JP2008309084A

JP2008309084A - 燃料への微小水滴添加による内燃機関の燃費改善方法およびそのための水滴添加装置

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Publication number: JP2008309084A
Application number: JP2007158690A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Sogo; 信義十河
Original assignee: SOGO JIDOSHA SEIBI KOJO KK
Current assignee: SOGO JIDOSHA SEIBI KOJO KK
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-25
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: JP4146499B1

Abstract

【課題】燃料中に微小水滴を分散させ燃費を改善する方法又は装置において、それらの調整を容易にする。
【解決手段】微小水滴を得るために水蒸気を作り、これを冷却する過程で均一に分散して微小水滴を形成し、燃料とともに供給して水蒸気爆発を起こさせる。吸入する微小水滴量は水の燃料に対する重量比率は０．１〜５％の範囲である。微小水滴の吸入開始は、吸気マニホールド内負圧２０mmHgを検知し、水蒸気供給パイプに取り付けたバルブをオフにし、また、微小水滴の吸入停止は、マニホールド内圧力が２０mmHg以上を検知してバルブをオンさせる。燃料中に微小水滴を供給する蒸発管の蒸気発生部を排気路中に、蒸発管の蒸気供給部（蒸気吸入部）を吸気路中に配設する。内燃機関の燃料中に微小水滴を供給する蒸発管の加熱部を排気マニホールドの排気路中に配設し、蒸発管の蒸気供給部（蒸気吸入部）を吸気マニホールドの吸気路中に配設する。
【選択図】図１

Description

内燃機関の燃費改善方法およびそのための装置に関し、詳しくは、内燃機関の排気マニホールド内の排気ガスの廃熱を利用して水蒸気を発生させ、キャブレータ或いは吸気マニホールド部において空気流中に吸入し、燃料と空気と水蒸気が液化した微小水滴とを燃焼室内で燃焼させることによって燃費を改善し、排気ガスの有害成分を削減する技術に関する。

なお、上記内燃機関はガソリン内燃機関、ジーゼル内燃機関、ロータリー内燃機関など動力源として使用される内燃機関を指し、また、燃料はガソリン、軽油、重油、アルコール、プロパンガスなど内燃機関に用いられる燃料の全てが含まれる。

地球温暖化が問題化し、温暖化対策として炭酸ガスの排出を削減する努力が行われている。２００５年２月には炭酸ガス排出の削減を約束する国際条約、京都議定書が発効し、世界的な炭酸ガス排出削減義務が本格化する状況にある。

内燃機関を使用する輸送用機械、特に自動車業界では内燃機関の改良、車体重量の軽減、内燃機関駆動と電池駆動を複合したハイブリッド車などの技術開発によって燃費改善を図り炭酸ガス排出削減に取り組んでいるが、自動車の生産及び普及台数は年々増加しており、わずかな燃費改善では炭酸ガス排出量を削減することは困難な状況にある。この課題を解決するためには内燃機関の革新的な燃費改善方法又は燃費改善装置の開発が不可欠である。

近時燃費改善のために燃料中に微少水滴を分散させて燃費の向上を図る技術が種々提案されている。その一つの方法として、添加剤を加えて水滴をエマルジョン化した乳化燃料が開発されている（特許文献１）。

また、燃料に水滴を混入し、内燃機関内で水蒸気爆発を起こさせて燃費の向上を図る装置、例えば、ガソリンエンジン、デイーゼルエンジン等の内燃機関においてシリンダー頭部に噴射ノズルを設け、燃料の燃焼のタイミングに合わせて水を噴射し水蒸気爆発を起こすもの（引用文献２）、水または加熱水または水蒸気をエンジン内で圧縮された水蒸気とし、ガソリンなどの燃料を着火させ水蒸気を誘爆させるもの（引用文献３）が提案されている。

公表特許２００３−５１８５５０公報特開２００１−１２３１０号公報特開２００２−２１３３０４号公報

上記乳化燃料は、排気ガスのＮＯｘ低減に効果を認めているが、燃費の向上には言及されていない。また、このような特殊な燃料形態は、普及している給油スタンドで容易に入手することは困難である。

また、水蒸気爆発を利用するものは、燃料中に水が入るとノック現象が起こり内燃機関の回転がスムーズにならないため、燃料中への水の混入は極力さけるようになっている。そのため、水滴の量、噴射のタイミングの調整は困難である。

そこで本発明は、燃料中に微小水滴を分散させて燃費を改善する方法又は装置において、それらの調整を容易にすることを課題とする。

上記課題を達成するために、発明者は自動車内燃機関を利用して鋭意研究を進め、燃料と空気の混合ガス中に微小水滴を添加することによってアイドリング時の内燃機関回転数が約２０％上昇することを発見した。燃料供給量が一定であるにもかかわらず、回転数が増加することは、燃焼効率の上昇を意味する。

吸入する微小水滴量は水の燃料に対する重量比率が０．１〜５％の範囲になるように内燃機関の回転数によって制御し、吸気マニホールド内の負圧が２０mmHgになったことを検知して、水蒸気供給パイプに取り付けたストップバルブをオフにし、マニホールド内の圧力が２０mmHg以上の圧力を検知してストップバルブをオンさせ、同時に、微小水滴吸入時のディストリビュータの進角範囲は１０〜３０度に調整し、点火時期を調整する。

本発明においては、微小水滴を得るために一度水蒸気を作り、これが冷却される過程で均一に分散した微小水滴を形成する現象を利用した。水蒸気を発生させる手段として内燃機関の高温排気を利用することとし、排気マニホールド内に小径の金属パイプを挿入し、この金属パイプ内に水を通すことで加熱水蒸気を得た。金属としては耐熱、耐食、高熱伝導度の金属であればよい。勿論、別に熱源を設けて水蒸気を得ることも可能である。また、均一な微小水滴を得るために噴霧を形成するノズルを用いても良い。

微小水滴量は、水タンクと排気マニホールドの間にニードルバルブを設け、バルブ開度の調整によって発生量を調整した。水タンクを内燃機関下部に設け、水の送給に重力を利用できない場合には水送給ポンプを使用する。

吸入する微小水滴量は水の燃料に対する重量比率が０．１〜５％の範囲で効果を示すが、２．５〜３．５％の範囲に選定することが望ましい。燃料消費量は内燃機関回転数によって変化するので、上記ニードルバルブの開度を内燃機関回転数と比例するように調整し、燃料供給量に対してほぼ一定比率の微小水滴量が吸入されるようにする。

微小水滴の吸入口をキャブレターエアホーンの中心部に選定することは、キャブレータを用いて燃料を気化させる形式の内燃機関に対して有効である。また、エアクリーナの中心部から水蒸気供給パイプを挿入できるので加工条件として有効である。

微小水滴吸入口を吸気マニホールドの入り口に選定することは、燃料噴射方式の内燃機関に対して有効である。

上記両方式共に、吸気マニホールドに圧力計を設置し、吸気マニホールド内の圧力が２０mmHgの負圧を検知して、水蒸気供給パイプに取り付けたストップバルブをオフすることにより、微小水滴の吸入を開始する。上記負圧は内燃機関回転数が約１，２００rpm以上で発生する。また、吸気マニホールド内の圧力が２０mmHg以上の圧力を検知してストップバルブをオンさせる事により水蒸気の吸入を停止する。すなわち、微小水滴の供給は内燃機関が一定の回転数以上で稼働している時にのみ行われることが重要である。

内燃機関始動前から水蒸気供給バルブが開いていると、始動時に比較的大きな水滴が混合気体中に吸入され、内燃機関の始動が不安定となる。また、内燃機関停止後に微小水滴が送給され続けると、イグニッションスパークがないにもかかわらずノック現象を伴いながら内燃機関は回転を続ける。

内燃機関が始動し、且つ吸気マニホールド内の圧力が２０mmHgの負圧を検知して、微小水滴を吸入開始すると共に、ディストリビュータの調整により１０〜３０度点火時期を早めることが有効である。これは後述するように、燃料の燃焼熱によって微小水滴が水蒸気爆発を起こすことから、爆発による体積膨張を最大限に活用するためには、燃焼開始時間を早める必要があるからである。

本発明においては燃料に対して重量比で０．１〜５％の水を水蒸気化し、微小水滴化して空気流中に吸入する。燃料と空気と微小水滴の混合したガスに点火すると、まず燃料の燃焼が始まり、燃焼熱の高温により微小水滴の気化すなわち水蒸気爆発が起こる。

微小水滴を燃料と空気の混合気の中に吸入し、内燃機関の燃焼室において燃料の燃焼によって引き起こされる微小水滴の気化、すなわち水蒸気爆発によって燃焼による混合気体の膨張が助長され、燃焼効率が上昇することによって燃費が改善される。

水蒸気発生の熱源として燃焼排ガスの廃熱を利用することによって、より効率的なシステムとなる。

排気ガスの分析結果は、通常運転時と水蒸気添加運転時とでＣＯ濃度が１．５％→０．５％、ＨＣ濃度が２５０ppm→１００ppmとなり、排気ガス中の有毒成分の減少が測定された。

微小水滴の吸入は吸気マニホールド内の圧力が２０mmHg以下の負圧を検知して開始される。同時に追加進角用電磁スイッチを動作させ、ディストリビュータの調整により１０〜３０度点火時期を早める。水蒸気の吸入と点火時期の調整が同時に行われるので、回転は極めてスムーズに維持される。

送給する水量は燃料重量の約３％であるから、給油所で燃料を補給する時に数Ｌの水を水タンクに補給してやればよい。

水タンク内の水がなくなり水の送給がなくなっても、燃料があれば内燃機関は回転を続けるため、蒸気発生装置の蒸発管が溶融したり、点火時期が進んだままの条件が継続される不都合を生じる。水量のチェックは燃料のチェック以上に重要であり、水タンクには水量計２０を設けて、一定レベル以下では警報を発するなどの対策が必要である。

図1は本発明の実施例のシステム図であり、図２は図１の要部の拡大図である。この実施例は、本発明の燃費改善装置を、燃料の供給にキャブレータを用いた内燃機関に適用した例であり、その内燃機関は、従来の内燃機関と同様に、燃料供給装置、燃焼（点火）装置、および給排気装置とを備え、この実施例の燃費改善装置は、水供給部、蒸気発生部、水滴供給部とで構成されており、水タンク中のポンプ排気路中に配置した給水パイプで構成した熱交換器に供給され、熱交換器中で加熱され蒸気になり、吸気路中に配置したエアクリーナの排気路中に供給され、燃料ポンプにより供給された燃料を気化するキャブレータで気化した燃料と混合してエンジンに供給される。

《水供給部》
上記水供給部は図１、図２に示すように、内燃機関の排気装置を構成する排気マニホールド９中に配置した蒸発管、蒸発管に供給する水を蓄える水タンク１１、水タンク１１中の水を水滴供給部に定量供給するための水供給パイプ４、水供給パイプ４中に配備されたON−OFFバルブ２、水量調整弁３、水供給パイプ４、逆流防止チェックバルブ５で構成されている。

《蒸気発生部》
上記蒸気発生部は図２に示すように、水供給パイプ４、蒸発管７、排気マニホールド９とで構成されており、排気路中に臨ませた加熱部により高温に熱せられた水を水蒸気と熱水とに分離し、水蒸気はエアクリーナ１５を介して燃料供給路に供給し、熱水は水タンクに戻すものである。

図３は蒸発管７を排気路中に取付けた状態を示すものであり、排気パイプ６の側壁には、水供給パイプ４によって送られてきた水を蒸発管７に流すための管継ぎ手８が設けられている。また、図４は蒸発管７を排気マニホールド９に取付けた状態を示すものであり、蒸発管７の一部に形成したコイル部を排気路の集合部に位置させ常に高温の排気ガスに曝されるように配置する。

《水滴供給部》
上記水滴供給部は図４に示すように、蒸発管７と、蒸発管７の終端に形成された蒸気吐出部とで構成されており、蒸気発生部で熱水と分離された水蒸気を、エアクリーナ１５の中心部に設けた濾過空気出口内に吐出し、水蒸気を冷却して微小水滴を形成させるものである。

上記構成の水滴供給装置は、水タンク１１に満たされた水は、水送給のON−OFFバルブ２、ニードルバルブからなる水量調整弁３を経て水供給パイプ４にて逆流防止チェックバルブ５に入る。水量調整弁３は内燃機関回転計の出力によって、内燃機関回転数と比例して制御される。逆流防止チェックバルブ５は排気パイプ６に取り付け、蒸発管７はパイプに設けられた孔を通して排気マニホールド９の中心部まで挿入される。蒸発管７の先端は熱交換を容易にするため、数回巻いておくことが望ましい。加熱水蒸気は水蒸気供給パイプによって水蒸気ストップバルブ１０を経てキャブレータエアホーン１１に導入される。

上記水蒸気ストップバルブ１０は、吸気マニホールド１２に取り付けた負圧感知センサー１３によって、吸気マニホールド１２内の圧力が２０mmHg以下の負圧を検知して、水蒸気供給パイプに取り付けた水蒸気ストップバルブ１０をオフすることにより、水蒸気の吸入を開始する。また、マニホールド内の圧力が２０mmHg以上の圧力を検知して水蒸気ストップバルブ１０をオンさせる事により水蒸気の送給を停止する。内燃機関が回転していても圧力が２０mmHg以上の場合は水送給のON−OFFバルブ２及び流量調整弁が開いて、水が供給されているので、発生した水蒸気はリターンパイプ１４によって水タンク１内に戻される。

また、吸気マニホールド１２内の圧力が２０mmHg以下の負圧を検知して、追加進角用電磁スイッチを動作させ、ディストリビュータ１８（図示していない配線を経由して点火プラグ１７に電力を供給する）の調整により１０〜３０度点火時期を早める。すなわち、微小水滴吸入時のみ点火時期を早めている。

上記構成の燃費改善方法をガソリン内燃機関としてＡ社の排気量１８００cc乗用車を使用して走行実験を行った結果、通常の走行では１０回の走行実験の燃費は８〜１０km／ｌであったのに対し、本発明の推奨する条件、すなわち１，２００rpm以上で微小水滴添加量３％、点火時期を３０度はやめて同一区間の走行実験を行った。１０回の走行実験の燃費は１５〜１８km／ｌとなり燃費の改善が確認された。

図５は本発明の他の実施例のシステムズであり、この実施例は燃料の供給に燃料噴射ポンプを用いた例であり、内燃機関および水滴供給装置の基本的構成は、実施例１と同様であるが、実施例１がキャブレータで気化された燃料を燃焼室に供給するのに対し、インジェクタ１６で燃料を燃焼室に噴射供給する点で相違する。

この実施例は、本発明の燃費改善装置を、燃料の供給にキャブレータを用いた内燃機関に適用した例であり、その内燃機関は、従来の内燃機関と同様に、燃料供給装置、燃焼（点火）装置、および給排気装置とを備え、この実施例の燃費改善装置は、水供給部、蒸気発生部、水滴供給部とで構成されており、水タンク中のポンプ排気路中に配置した蒸発管７で構成した熱交換部に供給され水蒸気になりエアクリーナ１５に供給され、燃料ポンプにより供給された燃料はキャブレータで気化され水滴と混合してエンジンに供給される。

図６は、実施例２における水滴供給部の取付け部の構成を示すものであり、蒸発管７は吸気マニホールド１２に混合気を供給する吸気路中に位置されている。

本発明を、キャブレータ方式の内燃機関に適用した例のシステム図である。図１の要部拡大図である。図３は蒸発管を排気路中に取付け状態図である。図４は蒸発管を排気マニホールドに取付け状態図である。本発明を、インジェクション方式の内燃機関に適用した例のシステム図である。実施例２における水滴供給部の取付け部の構成を示す図面である。

符号の説明

１水タンク１
２水送給のON−OFFバルブ
３水量調整弁
４水供給パイプ
５逆流防止チェックバルブ
６排気パイプ
７蒸発管
８管継ぎ手
９排気マニホールド
１０水蒸気ストップバルブ
１１キャブレターエアホーン
１２吸気マニホールド
１３負圧感知センサー
１４リターンパイプ
１５エアクリーナ
１６インジェクタ
１７点火プラグ
１８ディストリビュータ

Claims

微小水滴を得るために一度水蒸気を作り、これを冷却する過程で均一に分散して微小水滴を形成し、燃料とともに供給して水蒸気爆発を起こさせることを特徴とする内燃機関の燃費改善方法。
吸入する微小水滴量は水の燃料に対する重量比率が０．１〜５％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費改善方法。
微小水滴の吸入開始は、吸気マニホールド内の圧力を測定し、２０mmHgの負圧を検知して、水蒸気供給パイプに取り付けたストップバルブをオフすることにより、また、微小水滴の吸入停止は、マニホールド内の圧力が２０mmHg以上の圧力を検知してストップバルブをオンさせることで行うことを特徴とした請求項１記載の内燃機関の燃費改善方法。
燃料中に微小水滴を供給する蒸発管の蒸気発生部を排気路中に、蒸発管の蒸気供給部（蒸気吸入部）を吸気路中に配設したことを特徴とする内燃機関の燃費改善装置。
内燃機関の燃料中に微小水滴を供給する蒸発管の加熱部を排気マニホールドの排気路中に配設し、蒸発管の蒸気供給部（蒸気吸入部）を吸気マニホールドの吸気路中に配設したことを特徴とする内燃機関の燃費改善装置。