JP3195267U - 内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置に関し、特に化石燃料を燃焼することで動作する自動車、船舶、鉄道車両、産業車両、産業機械等に用いる内燃機関の燃費と排出ガス同時改善装置を提供する。【解決手段】実際に酸水素ガスを発生させるドライセルユニット１０３には、電極板を９枚使用し、直流電圧２４Ｖを印加し、１電極当たり３．０Ｖの電圧がかかるよう設定し、電解液は１．０％のＫＯＨ液を使用している。ドライセルユニット１０３へ電解液（水）を供給する為の電解液供給用タンク４００は電解液の供給だけでなく、電解液を循環させ冷却させる役目も担っており、放熱板や温度センサー、循環ポンプ、冷却用ＤＣＦＡＮ等で構成されている。バブラー５００は、ドライセルユニット１０３から発生した水素と酸素の混合ガスを、さらに完全なガス（水分が除去された）に分離させ、ガスに着火された時、着火された火が逆流しないように逆火防止弁が付設されている。【選択図】図１

Description

本考案は内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置に関し、特に化石燃料を燃焼することで動作する自動車、船舶、鉄道車両、産業車両、産業機械等に用いる内燃機関の燃費と排出ガスを同時に改善することのできる装置を提供するものである。

すなわち本考案は、内燃機関の空気吸入口に酸水素混合ガス発生装置及び燃費改善装置（空気流量調整兼水素ガス発生装置）を付設し、燃費（燃料消費率）を２０％以上削減し、且つ、ＣＯ，ＣＯ２，ＨＣ，ＰＭ，黒煙、ＮＯ_ｘ等の排出ガスを３０％以上削減することのできる内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置を提供する。

内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置に付設する酸水素混合ガス発生装置開発の背景は以下に示す通りである。
現在、クリーンエネルギーの代表的なものとしては、最近国内では少しずつ話題となっている、水を電気分解して発生させる酸水素混合ガスがある。
このガスは一般的には、「ブラウンガス」あるいは「オオマサガス」と人名で呼ばれることも多いが、正式にはそのガスの成分から酸水素混合ガス又は「ＨＨＯガス」と称されるものである。
この酸水素混合ガス（以下ＨＨＯガスと称する）の特徴は以下の通りである。
▲１▼安全性が高い
通常、ＨＨＯガスはエンジン等の燃焼装置の空気に混ぜて燃焼させる。この時の水素と酸素の比率は２：１で、Ｈ２ガスと異なり着火しても爆発せず、爆縮する為、一瞬真空状態となり、発生装置がへこむ程度である。
▲２▼燃焼時「爆縮」現象を発生
燃焼時は爆発現象を示さず、火花が内部に集まりながら焦点を形成して周辺を真空化する。
▲３▼被燃焼物に応じた燃焼温度
原子状の酸素と水素の混合ガスということで、その燃焼は「触媒燃焼」と同様な現象が発生し、炎の周辺に手をかざしても熱くないのに、鉄等の金属に照射すると溶解させるほどの温度にまで上昇する。
よって金属類の溶断・溶接にアセチレンガスの替りに使用することができる。
（既に水エネルギーによる溶断装置として市販されている）
▲４▼エネルギーの発生効率が高い
発生効率が高くなる理由としては、一つには熱線が外部に放出されず輻射熱によるエネルギー損失がないということと、もう一つは原子が分子になる時の発熱エネルギーも利用できる為。
▲５▼大気汚染等の公害発生がない
ガス自体に酸素を含んでいるので、燃焼時外部からの酸素供給の必要がない為、密閉状態での燃焼が可能。燃焼後は水だけしか発生しない。排気ガスはゼロ。さらに化石燃料と異なり、炭素を含まないので、ＣＯやＣＯ２も発生しない。

このＨＨＯガスの生成方法は、水に直流電流を印加して発生させ、この時水素と酸素の混合割合が２：１の混合ガスであり（Ｈ＝６７％、Ｏ＝３３％）、常圧においての発火点が５７０℃。常温常圧では、水素が体積の４〜９５％を占めている場合に、燃焼する。そして一度着火、燃焼すると、この気体は発熱反応により水蒸気へと替り、その発熱によって反応が持続する。１ｃｃ水の燃焼にて、１４１．９ＫＪのエネルギー（高発熱量）を発生し、発生する熱エネルギーの量は燃焼の形式には影響されないが、炎の温度は変化する。
炎自体の温度は約２８０℃と低いが、鉄にあてるとこれを溶かしてしまったり、タングステン（融点＝３，４８０℃）をあてるとこれも溶かしてしまうというように、相手の物質次第で温度が変わる特性がある。
これは大気中で水素ガスを燃焼させた場合よりも、約７００℃ほど高いが、逆に水素と酸素の混合比が２：１でない場合や窒素のような不活性気体が混ざっている場合は、熱がより大きな体積へ拡散する為、温度が低くなる。
・電気分解による反応式 ： ２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２
・燃焼における反応式 ： ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ

水を電気分解するのに要するエネルギーは、発生したガス（ＨＨＯガス）を燃焼して得られるエネルギーよりも大きくなるということで、従来この種の装置の変換効率は４０〜５０％程度が限界とされている。

通常、電気分解により、水からＨＨＯガスを発生させる場合、例えば直流電力にて２００Ｗを印加した場合、１分間当り約１，６８０ｃｃのＨＨＯがスが発生すると、そのエネルギーとしての変換効率は１００％であると規定されてきているが、（ＨＨＯガスの１Ｗ当たりの発生効率＝８．４ｃｃ／Ｗ／分）、これまで市販されている装置においては、３６０Ｗの電力を印加して、１分間当たり４５０ｃｃの発生（変換効率＝約１５％、発生効率＝１．２５ｃｃ／Ｗ／分）に留まったり、せいぜい２００Ｗの印加で７００ｃｃの発生（（変換効率＝約４２％、発生効率＝３．５ｃｃ／Ｗ／分）というあたりの装置が最も変換効率の高い装置ということになっている。

このような状況下、出願人はこの度、４８０Ｗの電力の印加で、１分間当たりのＨＨＯガスの発生量を最大で，３，５００ｃｃまで上昇（変換効率＝約８７％、発生効率＝７．３ｃｃ／Ｗ／分）させてきており、おまけに装置の価格をリーズナブルな価格（従来比約１／２）で市場投入した。

このＨＨＯガスの効果としては、上記のような発生効率が低い装置を用いた場合であっても、発生したガスをそのまま車のエンジンやボイラー等に吸引させることで、簡単に２０％以上の燃費改善効果が達成できたという事例があり、発生装置の規模をより大規模化し、発生したガスを燃焼させ、その熱エネルギーを利用するようにした場合、従来のエネルギー源を利用した場合との比較では、１６０％以上の発電効率が家庭用の自家発電や、産業向け大規模発電システムにおいて達成される、と予想されている。

特開２０１２−１２２０９２号公報 実用新案登録第３１９１０８１号公報

前記せる特開２０１２−１２２０９２号公報は、内燃機関の燃焼を補助する燃焼補助装置であって、水を収容するための水収容部と、前記水収容部内に配置され、前記水を電気分解し、酸水素ガスを発生する正極部と負極部と、前記正極部と負極部は、少なくとも、チタンを有する基材と、前記基材の表面に形成された少なくとも、インジウムを有する触媒層を備えた燃焼補助装置である。

また、前記せる実用新案登録第３１９１０８１号公報は、液体燃料の燃焼効率を向上して燃費を節減し得る燃料改善システムであって、水を電気分解して酸水素ガスを発生する酸水素ガス発生器を有し、酸水素ガスをバブル化して液体燃料に混合する混合燃料を使用するものである。

前記せる先行技術文献は、いずれも酸水素ガスを液体燃料に混合することを主なる技術思想とするものであった。

これに対して本考案は、内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置に関し、特に化石燃料を燃焼することで動作する自動車、船舶、鉄道車両、産業車両、産業機械等に用いる内燃機関の燃費と排出ガスを同時に改善することのできる装置を提供するものである。

本考案は前記せる課題を以下の構成によって解決するものである。
すなわち、本考案の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置は、内燃機関の空気吸入口に酸水素混合ガス発生装置及び燃費改善装置を付設し、燃費の削減と共に排出ガス中のＣＯ、ＣＯ２、ＨＣ、ＰＭ、黒煙、ＮＯ_ｘを削減することを特徴とし、酸水素混合ガス発生装置が、装置筺体内にドライセルユニット、電解液供給用タンク、バブラーを配置したことを特徴とし、ドライセルユニットを電極板の外側にパッキンを使用して電解液を密閉するドライセル方式としたことを特徴とし、ドライセルユニットで生成された酸水素混合ガスが、エンジンとエアーフィルター間に送出されるように構成したことを特徴とし、燃料改善装置をエアーフィルターの入り口に配置され、該燃費改善装置のドラム内に、金属マグネシウム、角閃石、ネオジウム磁石の混合粒を収納したことを特徴とし、燃費改善装置のドラムの前後にパンチングされたメッシュプレートを取付け、空気の流速を制御可能に構成したことを特徴とし、燃費改善装置のドラムの前後にパンチングされたメッシュプレートを高流速空気が通過することで微量の水素ガスを発生させ、該微量の水素ガスを含む高流速空気をエンジン内に送りこむことにより燃費改善ができることを特徴とし、ドライセルユニットに電解液を供給する電解液供給用タンクには、レベルセンサーとポンプが設置されており、ドライセルユニット上部からバブル状の酸水素ガス含有電解液が電解液供給用タンクに戻されて循環され、電解液の目減りを防止し、電解液の一定量を保持するように構成されていることを特徴とし、バブラーが、ドライセルユニットで生成された酸水素ガスから水分を除去し、ガス成分のみを分離し、燃焼ガスの燃焼炎の逆流を防止する逆流防止弁を備えたことを特徴とし、ドライセルユニットで生成した酸水素混合ガスは直接燃焼させず、エンジンのインティークマニュホルドにて吸引させて燃料の消費量を軽減させるように構成されたことを特徴とする内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置である。

本考案は以上説明したように構成されているので、「酸水素ガスの発生効率」を高めて「必要以上な電解液の温度上昇を防止する」という目的を達成する為に、高濃度なアルカリ性の電解液にも耐性のある「チューブ式ポンプ」を導入し、これでセル（ドライセル）に強制的に電解液を圧送し、電解槽タンクとの間を高速度で循環させ、冷却ファンも取付ることで、電解液の温度上昇を５５℃以下に抑えることができた。
また、電解液の濃度を１／３の０．８％程度くらいまで下げても、ガスの発生量は維持することができ、その電解液濃度が低い分電極板の寿命が３倍以上長くなり、装置の製造価格も低減でき、メンテナンス費用も１／３〜１／４に低減することができた。

酸水素ガス発生装置の概略構成図である。 電極板加工図である。 電解槽構成図である。 電解液供給用タンク平面図である。 電解液供給用タンク側面図である。。 バブラー構成図である。 （ａ）逆火防止器正常時断面図である。（ｂ）逆火防止器逆火時断面図である。（ｃ）逆火防止器リセット時断面図である。 燃費改善装置構成図である。 本考案装置導入配置図である。

基本的な高効率酸水素ガス発生装置の構成を図１に基づいて説明する。
実際に酸水素ガスを発生させるドライセルユニット１０３には、電極板（板厚２．０ｍｍのステンレス板−ＳＵＳ３１６Ｌ製）を９枚使用し、直流電圧２４Ｖを印加し、１電極当たり３．０Ｖの電圧がかかるよう設定し、電解液は１．０％のＫＯＨ液を使用している。

ドライセルユニット１０３へ電解液（水）を供給する為の電解液供給用タンク４００は電解液の供給だけでなく、電解液を循環させ冷却させる役目も担っており、放熱板や温度センサー、循環ポンプ、冷却用ＤＣＦＡＮ等で構成されている。

バブラー５００は、ドライセルユニット１０３から発生した水素と酸素の混合ガスを、さらに完全なガス（水分が除去された）に分離させ、ガスに着火された時、着火された火が逆流しないように逆火防止弁５０８が付設されている。

逆火防止器１０７は、酸水素ガスをエンジンや燃焼用バーナーに接続した場合、炎が逆流して爆縮しないようにする為の装置で、バブラー５００とセットで使用することで、装置全体にとっては、二重の安全装置を形成することになる。

ドライセルユニットに印加する電源は、スイッチングレギュレータ方式の直流電源により、２４Ｖ／２０Ａであり、この電源はその他センサーやポンプ、ＦＡＮ等にも供給される。

図２乃至図３に示すように、ドライセルユニット１０３は、酸水素ガスを発生させる心臓部の電解槽３００の構成からなり、本考案の場合、発生効率やメンテナンス性の関係から電極板３０３の外側にパッキンを使用して電解液を密閉する「ドライセル」方式を採用している。

電極板３０３（ＳＵＳ３１６Ｌ製、板厚：２．０ｍｍ）を９枚製作し、各極板間に３．０Ｖずつ均等に直流電圧が印加するようにセッティングされており、また、電解液の温度が必要以上に上昇し、消費電力を増加させたり、電極板の異常摩耗を防止するため、セルの表と裏面に冷却用のＯＣＦＡＮ１０４を取付けている。

より大量の酸水素ガスの供給が必要な場合は、この基本ドライセルユニットを必要数だけ製作し、並列接続していくことができる。

図２では電極板３０３の１枚当たりの加工図を示し、図３では、この電極板３０３を使用して８室の電解槽（セル）を構成することが示されている。

電極板３０３間には、１００℃以上の高温にも耐える板厚３ｍｍのシリコン樹脂製のシートを挟み、周囲を１６個の絶縁されたステンレス製ボルトで固定している。

９枚の電極板３０３で構成されている８室の電解槽３００に、２４Ｖの平滑化された直流電圧を印加し、平滑化された直流電流が印加されると、電解槽３００内の電解液の電気抵抗が小さくなり、電解液温度が連続的に上昇し、より大きな電流が流れてさらに温度が上昇していく、という悪循環を防止する為、新たに電解液のチューブポンプによる圧送方式を新規採用した。

電解液がチューブポンプにより、ポンピング状態で電極板３０３（セル）にあたる為、結果的に連続的に電流が流れず、パルス波電流を印加した状態となる。

このため各槽から発生する酸水素ガスのバラつきもなく、反応熱による電解液の温度も常に一定温度の範囲内（最大でも約５５℃以下）となり、大規模な冷却装置の取り付けも不要となり、消費電力も最低限で収めることができ、さらに酸水素ガスの発生温度を低く抑えられることで、電極板３０３の摩耗や電解液の蒸発等も少なくすることができた。

図４乃至図５に示すように、電解液供給用タンク４００はドライセルに電解液を供給する為のタンクで、レベルセンサーとポンプが取り付けられており、酸水素ガス発生により減少したドライセル内の電解液の量を絶えず一定量に保持する役目を担っている。

また、ドライセル上部から泡状の酸水素ガスを含んだ電解液が該電解液供給用タンクに戻され、電解液を循環させ、電解液の目減り防止と冷却効果の役割も担い、バブラーとしての働きも受け持っている。さらに電解液の温度を温度センサーで感知し、４０℃以上になったら冷却ファンが回り、電解液の温度を制御しているので、運転開始時から酸水素ガスの発生効率が安定化されている。

このように電解液供給用タンクは、装置全体において、酸水素ガスの発生効率及び発生量を決定するという重要な役割を担っている。

図６に示すように、バブラー５００は、ドライセルにて作られた酸水素ガスから水分を除去し、ガス成分だけに分離する装置で、ガスが燃焼したときその炎が逆流しないように逆火防止装置５０８を備えている。

図７に示すように逆火防止器１０７は、正常時（ａ）、逆火時（ｂ）、リセット時（ｃ）に切り替えることができる。

図８には、燃費改善装置６００（空気流量調整兼水素ガス発生装置）が示されており、該燃費改善装置６００のドラム内に、金属マグネシウム、角閃石、ネオジウム磁石の混合粒が収納されており、ドラムの前後にパンチングされたメッシュプレートを取付け、空気の流速を１０％程削減している。

燃費改善装置のドラムの前後にパンチングされたメッシュプレートが固定されており、高流速空気が通過することで微量の酸素と水素ガスを発生させ、これらの増量した燃焼ガス類を含む高流速空気をエンジン内に送りこむことにより燃費改善ができると同時に、燃焼には寄与せずＮＯ_ｘの発生源料となる窒素を１０％以上削減することで、ＮＯ_ｘの増加を防止する。

図９には、本考案装置導入配置図の一例が示されており、燃費改善装置６００（空気流量調整兼水素ガス発生装置）はエアフィルターの入り口に配置され、酸水素ガス発生装置１００の酸水素ガスはエアーフィルターとエンジンの間に吸引されている。

本考案は以上説明したような構成であるので、自動車用燃費改善装置への応用に限らず、船舶への応用、ボイラーへの取付、廃棄物高温溶融処理装置への応用、自家発電装置への応用等の用途があるので、産業上の利用可能性の高い技術である。

１００ 酸水素ガス発生装置
１０１ 装置筺体
１０３ ドライセルユニット
１０４ ＤＣＦＡＮ
１０５ 端子台
１０６ コネクター
１０７ 逆火防止器
１０８ 電源コネクター
１０９ 入出力コネクター
１１１ 竹の子ハーブ
１１４ ＤＣポンプ
３００ 電解槽
３０１ アクリル板
３０２ 絶縁チューブ付ステンボルト
３０３ 電極板
３０４ 絶縁シート
３０５ アルミアングル
４００ 電解液供給用タンク
５００ バブラー
５０１ エルボ
５０２ ニップル
５０３ キャップ
５０４ フルランチューブ
５０５ ステンレス製たわし充填
５０６ メッシュシート
５０７ エチレングリコール液
５０８ 逆流防止弁
６００ 燃費改善装置（空気流量調整兼微量水素ガス発生装置）

Claims (10)

1. 内燃機関の空気吸入口に酸水素混合ガス発生装置及び燃費改善装置を付設し、燃費の削減と共に排出ガス中のＣＯ、ＣＯ２、ＨＣ、ＰＭ、黒煙、ＮＯ_ｘを削減することを特徴とする内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
2. 酸水素混合ガス発生装置は、装置筺体内にドライセルユニット、電解液供給用タンク、バブラーを配置したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
3. ドライセルユニットを電極板の外側にパッキンを使用して電解液を密閉するドライセル方式としたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
4. ドライセルユニットで生成された酸水素混合ガスが、エンジンとエアーフィルター間に送出されるように構成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
5. 燃料改善装置をエアーフィルターの入り口に配置され、該燃費改善装置のドラム内に、金属マグネシウム、角閃石、ネオジウム磁石の混合粒を収納したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
6. 燃費改善装置のドラムの前後にパンチングされたメッシュプレートを取付け、空気の流速を制御可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
7. 燃費改善装置のドラムの前後にパンチングされたメッシュプレートを高流速空気が通過することで微量の水素ガスを発生させ、該微量の水素ガスを含む高流速空気をエンジン内に送りこむことにより燃費改善ができることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
8. ドライセルユニットに電解液を供給する電解液供給用タンクには、レベルセンサーとポンプが設置されており、ドライセルユニット上部からバブル状の酸水素ガス含有電解液が電解液供給用タンクに戻されて循環され、電解液の目減りを防止し、電解液の一定量を保持するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
9. バブラーは、ドライセルユニットで生成された酸水素ガスから水分を除去し、ガス成分のみを分離し、燃焼ガスの燃焼炎の逆流を防止する逆流防止弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。
10. ドライセルユニットで生成した酸水素混合ガスは直接燃焼させず、エンジンのインティークマニュホルドにて吸引させて燃料の消費量を軽減させるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃費と排出ガスの同時改善装置。

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