JP2006161760A - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、吸入空気のプラスの帯電を解消するマイナスイオンを含む空気を供給することができると共に、別途にポンプ等の補機を設けなくともマイナスイオンを含む空気を輸送することができるエンジンの吸気装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明の吸気装置１は、吸気ポート２４の上流側のエア流路にマイナスイオンを供給するイオン発生器を備えたエンジン２の吸気装置１であって、前記イオン発生器が、正電位が設定される線状電極と、負電位が設定される箔状電極とを有する非対称キャパシタ１０で構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼室内に空気を供給するエンジンの吸気装置に関する。

従来、エンジンの燃焼室内にオゾンを供給するためのオゾン発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このオゾン発生装置は、吸気装置を構成するようにエンジンに取り付けられることによって燃焼室内にオゾンを供給する。このオゾン発生装置で発生したオゾンは、その強い酸化力によって燃焼室内における燃料（ガソリン）の燃焼を促進する。また、オゾンは、燃焼室内で高温に曝されることによって次式で示されるようにして即座に酸素に変化する。
２Ｏ₃（オゾン）→３Ｏ₂（酸素）
つまり、オゾンは、燃料の燃焼に寄与する酸素量を増加させることによって燃料の燃焼を促進する。その結果、このオゾン発生装置を備えた吸気装置によれば、エンジンにおける燃料の燃焼効率を高めることができる。
特開平９−３０３２２１号公報（段落００１０〜００２１）

ところで、エンジンに供給される空気（吸入空気）は、スロットルボディ、インテークマニホールド等のインテークシステムを通過する際に、いわゆる流動帯電現象によってプラスに帯電する。特に、インテークシステムがポリプロピレン等の樹脂で形成されている場合には、吸入空気の帯電が著しい。そして、この流動帯電現象によってプラスイオンが過剰になった吸入空気は、電気的に不安定となると共にその導電性が著しく低下するために、燃料（ガソリン）を十分に活性化することができない。言い換えれば、プラスイオンが過剰になった吸入空気が使用された場合のガソリンの発熱量は、ガソリンの理論発熱量が４．４０×１０⁷Ｊ／ｋｇ〜４．４８×１０⁷Ｊ／ｋｇ（１０５００ｋａｌ／ｋｇ〜１０７００ｋａｌ／ｋｇ）であるのに対して、３．３５×１０⁷Ｊ／ｋｇ〜３．７７×１０⁷Ｊ／ｋｇ（８０００ｋａｌ／ｋｇ〜９０００ｋａｌ／ｋｇ）程度である。
つまり、ガソリンの発熱量を理論発熱量に近づけるためには、吸入空気が少なくとも電気的に中和されなければならない。

しかしながら、オゾンは、前記したように、燃焼室内において燃料の酸化を促進し、そして燃料の燃焼に寄与する酸素量を増加させることはできても、プラスに帯電した吸入空気を十分に中和することができない。つまり、従来のオゾン発生装置（例えば、特許文献１参照）を備えた吸気装置では、燃料の発熱量をその理論発熱量に近づけることができない。
また、従来のオゾン発生装置は、発生したオゾンを輸送するためにポンプ等の補機が必要となる場合があり、吸気装置が大型化するという問題がある。

そこで本発明は、吸入空気のプラスの帯電を解消するマイナスイオンを含む空気を供給することができると共に、別途にポンプ等の補機を設けなくともマイナスイオンを含む空気を輸送することができるエンジンの吸気装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明は、吸気ポートの上流側のエア流路にマイナスイオンを供給するイオン発生器を備えたエンジンの吸気装置であって、前記イオン発生器は、正電位が設定される線状電極と、負電位が設定される箔状電極とを有する非対称キャパシタであることを特徴とする。

本発明のエンジンの吸気装置は、イオン発生器である非対称キャパシタが、線状電極と箔状電極とを有している。この非対称キャパシタの線状電極に正の高電圧電位を印加すると共に箔状電極を接地すると、非対称キャパシタの周囲には、線状電極から箔状電極に向かってマイナスイオン（Ｏ^2-、Ｎ^3-等）を含む空気の流れ（イオン風）が形成される。そして、このマイナスイオンを含む空気がエンジンの吸気ポートの上流側のエア通路に供給されると、マイナスイオンは、エア通路内を流れるプラスに帯電した吸入空気と接触する。その結果、吸入空気のプラスの帯電は、マイナスイオンによって電気的に中和されて解消される。
また、このエンジンの吸気装置では、非対称キャパシタが生起するイオン風を利用することによって、マイナスイオンが吸気ポートの上流側のエア通路に供給される。したがって、このエンジンの吸気装置によれば、別途にポンプ等の補機を設けなくともマイナスイオンを含む空気を輸送することができる。

また、このようなエンジンの吸気装置において、前記吸気ポートの上流側の前記エア流路が、インテークマニホールドであることを特徴とする。
このエンジンの吸気装置では、エンジンの各気筒に向かって吸入空気が分岐する直前のインテークマニホールドにマイナスイオンを含む空気が供給されるので、吸入空気のプラスの帯電は、吸入空気が分岐する直前で効率良く解消される。したがって、各気筒の吸入空気の相互間におけるプラスの帯電の解消度合いは均一となる。
また、このようなエンジンの吸気装置において、前記正電位が、少なくとも３０ｋＶであることが好ましい。

本発明によれば、吸入空気のプラスの帯電が解消されるので、燃料の燃焼状態が改善される。その結果、エンジンの出力及びトルクを向上させることができる。
また、本発明によれば、燃料の燃焼状態が改善されるので、エンジンの出力当たりの燃料消費量を低減することができる。
また、本発明によれば、燃料の燃焼状態が改善されるので、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の量が低減される。
また、本発明によれば、別途にポンプ等の補機を設けなくともマイナスイオンを含む空気を輸送することができるので、別途に補記の駆動エネルギを必要としない。

次に、本発明のエンジンの吸気装置（以下、単に「吸気装置」という）における一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、実施形態に係る吸気装置の構成を説明するための模式図、図２（ａ）は、図１の吸気装置に使用される非対称キャパシタ（イオン発生器）の斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

本実施形態では、ガソリンエンジンに適応される吸気装置について説明する。
図１に示すように、吸気装置１は、エンジン２の吸気ポート２４に接続されたインテークマニホールド１９と、このインテークマニホールド１９内にマイナスイオンを供給する非対称キャパシタ１０と、帯電率測定用センサ１７と、高電圧発生ユニット１５と、コントロールユニット１６とを備えている。なお、非対称キャパシタ１０は、特許請求の範囲にいう「イオン発生器」に相当する。

インテークマニホールド１９は、公知の構造を有するものであって、図示しないスロットルボディ側から送り込まれる空気をエンジン２の燃焼室２３内に送り込むための通路を形成している。このインテークマニホールド１９は、周知のとおり、エンジン２の吸気ポート２４に接続される側で、エンジン２の気筒数に応じて複数に分岐している。このインテークマニホールド１９内の通路は、特許請求の範囲にいう「吸気ポートの上流側のエア流路」に相当する。ちなみに、このエンジン２では、インテークマニホールド１９を通じて供給された空気と、フューエルインジェクタ２５から噴射されたガソリン（燃料）とが混合されることによって混合気が生成される。そして、混合気は、吸気バルブ２１を介して燃焼室２３に入り込むと共に、ガソリン（燃料）は燃焼室２３内で燃焼する。また、その燃焼後の排気ガスは、排気バルブ２２を介してエンジン２外に排出されることとなる。なお、本実施形態でのインテークマニホールド１９及びスロットルボディ（図示せず）は、ポリプロピレンで形成されている。

非対称キャパシタ１０は、図１に示すように、収納容器１４内に収納されており、収納容器１４の一端は、収納容器１４内とインテークマニホールド１９内とが連通するように接続されている。そして、収納容器１４の他端には、収納容器１４内に空気を取り入れるための空気取入れ口１４ａが形成されている。
非対称キャパシタ１０は、非対称キャパシタの周囲にマイナスイオンの流れ（イオン風）を形成するものであって、この非対称キャパシタ１０としては、例えば、米国特許２９４９５５０号明細書、米国特許２９５８７９０号明細書、米国特許３０１８３９４号明細書、米国特許３１８７２０６号明細書等に開示されている公知の構造を有するものが挙げられる。
本実施形態での非対称キャパシタ１０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、円筒状の絶縁部材１１と、線状電極１２と、箔状電極１３とを備えている。

絶縁部材１１は、シリカ等の絶縁材料で形成されればよい。
線状電極１２は、導電性を有する環状の線材で形成されており、絶縁部材１１の一端側の周面を巻回するように配置されている。そして、図２（ｂ）に示すように、この線状電極１２は、高電圧発生ユニット１５と接続されることによって、少なくとも３０ｋＶの高圧の正電位が設定されるようになっている。
この線状電極１２としては、その径が０．１８〜０．３２ｍｍ程度の銅線やタンタル線が好ましく、中でもタンタル線がより好ましい。

箔状電極１３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、導電性を有する箔状の部材で形成されており、絶縁部材１１の他端側の周面を巻回するように配置されている。そして、図２（ｂ）に示すように、この箔状電極１３は、接地されるようになっている。この箔状電極１３としては、その厚み５〜２０μｍ程度のアルミ箔が好ましい。
このような非対称キャパシタ１０は、線状電極１２側が収納容器１４の空気取入れ口１４ａ側を向くように収納容器１４内に配置される。

帯電率測定用センサ１７は、図１に示すように、インテークマニホールド１９内を流れる空気のプラスの帯電率を測定するために使用されるものであって、インテークマニホールド１９内に配置されている。本実施形態での帯電率測定用センサ１７は、アルミ板で形成されており、インテークマニホールド１９内を流れる空気と接触した際に、その空気の帯電率に応じて帯電するようになっている。そして、この帯電率測定用センサ１７は、図示しない帯電圧測定装置が組み込まれたコントロールユニット１６に接続されている。この帯電圧測定装置が帯電率測定用センサ１７の帯電圧を測定することによって、インテークマニホールド１９内を流れる空気のプラスの帯電率が測定されるようになっている。

図１に示すコントロールユニット１６は、予め設定された基準帯電率値と比較して、インテークマニホールド１９内を流れる空気のプラスの帯電率が大きくなったときに、高電圧発生ユニット１５が非対称キャパシタ１０の線状電極１２（図２（ａ）参照）に高電圧電位を印加するように指令するものである。

次に、この吸気装置１の動作について適宜図面を参照しながら説明する。
図１に示すインテークマニホールド１９内には、エンジン２が回転することによって空気Ｇが流れ込む。この空気Ｇは、スロットルボディ（図示せず）やインテークマニホールド１９内を流れる際に、いわゆる流動帯電現象によってプラスに帯電している。

そして、コントロールユニット１６は、帯電率測定用センサ１７によってインテークマニホールド１９内を流れる空気Ｇがプラスに帯電していることを検出すると共に、高電圧発生ユニット１５が非対称キャパシタ１０の線状電極１２（図２（ａ）参照）に正の高電圧電位を印加するように高電圧発生ユニット１５に対して指令する。

このように線状電極１２に正の高電圧電位が設定されると共に、箔状電極１３が接地された非対称キャパシタ１０は、図２（ｂ）に示すように、線状電極１２の周りに存在する電気的に中性の空気Ｇを解離させて、Ｏ^2-、Ｎ^3-等のマイナスイオンを発生させる。そして、非対称キャパシタ１０の周囲には、線状電極１２から箔状電極１３に向かってマイナスイオンを含む空気Ｇの流れ（イオン風Ｗ）が形成される。また、この非対称キャパシタ１０は、線状電極１３に生じるコロナ放電によってオゾン（図示せず）も発生する。

そして、図１に示すように、マイナスイオンを含む空気Ｇ及びオゾン（図示せず）は、インテークマニホールド１９内に流れ込む。このマイナスイオンを含む空気Ｇは、インテークマニホールド１９の上流側から流れ込んでくるプラスに帯電した空気Ｇと接触する。その結果、上流側から流れ込んでくる空気Ｇのプラスの帯電は、マイナスイオンによって電気的に中和されて解消される。

また、この吸気装置１では、非対称キャパシタ１０が生起するイオン風Ｗを利用することによって、マイナスイオンを含む空気Ｇがインテークマニホールド１９内に供給される。

以上のような吸気装置１によれば、空気Ｇのプラスの帯電が解消されるので、燃料（ガソリン）の発熱量をその理論発熱量に近づけることができる。つまり、燃料の燃焼状態が改善される。したがって、この吸気装置１によれば、エンジン２の出力及びトルクを向上させることができる。
また、吸気装置１によれば、燃料（ガソリン）の燃焼状態が改善されるので、エンジン２の出力当たりの燃料消費量を低減することができる。
また、吸気装置１によれば、燃料（ガソリン）の燃焼状態が改善されるので、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の量が低減される。
また、吸気装置１によれば、別途にポンプ等の補機を設けなくともマイナスイオンを含む空気Ｇを輸送することができるので、別途に補機の駆動エネルギを必要としない。
また、吸気装置１では、エンジン２の各気筒に向かって空気Ｇが分岐する直前のインテークマニホールド１９にマイナスイオンを含む空気Ｇが供給されるので、吸入された空気Ｇのプラスの帯電は、空気Ｇが分岐する直前で効率良く解消される。したがって、各気筒に供給された空気Ｇの相互間におけるプラスの帯電の解消度合いは均一となる。
また、吸気装置１によれば、非対称キャパシタ１０が発生するオゾンによって、燃焼室２３における燃料（ガソリン）の燃焼が促進される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、前記実施形態では、線状電極１２が絶縁部材１１の周面に巻回された線材で構成されているが、線状電極１２は、公知のフォトリソグラフィー法によって絶縁部材１１の周面にプリントされたものであってもよい。

また、前記実施形態では、箔状電極１３が絶縁部材１１の周面に巻回されたアルミ箔で構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、絶縁部材１１の周面に蒸着されたものや、メッキされたものであってもよい。

また、前記実施形態では、非対称キャパシタ１０が収納容器１４内に収納されると共にインテークマニホールド１９の外側に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、非対称キャパシタ１０がインテークマニホールド１９内に配置されるものであってもよい。

また、前記実施形態では、吸気装置１がガソリンエンジンに適用される例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の内燃機関に適用されるものであってもよく、また、内燃機関は、車両及び船舶の別は問わない。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。前記実施形態の吸気装置１を用いて、非対称キャパシタ１０の線状電極１２に正の高電圧電位を印加した場合（以下、これを実施例とする）と、印加しなかった場合（以下、これを比較例とする）とで、エンジン２の出力またはトルク当たりの燃料消費量、並びに排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を比較した。

（トルク及び出力の評価試験並びにその試験結果）
エンジン２は、排気量が６６０ｃｃ（６６０ｃｍ³）のガソリンエンジンを使用した。そして、エンジン２の回転速度が２０００ｒｐｍのときのトルク（Ｎ・ｍ）及び出力（ｋＷ）を、インテークマニホールド１９内の圧力（ｈＰａ）を変化させて測定した。トルク（Ｎ・ｍ）の測定結果を図３に示す。そして、出力（ｋＷ）の測定結果を図４に示す。なお、図３及び図４の横軸は、インテークマニホールド１９内の圧力（ｈＰａ）をゲージ圧で表したものである。
図３及び図４から明らかなように、非対称キャパシタ１０の線状電極１２に正の高電圧電位を印加した場合（実施例）は、印加しなかった場合（比較例）と比較して、トルク及び出力が向上している。

（出力当たりの燃料消費量の評価試験及びその試験結果）
トルク及び出力の評価試験に使用したエンジン２と同じものを使用して、線状電極１２に正の高電圧電位を印加した場合（実施例）と、印加しなかった場合（比較例）とについて、エンジン２の出力当たりの燃料消費量を測定した。その試験結果を表１に示す。なお、表１中、ＩＳＦＣは、いわゆる図示燃料消費率（インジケータ（Ｐ−Ｖ）線図から求めた図示燃料消費率）を表わし、ＢＳＦＣは、ブレーキ燃料消費率を表わす。

表１から明らかなように、非対称キャパシタ１０の線状電極１２に正の高電圧電位を印加した場合（実施例）は、印加しなかった場合（比較例）と比較して、エンジン２の出力当たりの燃料消費量が低減されている。

（排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の濃度についての比較試験及びその試験結果）
トルク及び出力の評価試験に使用したエンジン２と同じものを使用して、線状電極１２に正の高電圧電位を印加した場合（実施例）と、印加しなかった場合（比較例）とについて、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の濃度について、比較試験を行った。
その結果、高電圧電位を印加した場合の炭化水素の濃度（実施例）は、出力（ｋＷ）当たりの重量（ｇ）で１２．１ｇ／ｋＷであり、一酸化炭素の濃度は、出力（ｋＷ）当たりの重量（ｇ）で、６．７０ｇ／ｋＷであった。また、印加しなかった場合の炭化水素の濃度（比較例）は、出力（ｋＷ）当たりの重量（ｇ）で１４．４ｇ／ｋＷあり、一酸化炭素の濃度は、出力（ｋＷ）当たりの重量（ｇ）で、７．２４ｇ／ｋＷであった。なお、これらの測定値は、燃料（ガソリン）に対する空気の重量比が２０．６の場合の値である。
前記した試験結果から明らかなように、非対称キャパシタ１０の線状電極１２に正の高電圧電位を印加した場合（実施例）は、印加しなかった場合（比較例）と比較して、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の濃度が低減されている。

実施形態に係る吸気装置の構成を説明するための模式図である。 図２（ａ）は、図１の吸気装置に使用される非対称キャパシタ（イオン発生器）の斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の吸気装置におけるトルクの評価試験の結果を示すグラフであり、縦軸はトルク（Ｎ・ｍ）を表し、横軸はインテークマニホールド内のゲージ圧（ｈＰａ）を表している。 本発明の吸気装置における出力の評価試験の結果を示すグラフであり、縦軸は出力（ｋＷ：修正正味出力）を表し、横軸はインテークマニホールド内のゲージ圧（ｈＰａ）を表している。

符号の説明

１ 吸気装置
２ エンジン
１０ 非対称キャパシタ（イオン発生器）
１２ 線状電極
１３ 箔状電極
１９ インテークマニホールド
２４ 吸気ポート

Claims (3)

1. 吸気ポートの上流側のエア流路にマイナスイオンを供給するイオン発生器を備えたエンジンの吸気装置であって、
   前記イオン発生器は、正電位が設定される線状電極と、負電位が設定される箔状電極とを有する非対称キャパシタであることを特徴とするエンジンの吸気装置。
2. 前記吸気ポートの上流側の前記エア流路が、インテークマニホールドであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気装置。
3. 前記正電位が、少なくとも３０ｋＶであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの吸気装置。

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