JP2005344514A - 燃焼機関の補助ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼機関の燃焼効率を高めることができる燃焼機関の補助ガス供給装置を提供する。
【解決手段】 本発明の燃焼機関Ｂの補助ガス供給装置Ａは、燃焼室に連通する吸気部材（インテークマニホールド）１の外部に配置された、オゾン発生装置３と、イオン化酸素を含む補助ガスを生成する補助ガス生成装置８と、前記補助ガスを吸気部材（インテークマニホールド）１に供給する吸気用補助ガス供給路４とを備えるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車やディーゼル車などに取り付けて用いられる内燃機関などの燃焼機関の補助ガス供給装置に関する。

従来から、燃焼機関の一種である内燃機関の燃焼効率を高め、低燃費化、低公害化を図るべく、内燃機関の吸気経路に、燃料と空気とを含む混合気に対する補助ガスとしてのオゾンを供給することが行われている。例えば特許文献１には、吸気部材であるインテークマニホールドの内部に、コロナ放電式のオゾン発生装置を設けた内燃機関が開示されており、オゾン発生装置により発生させたオゾンによって、インテークマニホールドに吸入された混合気に含まれる酸素を活性化させて、混合気の燃焼率を高めるようにしている。

特開平５−４４５８４号公報（段落番号０００８及び図１）

ところで近年、内燃機関の燃料噴射方式は、キャブレター方式から電子燃料噴射方式に移行しているが、特にこの電子燃料噴射方式においては、内燃機関の各シリンダに供給される混合気の量及び分配を決める上で、インテークマニホールドが重要な要素となっており、その良否によって内燃機関の性能が大きく左右されることになる。このため、インテークマニホールドの設計にあたっては、各シリンダに対して混合気を可能な限り均等に分配できるように配慮されている。ところが、特許文献１に開示の内燃機関は、オゾン発生装置がインテークマニホールドの内部に設けられているので、当該オゾン発生装置によってインテークマニホールドの内部における混合気の円滑な流れが阻害されることとなる。このため、各分岐管に対して混合気をまんべんなく分配することが困難で、内燃機関の燃焼効率が下がってしまうという問題があった。

また近年、インテークマニホールドは、軽量化や混合気に対する流路抵抗を少なくする等を図るべく、金属製から合成樹脂製へ移行しつつある。ところが、特許文献１に開示されている内燃機関は、金属製のインテークマニホールドを想定しているので、この金属製のものに代えて合成樹脂製のものを用い、その内部に設けたオゾン発生装置によって発生させたオゾンをそのまま供給しても、内燃機関の燃焼効率を有効に高めることができないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、燃焼機関の燃焼効率を有効に高めることができる燃焼機関の補助ガス供給装置の提供をその目的とする。

本発明者は、特にオゾンを用いて内燃機関などの燃焼機関の燃焼効率を効果的に高めるべく鋭意研究を重ねていた。その過程で、金属製のインテークマニホールド（吸気部材）と合成樹脂製のインテークマニホールドとでは、オゾンによる燃焼機関の燃焼効率の向上効果に大きな相違が見られ、本発明者の研究によれば、かかる相違がインテークマニホールドの内壁面の表面粗さに起因していると推察した。そこで、さらに研究を重ねた結果、オゾン発生装置によって発生させたオゾンをインテークマニホールドに供給する前に強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを生成し、これをインテークマニホールドに供給するようにすれば、混合気の燃焼率が高まり、内燃機関の燃焼効率を有効に高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の燃焼機関の補助ガス供給装置は、燃焼室に連通する吸気部材の外部に配置された燃焼機関の補助ガス供給装置であって、空気を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置と、前記オゾン発生装置により発生したオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを生成する補助ガス生成装置と、前記補助ガス生成装置により生成されたイオン化酸素を含む補助ガスを、吸気部材に供給する吸気用補助ガス供給路と、を備えたことを特徴としている。
上記の構成によれば、オゾン発生装置によってオゾンを発生させてから、そのオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解して、イオン化酸素を含む補助ガスを生成し、その補助ガスを吸気部材に供給するようにしているので、混合気とイオン化酸素との混合によって当該混合気の活性化を図ることができる。また、オゾン発生装置や補助ガス生成装置が吸気部材の外部に配置されているので、吸気部材の内部において混合気の円滑な流れが阻害されるおそれがない。
ここで、本発明において、「強制的に分解する」とは、オゾンを放置して自然に分解させるよりも速い速度で分解させることをいう。すなわち、オゾンは不安定な物質であるため放置しておいても自然に分解するものであるが、本発明では、単に放置して自然に分解させるよりも速い速度で分解させることができる。

上記燃焼機関の補助ガス供給装置において、前記吸気部材がインテークマニホールドであり、前記吸気用補助ガス供給路が、インテークマニホールドの各分岐管に個別に連通しているのが好ましい。この場合、イオン化酸素を含む補助ガスを、吸気用補助ガス供給路を通してインテークマニホールドの各分岐管に個別に供給することができる。このため、各分岐管に対して補助ガスをまんべんなく供給することができるので、燃焼機関の燃焼効率をより効果的に高めることができる。また、燃焼効率が良好であることから、排気ガス中の有害成分量を減少させることができるという利点を有する。

さらに、上記燃焼機関の補助ガス供給装置において、前記吸気部材がインテークマニホールドであり、前記吸気用補助ガス供給路が、インテークマニホールドの集合管又はこれに連通する吸気管に対し、その周方向に沿った複数箇所から供給する分岐路を有しているのが好ましい。この場合、補助ガスを一箇所から供給する場合に比べて、より補助ガスを含む混合気を均質化させやすい状態で供給することができるので、燃焼機関の燃焼効率をより効果的に高めることができる。また、燃焼効率が良好であることから、排気ガス中の有害成分量を減少させることができるという利点を有する。

また、上記燃焼機関の補助ガス供給装置において、前記補助ガス生成装置が、管内周壁に内方側に向かって膨出した膨出部を複数有する管状体を螺旋状に巻回したものであるのが好ましい。この場合、オゾン発生装置によって発生したオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを簡単に得ることができる。また、補助ガス生成装置をコンパクトな構成とすることができるという利点を有する。
上記燃焼機関の補助ガス供給装置において、前記吸気部材が合成樹脂製であると、燃焼機関の燃焼効率の向上効果がより顕著にみられるようになる。

また、上記燃焼機関の補助ガス供給装置において、前記補助ガス生成装置によって生成されたイオン化酸素を含む補助ガスを、排気経路に供給する排気用補助ガス供給路をさらに備えるのが好ましい。この場合、排気用補助ガス供給路によって排気経路に補助ガスを供給することができるので、その補助ガス中のイオン化酸素により排気ガス中の有害成分を減少させることができる。よって、有害成分量をより効果的に減少させることができる。

本発明によれば、イオン化酸素を含む補助ガスを生成する補助ガス生成装置を備えているので、そのイオン化酸素によって混合気の活性化を図ることができる。このため、燃焼機関の燃焼効率を効果的に高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の補助ガス供給装置を示す概略斜視図である。
本実施形態に係る内燃機関Ｂの補助ガス供給装置Ａは、内燃機関Ｂを構成する燃焼室に連通する合成樹脂製のインテークマニホールド（吸気部材）１及びエキゾーストマニホールド（排気部材）２に燃料と空気とを含む混合気に対する補助ガスを供給するものであり、インテークマニホールド１の外部に配置された、オゾン発生装置３と、このオゾン発生装置３によって発生させたオゾンを分解してイオン化酸素を含む補助ガスを生成する補助ガス生成装置８と、この補助ガス生成装置８によって生成させた補助ガスをインテークマニホールド１の各分岐管１１に供給する吸気用補助ガス供給路４と、前記補助ガスをエキゾーストマニホールド２の各分岐管２１に供給する排気用補助ガス供給路５とを備えている。

オゾン発生装置３は、図２にも示すように、筒状のケーシング３０の一方の端部に、図示しないエアクリーナに接続された一つの吸気口３１が、他方の端部に排気口３２がそれぞれ形成され、これら吸気口３１と排気口３２との間が空気流路Ｃとして構成されているとともに、この空気流路Ｃの上流側に高電圧発生器３３が配置され、下流側に電極３４が配置されているものである。このオゾン発生装置３は、インテークマニホールド１の内部の負圧によって吸気口３１からケーシング３０の内部に導入された空気を、電極３４のコロナ放電によってオゾンを発生させる。

補助ガス生成装置８は、前記オゾン発生装置３によって発生させたオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを生成するものである。詳細には、図３も参照して、補助ガス生成装置８は、管内周壁に内方側に向かって膨出し、かつ、周方向に沿って延びる複数本の膨出条（膨出部）８ａが形成された蛇腹状の管状体を螺旋状に巻回したものである。このような補助ガス生成装置８では、オゾン発生装置３によって発生したオゾンを含む空気流に対し、膨出条８ａと螺旋形状による流路抵抗を付与することによって、当該オゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解して、イオン化酸素（イオン化された酸素原子及びイオン化された酸素分子の双方を含む）を生成することができる。すなわち、イオン化酸素を含む補助ガスを生成することができる。
なお、本発明における補助ガス生成装置８は、上記螺旋状の管状体に限らず、オゾンを含む空気流に対し壁面との衝突などによる流路抵抗を付与して当該オゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解できる各種の他の装置であってもよい。また、流路抵抗の付与でオゾンを分解させるのではなく、例えば管状体の内壁面にオゾンの分解を促進する（強制的に行わせる）ことができる各種の触媒を含む触媒層を形成する構成にしてもよい。

図１に戻って、吸気用補助ガス供給路４は、補助ガス生成装置８に接続された第１の供給管４１と、この第１の供給管４１から分岐して分岐路４ａを構成する複数の第２の供給管４２とによって構成されている。この第２の供給管４２はインテークマニホールド１の各吸気ポートＢ１に対応した分岐管１１ごとに設けられており、その先端は当該各分岐管１１の途中部にそれぞれ接続されている。
また、排気用補助ガス供給路５は、補助ガス生成装置８に接続された第１の供給管５１と、この第１の供給管５１から分岐して分岐路５ａを構成する複数の第２の供給管５２とによって構成されている。この第２の供給管５２はエキゾーストマニホールド２の各排気ポートに対応した分岐管２１ごとに設けられており、その先端は当該各分岐管２１の途中部にそれぞれ接続されている。

本実施形態に係る内燃機関Ｂの補助ガス供給装置Ａは、オゾン発生装置３によってオゾンを発生させ、そのオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを補助ガス生成装置８において生成しているので、内燃機関Ｂの燃焼効率を効果的に高めることができる。詳細には、燃料と空気とを含む混合気に補助ガスを加えると、補助ガス中のイオン化酸素によって当該混合気が活性化されることとなる。このため、内燃機関Ｂを構成する燃焼室において良好な状態で燃焼させることができる。また、本実施形態に係る内燃機関Ｂの補助ガス供給装置Ａは、オゾン発生装置３及び補助ガス生成装置８をインテークマニホールド１の外部に配置していることから、これらの装置によってインテークマニホールド１の内部における混合気の円滑な流れが阻害されるおそれがない。このため、混合気をインテークマニホールド１の各分岐管にまんべんなく分配することができる。さらに、オゾン発生装置３とインテークマニホールド１の分岐管１１とが、分岐路４ａを有する吸気用補助ガス供給路４を介して個別に接続されており、前記オゾン発生装置３及び補助ガス生成装置８によって得られた補助ガスを、インテークマニホールド１の各分岐管１１に個別に供給することができるので、内燃機関Ｂの各吸気ポートＢ１に補助ガスをまんべんなく分配することができる。このようなことから、燃焼室内での混合気の燃焼率が高まり、そのため内燃機関Ｂの燃焼効率を効果的に高めることができる。また、内燃機関Ｂの燃焼効率が高いことから、排気ガス中の有害成分量を減少させることができるという利点を有する。なお、本発明は、オゾンの大量供給の場合により顕著に効果が見られる。

また、本実施形態においては、前記排気用オゾン供給路５を通してエキゾーストマニホールド２の分岐管２１内に補助ガスを供給することができるので、分岐管２１を通る排気ガス中の有害成分量を減少させることができる。詳細には、補助ガス中のイオン化酸素によって排気ガス中の有害成分を無害化することで、排気ガス中の有害成分量を減少させることができる。よって、インテークマニホールド１に供給した補助ガスによって燃焼効率を効果的に高めている点と相まって、排気ガス中の有害成分量を効果的に減少させることができる。さらに、オゾン発生装置３とエキゾーストマニホールド２の各分岐管２１とが、分岐路５ａを有する吸気用補助ガス供給路５を介して個別に接続されているので、前記オゾン発生装置３及び補助ガス生成装置８により得られた補助ガスを前記分岐管２１に個別に供給することができる。よって、分岐管２１内の排気ガスに対してより効率的に補助ガスを供給することができ、排気ガス中の有害成分量をより一層効果的に減少させることができる。

ここで、本発明者が行った検証試験について説明する。この検証試験では、４種の自動車用エンジンを用いて、排気ガス中の有害成分量を調べた。すなわち、まず、エンジンＡ（排気量：０．６５Ｌ、燃料：ガソリン、走行距離：４８７００ｋｍ）と、エンジンＢ（排気量：０．６５Ｌ、燃料：ガソリン、走行距離：５８０００ｋｍ）と、エンジンＣ（排気量：０．６５Ｌ、燃料：ガソリン、走行距離：３３７００ｋｍ）と、エンジンＤ（排気量：３．９６Ｌ、燃料：ガソリン、走行距離：８３７８５ｋｍ）とを準備した。ついで、各エンジンＡ〜Ｄのインテークマニホールドの外部に、オゾン発生装置（コロナ放電式）と補助ガス生成装置（管内壁面に膨出条が等間隔で形成された蛇腹状の管状体（内径６ｍｍ×全長３ｍ）を円筒体（長さ２０ｃｍ×外径３．５ｃｍ）に巻回したもの）とを配置し、補助ガス生成装置に吸気用補助ガス供給路及び排気用補助ガス供給路を接続し、吸気用補助ガス供給路をインテークマニホールドの分岐管のそれぞれの途中部に、排気用補助ガス供給路をエキゾーストマニホールドの分岐管のそれぞれの途中部に接続した（図１参照）。そして、各エンジンＡ〜Ｄについて、オゾン発生装置で発生（５００ｐｐｍ／分）させたのち補助ガス生成装置で生成したイオン化酸素を含む補助ガスを５分間供給（エンジンＤは１０分間供給）した場合と供給しなかった場合のそれぞれについて所定時間運転させて、発生した排気ガス中の有害成分量を自動車排ガス測定器（ＣＯ／ＨＣ分析装置、堀場製作所社製のＭＥＸＡ−３２４Ｇ）を用いて調べた。その結果、下記の表１に示す。

表１の結果から、エンジンＡ〜Ｄのいずれについても、補助ガスを供給した方が、供給しない場合に比べて、排気ガス中の有害成分（ＣＯ、ＣＨ）の発生量が少なかったことを確認している。また、いずれのエンジンについても、補助ガスを供給した方が、混合気の燃焼率が高まり、燃焼効率が良好であったことも確認している。

なお、前記吸気用補助ガス供給路４の分岐路４ａを構成する第２の供給管４２は、インテークマニホールド１の分岐管１１の途中部だけでなく、その端部等、任意の部位に接続して実施することができる。また、前記第２の供給管４２は、サージタンク１２のうちの各分岐管１１に対応する部位に接続してもよく（図４参照）、要するに第２の供給管４２は、内燃機関Ｂの各吸気ポートＢ１に対応させて補助ガスを供給できる部位であれば、吸気経路Ｘの任意の部位に接続して実施することができる。
また、前記排気用補助ガス供給路５の分岐路５ａを構成する第２の供給管５２についても、エキゾーストマニホールド２の分岐管２１の途中部だけでなく、その端部等、任意の部位に接続して実施することができる。さらに、前記第２の供給管５２は、エキゾーストパイプ６やマフラー７等（図５参照）、排気経路Ｙの任意の部位に接続して実施することができる。

図６は本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の補助ガス供給装置を示す概略斜視図であり、図７はその要部断面図である。本実施形態においては、吸気用補助ガス供給路４をインテークマニホールド１の集合管１３に接続している。具体的には、前記吸気用補助ガス供給路４の分岐路４ａを構成する第２の供給管４２を、集合管１３の円周上の複数箇所（図の場合４箇所）に等間隔にて接続している。
本実施形態に係る補助ガス供給装置Ａは、第１の実施形態と同様、オゾン発生装置３によってオゾンを発生させ、そのオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを補助ガス生成装置８において生成しているので、内燃機関Ｂの燃焼効率を効果的に高めることができる。また、オゾン発生装置３及び補助ガス生成装置８によって得られた補助ガスを、インテークマニホールド１の集合管１３に対して、その周方向に沿った複数箇所から供給することができるので、当該補助ガスを含んだ混合気を内燃機関Ｂの吸気ポートＢ１にまんべんなく分配することができ、その燃焼効率を効果的に高めることができる。この点、前記補助ガスを集合管１３の周囲の一箇所のみから供給すると、当該供給された補助ガスが集合管１３に近い分岐管１１により多く供給されてしまい、集合管１３から離れた分岐管１１に対して補助ガスを供給し難くなる結果、集合管１３から離れた分岐管１１に対応するシリンダにおいて燃焼効率を高めることができなくなる。
なお、本実施形態においては、第２の供給管４２を、集合管１３の円周上の複数箇所に接続しているが、これを前記集合管１３の上流側に連続する吸気管１４の円周上の複数箇所に接続してもよい。

本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ディーゼル機関等の他の内燃機関に適用してもよいし、またボイラー、焼却炉などの他の燃焼機関に適用してもよい。なお、混合気の吸気圧（負圧）が少ないディゼル機関等の内燃機関については、吸気用補助ガス供給路４や排気用補助ガス供給路５等にポンプやファンを設けて、オゾン発生装置３及び補助ガス生成装置８で生成した補助ガスを、インテークマニホールド１やエキゾーストマニホールド２に強制的に送り込むようにするのが好ましい。
また、吸気部材であるインテークマニホールドは、各種の合成樹脂により形成されたものの他、従来公知の各種の金属製であってもよいのは勿論である。さらに、排気部材であるエキゾーストマニホールドについても各種の合成樹脂により形成されたものであってもよいし、金属により形成されたものであってもよい。
さらに、排気経路については、補助ガス生成装置を介在させずに、オゾン発生装置に排気用オゾン供給管を接続して、オゾンを含む空気流を供給するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の補助ガス供給装置を示す概略斜視図である。 オゾン発生装置の断面図である。 補助ガス生成装置の部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の補助ガス供給装置の変形例を示す概略斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の補助ガス供給装置の変形例を示す概略斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の補助ガス供給装置を示す概略斜視図である。 図６の要部断面図であり、（ａ）は径方向に切断した断面図であり、（ｂ）は軸方向に切断した断面図である。

符号の説明

１ インテークマニホールド（吸気部材）
１１ 分岐管
１３ 集合管
１４ 吸気管
２ エキゾーストマニホールド（排気部材）
２１ 分岐管
３ オゾン発生装置
４ 吸気用補助ガス供給路
４１ 第１の供給管
４２ 第２の供給管
４ａ 分岐路
５ 排気用補助ガス供給路
５１ 第１の供給管
５２ 第２の供給管
５ａ 分岐路
８ 補助ガス生成装置
Ａ 補助ガス供給装置
Ｂ 内燃機関（燃焼機関）
Ｂ１ 吸気ポート
Ｘ 吸気経路
Ｙ 排気経路

Claims (6)

1. 燃焼室に連通する吸気部材の外部に配置された燃焼機関の補助ガス供給装置であって、
   空気を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置と、
   前記オゾン発生装置により発生したオゾンのうちの少なくとも一部を強制的に分解してイオン化酸素を含む補助ガスを生成する補助ガス生成装置と、
   前記補助ガス生成装置により生成されたイオン化酸素を含む補助ガスを、吸気部材に供給する吸気用補助ガス供給路と、
   を備えたことを特徴とする燃焼機関の補助ガス供給装置。
2. 前記吸気部材がインテークマニホールドであり、
   前記吸気用補助ガス供給路が、インテークマニホールドの各分岐管に個別に連通している請求項１記載の燃焼機関の補助ガス供給装置。
3. 前記吸気部材がインテークマニホールドであり、
   前記吸気用補助ガス供給路が、インテークマニホールドの集合管又はこれに連通する吸気管に対し、その周方向に沿った複数箇所から供給する分岐路を有している請求項１記載の燃焼機関の補助ガス供給装置。
4. 前記補助ガス生成装置が、管内周壁に内方側に向かって膨出した膨出部を複数有する管状体を螺旋状に巻回したものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼機関の補助ガス供給装置。
5. 前記吸気部材が、合成樹脂製である請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼機関の補助ガス供給装置。
6. 前記補助ガス生成装置によって生成されたイオン化酸素を含む補助ガスを、排気経路に供給する排気用補助ガス供給路をさらに備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃焼機関の補助ガス供給装置。

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