JPH06200831A

JPH06200831A - 熱機関の吸気装置

Info

Publication number: JPH06200831A
Application number: JP4358556A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Higashihara; 弘享東原
Original assignee: GOYO GIKEN KOGYO KK
Current assignee: GOYO GIKEN KOGYO KK
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1994-07-19

Abstract

(57)【要約】【目的】燃焼室の水を安定して供給でき、燃焼の改善
と排気浄化作用の安定化とを図り、燃費を向上させるこ
とができる熱機関の吸気装置を提供する。【構成】空気と燃料とを混合して燃焼室に導き燃焼す
る熱機関において、吸気通路に水蒸気を供給する水蒸気
発生器を設けた。水蒸気発生器は電気ヒータにより水蒸
気を発生させるものが望ましく、この水蒸気から水滴を
除去する気水分離器を付加するのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃エンジン等の吸気
に水蒸気を供給して排気の浄化を図る熱機関の吸気装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車等に用いる火花点火式ガソリンエ
ンジンやディーゼルエンジンでは、大気汚染防止のため
に排気の浄化が求められている。排気中の大気汚染物質
として、ガソリンエンジンでは窒素酸化物（ＮＯ_x ）、
一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）が、またデ
ィーゼルエンジンでは窒素酸化物（ＮＯ_x ）やスモーク
（黒煙）が特に問題となる。

【０００３】これらの対策として従来より吸気に水を添
加することが提案されている。これは吸気中に水を加え
ることにより、燃焼温度を下げ、窒素酸化物の発生を抑
制すると共に、この水の分解により燃焼を促進して燃費
向上を図り、同時に一酸化炭素や炭化水素、あるいはス
モークの発生を抑制するものである。

【０００４】

【従来の技術の問題点】ここに従来は水ポンプで水を吸
気通路内に直接供給していたため、水滴が吸気通路内壁
に付着し易い。このため燃焼室へ入る水の量が不安定に
なり、燃焼が不安定になったり排気浄化効果が不安定に
なるなどの問題があった。

【０００５】

【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、燃焼室へ水を安定して供給でき、燃焼およ
び排気浄化効果を安定化させ、燃費を向上させることが
できる熱機関の吸気装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【発明の構成】本発明によればこの目的は、空気と燃料
とを混合して燃焼室へ導き燃焼する熱機関において、外
気を吸入し前記燃焼室へ導く吸気通路に水蒸気を供給す
る水蒸気発生器を備えることを特徴とする熱機関の吸気
装置により達成される。

【０００７】ここに用いる熱機関は、火花点火式ガソリ
ンエンジンであっても圧縮点火式ディーゼルエンジンで
あってもよく、さらに連続燃焼を行うガスタービンなど
のブレートンサイクル機関や蒸気機関などのランキンサ
イクル機関などであってもよい。水蒸気は電気ヒータに
より発生させるのが望ましく、このヒータで発生した水
蒸気を気水分離器に通して水滴を除去してから吸気管に
導くのが望ましい。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の一実施例を適用した乗用車の
レイアウト図、図２は本発明の水蒸気発生器を示す斜視
図、図３は同じくスイッチ箱の斜視図、図４は全体構成
の概念図、図５は図２に示す水蒸気発生器の側断面図で
ある。この実施例は燃料噴射式ガソリン内燃エンジンに
本発明を適用したものである。

【０００９】図１で１０はガソリンエンジンであり、車
体の前部に搭載されて前輪１２を駆動する。エンジン１
０を収容するエンジンルーム内には、図２、５に示すよ
うな本発明に係る水蒸気発生器１４が収容されている。
車体後部には水タンク１６が収容され、また運転席のダ
ッシュボードには図３に示すようなスイッチ箱１８が配
設されている。

【００１０】エンジン１０は図４に示すように２頭上カ
ム軸式のものである。この図で２０は吸気弁、２２は排
気弁、２４と２６はこれら吸気弁２０、排気弁２２を開
閉するカム軸、２８は点火栓である。３０はシリンダ、
３２はピストン、３４はクランク軸、３６はコンロッド
である。

【００１１】吸気弁２０に連通する吸気管３８には気化
器４０およびスロットル弁４２が上流側へ向って順に取
付けられ、その上流端はエアクリーナ４４に接続されて
いる。吸気はこのエアクリーナ４４から吸気管３８に吸
入され、気化器４０でガソリンが混入されて混合気とな
る。そしてシリンダ３０内の燃焼室に吸入され、点火栓
２８により点火される。燃焼が終った既燃焼ガスは、排
気弁２２から排気管４６に排出される。

【００１２】本発明に係る水蒸気発生器１４は、蒸発室
５０と、給水手段５２と、電気ヒータ５４とを備える。
蒸発室５０は、ステンレス鋼製の縦長の管状容器５６内
に形成され、この容器５６の底部に電気ヒータ５８、５
８が取付けられている（図５参照）。電気ヒータ５８、
５８は合計で１３００ワットの発熱量とした。この容器
５６内には給水手段５２から一定水位となるように水が
供給される。

【００１３】給水手段５２は、フロート室６０と、この
フロート室６０内に収容されたフロート６２と、このフ
ロート６２に垂直に突設されたロッド６４と、このロッ
ド６４に固定された永久磁石６６と、この磁石６の接近
・離隔に応じてオン・オフするリードスイッチ６８とを
備える。フロート室６０は連結管７０によって前記蒸発
室５０に連通されている。

【００１４】ここに連結管７０の途中にはこの連結管７
０内を第１および第２の水室７２、７４に仕切る垂直な
仕切壁７６が設けられ、ここに小径パイプ７８が貫挿さ
れている。フロート室６０および蒸発室５０はそれぞれ
小孔８０、８２で連結管７０の第１、第２水室７２、７
４に連通する一方、小径パイプ７４の両端にはこのパイ
プ７４の半径方向に開口する小孔８４、８６が設けられ
ている。

【００１５】このためフロート室６０と蒸発室５０と
は、小孔８０、第１水室７２、小孔８４、パイプ７８、
小孔８６、第２水室７４、小孔８２を介して、互いに連
通する。ここにパイプ７８の小孔８４、８６は、小孔８
０、８２と直交する方向に開口しているから、車体の加
減速などによる連結管７０内の水の流動が規制され、蒸
発室５０内の水位が安定する。

【００１６】水タンク１６（図１、４）の水は、スイッ
チ箱１８に設けた水ポンプ９０により、連結管７０内の
第１水室７２に送られる。この水ポンプ９０は例えば電
磁プランジャ式のもので形成され、制御器９２によって
オン・オフ制御される。すなわち前記フロート室６０の
水位が一定以下に下がるとリードスイッチ６８がオフと
なり、このリードスイッチ６８のオフ信号に基づいて制
御器９２は水ポンプ９０を起動させる。このため水タン
ク１６の水がチューブ９４（図３）でこの水ポンプ９０
に吸入され、チューブ９６によって第１水室７２に送り
出される。

【００１７】第１水室７２に入った水はフロート室６０
と蒸発室５０とに入り、両室６０、５０の水位を上昇さ
せる。フロート室６０の水位上昇により、フロート６２
および磁石６６も上昇し、リードスイッチ６８がオンに
なると、制御器９２は水ポンプ９０を停止させる。この
ためフロート室６０および蒸発室５０への水の供給は停
止する。

【００１８】スイッチ箱１８には、水ポンプ９０の電源
スイッチ９８と、このスイッチ９８のオン時に点灯する
水ポンプ電源表示灯１００とが設けられている。また水
ポンプ９０の作動中に点灯するポンプ作動表示灯１０２
も設けられている。この作動表示灯１０２は、この装置
の正常な作動中には水ポンプ９０の間欠的な作動・停止
に伴って点滅する。従ってこの作動表示灯１０２が点灯
し続ける場合には水ポンプ１６に水が無くなって水ポン
プ９０が作動し続けることを意味することになり、逆に
この作動表示灯１０２の連続点灯から水が無いことを検
知できる。

【００１９】このスイッチ箱１８にはまた、２つの電気
ヒータ５４、５４のそれぞれのスイッチ１０４、１０６
と、これらスイッチ１０４、１０６のオン時に点灯する
ヒータ表示灯１０８、１１０とが設けられている。従っ
てスイッチ１０４、１０６の一方をオンにすれば一方の
電気ヒータ５４のみが発熱し、両スイッチ１０４、１０
６を共にオンにすれば、両方の電気ヒータ５４、５４が
発熱し、発熱量が増大する。

【００２０】電気ヒータ５４、５４の一方または両方の
発熱により蒸発室５０内の水が沸騰すると、水蒸気が発
生する。蒸発室５０内の上部には気水分離器１１２が設
けられ、水蒸気から水滴が分離される。この気水分離器
１１２は蒸発室５０内の上部に蒸気１１４を画成する銅
製仕切板１１６の両面に、厚さ約１ｃｍの銅板１１８、
１２０を積層し、これらに多数の小径貫通孔１２２を形
成したものである。この貫通孔１２２は、例えば直径２
ｍｍの孔とし、合計７０個設ける。

【００２１】この気水分離器１１２は、貫通孔１２２を
水蒸気が通る際に水滴を銅板１１８、１２０に付着させ
て保護し、水滴を含まない水蒸気だけを蒸気室１１４に
導く。この蒸気室１１４の蒸気は、断熱材を巻いたチュ
ーブ１２４により前記吸気管３８に導かれる。例えば吸
気管３８のエアクリーナ４４の下流側に導く（図４参
照）。

【００２２】なお図５に示す実施例では蒸気室１１４が
一方向弁１２６を介して大気に連通している。この一方
向弁１２６は、エンジン始動時などに蒸発室５０内の水
温が低く十分な水蒸気が発生していない時に、蒸発室５
０が負圧になるのを防ぎ、蒸発室５０内に過大な量の水
が給水手段５２から導かれるのを防ぐ作用を持つ。

【００２３】また図５の実施例では給水手段５２は、フ
ロート室６０内のフロート６２の水位をリードスイッチ
６８で検出し、水ポンプ９０を作動させるものである。
しかし図４では簡略化するため、フロート６２の上下動
により開閉される給水弁１３０を用いているが、両者は
本質的に異なるものでないことは勿論である。

【００２４】図６は蒸気発生器の他の実施例の断面図で
ある。この実施例の蒸気発生器１４Ａは基本的には図４
に示したものと同様な構造を持つ。すなわち給水手段５
２Ａはフロート６２Ａにより開閉される制御弁１３０Ａ
を持ち、この制御弁１３０Ａにより水タンク１６（図
１、４）から供給される水のフロート室６０への流入量
を制御するものである。

【００２５】またこの実施例では、連結管７０の仕切壁
７６Ａには小径パイプ７８を設けずに、第１水室７２と
第２水室７４とを小孔１３２のみで連通させている点
と、蒸気室１１４の一方向弁１２６（図５）を省いた点
とが図５のものと異なる。他の構成は同じなので、同一
部分に同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【００２６】

【実験結果】図５または６に示す構成の蒸気発生器１
４、１４Ａを１５００ｃｃガソリンエンジンを搭載した
小型乗用自動車と、２０００ｃｃディーゼルエンジンを
搭載した小型乗用自動車とに適用し、実験を行った。実
験は８月〜１０月の晴れまたは曇りの日を選んで行わ
れ、実験日の気温は２０〜３３℃、湿度は３６〜６５％
の範囲にあった。

【００２７】ガソリンエンジンに対する実験は、１８リ
ットルの燃料で所定の走行パターンで約１８０ｋｍ実際
に走行しながら炭火水素（ＨＣ）濃度（ｐｐｍ）と一酸
化炭素ガス（ＣＯ）濃度（ｖｏｌ％）とを１日のうちに
複数回（１０回）測定し、その平均値を求めたものであ
る。図７はこの実験を本発明の装置を装着した場合と装
着しない場合についてそれぞれ５回づつ繰り返し、各回
毎の平均値をプロットした結果を示すものである。

【００２８】この実験によれば、非装着時のＣＯの５回
の平均濃度は１．８６％、ＨＣの平均濃度は６１０ｐｐ
ｍである。これに対し装着時のＣＯの平均濃度は１．３
４％、ＨＣの平均濃度は４７２．８ｐｐｍとなった。こ
のことからＣＯに対しては約２８％の低減効果があり、
ＨＣに対しては約２３％の低減効果が得られたことが解
る。なお水の消費量は約４時間の実験で約３５０ｃｃで
あった。

【００２９】このように未燃ガスの成分であるＣＯやＨ
Ｃが減ったことから熱効率が向上することが解り、燃費
も向上する。なお窒素酸化物（ＮＯ_x ）については測定
していないが、水蒸気の添加により燃焼温度が下がるか
ら、当然に減少しているものと推測される。

【００３０】ディーゼルエンジンに対する実験は、同様
に１８リットルの燃料で所定の走行パターンで約２１５
ｋｍ実際に走行しながら黒煙濃度を複数回（１０回）測
定し、その平均値を求めた。この実験を、本発明装置を
装着した場合を装着しない場合につきそれぞれ５回繰り
返し、各回毎の平均値を図８に示すようにプロットした
ものである。

【００３１】この実験によれば、非装着時の５回の平均
値は５９．２％であるのに対し、装着時の平均値は３
７．５％に減少している。このことから本発明の装置を
装着することにより黒煙が約３６．７％減少したことが
解る。このように黒煙が減ったことは熱効率の向上を意
味し、燃費も向上する。なお水の消費量は約４時間の実
験で約５００ｃｃであった。

【００３２】なおこの実験ではＨＣ、ＣＯについて測定
していないが、黒煙の減少は燃焼が促進されたことを意
味するから当然ＨＣ、ＣＯが減っていると考えられる。
また水の添加により燃焼温度が下がり、ＮＯ_x も減少し
ていると考えられる。

【００３３】なおこれらの実験では、炭化水素（ＨＣ）
と一酸化炭素（ＣＯ）の濃度はＩＹＡＳＡＫＡ社製の型
式名「ＡＬＴＡＳ−１００Ｄ、ＳＩ」の排ガステスタを
用いてテストした。この排ガステスタは運輸省型式認定
に従うものであり、非分散型赤外線（ＮＤＩＲ）方式に
よる分析を行う。

【００３４】また黒煙はイヤサカ社製の型式名「ＧＳＭ
−２（自動式）」のジーゼルスモークメータを用いて測
定したものであり、運輸省自動車整備用機械器具の機能
基準（自整８２号）に準拠するものである（運輸省型式
認定番号ＤＳ−８号）。このスモークメータはエンジン
の排気を一定量ポンプにより濾紙を通して採取し、この
濾紙の汚染度を反射光により測定ものであり、較正用標
準紙の反射率を基準にして規約反射率０％を汚染度１０
０％とし、規約反射率８７．０％を汚染度０％としたも
のである。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明は以上にように、熱機関
の吸気系に水蒸気を供給する水蒸気発生器を備えるか
ら、燃費が向上し、また同時に排気の浄化が図れる効果
が得られる。ここに熱機関はガソリンエンジンやディー
ゼルエンジンとすることができる（請求項２、３）。水
蒸気は電気ヒータにより発生させることができる（請求
項４）。水蒸気から水滴を気水分離器により分離して水
蒸気のみを吸気管に供給すれば、吸気管内壁に付着する
水滴が減り、燃焼室に水蒸気が円滑に吸入され、燃焼が
安定し、排気浄化作用が安定する（請求項５）。

【００３６】また給水手段はフロートにより開閉される
給水弁により水位を一定に保つように構成できる（請求
項６）。またフロートの位置をマイクロスイッチやリー
ドスイッチなどにより検出し水位が下がった時に水ポン
プを作動させて水を供給するようにしてもよい（請求項
７）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を乗用自動車に適用した例を
示す図

【図２】ここに用いられる水蒸気発生器の斜視図

【図３】スイッチ箱を示す図

【図４】全体構成の概念図

【図５】水蒸気発生器の側断面図

【図６】水蒸気発生器の他の実施例の側断面図

【図７】ガソリンエンジンにおける実験結果を示す図

【図８】ディーゼルエンジンにおける実験結果を示す図

【符号の説明】

１０ガソリンエンジン１４、１４Ａ水蒸気発生器１６水タンク１８スイッチ箱３８吸気通路を形成する吸気管５０蒸発室５２、５２Ａ給水手段５４電気モータ６０フロート室６２、６２Ａフロート６８スイッチ９０水ポンプ１１２気水分離器１３０給水弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気と燃料とを混合して燃焼室へ導き燃
焼する熱機関において、外気を吸入し前記燃焼室へ導く
吸気通路に水蒸気を供給する水蒸気発生器を備えること
を特徴とする熱機関の吸気装置。
【請求項２】熱機関は、火花点火式ガソリン内燃機関
である請求項１の熱機関の吸気装置。
【請求項３】熱機関は、圧縮点火式ディーゼル内燃機
関である請求項１の熱機関の吸気装置。
【請求項４】水蒸気発生器は、蒸発室へ一定の水位と
なるように水を供給する給水手段と、前記蒸発室内の水
を加熱する電気ヒータとを備える請求項１の熱機関の吸
気装置。
【請求項５】水蒸気発生器は、前記蒸発室と吸気通路
との間にあって蒸気から水滴を分離する気水分離器を備
える請求項４の熱機関の吸気装置。
【請求項６】給水手段は、蒸発室に連通されたフロー
ト室と、このフロート室内に収容されたフロートと、こ
のフロートの上下動によりフロート室への給水を断続す
る給水弁とを備える請求項４または５の熱機関の吸気装
置。
【請求項７】給水手段は、蒸発室に連通されたフロー
ト室と、このフロート室内に収容されたフロートと、こ
のフロートの上下動によりオン・オフするスイッチと、
このスイッチがフロートが所定高さになったことを検出
すると始動して前記フロート室へ水を送る水ポンプとを
備える請求項４または５の熱機関の吸気装置。