JP4476998B2 - エンジンの燃料効率を向上させるシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

[0001]本願は、「エンジンの燃料効率を向上させるシステム」と題する２００３年３月２５日出願の米国仮特許出願第６０／４５７，１８９号に対する優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願明細書に組み込んだものとする。

[0002]本発明は、燃料効率を向上させ、より清浄な排気を実現するシステムに関する。

背景

[0003]エンジンは、エネルギーを仕事に変換する。その意味においてエンジンは、自動車、飛行機、冷蔵庫など我々が日常利用している装置に動力を供給している。しかしより広い意味においては、エンジンは世界経済を動かしている。インターネットによって効率性が格段に向上した現在でも、世界中の人と物の移動を支えているのは依然としてエンジンの力である。

[0004]ほとんどの自動車エンジンは、ガソリン／プロパン／ディーゼル燃料を動力源とする内燃機関を用いて燃料をエネルギーに変換している。内燃機関によってエネルギーに変換される燃料は膨大な量に及ぶため、燃料効率が少しでも向上すれば、全体として燃料を大幅に節約することができる。

[0005]また、燃料効率が向上すれば、環境面でも大きな利益が得られる。エネルギーに変換される燃料が少ないほど、有害な排気物の量が減るからである。また、膨大な数の内燃機関が利用されているため、燃料効率が向上すれば、全体的にみて大きな改善がもたらされる。燃料からエネルギーへの変換プロセス自体によってより清浄な排気が可能になれば、さらなる利益が得られる。

[0006]従来の内燃機関では、ガソリンと空気が燃焼して、（例えば）自動車の走行に利用できるエネルギーを提供している。図１Ａ〜図１Ｄは、内燃機関の典型的なサイクルを示している。図１Ａでは、ガスと空気が吸気口１１５を通って、ピストン１２０を含むシリンダー１１０に注入される。図１Ｂでは、ピストン１２０が圧縮される。図１Ｃでは、スパークプラグ１３０によりスパークがシリンダー１１０内で発生し、空気とガソリンが燃焼する。燃焼の力によりピストンが下方に動かされて、負荷を動かす（例えば、自動車のクランクシャフトを回す）ために利用できるエネルギーが提供される。図１Ｄでは、燃焼生成物が排気される。一般に、従来の内燃機関の排気には、二酸化炭素と水だけでなく一酸化炭素や亜酸化窒素など有害物質も含まれている。

概要

[0007]一般に燃料システムは、一側面においては、燃料を受け、燃料を液滴状で送るように構成された燃料噴射器を含んでもよい。例えば、燃料噴射器は燃料タンクから燃料を受け、受け取った燃料から燃料の液滴を生成してもよい。

[0008]燃料を、反応ロッドが位置決めされている反応領域に送ることができる。ある実施形態においては、反応領域が反応管の内部領域であってもよい。反応ロッドは、燃料噴射器から燃料を受けるための凸状端部と、凸状端部の向かい側の凹状端部を有してもよい。反応管と反応ロッドは、鋼など磁気分極可能な材料からなっていてもよい。

[0009]このシステムは、反応領域の圧力を下げるように構成された、反応路と連絡している真空発生装置を含んでもよい。真空発生装置は、ベンチュリ、またはターボポンプなどの真空ポンプを備えていてもよい。その他の真空発生装置を使用してもよい。

[0010]このシステムは、反応領域からの燃料を用いて作動するエンジンを含んでもよい。このシステムは、エンジンと反応領域との間に位置決めされた燃料移送管を含んでもよい。この燃料移送管は、反応領域からエンジンに燃料を移送するように構成されている。この燃料移送管は、銅など非磁性材料からなっていてもよい。

[0011]このシステムは、排気をエンジンから外部領域に移送するように構成された排気管を含んでもよい。ある実施形態においては、反応領域が反応管をなしてもよく、反応管を排気管の少なくとも一部分の中に少なくとも部分的に位置させてもよい。

[0012]一般に別の側面においては、このシステムは、反応ロッドの第１燃料を受取る端部に近接する反応領域内に少なくとも部分的に位置決めされた第１止め具と、反応ロッドの第２端部に近接する反応領域内に少なくとも部分的に位置決めされた第２止め具とを含んでもよい。ある実施形態においては、これらの止め具の一方を反応領域と一体化してもよい。反応ロッドの第１燃料受け取り端部は凸状であってもよく、反応ロッドの第２端部は凹状であってもよい。

[0013]一般に別の側面においては、エンジンに燃料を供給する方法が、燃料源から燃料液滴を生成するステップと、燃料液滴を反応ロッドに近接する反応領域に送るステップとを含んでもよい。反応ロッドは、第１凸状燃料受取り端部と第２凹状送り端部とを有してもよい。この方法は、燃料をエンジンに送るステップをさらに含んでもよい。

[0014]この方法は、反応ロッドを通り過ぎて燃料液滴を送ることにより、活性化された燃料を生成するステップを含んでもよい。このステップは、少なくとも一部の液滴を電気的に変形するステップを含んでもよい。

[0015]１つ以上の実施形態の詳細を、添付図面と以下の説明において記述する。その他の特徴と利点は、以下の説明と図面および請求項から明らかになる。

[0020]各図面に付した参照符号は、それぞれ類似要素を示している。

詳細な説明

[0021]本明細書で説明するシステムと手法により、エンジン効率が向上するだけでなく、エンジン排気を低減することもできる。特に、生成される排気に含まれる有害物質の量を、従来の燃料を用いた場合に生成される排気に比べ大幅に低減できる。より効率的かつより清浄なエンジンにより、コスト面と環境面で大幅な利益が得られる。

[0022]以下に説明するシステム２００などの燃料生成システムを用いれば、効率性を高め、より清浄な排気を実現することができる。このようなシステムで生成される燃料は、コールドプラズマとしての特性を有するように思われるため、プラズマ燃料と呼ぶことにする。ただし、プラズマ燃料の化学的特性および／またはその他の特性は完全には確定されていないため、本明細書で用いるプラズマ燃料という用語は単に、本明細書で説明するような方法で生成される燃料を意味する。本明細書で用いる「非プラズマ燃料」という用語は、未処理状態で噴射器に投入され、プラズマ燃料を生成するために利用される燃料を意味する。

[0023]図２Ａは、一実施形態によるプラズマ燃料生成システム２００を示している。ここで、「生成」という用語は、非プラズマ燃料の1つ以上の特性を変えてプラズマ燃料を生み出すことを意味する。反応管２１０は、反応ロッド２２０を含んでいる。反応管２２０は凸状端部２２２と凹状端部２２４とを有しており、一体成形の金属（例えば、所望の形状に加工されたソリッド鋼）または複数部分から作られたものでもよい。一実施形態においては、ロッド２２０は、合計で約０．０１２インチの隙間をあけて管２１０の内面に収まる外面を有している。この隙間は、ロッド周囲の流体圧力によってロッドが管２１０の壁から離れた状態に保たれるように設定することが好ましい。非プラズマ燃料は、噴射器２３０を用いて反応管２１０の内部領域２１５に注入してよい。システム２００で使用できる非プラズマ燃料は、ガソリン／ディーゼル／エタノール／原油などの物質である。

[0024]システム２００は、以下のように作動してもよい。非プラズマ燃料を噴射器２３０の投入端部に供給してもよい。噴射器２３０が非プラズマ燃料を液滴状で内部領域２１５に注入する。例えば、噴射器２３０は、液体状の燃料から燃料液滴を生成するように構成された噴霧器であってもよい。燃料液滴は、管２１０の内面とロッド２２０の外面との間を流れる。プラズマ燃料は管２１０を抜け出て、エンジンに供給される。反応領域が反応管２１０の内部にあると説明していることに注意されたい。本明細書で用いる「管」という用語は、ある領域を囲む材料を意味しているのであって、特定の形状または種類の材料を意味しているわけではない。例えば、大きさ、断面形状、断面積、または材料（例えば、堅い材料や可撓性材料）が異なる管を用いてもよい。

[0025]本発明者は、システム２００の多数の特性により、清浄かつ効率的なエンジンの作動を実現するためのプラズマ燃料を生成できると判断した。

[0026]例えば、内部領域２１５は、管２１０外部の圧力Ｐ_１よりも低い圧力Ｐ_２に保たれる。本発明者は、圧力Ｐ_２が約２５０ｍｍＨｇ以下である場合に良好な結果が得られると判断した。内部領域２１５における相対真空の生成について、図３Ａを参照しながら以下に説明する。

[0027]さらに、内部領域２１５の温度Ｔ_２は、管２１０外部の温度T_１よりも低い。管２１０外部の領域を基準にして内部領域２１５は、システム作動の熱力学が原因で（例えば、燃料液滴の形成の結果として）いくらか冷却される。このようにして得られる内部温度は通常、システムが効率的に動作するのに適した温度である。ただし、噴射器２３０に供給される非プラズマ燃料の（またはシステム２００の他部分の）冷却により、Ｔ_２をさらに下げてもよい。

[0028]噴射器２３０とロッド２２０の凸状端部２２２との距離は、多数の液滴が形成されるように選択してもよい（例えば、多数の液滴が形成されるような十分な距離であるが、非プラズマ燃料が気化するほど長い距離ではない）。噴射器２３０から噴射される燃料の形態は、プラズマ燃料の生成において重要であると考えられる。非プラズマ燃料を液滴状で供給すれば、プラズマ燃料を生成するための管２１０における電気的相互作用が促進されると考えられる。

[0029]ロッド２２０の形状は、システム２００の重要な側面である。ロッド２２０を通り過ぎる液滴を層流とすることが出来るように、凸状端部２２２の形状を決めることが望ましい。凹状端部２２４に近接する領域に低圧領域が生成されるように、凹状端部２２４の形状を決めることが望ましい。この低圧領域が原因で、プラズマ燃料のキャビテーションが発生し、凹状端部２２４に近接する領域の電気活性が比較的高くなると考えられる。

[0030]システム２００の一部の材料も、システム効率に大きな影響を与えることがある。例えば、ロッド２２０と管２１０は一般に、自然鉱石を原料とする鋼など、磁気分極可能な材料からなっている。本発明者の観察によれば、システムの初期動作時には、エンジンが通常約１５分の間、作動が安定しなかった。システム２００の初期動作時に、ロッド２２０の磁性状態が変化すると考えられる。初期動作時に、ロッド２２０が「磁気特性」を拾うと言われている。本発明者は、ロッドを北−南の向きにしてこの初期プロセスを実行することにより、以降のシステム動作を向上させることができると判断した。ロッド２２０の磁性状態のこのような初期化はシステムの最初の動作時に行うものであり、システムを長期間（例えば、１箇月から２箇月）使用しない場合を除き、繰り返し行う必要はないと考えられる。

[0031]本発明者は、管がプラズマ燃料をエンジンに送るために銅などの非磁性材料を用いることが有益であると判断した。銅はプラズマシース効果を生むため、プラズマ燃料は移送管の内壁と相互作用することがないと考えられる。この効果により、燃料が強いイオン化状態にある期間が大幅に長くなり（例えば、プラズマ燃料状態で）、燃料がその状態でエンジンに供給されると考えられる。

[0032]図２Ｂは、プラズマ燃料生成システム２５０の別の実施形態を示している。反応ロッド２２０が管２１０内に配置されており、管２１０は排気管２５２の内部に少なくとも部分的に取り付けられている。システム２５０において、ロッド２２０は、適切な端部に凸状端部２２２と凹状端部２２４とが取り付けられた中空管からなっている。例えば、これらの端部は、溶接またはその他の方法で取り付けてもよい。

[0033]排気管２５２は、標準的な車両排気管であってもよい。例えば、排気管は、その直径が約２．５インチであってもよく、処理鋼などの材料からなっていてもよい。排気管２５２内部にある管２１０の部分の中心軸が、排気管２５２の補充部分の軸と平行になるように、管２１０を排気管２５２の中に溶接してもよい。両方の軸は、平行であるだけでなく一致してもよい。

[0034]ロッド２２０は、管２１０内に配置してもよい。ロッド２２０は、管２１０内に固定する必要はない。実際、本発明者は、システムの動作時に管２１０内でロッド２２０が回転できれば、管２１０内のプラズマ燃料生成の効率を高めることができると考えている。この回転は、管内を移動する燃料の流体圧力により維持することができる。ただし、ロッド２２０が所望の配置領域を越えて移動して、システム２５０の接続金具やその他の構成部品を損傷することを防止するために、図示したように止め具２５６を設けてもよい。

[0035]排気管２５２と管２１０が重なり合う長さは重要ではないと考えられるが、ロッド２２０の長さの約２倍であってもよい。一般に管２１０は、上記のように磁気分極可能な材料からなっている。システム２５０においては、この材料は、排気管２５２を流れる排気ガスにより生成される熱に耐えられる耐熱性があることも望ましい。作動時には、管２１０から離れた位置における排気管２５２の温度は華氏約１，０００度になることがありうるが、管２１０に近接する排気管２５２の領域２１７における温度は華氏約２５０度に過ぎない可能性がある。

[0036]上述のように、ロッド２２０は鋼（例えば、軟鋼）またはその他の材料（例えば、鉄管）からなっていてもよい。ロッド２２０の直径は、管２１０の内径の約８５％〜約９７％であってよい。例えば、管２１０の内径が０．８８９インチである場合、反応ロッド２２０の外径は０．８６０インチであってもよい。

[0037]システム２５０において、凸状端部２２４は、端部２２４に近接する空間において渦を形成するのに適した形状であることが望ましい。凸状端部２２２は、層流を可能にするような形状であることが望ましく、その形状は概ね半球形であってもよいし、卵形であってもよい（例えば、概ね弾丸形、あるいは卵の小さい方の端のような形状）。凸状端部２２２は、端部２２２を通り過ぎる非プラズマ燃料の層流を乱すことのないように滑らかであることが望ましい。

[0038]ロッド２２０のサイズは、非プラズマ燃料からプラズマ燃料への望ましい変換レベルに合わせて選択してもよい。例えば、約２インチ〜約１２インチの長さを選択してよい。選択する長さは、システム２５０に供給される非プラズマ燃料の種類によって決めてもよい。例えば、ガソリンを使用する場合、約７．２５インチの長さを選択してもよい。ディーゼル燃料を使用する場合は、約９インチを選択してもよい。原油を使用する場合は、約１２インチを選択してもよい。当然、上記の寸法は代表的な例に過ぎず、その他の寸法を選択してもよい。

[0039]作動時、非プラズマ燃料が、吸気口２３２を有する噴射器２３０により管２１０に注入される。非プラズマ燃料は、混合組立体２５７において空気と混合される。上述のように、非プラズマ燃料は、ロッド２２０を通り過ぎる際、液滴状で流れることが望ましい。噴射器２３０は、噴霧器または噴霧ノズルであってもよい。燃料液滴の温度は、排気管２５２における排気の温度よりも低い。この温度差が大きいほど良好な結果を得ることができるが、通常は非プラズマ燃料を冷却する必要はない。

[0040]燃料液滴はロッド２２０を通り過ぎて流れ、プラズマ燃料に変換される。プラズマ燃料は、燃料移送組立体２５４を介してエンジン（図示していない）に供給される。上述のように、管２１０の内部領域２１５の圧力は、排気管２５２内部の圧力よりも低いことが望ましい。内部領域２１５の圧力は、約２５０ｍｍＨｇ以下であってもよい。

[0041]図２Ａおよび図２Ｂに示したようなプラズマ燃料生成システムを用いて、プラズマ燃料をエンジンに供給してもよい。図３Ａは、エンジン３２０と、エンジン３２０用のプラズマ燃料を生成する燃料生成システム２００とを含むシステム３００の概略図である。システム３００は、二系統燃料システムである。すなわち、従来型燃料（例えば、ガソリン）を用いて燃料タンク３１０の第１出口３１１を介してエンジン３２０に供給されるだけでなく、第２出口３１２を介して燃料生成システム２００にも供給されて稼動することができるシステムである。システム２５０など、他の燃料生成システムの実施形態を用いてもよいことに注意されたい。

[0042]燃料は、標準的な燃料タンクであってもよい領域３１０に入れられている。作動時、エンジン３２０は最初に、非プラズマ燃料を用いて稼動する。この間に、燃料生成器システム２００にエネルギーが供給される。蝶形弁３２３などの流量調整装置が、上記に概説し図１Ａから図１Ｄに示したような燃料を燃焼させるシリンダー３２５への空気の流れを制御する。

[0043]燃料生成器２００に十分にエネルギーが供給されると、エンジン３２０はプラズマ燃料を用いて稼動する。コントローラ３６０は、燃料生成器システム２００と連絡しているセンサー（図示せず）から、エンジン３２０がプラズマ燃料を用いて作動できることを示す信号を受け取る。蝶形弁３２３は、シリンダー３２５へのプラズマ燃料の流れを制御する。ただし、他の実施形態においては、別個の流量調整器を用いて、エンジン３２０への空気の流れとプラズマ燃料の流れを制御してもよい。

[0044]上述のように、燃料生成システム２００の各部分の圧力を大気圧よりも低く保ってもよい（例えば、管２１０の内部領域２１５）。真空発生装置を用いて、この圧力を下げてもよい。例えば、蝶形弁３２３と燃料生成システム２００との間にベンチュリ３２７を位置決めすることで、燃料生成システム２００の各部分の圧力を必要に応じて下げてもよい。各種の真空発生装置を使用することができる。例えば、ある実施形態において真空ポンプを使用してもよい。一般にディーゼルエンジンでは、真空発生にターボポンプが用いられる。

[0045]従来のシステムにおいては、ＥＣＭ３３０が複数のセンサーから情報を受け取る。これらのセンサーとして、１つ以上の酸素センサー、スロットルポジションセンサー（ＴＰＳ）、マスエアフローセンサー（ＭＡＦセンサー）、および／またはその他のセンサーを使用してもよい。しかし、本システムの実施形態においては、コントローラ３６０に必要なのは、ＭＡＦセンサー、ＴＰＳ、およびシステム２００にエネルギーが供給されたことを示すセンサーからの入力だけである。特に、コントローラ３６０には、従来のＥＣＭとは異なり酸素センサーからの情報は必要ない。

[0046]図３Ｂは、図２Ａのシステム２００または図２Ｂのシステム２５０などのプラズマ燃料生成器を用いることができる別のシステム３５０を示している。システム３５０は、気化器付きＶ８エンジンなどのエンジンに組み込んでもよいが、他の種類のエンジンを用いてもよい（例えば、気化機能ではなく燃料噴射機能を備えるエンジンを用いてもよい）。

[0047]エンジン３２０は、燃料ポンプ３１５を有する燃料タンク３１０を有している。エアフィルター３６２が設けられている。これは、標準的なエアフィルターであってもよい。簡単にするために、ここではエンジン３２０の他の各種側面（例えば、ホースクランプまたはその他の留め具）は示していない。エンジン３２０は、エンジン吸気マニホルド３６４とキャブレター３６６とを含んでいる。スロットルアーム３６８がキャブレター３６６または燃料噴射器のいずれかに取り付けられ、調節する。

[0048]補助エアフィルター３７０を用いて、反応管２１０に向かう空気をろ過してもよい。燃料噴射器２３０を用いて、管２１０に供給される非プラズマ燃料の量を制御する。エアホース３７２（例えば、１．１２５インチの高耐久性吸込みホース）が、補助エアフィルター３７０から燃料噴射器２３０まで通じている。燃料噴射器２３０から、燃料液滴が混合組立体２５６を通って管２１０に達する。プラズマ燃料は管２１０を抜け出て、吸気マニホルド３６４に達する。

[0049]次に、プラズマ燃料はエンジン３２０を作動するために使用される。プラズマ燃料は空気と混合され、シリンダーに注入される。本発明者は、プラズマ燃料は、プラズマ燃料の生成源である非プラズマ燃料に比べ、より効率的かつ清浄に燃焼すると判断した。

[0050]図４は、プラズマ燃料生成システムにおいて使用できる噴射器組立体４００の実施形態を示す２つの図である。組立体４００に特定の方向性は求められないため、２つの図はどちらとも特定はしていない。しかし、一方の図を上面図、他方の図を側面図と呼んでもよい。

[0051]組立体４００は、組立体４００に空気を供給するための中心領域４１０を含んでいる。ろ過された空気をプラズマ燃料の生成に利用できるように、領域４１０はエアフィルター（図示していない）と連通していてもよい。組立体４００は、それぞれ１つの燃料投入口４２５を備える２つの噴射器部分４２０をさらに含んでいる。図４には２つの噴射器部分４２０を示しているが、１つの噴射器部分または３つ以上の噴射器部分を使用してもよいことに注意されたい。空気と燃料液滴が組立体４３０の領域４３０において混合され、続いて、燃料液滴からプラズマ燃料を生成するために上述のように反応領域に送られる。

[0052]これまで、複数の実施形態について説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変更を施すことができることは明白である。例えば、ディーゼルエンジン、タービンエンジン、蒸気エンジンなど様々な種類のエンジンと共にプラズマ燃料生成器を使用することができる。したがって、その他の形態も以下の請求項の範囲内である。

従来技術による内燃サイクルを示している。 従来技術による内燃サイクルを示している。 従来技術による内燃サイクルを示している。 従来技術による内燃サイクルを示している。 ある実施形態によるプラズマ燃料生成システムの概略図である。 ある実施形態によるプラズマ燃料生成システムの概略図である。 図２Ａおよび図２Ｂに示したような燃料生成システムを組み込んだエンジンを含むシステムの概略図である。 図２Ａおよび図２Ｂに示したような燃料生成システムを組み込んだエンジンを含むシステムの概略図である。 プラズマ燃料生成システムで使用できる燃料噴射器組立体の上面図と側面図である。

Claims (13)

1. 燃料を受け、燃料を液滴状で送るように構成された噴射器と、
   反応領域を規定する内壁を有し、前記噴射器の下流に配置され、前記反応領域が前記噴射器から燃料を受ける、導管と、
   前記反応領域内で前記燃料噴射器から燃料を受けるように面した凸状端部を有し、前記凸状端部の向かい側に凹状端部をさらに有する、完全に前記反応領域内に位置決めされた、円筒状の反応ロッドと
   を備え、
   前記反応ロッドは、前記凸状端部と前記凹状端部との間に延びる壁によって形成された円筒状部を有し、
   前記噴射器からの前記燃料が、前記反応ロッドの前記壁と前記導管の前記内壁との間を、前記凸状端部から前記凹状端部へ向かって流れるようにされており、
   前記反応ロッドは、前記反応ロッドを含んでいない前記導管における面積に比べて、前記燃料の流れに対する前記導管の内部の表面積を減らす、燃料システム。
2. 前記反応領域が反応管の内部領域を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記反応管が磁気分極可能な材料を含んでいる、請求項２に記載のシステム。
4. 燃料貯蔵領域と、
   燃料貯蔵領域から燃料を受け、燃料を液滴状で送るように構成された噴射器と、
   反応領域を規定する内壁を有し、前記噴射器の下流に配置され、前記反応領域が前記噴射器から燃料を受ける、導管と、
   前記反応領域内で前記燃料噴射器から燃料を受けるように面した凸状端部を有し、前記凸状端部の向かい側の第二の端部に凹状端部をさらに有する、完全に前記反応領域内に位置決めされた、円筒状の反応ロッドと
   を備え、
   前記反応ロッドは、前記凸状端部と前記凹状端部との間に延びる壁によって形成された円筒状部を有し、
   前記噴射器からの前記燃料が、前記反応ロッドの前記壁と前記導管の前記内壁との間を、前記凸状端部から前記凹状端部へ向かって流れるようにされており、
   前記反応ロッドは、前記反応ロッドを含んでいない前記導管における面積に比べて、前記燃料の流れに対する前記導管の内部の表面積を減らす、エンジンシステム。
5. 前記反応領域と連絡しているエンジンをさらに含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記エンジンが１つ以上のシリンダーを含んでいる、請求項５に記載のシステム。
7. 前記エンジンが、タービンエンジン、ディーゼルエンジン、蒸気エンジン、およびガスエンジンからなるグループから選択されるエンジンである、請求項５に記載のシステム。
8. 前記反応領域と連絡している真空発生装置をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
9. 前記真空発生装置がベンチュリおよび真空ポンプからなるグループから選択される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記エンジンシステムが車両に含まれる、請求項６に記載のシステム。
11. 前記噴射器は、燃料噴射器を備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記噴射器は、噴霧器を備える、請求項１に記載のシステム。
13. 前記噴射器は、噴霧ノズルを備える、請求項１に記載のシステム。

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