JP2008513670A

JP2008513670A - 自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム

Info

Publication number: JP2008513670A
Application number: JP2007532247A
Authority: JP
Inventors: ハ、ヨンギル; キム、ユンハ
Original assignee: コリアエンバイアンメントテクノロジーカンパニー、リミテッド
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2008-05-01
Also published as: KR100653881B1; WO2006033542A1; US20070266995A1; CN100523474C; US7543577B2; CN101023260A; KR20040089025A

Abstract

本発明は、自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムに関し、より詳しくは、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工法を応用して空気中の酸素と窒素を分離して純粋酸素９５％以上の酸素を得て、全てのエンジンの燃焼室に酸素と燃料を混合して供給及び燃焼させることで、低燃費で目的とするエンジン出力が得られて、窒素（Ｎ_２）を事前に除去することによって燃焼過程の窒素酸化物（Ｎｏｘ）を最小化することは勿論、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）及び有害ガス発生を完全燃焼で最小化した自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムに関するものである。
ここに、本発明は、自動車のエンジン１に酸素を供給して不完全燃焼時に発生する有害ガスの最小化及び低燃費で高出力が得られるようにした自動車エンジンの低燃費低公害燃焼システムであって、外部から吸入した空気を一定の圧力で吸着塔１７ａ、１７ｂに吸着させて空気中に含まれた酸素と窒素を分離すると共に、分離された酸素は酸素貯蔵タンク２０に貯蔵し、窒素は外部に排出させる酸素分離手段１１と、酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素をエンジン１の燃焼室２に供給できるようにエンジン１と連通されるように連結する吸気管３０と、酸素貯蔵タンク２０と吸気管３０を連結する移送管２３に順次に設けられて、酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素を吸気管３０を介して前記燃焼室２に供給すると共に、酸素の圧力を調節する第１圧力調節器２１及び酸素に含まれた水分を分離する第１油水分離機２２と、吸気管３０を通過する酸素の濃度をチェックしてエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に信号を伝送する比例制御用酸素センサ３２と、を含んで構成され、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、比例制御用酸素センサ３２から入力された情報によって前述の各構成要素を制御して酸素と燃料を最適の燃焼条件でエンジン１の燃焼室２に供給するようになされることを特徴とする。

Description

本発明は、自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムに関し、より詳しくは、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工法を応用して、空気中の酸素と窒素を分離して純粋酸素９５％以上の酸素を得て、全てのエンジンの燃焼室に酸素と燃料を混合して供給及び燃焼させることで、低燃費で目的とするエンジン出力が得られて、窒素（Ｎ_２）を事前に除去することによって燃焼過程の窒素酸化物（Ｎｏｘ）を最小化することは勿論、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）及び有害ガス発生を完全燃焼で最小化した自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムに関する。

エンジンの一般的な構造は、ピストン（Piston）、コネクティングロッド（Connecting rod）、クランク軸（Crank shaft）の器具で構成されており、真円筒となるシリンダの内で、ピストンの気密を維持しながら直線往復動し、その往復動をコネクティングロッドを通じてクランク軸の回転運動に変換させる。

燃料の化学的なエネルギーは、混合気の燃焼により熱エネルギー（ガスの圧力）に変わり、この膨脹圧力はピストンを押し下げながらクランク軸を回転させて機械的なエネルギー（動力）に変えて外部に仕事をすることになる。

現在の自動車燃焼技術は、排気ガス排出が酷くて環境汚染の主犯となっている。

排気ガスとは、シリンダの内で燃焼した後、排気パイプを介して外部に排出されるガスをいい、排気ガスの成分の大部分は無害な水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、窒素（Ｎ_２）、炭酸ガス（ＣＯ_２）などや、有害物質としては一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（Ｎｏｘ）の他に若干の鉛酸化物と炭素粒子などが含まれている。

ここで、公害防止のための減少対象物質は、主にＣＯ、ＨＣ、Ｎｏｘである。

ブローバイガスはピストンとシリンダの隙間を過ぎてクランクケースの中に抜け出るガスであり、クランクケースエミッション（crankcase emission）ともいう。ブローバイガスの成分の７０〜９５％が未燃焼燃料（ＨＣ）で、残りは燃焼ガスと部分酸化した混合ガスである。

ブローバイガスがクランクケースの中に滞留すれば、エンジンの内部が腐食され、エンジンオイルが悪くなるため、従来にはクランクケースの換気のために大気中に放出したが、有害物質中、炭化水素（ＨＣ）の排出割合が大きいため、これを再燃焼（浄化）させて放出する装置を取り付けることになったものである。

排出ガスが人体に及ぼす影響は、一酸化炭素（ＣＯ）は燃料が不完全燃焼する時に発生する無色、無臭のガスである。一酸化炭素（ＣＯ）が人体に吸入されれば血液の中で酸素を運搬するヘモグロビンと結合するため、身体の各部に酸素の供給が足りないことになって、どの限度に到達すれば中毒症状を起こす。

一般に、０．１５％の一酸化炭素（ＣＯ）が含まれた空気中で１時間いれば生命が危険であり、これは私達の家庭で使用する煉炭から発生する一酸化炭素（ＣＯ）の中毒事故を通じてよく知っている事実である。

炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）となっている化合物を総称して炭化水素（Hydrocarbon）という。炭化水素（ＨＣ）は、排気ガスだけでなく、ブローバイガスや燃料蒸発ガスの中にも入っている。自動車から放出される炭化水素の中で、排気パイプから排出されるものが約６０％であり、クランクケースのブローバイガスで排出されるものが約２５％、蒸発ガスで排出するものが約１５％である。

濃度の低い炭化水素は、呼吸器系統に刺激を与える程度であるが、酷ければ粘膜や目を刺激することになる。

窒素化合物は、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏなどの種々の化合物があるので、これらを総称して窒素酸化物（Ｎｏｘ）という。窒素は空気の約７９％を占めて、安定した燃焼では簡単に酸化しないが、燃焼室の内の高温高圧で空気と接触、酸化して窒素酸化物になる。これは目に刺激を与え、かつ肺の機能に障害を起こすと共に、光化学スモッグの原因となる。ここで、光化学スモッグ（smog）とは、煙（smoke）と霧（fog）の合成である。排気ガスの中に入っている窒素化合物の９５％がＮＯ_２であり、ＮＯは３〜４％程度である。

光化学スモッグは、自動車や工場及び発電所などで排出される炭化水素や窒素酸化物が直接スモッグになるのでなく、大気中で強い太陽光線（紫外線）を受けて光化学反応を繰り返して生じ、目や呼吸器系統に刺激を与える物質が２次的に形成されてスモッグとなる。

自動車用ガソリンにはオクタン価を高めるために４メチル鉛（ＰＢ（ＣＨ_３）_４）や４エチル鉛（ＰＢ（Ｃ_２Ｈ_５）_４）が添加されているので、排気ガスで鉛化合物が検出されるが、添加物自体が非常にきつい物質である。４メチル鉛が燃焼により酸化鉛などの形態で排出されて空気を通じて体内に入ると、消化器及び筋肉神経などに障害を与える。現在生産されている全てのエンジンの自動車は４メチル鉛などを添加しない無鉛ガソリンを使用している。

高性能エンジンに供給される混合比は燃焼効率の最も高い理論混合比（重量比で空気１４．７：燃料１）を中心にしてこれより少し稀薄な経済混合比（１６：１）と更に濃厚な最大出力混合比（１２．５：１）の範囲で使われる。

このような混合比はエンジンの性能面で最も良いものであるが、この混合気の濃度によって、その燃焼速度に大きい差があり、混合比と排気ガスに含まれた有害ガスの発生量との間には次のような関係がある。

１．濃厚な混合気では、窒素酸化物（Ｎｏｘ）は減少するが、炭化水素（ＨＣ）が増加する。
２．稀薄な混合気では、一酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）は減少するが、窒素酸化物（Ｎｏｘ）は増加する。
３．非常に稀薄な混合気では、窒素酸化物（Ｎｏｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）は減少するが、炭化水素（ＨＣ）は増加する。

そして、エンジンの温度と有害ガスとの関係は低温でエンジンが冷たい時は燃料の霧化が悪くて、吸入された混合気が冷たい吸気マニホールドやシリンダ壁に接触してガソリンの一部が凝結して液体状態や粒子状態になるので、これを勘案して濃厚な混合気を送る。したがって、その混合気は空気量が足りない結果となって、一酸化炭素（ＣＯ）が発生し、燃焼温度が低いので、窒素酸化物（Ｎｏｘ）は減少するが、未燃焼炭化水素（ＨＣ）は増加する。

また、高温で、冷却水の温度が８９〜９０℃である時は、燃料の気化作用が促進されて経済的な運転となる。しかしながら、エンジンの温度が過度に高い時は、過熱（overheat）、デトネーション（detonation）、早期点火（preignition）などの障害が発生して燃焼温度が過度に上昇するため、窒素酸化物（Ｎｏｘ）の発生量は増加する。

減速する時は加速ペダルを急に置いて急減速をすればスロットルバルブが急に閉じるので、マニホールドに瞬間的に強い真空が発生する。その結果、吸入空気は減少する一方、ガソリンは増加して、混合比が余りに長くなると共に、シリンダの圧縮圧力は低くなる。

このため、燃焼温度が下がり、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）が増加することになり、クエンチングゾーン（quenching zone）の形成により炭化水素（ＨＣ）の発生が増加する。

クエンチングゾーン（Quenching zone）は消炎層ともいい、比較的温度の低い燃焼室の壁面やシリンダとピストンとの間の隙間（crevice volume）、そしてバルブの小さな隙間などは炎の影響を受けないので、この地域では不完全燃焼が発生することになるが、このような不完全燃焼地域をクエンチングゾーンという。

エンジンの負荷と有害ガスの発生には、低速運転の際、エンジンは空回転及び減速走行、低速及び底負荷時には混合気が濃厚になり、ガスの圧縮圧力は低くなって、混合気の燃焼速度が遅い。したがって、圧力がより低くなり、不完全燃焼になって一酸化炭素（ＣＯ）が発生し、またガス温度が低いため、クエンチングゾーンが厚く出来て炭化水素（ＨＣ）が発生する。したがって、負荷の低い普通走行時にも有害ガスが排出される。

また、低速運転時はバルブのオーバーラップ時に一部の混合気がそのまま排出されて炭化水素（ＨＣ）を放出することになる。

併せて、高負荷運転をする時はタイミングが進角されるので、圧縮圧力とガス温度が上昇して燃焼効率の良い一方、このため、一酸化炭素（ＣＯ）の発生は比較的少ないが、炭化水素（ＨＣ）が発生することになる。

したがって、上記のように有害な排気ガスを浄化するための装置として触媒コンバータが使われているところ、触媒コンバータケースの内側に設けられる触媒担体（substrate）に白金（Ｐｔ）と少量のロジウム（Ｒｈ）を混合したものが取り付けられて排気ガスを浄化するようにしており、上記の白金は主に一酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）の酸化作用に使われ、ロジウムは主に窒素酸化物（Ｎｏｘ）の還元作用のために使われる。

しかしながら、上記のような触媒コンバータは、その作動領域が理論空燃費の付近の混合気が燃焼されて排出される場合のみに最も円滑な作動ができるようになっているので、円滑な触媒作用のためにはエンジンの空燃費を理論空燃費の付近に制御しなければならない技術的な困難性があった。

上記した従来の問題点を解決するための本発明の目的は、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工法を応用して空気中の酸素と窒素を分離して純粋酸素９５％以上の酸素を得て、全てのエンジンの燃焼室に酸素と燃料を混合して供給及び燃焼させることで、低燃費で目的とするエンジン出力が得られて、窒素（Ｎ_２）を事前に除去することによって燃焼過程の窒素酸化物（Ｎｏｘ）を最小化することは勿論、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）及び有害ガス発生を完全燃焼に最小化した自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムを提供することにある。

また、酸素を燃焼工程に使用することにより、未燃焼分の燃料と燃焼に寄与しない不活性気体の量を減少させて燃焼効率を極大化させると共に、燃焼室の場合、酸素富化率１％当たり約１〜３％の燃料低減が可能であり、酸素富化率を高めて熱效率が向上できる自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムを提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明は、自動車のエンジンに酸素を供給して不完全燃焼時に発生する有害ガスの最小化及び低燃費で高出力が得られるようにした自動車エンジンの低燃費低公害燃焼システムであって、外部から吸入した空気を一定の圧力で吸着塔に吸着させて空気中に含まれた酸素と窒素を分離すると共に、分離された酸素は酸素貯蔵タンクに貯蔵し、窒素は外部に排出させる酸素分離手段と、酸素貯蔵タンクに貯蔵された酸素をエンジンの燃焼室に供給できるようにエンジンと連通するように連結される吸気管と、酸素貯蔵タンクと吸気管を連結する移送管に順次に設けられて、酸素貯蔵タンクに貯蔵された酸素を吸気管を介して燃焼室に供給すると共に、酸素の圧力を調節する第１圧力調節器及び酸素に含まれた水分を分離する第１油水分離機と、吸気管を通過する酸素の濃度をチェックしてエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に信号を伝送する比例制御用酸素センサと、を含んで構成され、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、比例制御用酸素センサ３２から入力された情報によって各構成要素を制御して酸素と燃料を最適の燃焼条件でエンジンの燃焼室に供給するようになされることを特徴とする。

産業上利用可能性

前述した本発明によれば、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工法を応用して空気中の酸素と窒素を分離して純粋酸素９５％以上の酸素を得て、全てのエンジンの燃焼室に酸素と燃料を混合して供給及び燃焼させることにより、低燃費で目的とするエンジン出力を得ることができ、窒素（Ｎ_２）を事前に除去することによって燃焼過程の窒素酸化物（Ｎｏｘ）を最小化することは勿論、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）及び有害ガス発生を完全燃焼で最小化して環境汚染を減らすことができる。

また、酸素を燃焼工程に使用することで、未燃焼分の燃料と燃焼に寄与しない不活性気体の量を減少させて燃焼効率を極大化させると共に、燃焼室の場合、酸素富化率１％当たり約１〜３％の燃料の低減が可能であり、酸素富化率を高めて熱效率が向上する。

そして、外部環境に関らず、常に一定に暑い酸素を供給することにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の発生が最小化し、燃焼効率をより高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照しつつ詳細に説明すれば次の通りである。

従来の構成と同一な構成及び作用に対する具体的な説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムをディーゼルエンジンに適用した場合を示す図である。

本発明に係る自動車エンジンの低燃費低公害燃焼システム１０は、ディーゼルエンジン１、ガソリンエンジン１、ＬＰＧエンジン１などに全て同一に適用でき、ここで、各エンジン１の細部構成及び作用に対する説明は公知であるので、省略することにする。

まず、図１に示すように、ディーゼルエンジン１に適用される低燃費低公害燃焼システム１０は、外部から吸入した空気を一定の圧力で吸着塔１７ａ、１７ｂに吸着させて、空気中に含まれた酸素と窒素を分離した後、この際、分離された酸素は酸素貯蔵タンク２０に貯蔵し、窒素は外部に排出させる酸素分離手段１１がエンジン１の付近に設けられる。

ここで、酸素分離手段１１は、空気中の酸素と窒素を分離する方法として広く知られたＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工法を応用して自動車エンジン１に適用したものであり、これを具体的に説明すれば次の通りである。

酸素分離手段１１は、外部空気を吸入すると共に、浄化させる空気フィルタ１２と、空気フィルタ１２の一側に設けられて空気フィルタ１２から吸入された空気を一定の圧力で移送させる空気圧縮機１３と、空気圧縮機１３から供給受けた一定の圧力の空気で酸素と窒素を分離する複数個（図面では２つ）の吸着塔１７ａ、１７ｂと、空気圧縮機１３と吸着塔１７ａ、１７ｂを連結すると共に、空気吸入チェックバルブ１５ａ、１５ｂが備えられた空気移送配管１４ａと、吸着塔１７ａ、１７ｂと酸素貯蔵タンク２０を連結して吸着塔１７ａ、１７ｂで分離された酸素を酸素貯蔵タンク２０に移送すると共に、酸素排出チェックバルブ１８ａ、１８ｂが備えられた酸素供給配管１９と、吸着塔１７ａ、１７ｂに連結／設置され、吸着塔１７ａ、１７ｂで分離された窒素を外部に排出すると共に、窒素排出チェックバルブ１６ａ、１６ｂが備えられた窒素排出配管１４ｂと、酸素分離手段１１の構成要素を酸素使用量によって制御する酸素供給制御ユニット１１ａとからなる。

すなわち、酸素分離手段１１はエンジン１で燃焼に必要な酸素を供給する部分であって、空気中に酸素と窒素を分離して、窒素は排出し、酸素はエンジン１に供給することになり、酸素供給制御ユニット１１ａの制御により燃焼に必要な量だけ酸素を生産して続けて供給するようになるものである。

そして、酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素をエンジン１の燃焼室２に供給できるようにエンジン１と連通するように連結される吸気管３０が設けられる。

吸気管３０は、酸素貯蔵タンク２０と移送管２３に連通するように連結される。

また、酸素貯蔵タンク２０と吸気管３０を連結する移送管２３には第１圧力調節器２１と第１油水分離機２２が順次に設けられる。

第１圧力調節器２１は、酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素を吸気管３０を介してエンジン１の燃焼室２に供給すると共に、この時に供給される酸素の圧力を一定に調節することになる。

第１油水分離機２２は、移送管２３を通過する酸素に含まれた水分を分離するものである。

一方、吸気管３０には、エンジン１で燃焼時に足りない酸素が供給できるように外部空気を吸入して供給するエアークリーナー３１が更に設けられることができる。

そして、吸気管３０の下流側には吸気管３０を通過する酸素の濃度をチェックしてエンジン１の全体を管掌するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）５０に信号を伝送する比例制御用酸素センサ３２が設けられる。

すなわち、比例制御用酸素センサ３２は、供給される酸素の濃度をチェックしてエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に伝送することにより、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０では比例制御用酸素センサ３２から入力された情報によって前述した各々の構成要素を制御して酸素と燃料を最適の燃焼条件に作った後、エンジン１の燃焼室２に供給するものである。

また、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、エアークリーナー３１から空気が供給される場合、比例制御用酸素センサ３２から伝送される情報によって酸素と空気を混合比例して酸素と空気比を最適の燃焼条件に合せることになる。

ここで、もし純粋酸素のみを供給して燃焼を行う場合には、エアークリーナー３１から供給される空気をすっかり遮断させた後、純粋酸素のみエンジン１の燃焼室２に供給して燃料と共に燃焼させることになる。

そして、吸気管３０側にはエンジン１に供給される酸素を外部環境に関らず、常に適正温度を維持するようにして燃焼効率を高めることができるように酸素温度制御手段４０が備えられる。

すなわち、エンジン１に供給される酸素を寒い時も暑い時も常に一定に暑い酸素を供給することになれば、一酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）の発生を最小化することができる。

このため、酸素温度制御手段４０は一側に吸気管３０の内の一部の酸素を供給受けることができるように圧力調節器４２が設けられ、下段部は圧力調節器４２から供給受けた酸素を加熱して吸気管３０に暖かい酸素が供給できるようにエンジン１の排気マニホールド５と連結されるように設けられた昇温マニホールド４１と、昇温マニホールド４１の入口及び吸気管３０の内部通路を選択的に開閉する制御バルブ４４と、吸気管３０の制御バルブ４４の上部側に設けられ、吸気管３０を介して供給される酸素温度を感知する温度感知器４５の制御により制御バルブ４４を作動させる真空負圧器４３とからなる。

したがって、供給される酸素の温度が高ければ（略４５℃以上）温度感知器４５は真空負圧器４３を作動させて昇温マニホールド４１の入口を制御バルブ４４で閉鎖して冷たい酸素を供給することになり、逆に、供給される酸素の温度が低ければ（略５℃以下）温度感知器４５は真空負圧器４３を作動させて昇温マニホールド４１の入口を制御バルブ４４で開放して暑い酸素を供給することにより完全燃焼を助けることになる。

このように、酸素温度制御手段４０は供給される酸素の温度によって真空負圧器４３を制御して制御バルブ４４を作動させることで、冷たい酸素と暖かい酸素を適切に混合して完全燃焼することができる最適の酸素温度に合せるようになるものである。

以下、本発明に係る低燃費低公害燃焼システム１０の作用を説明すれば次の通りである。

まず、酸素分離手段１１は、２つの吸着塔１７ａ、１７ｂで相互交互に酸素を生産することになる。すなわち、１つの吸着塔１７ａで酸素を生産する際、他の１つの吸着塔１７ｂでは吸着された窒素を外部に排出する。

したがって、空気フィルタ１２を介して供給される清浄空気は空気圧縮機１３により空気移送配管１４ａに沿って一定の圧力で１つの吸着塔１７ａに供給される。この際、一定の圧力の空気により吸着塔１７ａが加圧され、吸着塔１７ａが加圧されながら窒素は吸着剤１７ｃに吸着され、酸素は気体状態で吸着塔１７ａの内に存在することになる。

次に、吸着塔１７ａの内に存在する気体状態の酸素は酸素排出チェックバルブ１８ａが開くことになれば、酸素供給配管１９に沿って移動しながら酸素貯蔵タンク２０に移動することになる。この際、酸素を排出する吸着塔１７ａの窒素排出チェックバルブ１６ａは閉鎖状態となる。

一方、他の吸着塔１７ｂでは、以前工程で吸着された窒素を窒素排出チェックバルブ１６ｂが開くことになれば窒素排出配管１４ｂを介して外部に排出することになる。この際、窒素を排出する吸着塔１７ｂの酸素排出チェックバルブ１８ｂは閉鎖状態となる。

このように、上記２つの吸着塔１７ａ、１７ｂは、上記した過程を交互に遂行しながら連続に酸素を生産することになる。

次に、酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素は第１圧力調節器２１により吸気管３０に移送される。この過程で、酸素貯蔵タンク２０と吸気管３０を連結する移送管２３に設けられた第１油水分離機２２により酸素に含まれた水分が除去される。

吸気管３０に移送された酸素はエンジン１側に供給されることになるが、この際、比例制御用酸素センサ３２は供給される酸素の濃度をチェックしてエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に信号を伝送することになる。この信号を伝達受けたエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、エアークリーナー３１から供給される空気と混合比例して酸素と空気比を最適の燃焼条件に合せることになる。

勿論、純粋酸素のみを供給して燃焼を行う場合は、エアークリーナー３１から供給される空気をすっかり遮断させた後、純粋酸素のみエンジン１の燃焼室２に供給して燃料と共に燃焼することになる。また、燃焼室２の温度とエンジン速度の制御をエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０から信号を受けて酸素と燃料供給を調整することになり、この過程を上記２つの吸着塔１７ａ、１７ｂが交互に遂行しながら連続に酸素を製造して、エンジン１で消費されただけの酸素は続けて製造／補充することになる。

一方、吸気管３０の一側に設けられた昇温マニホールド４１は、燃焼効率を高めるために吸気管３０を通過する酸素の温度をほぼ一定に（暑い酸素に）維持することになるが、すなわち、昇温マニホールド４１は一側に設けられた圧力調節器４２により吸気管３０内の一部の酸素を供給受けて、この酸素をエンジン１に連結された排気マニホールド５から発生する熱を用いて加熱させた後、吸気管３０にまた供給することになる。

この際、昇温マニホールド４１の入口を開閉する制御バルブ４４は、吸気管３０を通過する酸素の温度を感知する温度感知器４５により調整されながら吸気管３０を通過する冷たい酸素と昇温マニホールド４１から供給される暑い酸素を混合して常に一定の温度の暑い酸素をエンジン１の燃焼室２に供給することになる。

すなわち、温度感知器４５は吸気管３０を通過する酸素の温度によって真空負圧器４３の作動を調節することになるが、この際、供給される酸素の温度が高ければ（略４５℃以上）温度感知器４５は真空負圧器４３を作動させて昇温マニホールド４１の入口を制御バルブ４４で閉鎖して冷たい酸素を供給することになり、逆に、供給される酸素の温度が低ければ（略５℃以下）温度感知器４５は真空負圧器４３を作動させて昇温マニホールド４１の入口を制御バルブ４４で開放して暑い酸素を供給することにより完全燃焼を助けることになる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムをガソリンエンジンに適用した場合を示す図であって、前述した第１実施形態と異なる構成及び作用に対してのみ説明し、重複される説明は省略する。

図示したように、第２実施形態は本発明の低燃費低公害燃焼システム１０をガソリンエンジン１に適用したことを除き、全ての構成及び作用は上記の第１実施形態と同一である。

但し、第２実施例のように、ガソリンエンジン１ではエンジン１の燃焼室２に燃料と酸素を混合して直接噴射する直接噴射手段６０が更に備えられることができる。

直接噴射手段６０は、エンジン１の吸気バルブ３の上流側に設けられ、酸素と燃料を同時に供給受けて混合／噴射するインジェクタ４と、酸素貯蔵タンク２０とインジェクタ４を直接連結する移送管６３に順次に連結／設置され、酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素をインジェクタ４に直接供給すると共に、酸素の圧力を調節する第２圧力調節器６１及び移送管６３に設けられて酸素に含まれた水分を分離する第２油水分離機６２とからなる。

したがって、酸素貯蔵タンク２０の酸素を第２圧力調節器６１が移送管６３を介してインジェクタ４に直接供給し、インジェクタ４では供給受けた酸素と燃料を混合した後、燃焼室２に供給して燃焼することになる。この際、第２圧力調節器６１により移送管６３を通過する酸素は、第２油水分離機６２で水分が除去された状態で供給される。

一方、酸素と燃料の調整は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０の信号を受けたＦＢＳ（Feed Back Solenoid）制御により調整噴射して燃焼することになる。

図３は、本発明の第３実施形態に係る燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムをＬＰＧエンジンに適用した場合を示す図であって、前述した第１、２実施形態と異なる構成及び作用に対してのみ説明し、重複される説明は省略する。

図示したように、第３実施形態は本発明の低燃費低公害燃焼システム１０をＬＰＧエンジン１に適用したことを除き、全ての構成及び作用は上記の第２実施形態と同一である。

但し、第３実施例のように、ＬＰＧエンジン１では、酸素温度制御手段４０を省略することができ、併せて第２実施例のように直接噴射手段６０が選択的に備えられることができる。

以上、説明したように、本発明では低燃費低公害燃焼システム１０を便宜上、ディーゼルエンジン１に適用したことに対して具体的に説明したが、ガソリンエンジン１及びＬＰＧエンジン１にも同様に適用できることは勿論、自動車の他にも全てのエンジンに同一に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムをディーゼルエンジンに適用した場合を示す図である。本発明の第２実施形態に係る燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムをガソリンエンジンに適用した場合を示す図である。本発明の第３実施形態に係る燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システムをＬＰＧエンジンに適用した場合を示す図である。

Claims

自動車のエンジン１に酸素を供給して不完全燃焼時に発生する有害ガスの最小化及び低燃費で高出力を得ることができるようにした自動車エンジンの低燃費低公害燃焼システムであって、
外部から吸入した空気を一定の圧力で吸着塔１７ａ、１７ｂに吸着させて空気中に含まれた酸素と窒素を分離すると共に、分離された酸素は酸素貯蔵タンク２０に貯蔵し、窒素は外部に排出させる酸素分離手段１１と、
前記酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素を前記エンジン１の燃焼室２に供給できるようにエンジン１と連通するように連結される吸気管３０と、
前記酸素貯蔵タンク２０と吸気管３０とを連結する移送管２３に順次に設けられ、前記酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素を吸気管３０を介して前記燃焼室２に供給すると共に、酸素の圧力を調節する第１圧力調節器２１及び酸素に含まれた水分を分離する第１油水分離機２２と、
前記吸気管３０を通過する酸素の濃度をチェックしてエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に信号を伝送する比例制御用酸素センサ３２と、を含んで構成され、
前記エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、前記比例制御用酸素センサ３２から入力された情報によって前記各構成要素を制御して酸素と燃料を最適の燃焼条件でエンジン１の燃焼室２に供給するようになされることを特徴とする自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。
前記酸素分離手段１１は外部空気を吸入すると共に、浄化させる空気フィルタ１２と、
前記空気フィルタ１２の一側に設けられて空気フィルタ１２から吸入された空気を一定の圧力で移送させる空気圧縮機１３と、
前記空気圧縮機１３から供給受けた空気で酸素と窒素を分離する複数個の吸着塔１７ａ、１７ｂと、
前記空気圧縮機１３と吸着塔１７ａ、１７ｂを連結すると共に、空気吸入チェックバルブ１５ａ、１５ｂが備えられた空気移送配管１４ａと、
前記吸着塔１７ａ、１７ｂと前記酸素貯蔵タンク２０とを連結して前記吸着塔１７ａ、１７ｂで分離された酸素を酸素貯蔵タンク２０に移送すると共に、酸素排出チェックバルブ１８ａ、１８ｂが備えられた酸素供給配管１９と、
前記吸着塔１７ａ、１７ｂに連結／設置されて吸着塔１７ａ、１７ｂで分離された窒素を外部に排出すると共に、窒素排出チェックバルブ１６ａ、１６ｂが備えられた窒素排出配管１４ｂと、
前記酸素分離手段１１の構成要素を酸素使用量によって制御する酸素供給制御ユニット１１ａからなることを特徴とする請求項１記載の自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。
前記吸気管３０側には前記エンジン１で燃焼の際、足りない酸素が供給できるように外部空気を供給するエアークリーナー３１が更に設けられることを特徴とする請求項１記載の自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。
前記吸気管３０側にはエンジン１に供給される酸素を外部環境に関らず、常に適正温度を維持するようにして燃焼効率が高められるように酸素温度制御手段４０が備えられることを特徴とする請求項１記載の自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。
前記酸素温度制御手段４０は、一側に前記吸気管３０内の一部の酸素を供給受けることができるように圧力調節器４２が設けられ、下段部は前記圧力調節器４２から供給受けた酸素を加熱して吸気管３０に暖かい酸素が供給できるようにエンジン１の排気マニホールド５と連結されるように設けられた昇温マニホールド４１と、
前記昇温マニホールド４１の入口及び吸気管３０の内部を選択的に開閉する制御バルブ４４と、
前記吸気管３０の一側に設けられ、吸気管３０内の酸素温度を感知する温度感知器４５の制御により前記制御バルブ４４を作動させる真空負圧器４３と、
からなることを特徴とする請求項４記載の自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。
前記エンジン１の燃焼室２に燃料と酸素を混合して直接噴射する直接噴射手段６０が更に備えられることを特徴とする請求項１記載の自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。
前記直接噴射手段６０は、前記エンジン１の吸気バルブ３の上流側に設けられ、酸素と燃料を同時に供給受けて混合／噴射するインジェクタ４と、
前記酸素貯蔵タンク２０とインジェクタ４とを直接連結する移送管６３に順次に連結／設置され、前記酸素貯蔵タンク２０に貯蔵された酸素を前記インジェクタ４に直接供給すると共に、酸素の圧力を調節する第２圧力調節器６１と、
前記移送管６３に設けられて酸素に含まれた水分を分離する第２油水分離機６２と、
からなることを特徴とする請求項６記載の自動車エンジンの燃料と酸素混合供給方法の低燃費低公害燃焼システム。