JP2005248111A

JP2005248111A - 機能性塗料組成物および内燃機関の燃焼性改善方法

Info

Publication number: JP2005248111A
Application number: JP2004063720A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Haraki; 英俊原木
Original assignee: BIOCERA KK
Current assignee: BIOCERA KK
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-08
Also published as: JP3603961B1

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼性を改善向上するために、内燃機関空気中の酸素および水分を活性イオン化する機能性塗料組成物および燃焼性改善方法を提供する。
【解決手段】電気石と、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂との混合微粉、および光触媒活性二酸化チタンと塗料用バインダーを含有する機能性塗料組成物を用い、内燃機関の空気吸入路の内壁および／またはエヤークリーナーの内壁にコーティング層を形成することにより、空気中の酸素と水分を活性イオン化して完全燃焼を達成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車などの内燃機関の燃焼性の改善向上と、排気ガス中の一酸化炭素および窒素酸化物の濃度の低下と粒子状物量を低下させるための、空気中の酸素および水分を活性イオン化する機能性塗料組成物、および内燃機関の燃焼性改善方法に関する。

近年、内燃機関用の燃費改善装置として、電気石の微細粉を単独で繊維に織り込み、エヤークリーナーのフィルターに用いる技術が特許文献１に記載され、また放射エネルギー発生体を単独でペレット状として燃料の燃焼方法として用いる技術が特許文献２に記載されている。

さらに、燃焼効率改善装置として、トリウムを含む希土類金属を主成分とする大量鉱石を単独で５０％以上練り込んで塗料とし、これをエヤークリーナーのフィルターに格子状に貼着して装備する技術が特許文献３に記載されている。

しかしながら、特許文献１の電気石を単独で用いる方法では、空気中の酸素および水分の活性イオン化の程度は低く、燃焼効率向上の効果は低い。
また、特許文献２および特許文献３記載の発明は、放射エネルギーを直接利用する技術であるため、極めて多量の原料を用いてペレット状にしたり、原料を５０％以上塗料に練り込んだものを、エヤークリーナーのフィルターに装着する必要がある。したがって、空気の通気性が低いため、活性イオン化の程度は低く、高い燃焼効果を得ることが困難であるという課題があった。
特開２００１−６５４１公報特開平７−１９１２８号公報特開２００３−４２０１６公報

本発明の課題および目的は、少量の原料の使用で、かつエヤークリーナーのフィルターに器具を装着するなどの面倒な構成を必要とせずに、高い活性イオン化と、高い燃焼効果を有する機能性塗料組成物およびこれを利用した内燃機関の燃焼性改善方法を提供することである。

本発明者らは、電気石の微細粉と、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂との混合微粉末、および光触媒活性二酸化チタンを塗料用バインダー中に含有する機能性塗料組成物を作製し、これにより内燃機関の空気吸入経路内壁および／またはエヤークリーナー内壁に、コーティング層を形成し、燃焼性テストを試みた結果、内燃機関の燃焼性に改善効果のあることを確認した。

これは、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂の電磁波による励起作用により電気石の電解反応を活性化し、さらに光触媒活性二酸化チタン粒子のヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）活性化反応が、電気石の有する遠赤外線電磁波により励起する相乗効果を応用して、空気中の酸素と水分に対するマイナスイオンの発生速度を加速し、発生量が増加するためと考えられる。

電気石の電気特性と遠赤外線放射特性について、空気中の水分の活性イオン化と、光触媒二酸化チタンのヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）活性化反応を説明する。

電気石は、電気特性と遠赤外線放射特性を有し、水を活性イオン化する。電気石の電解反応については、「固体物理」Vol.24，No.12（1989）に示されているとおりである。
電気石［一般式ＮａＭ² ₃Ｍ³ ₆ＢＯ₃Ｓｉ₆Ｏ₁₈（ＯＨ・Ｆ）₄］の電気特性は、永久電極と呼ばれる特殊な有極性結晶体を有し粉砕した微細粒子であっても、それぞれが独立した有極性結晶体であり、この結晶体は対称する両極の一端が正極、反対側が負極となり、この電極は常温で消滅することのない永久電極となっている。

本発明では、電気石として鉄電気石［ＮａＦｅ₃Ａｌ₆ＢＯ₃Ｓｉ₆Ｏ₁₈（ＯＨ・Ｆ）₄］の微細粉末（平均粒度５μm以下９８％）を用いることが望ましい。該微細粉末に空気中の水分が接触すると、直ちに水（Ｈ₂Ｏ）は、水素イオン（Ｈ⁺）と水酸イオン（ＯＨ^-)に解離され、水酸イオンは水和され、ヒドロキシルマイナスイオン（Ｈ₃Ｏ₂ ^-）に変換される。さらにＨ₃Ｏ₂ ^-は石油成分である炭化水素化合物に出合うと活性状態の酸素（Ｏ₂）に変化し、燃焼を促進すると考えられる（特許第３２８６３０７号公報参照）。

次に、光触媒活性二酸化チタンのヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）表面活性について説明する。

光触媒活性二酸化チタンの反応メカニズムについては必ずしも明確になっていないが、一般に以下のように考えられている（「光触媒のしくみ」日本実業出版（2000.10）参照）。

二酸化チタン（ＴｉＯ₂）が紫外線などの光波（１５０μm以上）電磁波を吸収し、電子（ｅ^-）と正孔（ｈ⁺）が二酸化チタン内部に生成する。これを式(１)に示す。
ＴｉＯ₂＋λ（電磁波）→ｅ^-＋ｈ⁺(１)

式(１)のｈ⁺（正孔）は、空気中の水分（Ｈ₂Ｏ）と反応してヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）を生じる。これを式(２)に示す。
ｈ⁺＋Ｈ₂Ｏ→・ＯＨ（ＯＨ^-）＋Ｈ⁺ (２)

式(１)および式(２)に示す二酸化チタン触媒反応式は、太陽光線や紫外線による反応式であるが、本発明においては、電気石の遠赤外線放射エネルギー（電磁波）と併せ、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂の有する天然放射エネルギー（電磁波）により励起され、空気中の水分がヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）を生成し、これが活性酸素に変換されて燃焼を促進する。

従来の方法では電気石の電解反応が微弱で、活性イオン化速度が低く、かつ活性イオンの発生量が少量であるため、電気石単独では内燃機関の燃焼効率向上効果が低い。

本発明者等の研究により、電気石の電解反応を活発化する手段として、電気石、望ましくは鉄電気石と、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂との混合微粉および光触媒活性二酸化チタンを塗料組成物中に含有させることにより、コーティング層の状態において、ｉ）電気石の電気特性が二酸化ジルコン原料鉱砂により励起されて電解反応が高まり、ii）電気石の遠赤外放射エネルギー（電磁波）と微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂の天然放射エネルギー（電磁波）による励起作用により、光触媒活性二酸化チタンのヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）活性が高まり、iii）電気石と光触媒二酸化チタンの相乗励起作用により、活性イオン化速度を速め、かつイオン発生量を増加することがわかった。

本発明は、光触媒活性二酸化チタンのヒドロキシルラジカル表面活性が、太陽光線や紫外線などの光エネルギーではなく、電気石の有する遠赤外線放射エネルギーと、天然放射
性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂の天然放射エネルギー（電磁波）により励起されることを見出した。そしてこれにより、活性イオン化速度を速めてイオン発生量を増加することを可能にし、内燃機関の燃焼効果が向上することを解決し、本発明を完成するに至った。

空気中の酸素を活性イオン化するには、コロナ放電による酸素の活性イオン化や、オゾン発生方式による高電圧放電があるが、本発明の空気中の酸素の活性イオン化は、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂の天然放射エネルギー（電磁波）により、空気中の酸素が励起されて活性酸素に変換し、大量の活性酸素が発生して燃焼を促進するものと考えられる。

本発明は、前記した電気石と、光触媒活性二酸化チタンの相乗励起作用により、空気中の酸素を活性酸素に変換し、空気中の酸素および水分を活性イオン化する機能性塗料組成物、およびこれを用いた内燃機関の燃焼性の改善方法を提供するものである。

本発明の、微量の天然放射性元素と、ランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂の成分は、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＣａＯ、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｐｒ₆Ｏ₁₁、Ｙ₂Ｏ₃、Ｋ₂Ｏ、Ｃｄ₂Ｏ_3、Ｓｍ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃などであり、その他、極微量の天然放射性元素である酸化トリウム（ＴｈＯ₂）を含有する。これらのうち、主要な成分の組成（重量組成比）は次のとおりである。Ｆｅ₂Ｏ₃２０〜３０％、ＣｅＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂１０〜２０％、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ２〜１０％、ＴｈＯ₂ １〜６％（望ましくは２〜５％）。
なお、上記二酸化ジルコン原料鉱砂の天然放射線濃度（電磁波）が、文部科学省指導による安全基準値以下であり、その使用において安全であることを、東京都立産業技術センターにおける測定により確認している。

本発明の機能性塗料組成物を用いてコーティング層を形成することにより、該層表面に空気中の酸素や水分が接触して活性イオン化され、活性イオンの発生速度、発生量が増加して燃焼性を高めることを可能とする。そして燃料消費量を少なくして十分な推進力が発揮され、石油成分の完全な燃焼が行われるため、顕著な燃焼性改善となり、効果は多大である。

本発明の実施の形態について説明する。
本発明の内燃機関の燃焼性を改善向上する機能性塗料組成物は、電気石の微細粉１〜２０重量％（望ましくは３〜１０重量％）と、微量の天然放射性元素であるランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂９９〜８０重量％との混合微粉１〜４０重量部（望ましくは１０〜４０重量部）、および光触媒活性二酸化チタン１〜１５重量部（望ましくは５〜１５重量部）と塗料用バインダー１００重量部を含有し、内燃機関の空気導入路内壁および／またはエヤークリーナー内壁にコーティング層を形成する。

コーティング層形成にあたっては、機能性塗料組成物を内燃機関の空気導入経路内壁および／またはエヤークリーナー内壁に直接塗布することが望ましいが、アルミ箔などを介して、あるいは、他の媒体に担持させてもよい。
そして、所定量の空気を吸入することにより、空気中の酸素と水分が機能性塗料組成物のコーティング層の表面に触れ、直ちに大量の活性酸素に変換する。

本発明において、空気中の酸素および水分を活性イオン化するために必要な前記混合微粉末は、塗料用バインダー１００重量部に対し、１〜４０重量部でよい。

微量の天然放射性元素と、ランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂は、電気石の電気特性を活発にさせると共に、光触媒活性二酸化チタンの光活性を促進させる。その結果、空気中の酸素を活性イオン化し、活性酸素の発生を促進して発生量を増加する。

電気石の遠赤外線放射エネルギーにより、水の活性イオン化を促進させ、イオン発生速度を速めかつ発生量を増加するために、電気石の微細粒子が接触し合わない状態をコーティング層の中に形成せしめることが必要である。したがってこのためにも、光触媒活性二酸化チタンは添加される。

本発明に用いられる光触媒活性二酸化チタンは、結晶型に限定されるものではないが、アナターゼ型、アモルファス型、ブルッカイト型、ルチル型の二酸化チタンが用いられ、また粒径は０.０００１ないし０.２ミクロンのものが好ましい。これらの光触媒は、表面に白金、ロジウム、ルテニウム、銀、銅、亜鉛などの金属が担持されていてもよい。

本発明の塗料組成物のバインダー樹脂としては、天然ゴムラテックス、アクリル樹脂、シリコン樹脂、シリコンゴム、ラテックス、エポキシ酢酸ビニール樹脂、エポキシ樹脂、アクリルフッ素樹脂等の樹脂を用いることができるが、アクリル系樹脂が望ましい。
さらにこれらの樹脂は、水性塗料のバインダー、水性樹脂エマルジョンとして適用することが望ましい。

水性樹脂エマルジョンとする場合は希釈剤が水であるから、有機溶媒と比較して火災の恐れが少なく、低毒性で有機溶媒のような不快臭が無く乾燥も速い。これに適した樹脂としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体などの酢酸ビニル系エマルジョン、スチレン−ブタジエン系エマルジョン、アクリル系エマルジョンなどが挙げられ、これらは適宜、選択して用いられる。

さらに、本発明の塗料組成物として、通常塗料に加えられる添加物、例えば顔料、粘度調整剤、レベリング剤、沈降防止剤、可塑剤、界面活性剤、防錆剤等を任意の割合で添加できる。
また、本発明の塗料は、上記水性塗料の他、油性塗料、酒精塗料、セルロース塗料としても広範囲に適用できる。
以下に本発明を実施例により説明する。

テストコース（富士スピードウエイ）に於いて、実車走行テストを実施した。
平均速度を時速６０km／ｈと、８０km／ｈとし、それぞれ２００km走行した比較実験結果を表１に示す。
テスト実施日の天候は晴れ、気温２２度、風速３.８ｍであった。
テスト実施前、実験車のガソリンタンクから全てのガソリンを抜き取り、空の状態にしてから５０Ｌずつ定量のガソリンを入れてテストを実施し、テスト終了時に再び燃料を抜き取り、残量を正確に計測した。その際の手順と条件は以下のとおりである。

１．機能性塗料組成物をコーティングする前のテストを、トヨタクラウン（２５００cc）平成１１年式、走行距離２５３００km表示と、ダイハツシャレード（１６００cc）平成７年式、走行距離５２８７０km表示の２台で実施した。
２．電気石の微細粉１０重量％、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂９０重量％の混合微粉末４０重量部と、光触媒活性二酸化チタン１５重量部、アクリル樹脂エマルジョン（固形分３０％、水７０％）１００重量部を含有する機能性塗料組成物を、０.０５ｍ／ｍのアルミ箔に１ｍ²当り２２０ｇ塗布し、コーティング層を形成したものをエヤークリーナーボックスに装着した。
３．機能性塗料組成物をコーティングしたアルミ箔の装着は、エヤークリーナー（紙製）を一旦取り出し、該アルミ箔を空気吸入路内壁とエヤークリーナーボックス内壁に、総面積０.４０２ｍ²、０.４５８ｍ²をそれぞれ装着した。その後、機能性塗料組成物コーティング後のテストを同様に実施した。
４．該アルミ箔からのマイナスイオン発生量を計測した結果、１cm³当り４０５０個のマイナスイオン発生量が確認された。マイナスイオン発生量の測定のための計測器として(株)シグマテック製ＳＣ−５０を用いた。
なお、機能性塗料組成物によりコーティング層を形成したアルミ箔を用いた理由は、同一条件での比較試験を行うため、すなわち、同一表面積、同一車などで、コーティング層の有無をアルミ箔の張り替えにより実施してマイナスイオンの発生量を変化させるためである。
５．機能性塗料組成物を、直接空気吸入路内壁とエヤークリーナー内壁に塗布し、コーティング層を形成した場合も、同様の効果が得られた。

電気石の微細粉３重量％と、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂９７重量％との混合微粉末１０重量部と、光触媒活性二酸化チタン５重量部と、アクリル樹脂エマルジョン（固形分３０％、水分７０％）１００重量部を含有する機能性塗料組成物を作製した。該塗料を０.０５ｍ／ｍのアルミ箔表面にスプレイガンで１ｍ²当り２２０ｇ塗布し、コーティング層を形成した。

該アルミ箔を用い、ガソリン車（日産スカイライン２０００cc）の空気吸入路内壁とエヤークリーナー内壁の総面積０.４０５ｍ²に張付密着装備した。該コーティング層を形成したアルミ箔表面を測定した結果、１cm³当り４５００個のマイナスイオンの発生を確認した。
マイナスイオン発生量の測定は、(株)シグマテック社製イオン測定機ＳＣ−５０を用いた。

空気吸入路内壁とエヤークリーナー内壁に、コーティング層を形成したアルミ箔を張付け密着装備した上記試験車を用い、比較試験を実施した。

平均速度９０km／ｈ（８０〜１００km／ｈ）で、２００km走行した結果、燃料のガソリンは２４.５Ｌを消費し、燃料消費量は８.１５km／Ｌとなった。
一方、コーティング層を有しない状態での比較試験でも同様に、平均速度９０km／ｈで、２００km走行したが、ガソリンは３４.５Ｌを消費し、燃料消費量は、５.８km／Ｌであった。

［比較例］
電気石、励起材（ジルコン鉱砂）、光触媒の有無による効果の差を明らかにするための比較試験結果を表２に示す。

比較塗料「比１−(３)」（マイナスイオン発生量７２０個／cm³）を用いて実施例１に準じ、０.０５ｍ／ｍのアルミ箔にスプレイガンにより２００〜２３０ｇ／ｍ²の量を均一に吹き付けてコーティング層を形成した。実施例２に用いたエンジンを使用し、空気吸入路内壁とエヤークリーナー内壁に、総面積０.４０５ｍ²を張り替え装備した。
実施例に準じ、実車テストを平均速度１００km／ｈで実施した。その結果燃費消費量は塗布前５.８０km／Ｌ、塗布後６.０６km／Ｌとなり、燃焼性改善効果は僅かで、顕著な改善効果は認められなかった。

（Ａ）：電気石５重量％、微量の放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂９５重量％との混合微粉末１０重量部と、光触媒活性二酸化チタン１０重量部、および、
（Ｂ）：電気石５重量％、微量の放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂９５重量％との混合微粉末３０重量部と、光触媒活性二酸化チタン１０重量部を、それぞれアクリル樹脂エマルジョン（固形分２５％、水分７５％）１００重量部と混合して、機能性塗料組成物である、塗料Ａ、塗料Ｂを作製した。該塗料を綿布にスプレイガンにより２６０〜２８０ｇ／ｍ²塗布し、それぞれ２種類の塗布綿布Ａ、Ｂを作製した。

該塗布綿布Ａ、Ｂについてそれぞれマイナスイオンを測定した結果、塗布綿布Ａは１cm³あたり２５００個のマイナスイオン発生量を計測した。また、塗布綿布Ｂは１cm³あたり４５００個のマイナスイオン発生量を計測した。
該塗布綿布Ａ、Ｂをそれぞれ用いて、自家用車（トヨタクレスタ３０００cc）の空気吸入路内壁とエヤークリーナー内壁に、０.５４ｍ²相当を張付け密着装備した。塗布綿布Ｂを用いる場合は、Ａを剥ぎ取り交替し、張り替えてからテストを行った。

燃焼性改善効果を確認するテストは、それぞれ２００kmずつを、平均速度５０、８０、１００、１２０、１４０、１５０km／ｈで走行し、ガソリン１Ｌあたりの走行距離を換算して比較した。実施テストの結果を図１に示す。

テストの結果、塗布前（未使用時）の燃料消費量は１Ｌあたり約８kmを走行した。走行速度５０、８０、１００、１３０km／ｈでは大きく変化しなかった。
これに対し、塗布綿布Ａをエヤークリーナー内壁に装着した場合、燃料消費量は１Ｌあたり５０km／ｈのとき８.８km、１００km／ｈのとき９.５km、１３０km／ｈのとき最高の１０.２kmを走行し、最大２７.５％燃焼効率が改善した。
また、塗布綿布Ｂの場合、燃料消費量は１Ｌあたり走行速度５０km／ｈのとき１０.０km、１００km／ｈのとき１１.５km、１２０km／ｈのとき１２.０km、１３０km／ｈのとき１１.０km、１５０km／ｈのとき９.２kmとなり、１２０km／ｈのとき燃料消費改善率が最大となり、燃焼効率は改善した。

実施例１に用いたコーティング層を形成したアルミ箔を、日産ディーゼル車（１０ｔトラック）の空気吸入路の内壁とエヤークリーナーの内壁に総面積０.９５ｍ²を張付け装備した。
該ディーゼル車に軽油を使用して８０km（７０〜９０km／ｈ）でそれぞれ１００kmの区間、燃料消費テストを実施した。その結果、燃料消費量は塗布前４.５km／Ｌ、塗布後５.８km／Ｌとなった。排気ガス中の二酸化炭素（ＣＯ₂）発生量は、塗布前０.１３ppm、塗布後０.０１ppm、ハイドロカーボン（ＨＣ）は、塗布前３０ppm、塗布後３ppmとなった。粒子状物質は、停止状態で実施した結果、塗布前３％、塗布後０％で無煙となった。本発明の機能性塗料組成物を用いてコーティング層を形成することにより、２８％燃焼効率が改善した。

燃焼性改善効果を確認するために実施したテストの結果を示す。

Claims

電気石の微細粉と、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂との混合微粉、および光触媒活性二酸化チタンを含有する塗料組成物であって、塗布されたコーティング層は空気中の酸素および水分を活性イオン化する機能性塗料組成物。
電気石の微細粉１〜２０重量％、微量の天然放射性元素とランタナイド希土類元素を含む二酸化ジルコン原料鉱砂９９〜８０重量％との混合微粉１〜４０重量部、および光触媒活性二酸化チタン１〜１５重量部と塗料用バインダー１００重量部を含有し、塗布されたコーティング層は空気中の酸素および水分を活性イオン化する請求項１記載の機能性塗料組成物。
前記請求項１および２に記載の機能性塗料組成物により、内燃機関の空気導入経路内壁および／またはエヤークリーナー内壁にコーティング層を形成し、吸入空気中の酸素および水分を活性イオン化する内燃機関の燃焼性改善方法。