JP2012237313A

JP2012237313A - 内燃機関の燃費削減方法および燃費削減装置

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Publication number: JP2012237313A
Application number: JP2012103572A
Authority: JP
Inventors: Kaichiro Sakurada; 嘉一郎櫻田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-12-06
Also published as: WO2012147216A1

Abstract

【課題】燃料消費量を著しく低減できる内燃機関の燃費削減方法および燃費削減装置を提供すること。
【解決手段】駆動中の内燃機関のシリンダに供給され燃料と混合されてシリンダ内における爆発に寄与する空気が前記シリンダに供給される前にこの空気に対し発光ダイオード１１から近赤外領域の光を照射し、空気中の気相水の液相水への変化を減少させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気に対して含有する気相水(水蒸気)のスペクトル吸収波長を適宜に選択し、最適化した発光ダイオード（ＬＥＤ）を回路基板に敷設し、発光ダイオードを照射可能に備えて吸入空気に照射することによって、燃料消費量を著しく低減化できる内燃機関の燃費削減方法および燃費削減装置に関する。

内燃機関に用いられる燃料には、ガソリン、軽油、Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油があり、添加剤の開発とか、燃料添加・投入方法の改善といった内燃機関そのものの改良による燃費改善の努力が永年なされてきたが、内燃機関におけるエネルギ消費量は未だに高いが、技術的には更なる改善の余地が少なくなりつつある。

化石資源枯渇と地球温暖化の問題を受けて、乗用車、トラック、バスなどに対する燃費規制が現実の段階に入り、燃費削減のため、メーカーサイドではハイブリッド自動車や電気自動車の開発が進められているのが現状である。

ところで、ハイブリッド自動車、電気自動車の開発が進められているが、双方とも価格的には高価で、乗用車のユーザ離れが起きている。

すなわち、内燃機関とモータを組み合わせたハイブリッド自動車は、構造的にモータ、バッテリと内燃機関との一体化した構成が複雑であるし、内燃機関自体を用いない電気自動車は、走行距離が短いし、バッテリの価格が車体価格の１／２を占めるといった問題があるほか、バッテリを構成するリチューム、レアアースなどの特殊金属の資源問題がその先に立ち塞がっている。

このため、従来から、内燃機関の燃料の燃焼効率を向上させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、２）。

このうち、特許文献１に記載のものは、物質波共振装置に直流電流を利用してその出力を銅板に流すことにより低電圧で銅イオンを発生させるようにし、かつ、物質波を含んだ電流をＬＥＤランプから流すことにより燃焼度の向上を持続させるようにしたものである。

また、特許文献２に記載のものは、内燃機関の燃焼空気の通路に反射体と照射体とを貼り合わせた部材を配置して、二酸化炭素、一酸化炭素および窒素酸化物の排出を低下させるようにしたものである。

特開２００９−０４１４１２号公報特開２０００−２６５９０９号公報

前述した特許文献１に記載のものによれば、たしかに燃費削減をはかることができるかもしれない。しかしながら、引用文献１のものにおいては、銅板を反射板として使用しなければならないため、構造が複雑になる。

また、特許文献２に記載のものによれば、内燃機関のアイドリング時における排出ガスの低減化と限定されているので、一般走行時に排出ガスの低減化がはかれるかは不明である。

本発明は、このような従来のものにおける問題点を克服し、簡単な構成により燃料消費量を著しく低減できる内燃機関の燃費削減方法および燃費削減装置を提供することを目的としている。

ところで、空気中にあるＮ₂（窒素ガス）、Ｏ₂（酸素ガス）のような等核二原子分子は、振動してもその双極子モーメントが全く変化しない特性を有している。よって、内燃機関の吸入空気中に第３の成分として２％程度含まれている気体としての水分子（気相水）が内燃機関における燃費削減のための検討の対象となった。

気相水が内燃機関のシリンダに吸入されるときは、シリンダ内の負圧により吸引される。このとき、吸入される気相水は霧状（液相水）に変化することになる。

一般に、化学実験で沈殿物を濾過するとき、時間を短縮する目的で真空引きをすることがある。このようにして濾液を取り出すとき、濾過鐘（ベルジャー）に空気を入れて取り出すが、このとき、べルジャー内に吸引された空気の水分は霧状（液相水）に変化することになる。この水蒸気の霧化は、気圧変化と温度の影響を受け、空気中に含まれる超微細な粒子を核として生成される。この液相水は、シリンダがピストンにより圧縮されてもそのままの状態で存在するから、内燃機関における燃料の爆発に負の力となって関与することになる。

この気相水の負の作用を減ずるには、粉塵爆発の原理に近い雰囲気の環境条件を創出することが考えられるが、この技術は内燃機関の爆発サイクルに応用可能であるので、第三の空気含有成分である気相水についての吸収スペクトルを追跡した。

まず、内燃機関の吸入空気中の気相水が霧化されて液相水になるのをいかなる手段で阻止できるか、もしくは、霧化現象をいかに少なくすることができるか、気相水の物理的性質について検討した。

１００℃においては、１８．８ｃｍ³の液相水が気相水になると３０．１×１０³ｃｍ³になる。液相水が気相水になると体積が１６００倍にも増加することにより、気相水における分子間の平均距離は、液相水に比べて約１１倍も広がっている。

液相水において水分子は互いに接しているが、気相水の分子はばらばらになって分子間に働く引力は急激に小さくなり、分子間引力による縛りは殆ど働かなくなる。

液相水（２５℃）の水分子運動（ブラウン運動の集計）速度は５０ｍ／ｓｅｃ、同じく気相水は５８３ｍ／ｓｅｃとなり、液相水の分子速度は気相水の１／１１ということになる。

そして、気相水の吸収スペクトルに適合した波長の光を照射すると、液相水の水分子は光のエネルギを吸収してさらにその振動は激しくなる。

人の目には見えない赤外線と可視光線の中間に位置する８００〜３０００ｎｍの近赤外線の光を内燃機関の吸入空気に照射したところ、その実測の結果、顕著な効果を認めた。

一般に、光は「波」としての性質と、「粒子」としての性質を兼ね備えているが、近赤外分光法などの分析においては「波」、換言すると「振動」としての性質を利用している。

本発明の燃費削減方法および装置は、光の振動としての性質を利用するものである。

水は水素（Ｈ）と酸素（Ｏ）の原子から構成されているが、実際にはこれらの原子が結合してできた分子から成り立っている。原子は絶えず振動しており、その結果、分子も振動（分子振動）することになる。そこで、この分子振動と同じ固有振動数を有する光が水に照射されると、光のエネルギが水の分子に吸収され、分子の振動および回転エネルギに変換される。特に、赤外領域の光が分子に照射されると、分子の基準振動による光エネルギの吸収が生じ、近赤外領域では、この基準振動の倍音または結合音による光エネルギの吸収となる。この近赤外領域における光エネルギの吸収は、特に、水素原子を含むＨ−Ｏ、Ｎ−Ｈ、Ｃ−Ｈなどの官能基が中心となる。

内燃機関のシリンダに吸入される空気はあくまでも、燃料を適宜な条件で爆発させることを目的としている。したがって、液相水の存在は不要であり、液相水をできるだけなくすことで燃料の爆発効率を向上させることになる。

そこで、気相水の段階で水分子が吸収する波長である近赤外線をこの気相水に照射することによって、気相水にこの光の振動エネルギを担持させ、内燃機関のシリンダ内で圧縮されても、気相水としての状態を維持したまま、爆発に関与するようにした。

水分子（Ｈ_２Ｏ）のＨ―Ｏ間距離は９８．８５ｐｍ（ピコメートル：１／１０オングストローム）と極小で、可視光波長よりもさらに小さい存在である。そして、気相水分子が近赤外線を吸収することにより共振・共鳴振動が激しくなるが、気相水分子の赤外領域の振動は熱エネルギに変換され、この熱を放射しながら内燃機関のシリンダに吸引され、シリンダ内における爆発のエネルギに寄与することになる。この結果、燃費の削減が可能となる。

前述した粉塵爆発の条件としては、
１．粉状態の燃料（５０μ〜１００μ以下）が存在すること。
２．燃料の融点が低く、着火性に優れていること。
３．大きな燃焼が得られること。
４．雰囲気中の水分が少なく乾燥していること。
５．粉塵濃度は０．２〜０．５％の範囲内であること。
６．酸素濃度は１４〜１６％以上であること。

これらの条件下で、６．酸素濃度は１４〜１６％以上であることを念頭に入れ、４．雰囲気中の水分が少なく乾燥していることに注目した。

これは内燃機関の混合ガスの濃度より低く、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンでは異なるが、現状の燃費を３／４程度削減できる可能性はあると考えた。すなわち、気相水に対する好適スペクトルの光を照射し、気相水を高エネルギ状態に保持すれば実現可能と判断した。

近年、可視光発光ダイオード（ＬＥＤ）の進化が目覚しいので、この可視光発光ダイオードをエネルギ源として使用し、長波長変換のために、変換フイルム、波長変換プラスチックなどを発光面に被着すると近赤外領域の光を充分に照射できるようになることも判った。

ところで、近赤外領域の光は人の目には見えないが、ＣＣＤカメラの赤外線を使用しているレンズを通して見ると良く見える。要は水分子のヒドロキシル基（Ｈ−Ｏ）との光吸収の実態を確認することで判る。ガラス製のプレパラートボックスに水を入れて発光ダイオードを発光状態にして水の中に通すと、光源の発光ダイオードの光より光輝度、光量が減衰しているかどうかを観察することができる。

この観察を行なうことにより、可視光の場合は肉眼により確認できるし、近赤外の波長の光の場合はＣＣＤカメラにより確認できる。

前述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の内燃機関の燃費削減方法は、駆動中の内燃機関のシリンダに供給され燃料と混合されてシリンダ内における爆発に寄与する空気が前記シリンダに供給される前にこの空気に対し発光ダイオードから近赤外領域の光を照射し、空気中の気相水の液相水への変化を減少させることにある。

また、本発明の請求項２に記載の内燃機関の燃費削減方法は、前記近赤外領域の光の波長が８００〜３０００ｎｍとされていることにある。

本発明の請求項３に記載の内燃機関の燃費削減装置は、駆動中の内燃機関のシリンダに供給され燃料と混合されてシリンダ内における爆発に寄与する空気を清浄化するエアクリーナ内に空気に対し近赤外領域の光を照射する複数の発光ダイオードを配設したことにある。

また、本発明の請求項４に記載の内燃機関の燃費削減装置は、前記複数の発光ダイオードが基盤に整列配置されていることにある。

さらに、本発明の請求項５に記載の内燃機関の燃費削減装置は、前記近赤外領域の光の波長が８００〜３０００ｎｍとされていることにある。

本発明に係る内燃機関の燃費削減方法および装置によれば、空気に近赤外領域の光を発光ダイオードから照射して、気相水の液相水への変化を阻止するので、粉塵爆発と同様な爆発を内燃機関のシリンダ内において行うことができ、効率よく燃費削減を行うことができる。

本発明に係る燃費低減装置の第１実施形態を示すエアクリーナの斜視図図１のエアクリーナの縦断面分解斜視図図１のエアクリーナの蓋体とクリーナ本体を分解した斜視図本発明に係る燃費低減装置の第２実施形態を示すエアクリーナの斜視図図４に使用されている発光ダイオードユニットの斜視図Ａは図４のエアクリーナを収納するケーシングの斜視図、ＢはＡのケーシングに図４のエアクリーナを収納する状態を示す斜視図

以下、本発明を図面に示す実施の形態により詳細に説明する。

図１ないし図３は本発明に係る燃費低減装置の第１実施形態を示すものであり、この燃費低減装置は、自動車の図示しないエンジン（内燃機関）へ清浄化した空気を供給するためのエアクリーナ１を有している。このエアクリーナ１は、全体として箱形に形成されており、このエアクリーナ１は、上部開口３を有するクリーナ本体２と、このクリーナ本体２に被着される蓋体４とを備えている。

前記クリーナ本体２には、空気をエアクリーナ１内に導入するための空気導入管５が突設されており、クリーナ本体２の上端部には、通過する空気を清浄化するためのフィルタ部材６が張設されている。また、前記蓋体４には、前記フィルタ部材６を通過することにより清浄化された空気をエンジンに供給するための空気供給管７が突設されている。なお、前記クリーナ本体２の表裏をなす２つの側壁には、前記蓋体４を固定するための各１対の掛止ばね部材８，８が枢着されている。前記掛止ばね部材８，８は、一側壁のもののみ図示してある。

前記クリーナ本体２内には、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１１，１１…が整列状に配設された基盤１０からなる発光ダイオードユニット９が装着されている。この発光ダイオードユニット９における発光ダイオード１１の数については、一例として１列１０個のものが２列で合計２０個配置されている。前記各発光ダイオード１１は、図示しない電源からの給電により８００〜３０００ｎｍの範囲の近赤外領域の光をクリーナ本体２内におけるフィルタ部材６に向けて照射するようになっている。これらの発光ダイオード１１は、エンジンを駆動するときにのみ発光するように、エンジンのＯＮ、ＯＦＦと同期するようにイグニッションキーの動作と連動するようになっている。なお、前記各発光ダイオード１１は、前記フィルタ部材６より下流側に設けてもよいし、上流側と下流側の両方に設けてもよい。

なお、発光ダイオード１１として、８００〜３０００ｎｍの範囲の近赤外領域の光を発光できるものを用意してもいいが、近年、可視光発光ダイオードの進化が目覚しいので、この可視光発光ダイオードを使用し、長波長変換のために、変換フイルム、波長変換プラスチックなどを発光面に被着することによっても近赤外領域の光を充分に照射できる。また、前記発光ダイオード１１の素子としては、インジューム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）のいずれかから構成されている。

さらに、前記各発光ダイオード１１の電源としてはバッテリを用いる。自動車の場合、バッテリは１２Ｖのものと，２４Ｖのものに分けられるが、ダイナモからバッテリに入る電源は２割程度高めになっているので、その分を念頭に入れ、適当な抵抗とスイッチとを介して各発光ダイオード１１に接続されるのが好ましい。このため、前記基盤１０には、各発光ダイオード１１に給電するための導線１２が接続されている。

つぎに、前述した構成からなる本実施形態の作用について説明する。

エンジンのシリンダに供給される空気には、塵芥などの不純物が含まれているので、エンジンへ空気を供給する途中、エアクリーナ１に空気を通過させることにより空気中に含まれている不純物を除去してシリンダに供給される空気を清浄化する。

本実施形態においては、前記エアクリーナ１内に複数の発光ダイオード１１が配設されており、各発光ダイオード１１がフィルタ部材６に向けて８００〜３０００ｎｍの近赤外領域におけるいずれかの波長の近赤外光を発光している。そして、各発光ダイオード１１からの近赤外光がエアクリーナ１内を通過している空気に照射されると、空気中に含まれている気相水に光の振動エネルギが担持されるので、気相水の分子の運動はさらに激しくなり、分子間距離が拡がることになる。すると、気相水は液相水になりにくいので、多くの気相水がそのままの状態でシリンダに供給されることになる。したがって、内燃機関のシリンダ内で圧縮されても、気相水としての状態を維持したまま、爆発に関与することになる。

表１は、図１のエアクリーナ１内において２０個の発光ダイオード１１を８００〜３０００ｎｍという近赤外領域内における特定の波長の光で発光させたときの燃費低減を実験した結果を示すものである。

市販自動車（三菱パジェロ、ＫＨ−Ｖ７８Ｗ、排気量３２００ｃｃ、ディーゼルエンジン、燃費削減装置を用いないで表１に記載のようにして実測した通常走行時の燃費は６．５２Ｋｍ／ｌ）を用い、表１に記載の２０個の発光ダイオード１１を電気的に直列または並列に接続してエアクリーナ１の内面に取り付けた。その際，適宜抵抗を用いて自動車のバッテリを電源とした場合に各発光ダイオード１１に所望の波長の電流が流れるように配線した。

この発光ダイオードユニット９を自動車のエンジンルームに戻して、各発光ダイオード１１が点灯するようにヒューズボックスに配線した。

この自動車を用い、表１に記載の距離（１１４．２Ｋｍ）の走行試験を１６回（Ａ−Ｐ）行った。各走行試験は、東京都江東区東雲ガソリンスタンド（宇佐美）〜新木場ＩＣ〜千葉県富里市富里ＩＣの往復で行った。いずれの走行試験の際も、走行試験を行う直前に燃料タンクを満タンにし、走行試験直後に再び燃料タンクを満タンにして、その際、新たに注入された燃料の量を消費燃料とした。また、自動車の走行距離計の値の増分から実際の走行距離を計測した。走行距離には細かい誤差はあったものの、ほぼ１１４．２Ｋｍであった。

これらの測定値から結果を評価し、その結果を表１に記載した。

この表１の結果によると、各発光ダイオード１１の波長８５０ｎｍのとき３データの平均６０．０７％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長８７０ｎｍのとき３データの平均５７．４６％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長９４０ｎｍのとき４データの平均６２．１３％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長９７０ｎｍのとき３データの平均６７．９７％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長１４５０ｎｍのとき３データの平均７４．８１％の燃費削減率となった。

このように、エンジンに導入される空気に近赤外領域の光を照射すると、空気中における気相水の液相水への変化が阻止され、粉塵爆発と同様の爆発がシリンダ内において生じるため、高率の燃費削減を行うことができた。

図４ないし図６は本発明に係る燃費低減装置の第２実施形態を示すものであり、この燃費低減装置は、自動車の図示しないエンジン（内燃機関）へ清浄化した空気を供給するためのエアクリーナ２１を有している。このエアクリーナ２１は、図４に示すように、全体として円筒形に形成されており、円盤状の上下端板２２，２３間に空気が流通可能な金網からなる円筒状フィルタ部材２４が支持されている。この円筒状フィルタ部材２４の外周には、空気中に含まれている不純物を除去してシリンダ（図示せず）に供給される空気を清浄化する布状のフィルタ本体（図示せず）が装着されるようになっている。

前記上端板２２には、中央開口２５が形成されており、この中央開口２５を介して空気に近赤外領域の光を照射する発光装置２６が前記エアクリーナ２１内に収納されるようになっている。

前記発光装置２６は、図５に詳示するように、三角筒状の長尺の金属製のフレーム２７を有しており、このフレーム２７を構成している３つの板体２８，２８…のそれぞれには、各２つの縦長の基盤２９，２９が複数のスペーサ３０を介して前記各板体２８から離間するようにねじ３１により固定されている。

前記各基盤２９には、前実施形態と同様、一例として各２０個の発光ダイオード３２が１列１０個で２列にわたって装着されている。したがって、前記エアクリーナ２１には、合計１２０個の発光ダイオード３２が配設されていることになる。前記発光ダイオード１１の素子としては、インジューム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）のいずれかから構成されている。

前記１２０個の発光ダイオード３２のそれぞれは、図示しない電源からの給電により８００〜３０００ｎｍの範囲の近赤外領域の光をエアクリーナ２１の外周面のフィルタ部材２４に向けて照射するようになっている。これらの発光ダイオード１１は、エンジンを駆動するときにのみ発光するように、エンジンのＯＮ、ＯＦＦと同期するようにイグニッションキーの動作と連動するようになっている。

前記フレーム２７の上端は三角形状の蓋体３３により被覆されている。

また、前記フレーム２７の上下端部には、各板体２８からそれぞれ被固定用アーム３４，３５が突設されており、各アーム３４，３５を前記上下端板２２，２３に固定することにより発光装置２６が前記エアクリーナ２１内において固定されることになる。

前記発光装置２６を備えたエアクリーナ２１は、図６Ａに示すケーシング３６内に装着されるようになっている。

前記ケーシング３６は平面視楕円形の外周壁３７を有しており、この外周壁３７の上端には、上部開口３８が形成されている。また、前記外周壁３７の下端には、中央に空気供給管４０を備えた底壁３９が連設されており、この底壁３９には、前記エアクリーナ２１の上端板２２の中央開口２５の外周に形成された突部２２Ａが嵌着される受け座４１が形成されている。

また、前記外周壁３７には、空気導入管４２が形成されている。なお、前記ケーシング３６内にエアクリーナ２１を配設すると、エアクリーナ２１の円筒状フィルタ部材２４は、前記ケーシング３６の外周壁３７から距離を隔てて離間するようになっている。

そして、前記エアクリーナ２１をケーシング３６に設置するためには、前記エアクリーナ２１の下端板２３に前記ケーシング３６の上部開口３８に嵌着される楕円形板４３を固着し、図６Ｂに示すように、手でエアクリーナ２１を上下逆に持って、エアクリーナ２１をケーシング３６内に下ろし、図示しない固定部材によりケーシング３６に固定すればよい。

エンジンのシリンダに供給される空気には、塵芥などの不純物が含まれているので、エンジンへ空気を供給する途中、エアクリーナ２１に空気を通過させることにより空気中に含まれている不純物を除去してシリンダに供給される空気を清浄化する。

本実施形態においては、前記エアクリーナ２１内に複数の発光ダイオード３２が配設されており、各発光ダイオード１１がフィルタ部材２４に向けて８００〜３０００ｎｍの近赤外領域におけるいずれかの波長の近赤外光を発光している。そして、各発光ダイオード３２からの近赤外光がエアクリーナ２１内を通過している空気に照射されると、空気中に含まれている気相水に光の振動エネルギが担持されるので、気相水の分子の運動はさらに激しくなり、分子間距離が拡がることになる。すると、気相水は液相水になりにくいので、多くの気相水がそのままの状態でシリンダに供給されることになる。したがって、内燃機関のシリンダ内で圧縮されても、気相水としての状態を維持したまま、爆発に関与することになる。

本実施形態においても前実施形態と同様、高率の燃費削減を行うことができる。

１，２１エアクリーナ
２クリーナ本体
４蓋体
５，４２空気導入管
６，２４フィルタ部材
７，４０空気供給管
９発光ダイオードユニット
１０，２９基盤
１１，３２発光ダイオード（ＬＥＤ）
２２上端板
２３下端板
２６発光装置
３６ケーシング
３７外周壁
３９底壁
４１受け座
４３楕円形板

Claims

駆動中の内燃機関のシリンダに供給され燃料と混合されてシリンダ内における爆発に寄与する空気が前記シリンダに供給される前にこの空気に対し発光ダイオードから近赤外領域の光を照射し、空気中の気相水の液相水への変化を減少させることを特徴とする内燃機関の燃費削減方法。
前記近赤外領域の光の波長は８００〜３０００ｎｍとされていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃費削減方法。
駆動中の内燃機関のシリンダに供給され燃料と混合されてシリンダ内における爆発に寄与する空気を清浄化するエアクリーナ内に空気に対し近赤外領域の光を照射する複数の発光ダイオードを配設したことを特徴とする内燃機関の燃費削減装置。
前記複数の発光ダイオードが基盤に整列配置されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃費削減装置。
前記近赤外領域の光の波長は８００〜３０００ｎｍとされていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の内燃機関の燃費削減装置。