JP6315352B2 - 内燃機関エンジンのための水素オンデマンドの燃料システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関エンジンに一般に関する。より具体的には、本発明は、標準的な内燃機関エンジンの燃料供給システムに組み込まれる、オンデマンドの電解生成された酸水素燃料システムに関する。

従来のピストンベースの内燃機関エンジン（ＩＣＥ）の基本操作は、燃焼プロセスの機能型、シリンダーの数、および所望の用途に基づいて変更される。例えば、従来の２サイクルのエンジンでは、オイル／燃料／空気の混合物が点火される場合、オイル−燃料−空気の混合物がシリンダーに注入される前に、オイルは燃料および空気と予め混合される。典型的な４サイクルのガソリンエンジンでは、微粒燃料は、空気と予め混合され、ピストンの運動によってシリンダーヘッドに対して圧縮され、および燃料を燃やす点火プラグによって点火される。ディーゼルエンジンでは、燃料および空気は、シリンダーへと予め混合され、微粒化され、および注入される。しかしながら、ディーゼルエンジンでは、点火を提供する点火プラグはない。代わりに、燃料／空気の混合物は、シリンダーヘッドの質量（ｍａｓｓ）によって蓄積された熱と、ピストンによる圧縮との組み合わせによって点火される。ＩＣＥエンジンの各タイプにおいて、ピストンは、爆発した（ｄｅｔｏｎａｔｅｄ）燃料および空気の膨張によりかけられた圧力によって、クランクシャフトに対して下方に押される。クランクシャフトおよびカムシャフトの回転が排気バルブを開くときに、排蒸気はシリンダーを出ることができる。続く振動上のピストンの運動は、追加の新しいオイル／燃料／空気をシリンダーに引き込む、シリンダーにおける真空を作り出し、それによって同時に、残りの排気を排気口に押し出し、バイパスガスをポジティブ・クランクケース・ベンチレーション（ＰＣＶ）バルブを通してクランクケースから出す。プロセス自体が繰り返されると、推進力によりピストンを圧縮サイクルに戻す。

ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンでは、２サイクルのエンジンとは対照的に、クランクシャフトおよびコンロッド軸受のオイル潤滑は、燃料／空気の混合物から分離される給油システムによって支持される。ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンでは、吸気マニホルド中の燃料／空気の混合物は、燃焼室へと吸引され、そこで、（ガソリンエンジン中の）点火プラグまたは圧縮のいずれかによって点火される。ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンの両方における燃焼室は、各ピストンシリンダー内の各ピストンの外径の周囲に配置される１セットのピストンリングによって、ほとんどがクランクケースから分離される。各点火事象によってかけられた圧力を包含する、および熱い、加圧されたガスをクランクケ−スへと逃がすよりもむしろ、排気ガスを排気口経由で出す方法として、シール（ｓｅａｌｓ）がエンジンの設計に含まれる。

不運にも、ピストンリングは、加圧された排気ガスを完全に分離および含有することができない。結果的に、シリンダーを潤滑にする（ｌｕｂｒｉｃａｔｅ）ように意図された少量のクランクケースのオイルは、代わりに、燃焼室へと吸引され、燃焼プロセス中に燃やされる。これは、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンの両方に当てはまる。さらに、燃焼室における未燃燃料を含む燃焼廃ガスおよび排気ガスは、ピストンリングを同時に通過し、クランクケースに入る。クランクケースに入る廃ガスは、共通して、「ブローバイ」または「ブローバイガス」と呼ばれる。ブローバイガスは主に、炭化水素（未燃燃料）、二酸化炭素、及び／又は水蒸気などの、汚染物質から成り、その全ては、エンジンのクランクケースで保持されるオイルを汚染するように機能する。クランクケースへと漏出するブローバイガスの量は、吸気マニホルド中の炭化水素の濃度の数倍であり得る。これらのガスを単に大気中に放出するだけで、大気汚染が増加する。

代替的に、クランクケース中にブローバイガスを閉じこめることによって、汚染物質を、エンジンのクランクケース中に時間をかけて凝縮および蓄積させる。凝縮された汚染物質は、構成部品の内部に腐食性の酸およびスラッジを形成する。これによって、シリンダーおよびクランクシャフトを潤滑にするクランクケース中のエンジンオイルの能力が低下する。クランクシャフトの構成部品（例えば、クランクシャフトおよびコネクティングロッド）を適切に潤滑できない劣化油は、エンジンの摩損を加速させる原因となり得、結果として、エンジン性能が劣化する。不適切なクランクケースの潤滑は、ピストンリングの劣化の原因となり、これによって、燃焼室とクランクケースとの間のシールの効力が低下する。

エンジンが老朽化するにつれ、ピストンリングとシリンダー壁との間の隙間は増大し、結果として、大量のブローバイガスがクランクケースに入ることになる。クランクケース中の過剰なブローバイガスによって、電力損失が起こり、最終的にエンジンの故障につながる。ブローバイガスによって運ばれた凝縮された水蒸気は、エンジン内部で凝縮し、エンジン部のさびを引き起こす。１９７０年に、米国環境保護庁は、クランクケースに蓄積されるブローバイガスの容量を軽減するクランクケース・ベンチレーション・システムの導入を義務付けた（ｍａｎｄａｔｅｄ）。一般に、クランクケース・ベンチレーション・システムは，ポジティブ・クランクケース・ベンチレーション（ＰＣＶ）バルブと呼ばれる装置を介して、ブローバイガスをクランクケースから排出する。現代のエンジンでは、ブローバイガスは、クランクケースから掃気され、吸気マニホルドへと戻されて、再燃焼される。

ＰＣＶバルブは、ブローバイガスを、クランクケースから、吸気マニホルドに戻し、再び燃焼させて再循環させて（即ち、放出する）、続く燃焼サイクル中に空気／燃料を新たに供給する。これは、有害なブローバイガスが大気へと単純に放出されるわけではないため、特に望ましい。

ロサンゼルス流域のスモッグに対処する試みの一部として、カリフォルニア州は、１９６０年代にすべてのモデルカー上の排出制御システムの導入を義務付けた。連邦政府は、１９６８年にこれらの排出制御規則を全国的に拡張した。議会は、１９７０年に排気ガス規制法（Ｃｌｅａｒ Ａｉｒ Ａｃｔ）を可決し、環境保護庁（ＥＰＡ）を設立した。その時以来、車両製造業者は、車両の生産およびメンテナンスに対する一連の階級的な排出制御基準を満たさなければならなかった。これには、エンジン機能を制御し、エンジン問題を診断するための実施装置も含まれた。より具体的には、自動車製造業者は、電気的な燃料供給装置および点火システムなどの、電気的に制御された構成部品を統合し始めた。エンジン効率、システム性能および汚染を測定するために、センサーも加えられた。これらのセンサーは、早期診断援助のためにアクセスすることができた。

オンボード診断（ＯＢＤ）は、製造業者により自動車において発達および設置された、初期車両自己診断システムおよびレポート機能を指す。ＯＢＤシステムは、様々な車両サブシステムに現在の状態情報を提供する。ＯＢＤによって利用可能な診断情報の量は、１９８０年代初期の自動車へのオンボードコンピューターの導入以降、広範囲に変化してきた。ＯＢＤは、最初に、検出された問題に対して誤動作表示灯（ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｌｉｇｈｔ）（ＭＩＬ）を照らしたが、問題の本質に関する情報を提供しなかった。現代のＯＢＤの実施には、標準化された一連の診断上の故障コード（ＤＴＣ）と組み合わせて、実時間のデータを提供するための、標準化された高速デジタル通信が使用され、車両内部からの誤動作の迅速な特定および対応する対策を促進する。

カリフォルニア大気資源委員会（ＣＡＲＢまたは単にＡＲＢ）は、ＯＢＤの第１の具現化（ｉｎｃａｒｎａｔｉｏｎ）（ここでは「ＯＢＤ−Ｉ」として知られる）の適用を施行する規定を設けた。ＣＡＲＢの目標は、自動車製造業者に信頼できる排出制御システムを設計するように奨励することであった。ＣＡＲＢは、ＣＡＲＢの車両排出基準を満たさなかった車両の登録を認めないことによって、カリフォルニアにおいて車両の排気ガスを減少させる構想を描いた。不運にも、排気ガスに特有の診断情報を試験且つ報告するためのインフラストラクチャーが、標準化されていなかった又は広く受け入れられなかったため、ＯＢＤ−Ｉは当時成功しなかった。すべての車両からの標準化された及び信頼できる排出情報を得ることの技術的困難性によって、結果として、毎年の排出検査プログラムを効果的に実施することが全体的にできなかった。

ＯＢＤは、ＯＢＤ−Ｉの最初の実施後に、より複雑化された。ＯＢＤ−ＩＩは、自動車技術者協会（ＳＡＥ）によって開発された新しい一連の基準および慣行を実施した、１９９０年代中頃に導入された新しい基準であった。これらの基準は、ＥＰＡおよびＣＡＲＢによって最終的に採用された。ＯＢＤ−ＩＩは、組み入れるは、より好適なエンジンモニタリング技術を提供する、強化された特徴を組み込んでいる。ＯＢＤ−ＩＩはまた、シャーシ部、本体およびアクセサリ装置をモニタリングし、自動車の診断上の制御ネットワークを含む。ＯＢＤ−ＩＩは、性能および標準化の両方においてＯＢＤ−Ｉよりも改善を示した。ＯＢＤ−ＩＩは、診断上のコネクター、ピン構成、電気信号プロトコル、メッセージ処理フォーマットのタイプを指定し、診断上の故障コード（ＤＴＣ）の拡張可能なリストを提供する。ＯＢＤ−ＩＩはまた、車両パラメーターの特定のリストをモニタリングし、これらのパラメーターの各々に対する性能データをコード化する。したがって、単一装置が、あらゆる車両においてオンボードコンピューターに問い合わせる（ｑｕｅｒｙ）ことができる。診断上のデータを報告することのこの簡易化は、ＣＡＲＢによって想定された、包括的な排出検査プログラムの実現につながった。

電解生成された酸水素ガスの使用は、１８世紀半ば以来、燃料燃焼を補足すると知られている。１７６６年に、Ｓｉｒ Ｈｅｎｒｙ Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ（酸水素または彼曰く「可燃空気」の発見で有名な英国の科学者）は、「Ｏｎ Ｆａｃｔｉｔｉｏｕｓ Ａｉｒｓ」と題する論文に、燃焼上で水を形成した、可燃空気の密度を記載した。Ａｎｔｏｉｎｅ Ｌａｖｏｉｓｉｅｒは、後に、Ｃａｖｅｎｄｉｓｈの実験を再現し、その要素にその名称を与えた（酸水素）。１９１８年には、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈ． Ｆｒａｚｅｒ氏が米国特許第１，２６２，０３４号の下で、内燃機関エンジン用の第１「水素ブースター」システムの特許を取った。Ｆｒａｚｅｒは、その特許出願において、その発明が以下を実現することを述べた「１−内燃機関エンジンの効率を高める。２−炭化水素の完全燃焼。３−エンジンを清潔に保つ。４−より低級の燃料が、等しい性能で使用される。」１９３５年には、発明者：Ｈｅｎｒｙ Ｇａｒｒｅｔｔが、彼の自動車を水道水で走らせることを可能にした、電解キャブレターの特許を取った。１９４３年から１９４５年の間には、従来の燃料の不足に応じて、英国軍が、より良い燃費を得るために、およびアフリカで使用される車両のエンジンのオーバーヒートを予防するために、戦車、ボートおよび他の車両において酸水素ガス発生装置を使用した。彼らは、多くの酸水素発生装置に非常に類似した、発生装置を使用した。第二次世界大戦の終わりに、英国政府は、すべてのそのような発生装置の除去および破壊を指示した。１９７４年には、オーストラリアからの発明者：Ｙｕｌｌ Ｂｒｏｗｎ（元々、Ｉｌｙａ Ｖｅｌｂｏｖという名前のブルガリアの学生（１９２２年−１９９８年））が、「Ｂｒｏｗｎ'ｓ Ｇａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ」の彼の設計の特許を出願した。１９７７年には、ＮＡＳＡ Ｌｅｗｉｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒの科学者およびエンジニアが、ダイナモメーター上に完全に備え付けられ及び取り付けられた、大きな塊の米国製のＶ８ピストンエンジンを使用して、一連の試験を行なった。彼らの研究は、酸水素ガスを典型的なＩＣＥの燃焼サイクルに導入することによって発揮された効果の測定に集中していた。彼らの研究の結果は、「ＥＭＩＳＳＩＯＮＳ ＡＮＤ ＴＯＴＡＬ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＵＭＰＴＩＯＮ ＯＦ Ａ ＭＵＬＴＩＣＹＬＩＮＤＥＲ ＰＩＳＴＯＮ ＥＮＧＩＮＥ ＲＵＮＮＩＮＧ ＯＮ ＧＡＳＯＬＩＮＥ ＡＮＤ Ａ ＨＹＤＲＯＧＥＮ−ＧＡＳＯＬＩＮＥ ＭＩＸＴＵＲＥ」と題された白書として、１９７７年５月付の、ＮＡＳＡ ＴＮ Ｄ−８４７８ Ｃ．１において公開された。

１９８３年に、Ａｎｄｒｉｊ Ｐｕｈａｒｉｃｈ博士は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ」と題された、米国特許第４，３９４，２３０号の特許を取得した。彼の装置は、マサチューセッツ工科大学によって独立して試験され、８０パーセントを超過するエネルギー効率比で作動することが分かった。１９９０年には、Ｊｕａｎ Ｃａｒｌｏｓ Ａｇｕｅｒｏ氏が、欧州特許 ０ ４０５ ９１９ Ａ１の下、酸素−オキシ−水素および蒸気（Ｏｘｙｇｅｎ−ｏｘｙ−ｈｙｄｒｏｇｅｎ ＆ ｓｔｅａｍ）を使用する、内燃機関エンジン用のエネルギー転換システムに対する特許証を発行された。１９９０年には、Ｓｔａｎｌｅｙ Ａ． Ｍｅｙｅｒ氏が、特許第４，９３６，９６１号（１９９０年６月２６日）の下、Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔを使用して、酸素−水素燃料ガスの生成のための方法に対する特許証を発行された。２００６年１月には、ＴＩＡＸが、米国エネルギー省との契約 ＤＥ−ＦＣ２６−０４ＮＴ４２２３５下で準備された最終的な科学および技術報告書である、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌｅａｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ−Ｆｕｅｌｄ Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｓ」（ＨＡＬＯ）と題される、白書を公開だった。要約書は、以下の結果に言及している − 「熱電併給（ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の目的に使用される天然ガスエンジンに直面する２つの重要の課題は、点火プラグの寿命および高いＮＯｘ排出である。水素支援のリーン運転（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌｅａｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）（ＨＡＬＯ）を使用して、これらの２つの重要な課題は、同時に対処される。このプロジェクトで実証されるように、ＨＡＬＯ運転によって、安定したエンジン操作が、超希薄な（２の相対的な空気／燃料比）状態で達成され、これは実質的に、ＮＯｘ産生を除去する。１０％の排気Ｏ２レベルでの８％（ＬＨＶ Ｈ２／ＬＨＶ ＣＨ４）の補給に対する１０ｐｐｍのＮＯｘ値（０．０７ｇ／ｂｈｐ−ｈｒ ＮＯ）が実証され、これは、最も希薄な補給されていない作動状態と比較して、９８％のＮＯｘ排出削減である。火花点火エネルギーの減少（これは点火システムの寿命を増大する）は、９％の酸素レベルで実行され、２８ｐｐｍのＮＯｘ放出レベル（０．１３ｇ／ｂｈｐ−ｈｒ ＮＯ）につながった。火花点火エネルギーの減少の試験によって、火花エネルギーが、１３％（ＬＨＶ Ｈ２／ＬＨＶ ＣＨ４）の酸水素補給により（コイルに供給された１５１ｍＪから）２２％低下し、１７％の酸水素補給によりさらに２７％低下し、これらの状態に対するＮＯｘ排出への報告すべき効果はなく、安定したエンジントルク出力を有していたことが分かった。別の重要な結果は、燃焼の持続時間が、（発火限界に到達するまでの）点火エネルギーに応じたものではなく、単に酸水素の補給に応じたものであることが示されたということである。これらの有望な結果からつながる次の論理的な工程は、どれだけの火花エネルギーの減少が、点火プラグの寿命の増加につながるかを確かめることであり、これは、耐久性試験によって達成され得る。」 ２００６年には、Ｄｅｎｎｉｓ Ｊ． Ｋｌｅｉｎ氏およびＲｕｇｅｒｒｏ Ｍ． Ｓａｎｔｉｌｌｉ博士（ＵＳＡ）が、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｔｏ ａ ｎｅｗ ｇａｓｅｏｕｓ ａｎｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ ｇａｓ ｆｏｒｍｅｄ ｔｈｅｒｅｂｙ」対する、米国特許公開番号２００６／００７５６８３ Ａ１の特許を受けた。
２００７年には、契約番号ＮＡＳ７−１００の下、Ｐａｓａｄｅｎａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａでのｔｈｅ Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙが、「Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｒｏａｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｆｕｅｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｇａｓｏｌｉｎｅ」と題された、白書を発行した。彼らの研究は、酸水素ガスの化学量論的混合気の、従来のＩＣＥにおいて燃焼されたガソリンへの付加が、「．．．ＮＯｘ排出を減少させ、熱効率を改善した」ことを実証した。

しかしながら、これらのシステムには、いくつかの既存の問題がある。手法の１つは、継続的に酸水素を生成すること、および必要なときに、抽出のために酸水素を保存することを包含している。しかしながら、発生装置のプレートを帯電させるには、標準的な交流発電機を過度に必要とし、それ故、より高性能な交流発電機が必要とされる。また、消費者は、これらのシステムが、絶えず酸水素を生成し、それを保存するという事実が原因で、既存の酸水素システムを恐れている。これによって、潜在的に、自動車に備わる保存された酸水素が原因の爆発の懸念がもたれる。

幾つかの問題が、酸水素ガスを従来のＩＣＥ内の補助燃料の燃焼に加えることの効力を妨げている。特許を受けた又は市販の酸水素発生装置はどれも、ＯＢＤ−ＩＩおよびＯＢＤ−ＩＩＩのＥＣＭシステムと適合性のある方法ではコンピューター制御されていない。さらに、自動車で使用するために設計された既存の酸水素発生装置は、相当な量の水蒸気を生成し、これは、現代のエンジンを含む鉄の構成要素に対して本質的に有害である。

したがって、本発明は、コンピューター制御された化学量論的な量のオンデマンドのガスを供給する、酸水素ガス発生装置のシステムの必要性を認識し、後の用途に酸水素ガスの生成および保存を必要とせず、電子制御されたエンジン管理モジュールに固有の運転パラメーターと適合性があり、相当な量の水蒸気を生成しない。本発明は、これらのニーズを満たし、他の関連する利点を提供する。

本発明は、内燃機関エンジンに使用されるオンデマンドの酸水素発生装置に関する。本発明によって記載される酸水素発生装置は、電解質溶液を含有している液だめを含む。液だめ上の開口部を覆う及び密封する、即ち、密封係合するように構成されたキャップは、正端子、負端子、およびガス出口を有する。ガス出口は、液だめの内部と流体連通している。対の電極プレートが、キャップに付けられており、電解質溶液に少なくとも部分的に沈められるように、液だめの内部に伸張している。対の電極プレートの１つは、正端子に電気的に連結され、対の電極プレートのもう１つは、負端子に電気的に連結されている。対の電極プレートの各々は、好ましくは、連ねられた複数枚の金属プレートを含む。連ねられた複数枚の金属プレートは、亜鉛、カドミウム、金、白金、およびパラジウムから成る群から選択される金属から作られている。連ねられた複数枚の金属プレートはまた、水の電解反応において触媒を含み得る。

電解質溶液は、好ましくは、硝酸カリウム、炭酸水素ナトリウムなどの、電解質塩と混合された水を含む。酸水素発生装置は、好ましくは、適切なチュービングまたはパイピングによって液だめに接続された第２液だめを含む。第２液だめは、追加の電解質溶液を含有している。発生装置はまた、第２液だめから追加の溶液を供給することによって、液だめ中の電解質溶液のレベルを検知且つ調整するように構成された、センサーを含んでもよい。

内燃機関エンジンのためのオンデマンドの酸水素燃料システムは、電解質溶液を電気分解するように構成された、上に記載されるような、酸水素発生装置を含む。酸水素発生装置上のガス出口は、電解質溶液の電気分解によって生成された酸水素ガスを放出するように構成されている。ガス出口は、エンジン上の吸気マニホルドに流体連結されている。マイクロコントローラーが、酸水素発生装置に動作可能に接続され、酸水素の需要に応じて、酸水素発生装置に選択的に動力を供給するように構成されている。

ガス出口は、好ましくは、内燃機関エンジン上のクランクケースから吸気マニホルドまでのブローバイガスを再利用するように構成された、汚染制御システムに流体連結される。汚染制御システムは、好ましくは、クランクケースからの通気管路および吸気マニホルドへのブローバイ戻り管路と並んだＰＣＶバルブを含む。ガス出口は、クランクケースからの通気管路、吸気マニホルドへの戻り管路、またはＰＣＶバルブに連結され得る。マイクロコントローラーはまた、ＰＣＶバルブに動作可能に接続され、ＰＣＶバルブを通るブローバイガスの流量を調節するように構成されている。

酸水素発生装置の正端子および負端子は、好ましくは、エンジンの動力源に電気的に接続される。動力源は、バッテリーまたは交流発電機を含んでもよい。

本発明の他の機能および利点は、ほんの一例ではあるが本発明の原理を示す添付図面と合わせて得られる、以下のより詳細な記載から明らかとなる。

添付図面は本発明を例証している。

図１は、自動車の概略図であり、本発明に従って、様々なセンサーの他に、マイクロコントローラーおよびＰＣＶバルブ、およびＰＣＶバルブおよびマイクロコントローラーに動作可能に連結されたオンデマンドの酸水素発生装置を例証する。 図２は、本発明の酸水素発生装置の組み込みを例証する内燃機関エンジンの図解的な断面図である。 図３は、本発明の酸水素発生装置のキャップおよび電極プレートの斜視図である。 図４は、酸水素を生成する本発明を具体化し、随意のバブラーリザーバー（ｂｕｂｂｌｅｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）に連結された、酸水素発生装置の斜視図である。

図面で示されるように、例証目的で、本発明は、標準的な内燃機関エンジンに組み込まれるオンデマンドの酸水素燃料システムに関する。本発明を具体化する酸水素発生装置は、参照符号（１００）によって一般に引用される。特に好ましい実施形態では、本発明の酸水素発生装置（１００）は、米国特許第８，３６０，０３８号（その内容は引用によって本明細書に組み込まれる）、または米国出願番号６１／７５４，３８４（その内容も引用によって本明細書に組み込まれる）などに例証および記載されるように、汚染制御システムに組み込まれる。そのため、本発明のシステムによって生成された酸水素は、マイクロコントローラー（１０）およびＰＣＶバルブ（１２）によって調節されたブローバイガスに加えられる。

図１では、マイクロコントローラー（１０）は、好ましくは、自動車１６のフード１４の下に取り付けられる。マイクロコントローラー（１０）は、自動車（１６）の実時間の作動状態および性能をモニタリングおよび測定する、複数のセンサーの１つ以上に電気的に連結される。マイクロコントローラー（１０）は、ＰＣＶバルブ（１２）のデジタル制御を介して、内燃エンジン中のエンジン負圧を調節することにより、ブローバイガスの流量を調節する。マイクロコントローラー（１０）は、センサーから実時間入力を受け取り、該センサーは、エンジン温度センサー（１８）、点火プラグセンサー（２０）、バッテリーセンサー（２２）、ＰＣＶバルブセンサー（２４）、およびエンジンＲＰＭセンサー（２６）、加速度センサー（２８）、並びに排気センサー（３０）を含み得る。マイクロコントローラー（１０）によってセンサー（１８）、（２０）、（２２）、（２４）、（２６）、（２８）、および（３０）から得たデータは、以下により詳しく記載されるように、ＰＣＶバルブ（１２）を調節するために使用される。

図２は、自動車エンジン（１５）中のＰＣＶバルブ（１２）と組み合わせた、マイクロコントローラー（１０）の操作を例証する概略図である。図２に示されるように、ＰＣＶバルブ（１２）は、エンジン（１５）のクランクケース（４９）と、吸気マニホルド（５１）との間に配置される。運転中に、吸気マニホルド（５１）は、燃料配管（４１）および空気配管（４２）をそれぞれ介して、燃料と空気の混合物を受ける。空気フィルター（４４）は、空気配管（４２）と吸気配管（４６）との間に配置され得、吸気マニホルド（５１）において燃料を混合する前に、新鮮な空気をフィルタ処理する。吸気マニホルド（５１）中の空気／燃料の混合物は、ピストン（５０）が上死点からシリンダー（４８）内で下方に下がると、ピストンシリンダー（４８）に送達される。これによって、燃焼室（５２）内に真空が作り出される。したがって、クランクシャフト（４９）の半分の速度で回転する入力カムシャフト（５４）は、入力バルブ（５６）を開き、それによって、吸気マニホルド（５１）をエンジン負圧にさらすように設計されている。故に、燃料／空気は、吸気マニホルド（５１）から燃焼室（５２）へと引き込まれる。

燃焼室（５２）中の燃料／空気は、（ガソリンエンジン中の）点火プラグ（５８）によって点火される。燃焼室（５２）中で点火した燃料／空気の急膨張は、シリンダー（４８）内のピストン（５０）の降下を引き起こす。燃焼後、排気カムシャフト（６０）が、排気バルブ（６２）を開いて、燃焼ガスが、燃焼室（５２）から漏出し、排気配管（６４）を出るのを可能にする。典型的に、燃焼サイクル中、余分な排気ガスは、ピストン（５０）のヘッド（６８）において取り付けられる１対のピストンリング（６６）によりスリップする（ｓｌｉｐ ｂｙ）。これらの「ブローバイガス」は、高圧および高温のガスとしてクランクケース（４９）に入る。経時的に、炭化水素、一酸化炭素、亜酸化窒素、および二酸化炭素などの有害排気ガスは、気体状態から凝縮し、クランクケース（４９）の内部をコーティングし、およびクランクケース（４９）内の構造を潤滑にするオイル（７０）と混ざることができる。

しかし、ＰＣＶバルブ（１２）は、ブローバイガスを、クランクケース（４９）から吸気マニホルド（５１）に放出するように設計されて、ブローバイガスはエンジン（１５）の燃料として再利用される。これは、クランクケース（４９）と吸気マニホルド（５１）の間の圧力差を使用することによって達成される。運転中に、ブローバイガスは、通気口（７２）を通って、比較的高い圧力のクランクケース（４９）を出て、通気管路（７４）、ＰＣＶバルブ（１２）、ブローバイ戻り管路（７６）を通って、それに連結された比較的低い圧力の吸気マニホルド（５１）へと移動する。したがって、ＰＣＶバルブ（１２）を介してクランクケース（４９）から吸気マニホルド（５１）に放出されるブローバイガスの量は、接続ワイヤー（３２）を介してＰＣＶバルブに接続される、マイクロコントローラー（１０）によってデジタルで調節される。マイクロコントローラー（１０）は、バッテリー（１１）によって動力を供給され、接地接続部（ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）（１３）で接地される（ｇｒｏｕｎｄ ｅｄ）。

特に、自動車のエンジン速度および他の動作特性に基づくブローバイガスの放出によって、炭化水素、一酸化炭素、酸化窒素、および二酸化炭素の排出の量が減少する。ＰＣＶバルブ（１２）およびマイクロコントローラー（１０）は、ガスを燃焼サイクルにおいて燃やすことによって再利用する。大量の汚染物質が排気を介して車両から排出されることはもはやなくなる。故に、自動車エンジン内に設置されたときに、ＰＣＶバルブ（１２）およびマイクロコントローラー（１０）は、各自動車に対する大気汚染放散物質を減少させ、１ガロン当たりの燃費効率を増加させ、馬力性能を増加させ、（低炭素保持が原因の）エンジン摩耗を減少させ、および必要なオイル交換の回数を劇的に減らすことができる。

運転中に、マイクロコントローラー（１０）は、３つの状態で機能する。第１に、上に記載されるように、ビヒクルの点火で、マイクロコントローラー（１０）は、ＰＣＶバルブ（１２）内のソレノイド（８０）を閉じたままにする。これは、車両のエンジン（１５）が、まだ熱くなっている間に大量の汚染をもたらすからである。エンジン（１５）は、一度適切に加熱されれば、より効率的に機能し、もたらされる汚染はより少なくなる。その時点で、マイクロコントローラー（１０）は、次の状態に入り、エンジンＲＰＭに基づいたウインドウスイッチ（ｗｉｎｄｏｗ ｓｗｉｔｃｈ）として機能する。エンジンが、特定のＲＰＭ範囲で作動している間に、マイクロコントローラー（１０）によって、ＰＣＶバルブ（１２）内のソレノイド（８０）は開く。エンジンが、一度そのＲＰＭの範囲から落ちると、ＰＣＶバルブ（１２）内のソレノイド（８０）は再び閉じる。長い期間ＲＰＭが与えられた範囲内にとどまる状態で車両が駆動されているとき場合に（すなわち、ハイウェイ駆動（ｈｉｇｈｗａｙ ｄｒｉｖｉｎｇ））、車両のオンボード診断によって、燃料をエンジンに導入し過ぎないように、マイクロコントローラー（１０）は、タイミングシーケンス（ｔｉｍｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を起動する。このタイミングシーケンスは、任意の間隔でプログラムされ得るが、好ましい実施形態では、ＰＣＶバルブ（１２）内のソレノイド（８０）を、２分間開き、その後、１０分間閉じるようにする。エンジンＲＰＭが与えられた範囲から落ちるまで、このシーケンスは無期限に繰り返される。

マイクロコントローラー（１０）の好ましい実施形態の論理は、主として、エンジンＲＰＭに基づいているが、マイクロコントローラー（１０）の他の実施形態は、他の基準に基づいた論理を有してもよい。そのような基準は、エンジン温度およびエンジントルクの他に、クランクケース圧力であり得る。マイクロコントローラーの論理がこれらの追加の基準に基づくことによって、制御システムを、より調整可能且つプログラム可能なものにしている。

図１および図２を参照すると、本発明の酸水素発生装置（１００）は、マイクロコントローラー（１０）およびＰＣＶバルブ（１２）に動作可能に連結されている。マイクロコントローラー（１０）が、酸水素発生装置（１００）に選択的に動力を供給するために使用されることで、酸水素発生装置（１００）は、酸水素を生成し、クランクケースからのブローバイガスとともに、ＰＣＶバルブ及び／又は吸気マニホルド（５１）への酸水素の流れを作り出す。生成された酸水素は、およそ１８０オクタンであり、それ故、燃料効率を劇的に増加させ、排出を減少させることができる、非常に効率的な燃料源を提供する。

図３を参照すると、酸水素発生装置（１００）は、陽極および陰極の電極を含む、連ねられた複数枚の金属プレート（１０４）および（１０６）を含む。金属プレート（１０４）および（１０６）は、水溶液の酸水素ガスへの電気分解に使用され得る、任意の既知の金属プレートまたは陽極または陰極を含むことができる。金属プレートは、亜鉛、カドミウム、金、白金、パラジウムなどを含む。酸水素ガスおよび酸素に変えられている水の化学反応の速度を促進するために、金属プレートは、触媒または促進因子として機能し得る。代替的に、陽極および陰極を含む金属プレート（１０４）および（１０６）は、単に、電気を水溶液に通して、電気分解を行い、水分子を酸水素および酸素ガスに電気的に変換するように機能する。

図３および図４を参照すると、酸水素発生装置（１００）は、容器（１１０）の上部を密封するキャップ（１０８）を含む。陰極および陽極を表わす、電極または端子（１１２）および（１１４）は、バッテリー、交流発電機などの、内燃機関エンジンの電源から電線に連結されるように、プレート（１０４）および（１０６）に対する電気的結合からキャップ（１０８）の外部まで伸張する。

純水は、それほど効果的な導電体ではなく、水を酸水素へと電気分解するために、大量の電気が電極（１１２）および（１１４）に適用される必要があるだろう。したがって、好ましくは、電解質水溶液は、電解質塩、即ち、硝酸カリウム、炭酸水素ナトリウム（重曹）などを水に加えることなどによって作り出される。これによって、水の電気分解を引き起こすのにそれほど電気を必要としない、効果的な電解質溶液が作り出される。プレート（１０４）および（１０６）は、帯電されると、電解質溶液（１１６）を沸騰させて、酸水素発生装置（１００）の上部に酸水素ガス（１１８）を作り出す。この酸水素ガス（１１８）は、ＰＣＶバルブ（１２）によって、及び／又は酸水素ガスを直接吸気マニホルド（５１）へと導入することによって、あるいはブローバイガスが吸気マニホルド（５１）に入る前に、システムをクランクケースからのブローバイガスと組み合わせられるように配管する（ｐｌｕｍｂｉｎｇ）ことによって、出口（１２０）経由で吸気マニホルド（５１）へと供給される（ｃｈａｎｎｅｌｅｄ）。上に言及されるように、生成された酸水素は、およそ１８０オクタンであり、それ故、燃料効率を劇的に増加させ、排出を減少させるように、ブローバイガスを再び燃やすための非常に効率的な燃料源を提供する。

図４で例証されるように、本発明のシステムは、ガスが生成されると、電解質溶液のレベルが経時的に低下するため、酸水素発生装置（１００）を再充填且つ再充電するように、その中に追加の電解質溶液（１１６）を有するリザーバーバブラー（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂｕｂｂｌｅｒ）（１２２）を組み込んでもよい。しかしながら、リザーバーバブラー（１２２）は、エンジン区画内の有益な空間（ｖａｌｕａｂｌｅ ｓｐａｃｅ）を占める。したがって、電解質水溶液のレベルが低いとユーザーに警告する、酸水素発生装置（１００）におけるセンサー（１２４）を、本発明が含むことが考慮される。それは正常な使用時に予想され、電解質水溶液が数か月おきに充填される必要があるだけである。

本発明が、既存の及び提案された自動車の酸水素システムの問題および欠点の多くを克服することが、当業者によって理解される。システムは、「オンデマンド」であり、それ故、必要なときに、酸水素を生成するだけである。これは、マイクロコントローラー（１０）を介してデジタルで制御され、それ故、既存の酸水素生成システムでのように、火事および爆発の問題をもたらしかねない、または余分な酸水素を安全に保存するための安全措置を必要とし得る、保存される必要のある余分な酸水素はない。

本発明のシステムは、自動車の燃料センサーに関連する問題を回避する。燃料センサーは、このような豊富な燃料源を構成する（ａｃｃｏｕｎｔ ｆｏｒ）ために較正されていない。しかしながら、本発明のシステムによって生成された酸水素を、ブローバイと混合することにより「裏口（ｂａｃｋ ｄｏｏｒ）」に通すことで、自動車の燃料センサーを有効に回避する。

エンジンに入り、結局、さびを引き起こす大量の水蒸気によって、酸水素が生成されるために、自動車用の既存の酸水素発生装置のシステムには問題があるが、ＰＣＶバルブが蒸気をクランクケースから絶えず放出するために、本発明はこの問題を回避している。したがって、酸水素で生成された水蒸気は、深刻なさびの問題を引き起こすほど長く、クランクケースまたはエンジンに存在することはない。

幾つかの実施形態が、例示目的で詳細に記載されているが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な変更が実施形態に対してなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項以外によって制限されない。

Claims (14)

1. 内燃機関エンジンのためのオンデマンドの酸水素燃料システムであって、該オンデマンドの酸水素燃料システムが、
   オンデマンドの酸水素発生装置を含み、該オンデマンドの酸水素発生装置が、電解質溶液を含有している液だめ、正端子、負端子、および液だめの内部と流体連通しているガス出口を有する、液だめ上の開口部を密封するためのキャップ、およびキャップに付けられており、電解質溶液に少なくとも部分的に沈められるように、液だめの内部に伸張している、対の電極プレートであって、対の電極プレートの１つが、正端子に電気的に連結され、対の電極プレートのもう１つが、負端子に電気的に連結されている、対の電極プレート、を含み、
   ここで、酸水素発生装置上のガス出口が、電解質溶液の電気分解によって生成された酸水素を放出し、内燃機関エンジン上のクランクケースから内燃機関エンジン上の吸気マニホルドまでのブローバイガスを再利用するための汚染制御システムに流体連結され、該オンデマンドの酸水素燃料システムがさらに、
   エンジンＲＰＭ、エンジン温度、エンジントルク、又は、クランクケース圧力に基づいて酸水素発生装置を選択的に起動するための、酸水素発生装置に動作可能に接続されたマイクロコントローラーを含むことを特徴とする、オンデマンドの酸水素燃料システム。
2. 汚染制御システムが、クランクケースからの通気管路と吸気マニホルドへのブローバイ戻り管路との間に配置された、ＰＣＶバルブを含むことを特徴とする、請求項１に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
3. 内燃機関エンジンのためのオンデマンドの酸水素燃料システムであって、該オンデマンドの酸水素燃料システムが、
   オンデマンドの酸水素発生装置を含み、該オンデマンドの酸水素発生装置が、電解質溶液を含有している液だめ、正端子、負端子、および液だめの内部と流体連通しているガス出口を有する、液だめ上の開口部を密封するためのキャップ、およびキャップに付けられており、電解質溶液に少なくとも部分的に沈められるように、液だめの内部に伸張している、対の電極プレートであって、対の電極プレートの１つが、正端子に電気的に連結され、対の電極プレートのもう１つが、負端子に電気的に連結されている、対の電極プレート、を含み、該オンデマンドの酸水素燃料システムがさらに、
   内燃機関エンジン上のクランクケースからの通気管路と内燃機関エンジン上の吸気マニホルドへのブローバイ戻り管路との間に配置されたＰＣＶバルブを含む、汚染制御システムを含み、
   ここで、酸水素発生装置上のガス出口が、電解質溶液の電気分解によって生成された酸水素を放出し、汚染制御システムに流体連結され、該オンデマンドの酸水素燃料システムがさらに、
   エンジンＲＰＭ、エンジン温度、エンジントルク、又は、クランクケース圧力に基づいて酸水素発生装置を選択的に起動するための、酸水素発生装置に動作可能に接続されたマイクロコントローラーを含むことを特徴とする、オンデマンドの酸水素燃料システム。
4. 酸水素発生装置のガス出口が、クランクケースからの通気管路、吸気マニホルドへの戻り管路、またはＰＣＶバルブに連結されることを特徴とする、請求項２または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
5. マイクロコントローラーが、ＰＣＶバルブを通るブローバイガスの流量を調節するために、ＰＣＶバルブに動作可能に接続されることを特徴とする、請求項２または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
6. 酸水素発生装置の正端子および負端子が、エンジンの動力源に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
7. 動力源が、バッテリーまたは交流発電機を含むことを特徴とする、請求項６に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
8. 対の電極プレートの各々が、連ねられた複数枚の金属プレートを含むことを特徴とする、請求項１または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
9. 連ねられた複数枚の金属プレートが、亜鉛、カドミウム、金、白金、およびパラジウムから成る群から選択される金属から作られていることを特徴とする、請求項８に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
10. 連ねられた複数枚の金属プレートが、水の電解反応において触媒を含むことを特徴とする、請求項８に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
11. 電解質溶液が、電解質塩と混合された水を含むことを特徴とする、請求項１または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
12. 塩が、硝酸カリウムまたは炭酸水素ナトリウムを含むことを特徴とする請求項１１に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
13. 液だめに流体連結された、追加の電解質溶液を含有している第２液だめをさらに含むことを特徴とする、請求項１または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。
14. 液だめ中の電解質溶液のレベルを検知するように構成されたセンサーをさらに含むことを特徴とする、請求項１または３に記載のオンデマンドの酸水素燃料システム。