JP2008303739A

JP2008303739A - 微衝膜触媒による燃焼改善方法

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Publication number: JP2008303739A
Application number: JP2007149485A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Iizuka; 圭亮飯塚
Original assignee: ECO CREATE KK
Current assignee: ECO CREATE KK
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】微衝膜触媒により液体燃料を改質して燃費を向上可能だが、吸気の改質により更なる燃費向上を追及する。またバイオエタノールによるアルミ合金腐食やゴム・プラスチックの劣化を防ぐ方策とともに燃焼改善方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の燃焼改善方法として、燃料系の改質・ラジカル化と共に吸気の微衝膜触媒による改質との相乗効果で更なる燃費率の向上が提供出来る。吸気に対してはエアフィルター部２の吸気入口側へ光を要しない多次元電磁波触媒・微衝膜触媒のラス網を挿入し、空燃比の調整（空気を若干絞る）を容易にすると共に吸気をラジカル化して燃焼を改善できる。又バイオエタノール使用時はタンク底に同上触媒網等３ａを挿入することにより触媒の酸化還元作用で微生物を抑制し、不具合を防止すると共に燃料の融合を助けて燃焼を安定化する等により燃焼を改善する方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は触媒による内燃機関の燃焼改善方法とバイオエタノール燃料対応に関するものである。

温暖化対策をはじめ石油資源の節約は経済社会の持続的発展にとって不可欠であり、特に運輸部門にとって液体燃料の燃費向上、排気ガス浄化は重要な課題である。またバイオマス燃料又は混合燃料の活用も期待されており、フレキシブル・フュエル・ビーヒクル（ＦＦＶ）への対応も必要である。

車両の燃費節減策として、特許文献１又は、２によるチタンまたはスズの微粒子を金属又はセラミック表面に高速投射して成膜する方法（以下「微衝膜法」と呼ぶ）による光を要しない多次元電磁波励起触媒（通称チタンボール、スズボール等の「自然触媒」。）を車両の燃料タンク底へ沈めて燃料を改質し、１５％以上燃費が向上する事例が見られる。

燃料タンク内で前記触媒により液体燃料を改質する場合、燃料に水酸基（OH)が付加し、燃料と共に燃焼するため、空燃比について、若干空気を絞ると燃費が向上する傾向にあり、エアクリーナー部へ微衝膜法によるチタンラス触媒を挿入することによる吸気の改質との相乗効果で３５％の燃費向上が見られた。実施例表１参照。

この種のラス網触媒は空気量を若干絞ると共に、触媒膜が高速空気との接触で空気をラジカル化し、燃焼改善に寄与していると考えられる。光触媒、或は電磁波励起触媒は電磁波で励起されて出来るホール（＋）と電子（−）の再結合により、触媒機能が消滅するが、その確率を低下、量子効率を高めることが触媒効率を高めることになる。触媒表面に対し、被改質材料を高速移動することは触媒効率を高めることになり、エアクリーナー部は触媒面積を確保し、必要な開口面積確保が容易で、触媒活用面では望ましい形態である。

チタンラス網触媒の代わりに新たに開発した経済的なスズ-アルミラスHA網触媒を使った結果、チタンラス触媒と同等以上の燃費向上が見られた。

石油節約の１手段として期待されるバイオエタノールを単独又はガソリンと１０％以上混合して使用する場合、エタノールに水酸基（OH）があるため、上記と同様、空燃比はガソリンに比べ若干空気を絞る必要があり、エアクリーナー部へラス網触媒を挿入することにより、簡単にその目的を達成し、燃焼改善に寄与することができる。

バイオエタノールを単独又はガソリンと１０％以上混合して使用する場合、エンジンのアルミ合金の腐食やプラスチック、ゴムの劣化が報告され、燃料漏れの懸念があり既存車両への対策と共に対策が必要になっている。タンク底に溜まりやすい水分とエタノールとで微生物の生息環境が出来、エタノールが酸化され酸性液が生ずるものと考えられる。軽量で比較的表面積の大きいチタン又は錫の微衝膜触媒ラス網はその酸化還元作用により、遮光状態でも微生物を抑制し、ＰＨを中性に維持することができる。

光を要しない触媒材で燃料改質する場合、触媒材を容器に詰めて燃料を通過させる方式と
車両の燃料タンクに沈める方式があり、後者が簡単で比較的少量で充分な効果を発揮しているが、その要因として、触媒材が車両の走行振動を受けて燃料との接触が増加し、触媒効率を上げていることと、改質された燃料が僅かに比重を増し、底部に集まりやすいと考えられる。燃料タンク底に本願で示す、ラス網触媒を装着すれば、走行中の振動で燃料に対して微振動して触媒効率を高め、その界面活性作用で燃料の融合を助け、バイオエタノールによる不具合を抑制できる。

特許文献３で代表される放射性セラミックによる、吸気と燃料の改質があり、遠赤外線効果も加味して、燃費向上や排ガス浄化が公示されている。高エネルギーの放射線は透過力が高く、空気或は液体分子に影響を与えるチャンスは半導体である酸化チタン或は酸化錫の微衝膜触媒に比べて少なく、同じ効果を得る為に放射性セラミックは数倍の重量を要する。
特許第３３３５３３８号特許第３４９６９２３号特許第３５２４７８５号

酸化チタンや酸化錫膜等の自然触媒で内燃機関の液体燃料を改質し、燃費向上・排ガス浄化を行う場合、１５％前後の燃料節減が見られるが、吸気の改質により更なる燃焼改善を追及する。

バイオエタノール燃料等、有酸素燃料をガソリンと混合又は単独で使用する場合に必要となる空燃比の調整を容易にし、フレキシブルフュエルビーヒクル（ＦＦＶ）化への期待に応える。更にバイオエタノール使用時に報告されているエンジン内アルミ合金の腐食やプラスチック、ゴムの劣化で燃料漏れを起こすのを防止する方法を提起する等のバイオ燃料対応策とともに内燃機関の燃焼改善方法を提供することを目的とする。

本願第1の発明は酸素含有燃料を内燃機関燃料として使用する場合に、エアクリーナー部へ微衝膜法により酸化チタン又は酸化錫触媒を成膜したラス網を挿入することにより燃焼を改善する方法である。酸素含有燃料とはバイオエタノール、バイオディーゼル混合燃料、界面活性剤でエマルジョン化した燃料、触媒で水酸基を付加した燃料を言う。車両の燃料タンク内に酸化チタン又は酸化錫膜を微衝膜法でコーティングしたセラミックボール又は金属ラス網触媒（自然触媒）を挿入し、燃費向上や排ガス浄化の目的で、液体燃料を改質する場合、これと併用してエアクリーナー部フィルター入口側へ微衝膜法によるチタンラス網又はアルミラス網、或はステンレスラス網触媒等、ラス網自然触媒を１枚以上挿入することにより空気量を調整し、空気を改質化することができ、燃料改質による効果に加え、相乗効果で更なる燃費改善を図ることが出来る。

バイオエタノールを単独又はガソリンと１０％以上混合して車両燃料として使用する場合、エタノールに水酸基（OH)があるため、空燃比はガソリンに比べ若干空気を絞る必要があり、エアクリーナー部へ前項と同様のラス網触媒を挿入することにより、簡単にその目的を達成し、燃焼改善に寄与することができる。

本願第２の発明はラス網微衝膜触媒を１枚以上微生物の抑制とＰＨ調整及び混合燃料の融合目的で、車両の燃料タンク底に使用することによるバイオエタノールによる不具合を予防する方法である。バイオエタノールを単独又はガソリンと１０％以上混合して車両燃料として使用する場合、エンジンのアルミ合金腐食やプラスチック、ゴムの劣化が生じ、燃料漏れの懸念がある。この原因はタンク底に溜まりやすい水分とエタノールとで微生物の生息環境が出来、エタノールが酸化され酸性酢塩が生ずるものと考えられる。これを防ぐ為に、燃料タンク底へラス網微衝膜触媒を取付ける。ラス網触媒担体材料としてチタンラス網が期待されるが、実用的には防食を配慮した厚さ０．１〜１ｍｍのアルミラス網またはステンレスラス網が有効であり、網面はタンク底から２ｍｍ以上離し、２枚以上重ねる場合は、網面間を２ｍｍ以上スペーサーや予めラス網に加工した突起により維持し、触媒と水を含む燃料との接触や循環を容易にする。

微衝膜法による酸化チタン、酸化錫触媒は可視光線を含む多次元電磁波応答型触媒（自然触媒）であり、光の当たらないエアクリーナー部や燃料タンク内でも触媒反応が見られる。前記自然触媒により改質した燃料は水酸基が付加され、改質していない燃料に比べ空燃比を若干絞った状態で最適燃焼が得られ、エアクリーナー部入口側へチタンラス触媒、アルミラス触媒又はステンレスラス触媒等を挿入することにより、空気がラジカル化され、相乗効果で一層の燃費向上が達成できる。即ち燃料タンクに前記酸化錫触媒（セラミックボール担体）を挿入のみにより燃料を改質した場合の燃費向上率に対し、吸気のラス網触媒によるラジカル化を併用したことにより２倍以上の燃費向上率が達成できる。実施例表１参照。

吸気の流速はタンク内の燃料の動きに対し格段に早く、吸気の触媒改質では宇宙線等の高エネルギーの電磁波で励起された触媒から電子が飛び出し、気流に乗るためホールと結合するチャンスが減り電子もホールも空気のラジカル化に寄与するものと考えられる。５０Ｋｍ／ｈ以上の走行で加速が著しく改善されることから、空気の流速が触媒効率を上げているものと考える。

バイオエタノールを１０％以上ガソリンに混合使用する場合、通常のガソリンエンジンに必要となる空燃比の調整（若干エアーを絞る）を容易にするため、前項と同様エアフィルター部入口側へ微衝膜法によるチタンラス触媒、スズ−アルミラス触媒又はチタン−ステンレスラス触媒を挿入することにより、空気のラジカル化を伴い、燃焼が改善される。

燃料タンク底に配置したラス網微衝膜触媒（自然触媒）はバイオエタノールを１０％以上ガソリンに混合する場合生ずるエンジン内部アルミ合金の腐食やプラスチック・ゴムの劣化を抑制できる。水とエタノール混合液に生息する微生物を抑制し、ＰＨを中性に維持する。即ちフレックス・フュエル・ビーヒクル化（ＦＦＶ）への対策となる。微衝膜触媒の微生物抑制作用は特許文献１，００５７項に示されており、光触媒が抗菌作用を持つことは一般に知られている。上記自然触媒は遠赤外線又は宇宙線で励起し、燃料に水酸基（OH)を付加する性質が見られるのでタンク底に溜まりやすい水とメタノール及び燃料との融合を助け、燃焼の安定性と燃費の向上に寄与する。

ラス網自然触媒による燃料と吸気の改質・ラジカル化は燃焼改善のみでなく、排ガスの浄化にも寄与し、排ガス浄化装置の負荷を軽減する。燃焼改善はエンジン内部の清浄度を高め、エンジンオイルの劣化を抑制し、エンジン内の摩擦ロスを軽減する。摩擦低減による燃料節減とエンジンオイルの節減に寄与する。

微衝膜法によるスズ−アルミラス網の自然触媒は光や電気を必要とせず、軽量、コンパクトで半永久的な材料であり、メインテナンス上も有利、資源確保や安全性上の問題も無く、経済効果が高い。

車両の燃料タンクへ微衝膜触媒を入れて改質した燃料、或はバイオエタノール等水酸基を含む有酸素燃料を単独又は混合して、通常のガソリン、ディーゼル車に使用する場合、これと併用してつぎの事項を実施する：エンジンへの空気量の調整（若干絞る）と空気のラジカル化を目的にエアフィルター入口部の形状に合わせた微衝膜法による酸化スズ−アルミラス網触媒０．５ｔｍｍ、網目２ｘ３、３枚を挿入し燃費を実測し、燃費が最高となる枚数を選定或は重ね合わせを調整する。ラス網触媒を２枚以上重ねて使用する場合は、板厚の３倍以上の間隔を明けて網の重なりによる過剰な空気抵抗を防ぐ。

エアクリーナー部へ挿入するラス網触媒は重量当りの表面積が大きく、開口率が大きいことが理想で、より薄いラス網が期待されるが、微粒子高速投射法に耐える強度や経済性からアルミラスでは０．５ｔｍｍ、ステンレスラスでは０．３ｔｍｍとなる。アルミラス触媒０．５ミリメートル厚さの場合、軽自動車では４４ｇ、平面積７３０ｃｍ^２、１，０００ｃｃガソリン車では重量６０ｇ、平面積１，０００ｃｍ^２（３２ｘ３２ｃｍ）、程度で燃料改質と同等の効果、即ち併用により単独の２倍程度の燃費向上率が得られる。

ラス網触媒を取付ける位置はエアフィルターの入口と出口と両方があり、出口の方が効果が大きいと考えられるが、入口側と大差が無く、その一部破片やバリ等がエンジン内部へ入らぬよう、入口側が望ましい。

更に触媒効果を高める方法として、プラスチック又はステンレス網に入れた０．７マイクロシーベルト／ｈ程度の微弱なガンマ線を出す焼成セラミックボールまたはハニカム構造のセラミックをラス網触媒に近接して置くことにより、合計重量を減らすことができる。軽自動車の場合ガンマ線セラミックの所要量は５０ｇ程度、１０００ｃｃガソリン車では１００ｇ程度で充分である。即ち放射性セラミック単独で同じ目的を達する所要量の数分の１で足りる。

車両燃料としてバイオエタノールを単独又はガソリンと１０％以上混合して使用する場合、燃料タンク底へラス網自然触媒０．３〜０．５ｔｍｍを挿入する。前項と同様、チタンラス網が最良考えられるが、実用的には防食を配慮したアルミラス網、厚さ０．５ｔ、網目２ｘ３またはステンレスラス網触媒、厚さ０．３ｔｍｍが有効であり、網面はタンク底から２〜４ｍｍ離し、２枚以上重ねる場合は、網面間を２ｍｍ以上離すようスペーサーや予めラス網に加工した突起により維持し、水を含む燃料との接触や循環を容易にする。

更に燃料タンク内燃料の循環・融合を促進するため、タンク底、ラス網触媒上部に車両の走行振動で上下に動く、バネに支えられた錘部と同部に水平に接続するフレキシブルな薄板（尾びれのように働く）により走行振動で燃料に一方向の流れを与えることが出来る。

吸気部と同様、燃料部についても触媒の性能を高める為、放射線を発する天然鉱石を焼成セラミックボール等をラス網触媒等の近くに配置するかにより触媒材料との重量を軽量コンパクト化することができる。この種の触媒・機能強化策は半永久的であり、維持管理が容易で実用価値が高い。

軽自動車アルト３ＤＲ，２ＷＤＡＴ、Ｈ１３年型の未処理燃料による燃費は１１．７Ｋｍ／Ｌであった。これを基準とした。（日常走行８０４Ｋｍ、一般道が９０％、高速道路１０％：消費燃料６８．６６Ｌ）

このエアフィルター部入口側にチタンラス網触媒厚さ０．２ｔｍｍ、７枚（触媒表面積は１，３４８ｃｍ2）を挿入した所、燃費は１３．８Kｍ／Ｌになり燃費は１８％向上した。

次にチタンラス網触媒を取外し、燃料タンクへＰＰプラスチック網入りの微衝膜スズ触媒（通称ＰＩＰエコマジック、スズボール）２００ｇを挿入し、日常走行で燃費測定したところ、燃費は１３．６Kｍ／Ｌになり燃費向上率は１６％であった。燃料改質のための燃料タンクへセラミックボール触媒の挿入量は軽自動車で３００ｇ、１０００ｃｃガソリン車で５００ｇが標準と言われ、燃費改善率は１５％〜２０％の事例が多い。

燃料タンクへ微衝膜スズボール触媒を挿入のまま、更にエアフィルター部入口側にチタンラス網触媒を挿入し、日常走行で燃費測定したところ、燃費は１５．８Kｍ／Ｌになり燃費向上率は３５％であった。燃料改質と吸気改質の相乗効果と考えられる。

チタンラス網触媒の代わりに酸化錫−アルミラス：HA触媒厚さ０．５ｔ、網目２ｘ３、４枚を挿入した所、燃費は低下し、加速も悪くなったので３枚に減らし、網目を交互（２ｘ３，３ｘ２、９０度）にし、更に１ｍｍステンレスワイヤを間に入れ、網面間隔を維持した所、燃費向上率が２９％に回復、加速も良くなった。チタンラス０．２ｔｍｍの開口率は８２％（充填率１８％）に対し、アルミラス０．５ｔｍｍは開口率５４％（充填率４６％）隙間が小さいので相対的にアルミラスは表面積が大きく、相対的に小さい平面積で間に合う反面、空気抵抗を減らす配慮が必要であった。尚アルミラス０．３ｔは入手困難であった。
更にエアフィルター室開口部に対する１枚の網のカバレッジを８５％、（開口部１５％）にし、３枚の開口部を交互にし、カバレッジ３０％２枚を追加して重なりを２枚以上にし、網面間の隙間を３ｍｍ付けて燃費測定した所、燃費は１６．０Kｍ／Ｌになり燃費向上率は３７％であった。チタンラス網に比べ経済的なアルミラス−酸化錫触媒が同等以上の燃費改善を示した。以上の結果を微衝膜触媒による軽自動車の燃費向上データとしてまとめ表１に示す。

燃費率＝走行距離／消費燃料燃費向上率＝（燃費率−基準燃費率)／基準燃費（％）

前項に加え、吸気部ラス網触媒の付近に網入りの天然鉱石焼成セラミックボール５０ｇを追加（ガンマ線は直近で０．７マイクロシーベルト程度）して燃費を調べた所、燃費は
１７．１Kｍ／Ｌになり燃費向上率は４６％であった。（走行距離４１３Ｋｍ，消費燃料２４．１Ｌ）

ガソリン普通車についても００３２、００３３項と同程度の改善効果がみられる。
（トヨタファンカーゴ、１３００ｃｃ、２ＷＤAT、H１６年式、基準燃費１０．８Kｍ／
Ｌが微衝膜触媒で燃料と吸気を改質後１４．８Kｍ／Ｌ、燃費向上率３８％であった。）

ラス網型微衝膜触媒で吸気を改質することはディーゼルや小型ガスタービン等の内燃機関の燃焼改善にまた液体燃料のみならずガス燃料のボイラー等の燃焼改善に寄与しうる。
微衝膜触媒は高エネルギー電磁波で高い活性を示しており、航空エンジンのケース内面やブレードへの適用による燃焼改善が期待される。

微衝膜触媒適用概念図：遮光状態で機能する触媒を燃料改質と吸気改質に使用。燃料タンク内の燃料循環促進策：車両の走行振動で燃料の循環・混合改善。

符号の説明

１吸入エアー
２エアクリーナー部
２ａエアフィルター入口側のラス網触媒
２ｂエアフィルター
３燃料タンク
３ａタンク底の触媒材、ラス網又はハニカム構造触媒等
３ｂ燃料、バイオエタノール等有酸素燃料、混合燃料
４燃料制御装置
５ＥＣＵ
６エンジン本体
７酸素センサー
８排ガス浄化装置
９排気ガス
１０走行振動によるラス網触媒の動き。

Claims

酸素含有燃料を内燃機関燃料として使用する場合に、エアクリーナー部へ微粒子高速投射成膜法により酸化チタン又は酸化錫触媒を成膜したラス網を挿入することにより燃焼を改善する燃焼改善方法。
請求項１項と同様のラス網触媒を１枚以上、微生物の抑制とＰＨ調整及び混合燃料の融合目的で、車両の燃料タンク底に使用する燃焼改善方法。
前記ラス網は板厚０．１〜１．０ｍｍであり、触媒担体は硬質陽極酸化処理したアルミ又はアルミ合金、マグネシューム合金、ステンレス、及びチタン又はチタン合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼改善方法。
請求項１の酸素含有燃料とはバイオエタノール燃料、界面活性剤でエマルジョン化した燃料、触媒で水酸基を付加した燃料のいずれかであることを特徴とする燃焼改善方法。