JP7492281B2 - 内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、経年使用によって内燃機関に堆積し、様々な不具合の原因となる内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置に関するものである。

内燃機関は、乗用車等の乗物用，トラックや貨物船等の輸送用，漁船やクレーン等の作業用等の各種用途の動力源として広く使用されている。内燃機関の燃料であるガソリンや軽油は、炭素と水素を主成分としており、完全に燃焼すれば二酸化炭素と水に分解されるものの、実際には全てが理想的に燃焼することはなく、又エンジンオイルの一部が燃焼室に入ることもあり、経年使用によって燃焼室内には燃えカスとしてのカーボン堆積物（カーボンデポジット）が付着することとなる。

カーボン堆積物の存在は、燃料の供給不順，排気システムの劣化，エンジンオイルの劣化，エンジンの出力低下等々の様々な不具合の原因となるので、早めに除去することが望ましい。そのため、内燃機関に付着したカーボン堆積物の抑制手段として、燃料の改善，内燃機関の材料としてカーボンが付着しにくい材料の開発，分解掃除に際しての洗浄剤や燃料への添加剤等々種々の手段が提供されている。更に、直接的にカーボン堆積物を除去する手段として、水を電気分解することによって生成した酸水素ガスを内燃機関の燃焼室に供給して燃焼させることによって、カーボン堆積物を洗浄する手段が提供されている（特許文献１，２参照）。

中華民国（台湾）実用新案公告Ｍ３５３９９６号公報 実用新案登録第３１８３７２５号公報

特許文献１，２に示す酸水素ガスは１００％燃焼可能であり、燃焼効率を飛躍的に向上させてカーボン堆積物を燃焼させることが可能となるため、カーボン堆積物の洗浄・除去に顕著な効果を発揮する。しかしながら、水の電気分解に際しては、水の導電性を確保するために、電解質として水酸化カリウムや水酸化ナトリウムを水に溶解させた電解液を使用する必要がある。この電解液（水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液）は強アルカリ性であり、アルミニウムをはじめ錫，鉛，亜鉛等からなる金属部品に対して腐食性を有している。

車両や船舶の内燃機関を洗浄するためには、８００リットル／ｈ～２０００リットル／ｈ程度の酸水素ガスを必要とし、そのためには２００ボルト程度の電圧を印加し、４０００ワット～６５００ワット程度の電力，２０アンペアから３２．５アンペア程度の電流で電解液を電気分解する必要がある。電解液の電気分解は吸熱反応であり、必要量の酸水素ガスを生成するために印加する電圧によって電解液の温度は略８０℃程度まで上昇し、電解液が蒸発をする。加えて、電解槽から内燃機関に供給する迄の移送距離が短いため、蒸発した電解液水蒸気の温度が下がらないまま生成された酸水素ガスとともに内燃機関に供給される怖れがある。

酸水素ガスによってカーボン堆積物を洗浄する車両や船舶等の内燃機関のインテークマニホールド等の吸気側の部品は殆どがアルミニウム製であり、錫，鉛，亜鉛等からなる部品も存在する。そのため、強アルカリ性の電解液水蒸気や、電解液水蒸気が液化した電解液が内燃機関に供給されると、アルミニウムや錫，鉛，亜鉛等のアルカリ腐食性の金属部品を腐食させて、内燃機関そのものを損傷する怖れがあるため、これを阻止する必要がある。そのためには、酸水素ガスの生成装置とは別に、電解液水蒸気を冷却するための別体の冷却装置等の設備や電力などの付帯設備も必要となる。

そこで、本発明は水の電気分解によって生成した酸水素ガスを使用して内燃機関のカーボン堆積物を洗浄するに際して、酸水素ガスの生成と同期して強アルカリ性の電解液水蒸気が内燃機関に供給されることを阻止し、強アルカリ性の電解液水蒸気によって、内燃機関内部のアルミニウムや錫，鉛，亜鉛等のアルカリ腐食性の金属部品が腐食するのを防止することを新たな課題として設定し、この新たな課題を解決するために、酸水素ガスの生成と電解液水蒸気の除去を１つの装置内で同期して行う内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置を提供することを目的としている。

本発明者は、前記した新たな課題を解決するために、電気分解によって酸水素ガスを生成するための水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液等の電解液及び電気分解時に発生する電解液水蒸気について鋭意研究を行い、内燃機関への酸水素ガスの供給と電解液水蒸気の供給の阻止を同期して行うために、次の推論を立てた。
推論１：酸水素ガスの生成と同期して電解液水蒸気を除去するためには、酸水素ガスと電解液水蒸気を分離する必要があること。
推論２：酸水素ガスと電解液水蒸気を分離するためには、電解液水蒸気を液化することが必要であること。
推論３：所定量の酸水素ガスを生成するためには電解槽内の電解液の温度は一定以上の温度となり、電解液水蒸気もその温度を概ね維持しているため、液化するためには液化可能な温度まで電解液水蒸気を冷却する手段が必要であること。
推論４：酸水素ガスが通過可能で、液化した電解液水蒸気を捕集可能な除去手段を設置する必要があること。

前記した推論１～推論４に基づいて、電解槽で酸水素ガスとともに発生する電解液水蒸気の液化及び冷却について種々の実験・検証を行った結果、次の知見を得た。
知見１：所定量の酸水素ガスを生成するための電解槽内の電解液の温度を測定したところ略８０℃であり、この略８０℃の電解液水蒸気を酸水素ガスとともに移送した際の温度低下は僅かであって、略７５℃程度に留まっていた。この温度では液化せず、又この温度のままでは、酸水素ガスと分離して捕集することは困難であること。
知見２：電解液水蒸気の液化温度について実験・検証を行ったところ、電解液水蒸気のおかれている雰囲気に左右されるものの、概ね常温で液化し、少なくとも３５℃以下の温度まで低下すれば殆どが液化し、或いは液化可能な状態となること。
知見３：酸水素ガスはガス体であるため、電解液水蒸気の冷却によっても性状に影響を受けないこと。

前記した知見１～３に基づいて、推論１～推論４を充足するために、本発明者は電解槽から内燃機関迄の移送に着眼し、酸水素ガスの生成と電解液水蒸気の除去を１つの装置内で同期して行うために、移送時を利用して電解液水蒸気を冷却し、液化させ或いは液化可能な状態とするとの着想を得て本発明に想到した。

本願発明の課題を解決するために、請求項１により、水に所定の電解質を溶解した電解液を電気分解して生成した酸水素ガスを、内燃機関に供給して燃焼させる内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置において、電解液を電気分解する電解槽と、電気分解時に電解槽から蒸発する強アルカリ性の電解液水蒸気を、電解槽で生成した酸水素ガスとともに、移送することによって液化可能な所定の温度まで冷却する移送管と、所定の温度まで冷却した電解液水蒸気が接触することによって液化する濾材を収納し、移送管から酸水素ガスとともに供給された所定の温度まで冷却した電解液水蒸気を液化した状態で捕集することによって、酸水素ガスから分離して除去する捕集器具と、捕集器具から酸水素ガスのみを内燃機関へ供給する供給管とを、所定の筐体に収納してなり、酸水素ガスの生成と電解液水蒸気の除去を１つの装置内で同期して行う内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置を基本として提供する。

そして、請求項２により、捕集器具内部に、液化した電解液水蒸気を貯留可能とした構成を提供する。

また、請求項３により、電解槽から捕集器具までの移送管を所定領域内において蛇行させて配置することにより、電解液水蒸気を所定の温度に冷却可能な移送管の長さを確保した構成を提供する。

更に、請求項４により、移送管と電解槽の間にファンを介在させ、ファンによって電解槽と移送管を冷却可能とした構成を提供する。

そして、請求項５により、電解液水蒸気を３５℃以下に冷却する構成を提供する。

また、請求項６により、電解液水蒸気の内燃機関への供給を阻止することによって、強アルカリ性の電解液水蒸気によって、内燃機関内部のアルミニウム等のアルカリ腐食性の金属部品が腐食することを防止する構成を提供する。

上記構成の本発明によれば、酸水素ガスを生成するために、水に所定の電解質を溶解した電解液を電解槽で電気分解する際に、電解槽から蒸発して酸水素ガスとともに移送される強アルカリ性の電解液水蒸気を所定の温度まで冷却することによって、酸水素ガスから分離することができる。特に電解液水蒸気の移送距離の延長とファンによる冷却を併用することによって、効果的に冷却することができる。また、移送距離を延長するための移送管を所定領域内において蛇行させて配置することにより、設置のための領域を最小とすることができる。

よって、酸水素ガスの生成と電解液水蒸気の除去を同期して１つの装置内で行うことができる。その結果、酸水素ガスのみを内燃機関に供給してカーボン堆積物を燃焼させて洗浄することができるとともに、強アルカリ性の電解液水蒸気が内燃機関に供給されることを阻止し、強アルカリ性の電解液水蒸気によって、内燃機関内部のアルミニウムや錫，鉛，亜鉛等からなるアルカリ腐食性の金属部品が腐食するのを防止することができる。

内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置の基本構成図。 内燃機関のカーボン堆積物の洗浄方法の説明図。 捕集器具の模式図。

本発明は、経年使用によって内燃機関の燃焼室内に付着して堆積した燃えカスとしてのカーボン堆積物（カーボンデポジット）を、水に水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等の所定の電解質を溶解させた電解液を電解槽で電気分解して酸水素ガスを生成し、内燃機関に供給して洗浄するに際して、強アルカリ性の電解液水蒸気が内燃機関に供給されることを阻止し、強アルカリ性の電解液水蒸気によって、内燃機関内部のアルミニウムや錫，鉛，亜鉛等からなるアルカリ腐食性の金属部品が腐食するのを防止することを課題としている。

以下、図面に基づいて上記した課題を解決するための内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置の実施形態を説明する。図１は内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置１の基本構成図である。図において１０は所定容量の電解槽であり、電解液１５を所定容量だけ貯留するとともに、電解液１５に所定の電流を流すための陰極１１と陽極１３を装備している。この陰極１１と陽極１３に電解槽１０外の所定の電源１７から所定の電圧を印加することによって電解液１５の電気分解を行う。電解液１５としては、水（純水）に所定の電解質として水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムを所定濃度で溶解させた水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液を使用する。本実施形態では水酸化カリウム水溶液を使用した。

所定濃度の水酸化カリウム水溶液からなる電解液１５を電気分解することによって、陰極１１から水素が、陽極１３から酸素が発生し、酸水素ガス２５（図２参照）が生成される。この電気分解は吸熱反応であり、必要量の酸水素ガス２５を生成するために印加する電圧によって電解液１５の温度が上昇し、電解液１５が電解液水蒸気２０（図２参照）となって蒸発をはじめる。

３０は移送管であって、電解槽１０で生成された酸水素ガス２５及び蒸発した電解液水蒸気２０を一体として、捕集器具５０に移送する。捕集器具５０には酸水素ガス２５を内燃機関７０に供給するための供給管６０が装備されている。よって、内燃機関７０と電解槽１０との間において内燃機関７０の直前に捕集器具５０を装備している。

酸水素ガス２５及び電解液水蒸気２０を、電解槽１０から捕集器具５０まで移送する移送管３０を蛇行させて配置することにより、電解液水蒸気２０を所定温度、具体的には捕集器具５０への供給前において略３５℃以下の温度となるように冷却可能な長さを確保する配置としている。これにより、電解液水蒸気２０は液化された状態で、及び液化可能な状態で捕集器具５０に供給される。なお、移送管３０は、電解液水蒸気２０を所定温度に冷却可能な長さを確保することが肝要であり、図示例のように折り返しを繰り返した規則的な蛇行でもよいし、又不規則な蛇行や螺旋状等としてもよく、配置の形状に特に限定はない。

捕集器具５０は移送管３０から、酸水素ガス２５，電解液水蒸気２０が冷却によって液化した電解液１５，液化されなかった電解液水蒸気２０ａの供給を受けて、フィルターとして次の３つの作用を果たす。
作用１：液化された電解液１５を分離して内部に貯留すること。
作用２：移送管３０での移送時に液化されずに残存している電解液水蒸気２０ａを濾材５５で液化するとともに、分離して内部に貯留すること。
作用３：酸水素ガス２５を分離して通過させて供給管６０に供給すること。

捕集器具５０は、図３の模式図に示すとおり、所定容量の容器５３に濾材５５を充填するとともに、移送管３０を容器５３の上部から濾材５５を貫通して容器５３の底部にまで延長して挿通し、供給管６０を移送管３０と対面させて容器５３の上部に挿通している。濾材５５は、移送管３０での移送時に液化されずに残存している電解液水蒸気２０ａの通過時に衝突させて液化して容器５３の底部に滴下させて捕集するとともに（作用２）、酸水素ガス２５を捕集することなく通過させる（作用３）。具体的には、濾材５５として、石材，金網，樹脂等の濾材として公知の素材から適宜選択し、粒状，粉状，ハニカム状等の素材に適した適宜の形状として容器５３に充填している。そのため、前記した作用２，３を実現することができれば、素材，形状や配置状況に限定はない。また、容器５３の底部には貯留した電解液１５を排出するためのバルブを有するドレン管５７が設置されている。

移送管３０と電解槽１０の間にはファン４０が設置されており、このファン４０によって、電解槽１０と移送管３０を冷却する。よって、電解槽１０から捕集器具５０までの電解液水蒸気２０は、移送管３０による移送距離によって冷却されるとともに、ファン４０によっても冷却されながら移送されることとなる。なお、ファン４０による冷却は、電解槽１０と移送管３０の双方に向けて送風することはもとより、電解槽１０に向けて送風するファン４０の背面に移送管３０を位置させることによる負圧によって冷却するようにしてもよい。これらの電解槽１０，陰極１１，陽極１３，電源１７，移送管３０，捕集器具５０，供給管６０，ファン４０その他の必要な制御部材等を所定の筐体５に収納することによって内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置１を構成する。なお、電解槽１０の容量や筐体５のサイズは、生成する酸水素ガス２５の容量に応じて適宜選択すればよい。

次に上記構成の内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置１を使用した内燃機関７０のカーボン堆積物の洗浄方法について図２に基づいて説明する。図２に示すように、所定の電源１７から電解槽１０に貯留した水酸化カリウム水溶液からなる電解液１５に浸漬した陰極１１及び陽極１３に所定の電圧を印加することによって電気分解され、酸水素ガス２５が生成される。この電気分解は吸熱反応であるため、電解液１５の温度が上昇し、強アルカリ性の電解液１５が蒸発して電解液水蒸気２０となり、生成された酸水素ガス２５とともに、移送管３０によって移送されることとなる。電解槽１０から蒸発する電解液水蒸気２０の温度は実施例では略８０℃であった。

本発明では電解槽１０から蒸発した電解液水蒸気２０を移送途中において、液化するまで冷却し、又は液化可能な所定の温度、具体的には捕集器具５０によって液化して捕集可能な略３５℃以下まで冷却することを特徴としている。冷却手段としては、移送管３０を設置する筐体５の所定領域内において、移送管３０を蛇行させて配置することによって（図１参照）、移送距離を延長することにより、電解液水蒸気２０の移送距離を電解液水蒸気２０を所定温度に冷却可能な長さとしている。実施例では、筐体５内において、最短距離で１５ｃｍ程度の距離に隣接して設置した電解槽１０と捕集器具５０の間に、所定径のチューブからなる３ｍ～４ｍの長さの移送管３０を蛇行させて設置した。

併せて、移送管３０と電解槽１０の間に設置したファン４０によって移送管３０を冷却する。移送管３０を所定領域内において蛇行させて配置することにより、移送管３０の略全域がファン４０と対面するように配置することが可能となる。ファン４０による冷却は、矢印Ａに示すようにファンの背面からの負圧による冷却であっても、或いは矢印Ｂに示すように正面からの送風による冷却であってもよい。ファン４０は矢印Ｃに示すように電解槽１０に向けても送風し、電気分解時の電解槽１０を冷却している。そのため、ファン４０は、電解槽１０及び移送管３０の双方に向けて送風可能なように複数設置してもよく、或いは電解槽１０に向けて送風し、移送管３０はファン４０の背面における負圧による冷却としてもよい。

電解液水蒸気２０は移送管３０による移送時に、移送距離による冷却３１と移送時のファンによる冷却３３の双方の相乗効果によって、電解液水蒸気の液化３５が生じて電解液１５に戻り、或いは液化可能な温度の電解液水蒸気２０ａとなって捕集器具５０に供給される。なお、酸水素ガス２５はガスであるため、移送距離に関係なく、そのまま捕集器具５０内に供給される。実施例では、電解槽１０からの蒸発時に略８０℃であった電解液水蒸気２０の殆どが捕集器具５０に供給前には液化して電解液１５に戻っていた。僅かに液化されていない電解液水蒸気２０ａも存在したが、その温度は略３５度以下であった。

移送管３０の先端は、捕集器具５０内の濾材５５を貫通して、容器５３の底部にまで延長されているため、酸水素ガス２５，電解液水蒸気２０が液化した電解液１５及び液化可能な温度まで冷却された電解液水蒸気２０ａは、矢印Ｄに示すように、捕集器具５０の容器５３の底部に供給される（図３参照）。そして、電解液水蒸気２０が液化した電解液１５は捕集器具５０の底部に貯留され、酸水素ガス２５及び液化可能な温度まで冷却された電解液水蒸気２０ａは、矢印Ｅに示すように、捕集器具５０の底部から上方に上昇する。このとき電解液水蒸気２０ａは、充填した濾材５５に衝突することによって液化し、矢印Ｆに示すように、底部に滴下して貯留される。

一方、酸水素ガス２５は、矢印Ｇに示すように、濾材５５の間を通過して上昇し、移送管３０と対面させて容器５３の上部に挿通した供給管６０に進入し、洗浄対象としての内燃機関７０の燃焼室に供給されて燃焼することにより、カーボン堆積物を燃焼させて洗浄する。よって、捕集器具５０によって、電解液の除去５１及び電解液水蒸気の液化５９を行うことができる。

実施例１～４として、下記表１に示す条件で８００リットル／ｈ～２０００リットル／ｈの酸水素ガス２５を生成したところ、いずれも電解液水蒸気２０ａや電解液１５が供給管６０に供給されることはなく、内燃機関７０への供給を阻止して、酸水素ガス２５のみを内燃機関７０に供給することができた。

上記構成の本発明によれば、酸水素ガスを生成するために、水に所定の電解質を溶解した電解液を電解槽で電気分解する際に、電解槽から蒸発して酸水素ガスとともに移送される強アルカリ性の電解液水蒸気を所定の温度まで冷却することによって、酸水素ガスから分離することができる。特に電解液水蒸気の移送距離の延長とファンによる冷却を併用することによって、効果的に冷却することができる。また、移送距離を延長するための移送管を所定領域内において蛇行させて配置することにより、設置のための領域を最小とすることができる。

よって、酸水素ガスの生成と電解液水蒸気の除去を同期して１つの装置内で行うことができる。その結果、酸水素ガスのみを内燃機関に供給してカーボン堆積物を燃焼させて洗浄することができるとともに、強アルカリ性の電解液水蒸気が内燃機関に供給されることを阻止し、強アルカリ性の電解液水蒸気によって、内燃機関内部のアルミニウムや錫，鉛，亜鉛等からなるアルカリ腐食性の金属部品が腐食するのを防止することができる。

１…内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置
５…筐体
１０…電解槽
１１…陰極
１３…陽極
１７…電源
１５…電解液
２０…電解液水蒸気
２０ａ…（液化されなかった）電解液水蒸気
２５…酸水素ガス
３０…移送管
３１…移送距離による冷却
３３…移送時のファンによる冷却
３５…電解液水蒸気の液化
４０…ファン
５０…捕集器具
５１…電解液の除去
５３…容器
５５…濾材
５７…ドレン管
５９…電解液水蒸気の液化
６０…供給管
７０…内燃機関

Claims (6)

1. 水に所定の電解質を溶解した電解液を電気分解して生成した酸水素ガスを、内燃機関に供給して燃焼させる内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置において、
   電解液を電気分解する電解槽と、
   電気分解時に電解槽から蒸発する強アルカリ性の電解液水蒸気を、電解槽で生成した酸水素ガスとともに、移送することによって液化可能な所定の温度まで冷却する移送管と、
   所定の温度まで冷却した電解液水蒸気が接触することによって液化する濾材を収納し、移送管から酸水素ガスとともに供給された所定の温度まで冷却した電解液水蒸気を液化した状態で捕集することによって、酸水素ガスから分離して除去する捕集器具と、
   捕集器具から酸水素ガスのみを内燃機関へ供給する供給管とを、
   所定の筐体に収納してなり、
   酸水素ガスの生成と電解液水蒸気の除去を１つの装置内で同期して行うことを特徴とする内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置。
2. 捕集器具内部に、液化した電解液水蒸気を貯留可能とした請求項１記載の内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置。
3. 電解槽から捕集器具までの移送管を所定領域内において蛇行させて配置することにより、電解液水蒸気を所定の温度に冷却可能な移送管の長さを確保した請求項２記載の内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置。
4. 移送管と電解槽の間にファンを介在させ、ファンによって電解槽と移送管を冷却可能とした請求項３記載の内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置。
5. 電解液水蒸気を３５℃以下に冷却する請求項４記載の内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置。
6. 電解液水蒸気の内燃機関への供給を阻止することによって、強アルカリ性の電解液水蒸気によって、内燃機関内部のアルミニウム等のアルカリ腐食性の金属部品が腐食することを防止する請求項１，２，３，４又は５記載の内燃機関のカーボン堆積物の洗浄装置。

Images