冷める過程でＮ（２）Ｏ（４）に一部変って平衡状態に入り、Ｎ（２）Ｏ（４）は１７度Ｃではほぼ１００％、ＮＯ_２は６２０度Ｃで総てＮ_２とＯ_２とに分解する」ことを知った。
そこで、エンジンで発生するＮＯは上記のように空気に触れて直ぐＮＯ_２に変るので、前記のターボチャージャーから排気されるガスにはＮＯ_２が含まれていることになるので、その排気ガスを次々に冷やして６２０度Ｃに安定させるようにすると、その中のＮＯ_２は総てＮ_２とＯ_２とに自然分解して無害化することになる。
【０００５】
［発明の実施の形態］
そこで、本発明として纏めたのが「特許請求の範囲」の形態である。
【０００６】
［発明の効果］
「０００２」において見た従来の排気ガス浄化対策は殆ど総てが何らかの形でエンジンの燃料効率を低下させざるを得ないものであった。本発明においてはそう言う燃料効率の低下は全く必要とせず、エンジンを成る可く理想の状態で作動させることが出来、燃料効率を出来るだけ最高の状態に持っていくことが出来る。
しかも、本発明では、三元触媒法を採用すれば全く使用できなかった、ターボチャージャーを用いることを前提としている。そもそもターボチャージャーとは「自動車エンジン工学（山海堂・２０００年）」によると、エンジンの出力を高めるためのもので、本来ならエンジンのシリンダーを長くしてピストンの行程容積を大きくしたいところであるが、そうするとエンジンが大きく重くなるので、それに代えて行程容積を大きくしたと同じ効果のある圧縮空気を送ること即ち空気を過給することによってエンジンの出力を高めるためのものである。従って原理的にはガソリンエンジンに対してもディーゼルエンジンに対しても極めて有益なものであると言える。
ところが、流説では、ターボチャージャーはガソリンエンジンには無用の長物であることになっているようである。「新・ディーゼル自動車の本（山海堂・１９９９年）」には、ガソリンエンジンの場合、折角給気圧を高めてもスロットルバルブで再び絞って圧力を下げてしまわねばならず、かえって燃費率が悪くなる、とある。それは必要な出力例えば同じ７０キロで走る場合即ち同じ馬力と回転数で詰まり同じトルクで走る場合には同じ大きさのエンジンであれば過給することはマイナスになると言うことらしい。詰まり過給すれば気化器における空気の通過速度は速くなりガソリンを多く吸い込むことになるが、それでは同じトルクでなくなるので、スロットルバルブを絞る必要があり、何にもならないと言うのであろう。この流説は一見当っているようにも思えるが、立論の前提条件を論じていないところにこう言う説が成り立っている。
即ち、ターボチャージャーを付けて出力を増したのであるから、本来なら今以上のトルクを必要とする大きな車にそのターボチャージャー付エンジンは使われるべきであったのである。ターボチャージャーを付けると、場合によっては３倍も出力詰まりトルクが増すと言われている。しかしそれには低回転ではなく高回転が要求される。従って例えば今２５００ＣＣのエンジンが必要されているところにターボチャージャー付を用いるとなれば、エンジンは１５００ＣＣにして、亦例えば５０キロ走行でも高回転数の２３００回転くらいで走れるように通常の変速機から適切な変速機に変更したシステムを搭載するべきである。即ちターボチャージャーを付けると言うことはエンジンの行程容積詰まりＣＣを大きくしたのと同じことであると言う理解を正しく持てば、上記のような流説は生まれず、それにメーカーが惑わされることもなかったであろう。
このように、混合気を用いて気化器を使用するガソリンエンジンにおいてもターボチャージャーは使用法を誤らなければ大変有効であることが判る。本発明の排気ガス浄化法では三元触媒法とは違ってターボチャージャーを何の差し障りもなく大いに活用できる。この方法だとエンジンの圧縮比を二倍近くも強化することになろうから燃料効率も大幅に向上することになる。今日までターボチャージャーはこのように認識されておらず、高回転数を必要とする場合のみに作動するように使用されていて、私の提案のようには使用されることはなかった。ここにターボチャージャーの使用の仕方に新しい夜明けを提案できて大変嬉しく思っている。
「要訣物理（文英堂・１９５３年）」によると、ガソリン機関の熱効率は約２５％、ディーゼル機関は約４０％である、とある。今日では或いはこの数字は少しは改善されているかも知れないが、基本的に進歩があつたと聞いたことはないので、矢張りこんなものなのであろう。従ってディーゼルエンジンの熱効率はガソリンエンジンより６０％も良いことになる。本発明によって、今日排気ガスのため著しく疎外されて、乗用車では生産されなくなり、トラックでも全く消沈してしまっているディーゼル車こそ、本発明によって、全く停滞しきって打つ手のなくなっている現在の経済を立て直す先導役が担える大型の消費財に再生しうることになろう。
即ちこのターボチャージャー付ディーゼルエンジンは、恐らく熱効率が５０％を超え、ガソリンエンジンの２５％の倍以上に達することになり、私の提唱している現在の自動車燃料の消費規模を維持しながら燃費の大幅改善で以て普及台数を倍にしたい即ち世界の自動車保有台数６億５０００万台を１３億台に倍増したいと言う夢の実現を可能にしてくれるに違いない。
原油からガソリンは２１％、灯油は８％、軽油は９％、重油は２９％採れる。夫々の使い道が安定していることが石油業界の円満な経営には是非必要である。今日のディーゼル車疎外によって何か新しい使途を開拓する必要に迫られていた軽油は本発明が普及するにつれて大逼迫して行くことになる。
軽油は炭素数が１２〜２２であり、５〜１１のガソリンに比べて大変炭素が多い。炭素は水素に比べて火が点きやすいので、炭素の多い軽油の自然発火点は約３５０度Ｃとガソリンの約５００度Ｃより相当低く火花点火にする必要がなく自然着火で行け、気化器による通気抵抗を排除しえている。
軽油の大増産なくしては世界の保有台数を１３億台に倍増すると言う私の壮語は実らない。そこで私はガソリンの殆どを軽油に改質したい。重油の炭素数は２２以上である。従って重油をガソリンに適当に混ぜると、軽油が合成できる。従って自動車エンジンを総てディーゼル化することは不可能なことではない。このディーゼル化を可能にするものこそ、真っ黒い煤煙と多量の酸化窒素を含むガスを排気することで困り果てていたディーゼル車公害に解決をもたらした本発明に他ならない。
そこで、問題となるのは炭酸ガスによる地球温暖化と言う知見である。私のこれまでの研究では、譬え炭酸ガスの大気中濃度が上昇しても大気を含めた地球全体の水全体の地球全体の温度に対する調節安定化作用によって、地球の温暖化は避けられるに違いないと思考出来る。しかしこの私の主張を電波を通じてよく理解しているはずの政府や県市や一部の研究者は今以て地球温暖化論に拠っている。多くの研究者がこの問題の真の真相解決のために同和的圧力を撥ね除けて真摯な研究を展開してくれることを期待している。
自動車とそのエネルギーと排気ガス対策の問題解決は長年の私の夢であった。本発明と本提案で以てその夢は達成されるのではないかと些かの自負を禁じえない。これからはエネルギー問題を解決して世界の人々総てに自動車を提供すると言う壮大な夢に挑戦することになる。正にナガイの夢は世界の人々の夢に違いない。
尚、本発明は自動車エンジンだけに留まらず、その他総てのエンジンに適応することが出来る。そればかりではなく、発電や製鉄や窯業などの排気ガス浄化対策にも、サーマルリアクターと本発明の二酸化窒素分解浄化装置とを組み合わせれば、革新的な貢献が可能になる。ところが空気中に０．０１３％程度混入しても人体に有害で、植物は０．００３％でも枯死する（「現代新百科事典（学研・１９６６年）」）二酸化硫黄がこのシステムでは無害化できない。亜硫酸ガス対策にはこれまでこれは理想的だと言う方法はなく困り果てているらしい。何かと化合させて処理するにはその被化合物が要るし、また出来た化合物を始末するのにも困る。水に酸素と共に反応させて硫酸にする方法もあるが、濃度や純度の点で使い物にするには大変なコストが掛かろう。
私はもう２０年くらい前にもなるがトタンで練炭ストーブを工作したことがある。その時の経験ではトタンの炉の壁にびっしりと硫黄の結晶がこびり付いた。ＳＯ_２がＳとＯ_２に分解したことになる。こう言う現象は一般の素焼きの炉では見られない。そのトタン炉は常温の環境に置かれていた。私にはその現象の科学的根拠は解からないが、若しこの現象が鉄板か亜鉛引き鉄板の煙突ならば起こるのであれば、排気ガスの触れる面積の拡大策を考案して、そして動力箆で硫黄を擦り落として採るようにすることなどを考案して、実用化出来ないものであろうか。ここに提案してみるので、その理論的解明と実用化の研究に邁進してくれる研究者はあるまいか。
尚亦、私の提案するガソリンと重油とからの合成軽油から二酸化硫黄が排気されるようであれば、勿論脱硫精製が十分行なわれてその心配がなくなることが期待されるが、上記の亜硫酸ガス対策が自動車ディーゼルエンジンの排気ガスに適応できないものかと思っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図面は本発明の中の「請求項３」の二酸化窒素分解浄化装置の一の簡単な断面図的機能図である。

Claims (3)

1. 自動車およびその他のエンジンにおいて、ターボチャージャーを付設し、エンジンとターボチャージャーの間の排気管に空気吸入口を設けて、排気ガスの流れの作用によって管外の空気を管内に吸入するようにし、ターボチャージャーでその空気を排気ガスに混合すると共に、排気ガスの中の有害物質の中の一酸化炭素や未燃炭化水素や煤を排気ガスの熱で以て燃焼して、二酸化炭素と水蒸気にして無害化するようにした、排気ガス浄化化ターボチャージー。
2. 「請求項１」の排気ガス浄化化ターボチャージャーにおいて、排気ガスの中の有害物質の中の一酸化窒素が酸化されて出来た二酸化窒素を未浄化のまま含んだ排気ガスを、排気管の途中に適当な太さの排気ガス適温冷却管を設けて、その適温冷却管に空気吸入口を設けて排気ガスの流れの作用によって管外の空気を管内に、温度検知反応方式などによって、自動的に適量吸入するようにして、適温冷却するようにすることによって、その適温冷却管内のその排気ガスの温度を６２０度Ｃに安定させるようにして、その中の２ＮＯ_２をＮ_２と２Ｏ_２とに自然分解するようにして、無害化しうるようにした、二酸化窒素分解浄化装置。
3. 「請求項２」における二酸化窒素分解浄化装置の中の一として、排気管の途中に適当な太さの排気ガス適温冷却管を設けて、その適温冷却管に適当数の空気吸入孔を設け、その孔に蓋を設け、その孔の近くの適温冷却管内に平行的にバイメタルを設けて、その管内温度の変化に伴う伸縮動作を管外に取り出して、その動作で以て、その蓋を往復にずらしうるようにして、管外からの冷却用空気の管内への吸入量を自動的に調節しうるようにして、適温冷却管内の排気ガスの温度を６２０度Ｃに安定させうるようにして、２ＮＯ_２をＮ_２と２Ｏ_２とに自然分解するようにして、無害化しうるようにした、二酸化窒素分解浄化装置の一。

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