WO2013162044A1 - 内燃機関の燃費削減装置 - Google Patents

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WO2013162044A1
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air
internal combustion
combustion engine
light emitting
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嘉一郎 櫻田
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SAKURADA Kaichirou
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/02—Air cleaners
    • F02M35/024—Air cleaners using filters, e.g. moistened
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/06—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by rays, e.g. infrared and ultraviolet

Definitions

  • the present invention can appropriately irradiate a light emitting diode by laying an optimized light emitting diode (LED) on a circuit board by appropriately selecting the spectral absorption wavelength of gas phase water (water vapor) contained in the intake air of the internal combustion engine. It is related with the fuel consumption reduction apparatus of the internal combustion engine which can reduce fuel consumption remarkably by irradiating intake air in preparation.
  • LED light emitting diode
  • Fuels used in internal combustion engines include gasoline, light oil, heavy fuel oil A, heavy fuel oil B and heavy fuel oil C. Many years of efforts have been made to improve fuel efficiency by improving the internal combustion engine itself, such as the development of additives and improved fuel addition and injection methods. Although it has been made, the energy consumption in the internal combustion engine is still high, but technically there is less room for further improvement.
  • a hybrid vehicle combining an internal combustion engine and a motor has a structurally complicated structure in which a motor, a battery, and the internal combustion engine are integrated, and an electric vehicle that does not use the internal combustion engine itself travels by one charge.
  • the problem is that the distance is short and the price of the battery occupies half of the price of the vehicle body, and the resource problems of special metals such as lithium and rare earth that make up the battery are blocked.
  • Patent Documents 1 and 2 there are conventionally known ones that improve the combustion efficiency of the fuel of the internal combustion engine (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • Patent Document 1 it may be possible to reduce fuel consumption.
  • a copper plate since a copper plate must be used as a reflecting plate, a structure becomes complicated.
  • Patent Document 2 since it is limited to the reduction of the exhaust gas when idling the internal combustion engine, it is unclear whether the exhaust gas can be reduced during the general running.
  • An object of the present invention is to provide a fuel consumption reduction device for an internal combustion engine that can overcome the problems in the conventional apparatus and can significantly reduce fuel consumption with a simple configuration.
  • isonuclear diatomic molecules such as N 2 (nitrogen gas) and O 2 (oxygen gas) in the air have a characteristic that their dipole moments do not change at all even if they vibrate. Therefore, water molecules (gas phase water) as a gas contained in the intake air of the internal combustion engine as about 3% as the third component is an object of examination for reducing fuel consumption in the internal combustion engine.
  • a vacuum may be applied for the purpose of shortening the time.
  • air is put into the filtration bell (bell jar) and taken out.
  • the moisture of the air sucked into the bell jar changes to a mist (liquid phase water).
  • the atomization of water vapor is affected by changes in atmospheric pressure and temperature, and is generated using ultrafine particles contained in the air as nuclei. Since this liquid phase water remains as it is even if the cylinder is compressed by the piston, it is involved in the explosion of fuel in the internal combustion engine as a negative force.
  • liquid water 18.8 cm 3 is the 30.1 ⁇ 10 3 cm 3 becomes vapor water.
  • the volume increases by about 1600 times, so that the average distance between molecules in the gas phase water is increased by about 11 times compared to the liquid phase water.
  • the water molecular motion (total of Brownian motion) velocity of liquid phase water (25 ° C.) is 50 m / sec, the molecular velocity of vapor phase water is 583 m / sec, and the molecular velocity of liquid phase water is 1/11 of vapor phase water. It turns out that.
  • the fuel consumption reduction device of the present invention utilizes the property as light vibration.
  • Water is composed of hydrogen (H) and oxygen (O) atoms, but it actually consists of molecules formed by bonding these atoms. Atoms constantly vibrate, and as a result, molecules also vibrate (molecular vibrations). Therefore, when light having the same natural frequency as that of the molecular vibration is irradiated onto water, the energy of the light is absorbed by the water molecules and converted into molecular vibration and rotational energy. In particular, when light in the infrared region is irradiated onto molecules, light energy is absorbed by the reference vibration of the molecules, and in the near infrared region, light energy is absorbed by overtones of this reference vibration or combined sound. Become. The absorption of light energy in the near-infrared region is particularly centered on functional groups such as HO, NH, and CH containing hydrogen atoms.
  • the purpose of the air sucked into the cylinder of the internal combustion engine is to explode the fuel under appropriate conditions. Therefore, the presence of liquid phase water is unnecessary, and the explosion efficiency of the fuel is improved by eliminating the liquid phase water as much as possible.
  • the H—O distance of water molecules is as small as 98.85 pm (picometer: 1/10 angstrom), and is even smaller than the visible light wavelength. And, the gas-phase water molecule absorbs near-infrared light, and the resonance / resonance vibration becomes intense. Gas phase water molecules are attracted to the cylinder of the internal combustion engine while radiating this thermal energy, and contribute to the energy of the explosion in the cylinder. As a result, fuel consumption can be reduced.
  • the dust concentration shall be within the range of 0.2 to 0.5%. 6).
  • the oxygen concentration should be about 14-16%.
  • the oxygen concentration of this dust explosion is lower than the concentration of the mixed gas of the internal combustion engine, and although it differs between the gasoline engine and the diesel engine, we thought that there is a possibility of reducing the current fuel consumption by about 3/4. In other words, it was determined that this was feasible by irradiating light of a suitable spectrum with respect to vapor phase water and maintaining the vapor phase water in a high energy state.
  • the light in the near-infrared region is not visible to the human eye, but it looks good when viewed through the lens using the infrared of the CCD camera.
  • it can be understood by confirming the actual state of light absorption of the hydroxyl group (HO) of the water molecule.
  • HO hydroxyl group
  • the fuel consumption reduction device for an internal combustion engine supplies air that is supplied to a cylinder of a driving internal combustion engine and mixed with fuel to contribute to an explosion in the cylinder.
  • a plurality of light emitting diodes for irradiating light in the near infrared region with a wavelength of 850 to 1450 nm to the air are disposed in an air cleaner having a filter member to be cleaned, and the near infrared region in the vapor phase water in the air. The vibration energy of light is supported.
  • the plurality of light emitting diodes are arranged and arranged on a base.
  • the energy amount E (J) of electromagnetic waves such as light can be calculated by the following equation (1).
  • the wavelength of electromagnetic waves is indicated in electron volts (eV). 1 eV in this electron volt is the energy of one electron accelerated at 1 V.
  • the amount of energy of light in the near-infrared region 850-1450 nm irradiated in the present invention is 850 nm: 1.45 (eV), 870 nm: 1.42 (eV), 940 nm: 1.31 (eV), 970 nm: 1.27 (eV ), 1450 nm: 0.86 (eV).
  • the wavelength of the electromagnetic wave of the microwave oven is 12,2 cm
  • the energy amount of near infrared light emitted from the LED is very large.
  • the fuel consumption reduction device for an internal combustion engine According to the fuel consumption reduction device for an internal combustion engine according to the present invention, light in the near-infrared region is irradiated from the light emitting diode to the air to prevent the change of the vapor phase water to the liquid phase water. Explosion can be performed in the cylinder of the internal combustion engine, and fuel consumption can be reduced efficiently.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the air cleaner of FIG.
  • 4 is a perspective view of the light emitting diode unit used in FIG. 4A is a perspective view of a casing that houses the air cleaner shown in FIG. 4
  • FIG. 5B is a perspective view that shows a state where the air cleaner shown in FIG. A graph showing the transmission spectrum of various light in each greenhouse gas in the zenith atmosphere
  • This fuel consumption reduction apparatus is an air cleaner for supplying purified air to an engine (internal combustion engine) (not shown) of an automobile.
  • the air cleaner 1 is formed in a box shape as a whole, and the air cleaner 1 includes a cleaner body 2 having an upper opening 3 and a lid 4 attached to the cleaner body 2.
  • the cleaner body 2 is provided with an air introduction pipe 5 for introducing air into the air cleaner 1, and a filter member 6 for purifying the air passing therethrough is provided at the upper end of the cleaner body 2. It is stretched.
  • the lid 4 is provided with an air supply pipe 7 for supplying air purified by passing through the filter member 6 to the engine.
  • a pair of latch spring members 8 and 8 for fixing the lid 4 are pivotally attached to two side walls forming the front and back of the cleaner body 2. The latch spring members 8, 8 are only shown on one side wall.
  • a light emitting diode unit 9 comprising a base 10 on which a plurality of light emitting diodes (LEDs) 11, 11.
  • LEDs light emitting diodes
  • 10 in one row are arranged in two rows, for a total of 20 pieces.
  • Each of the light emitting diodes 11 irradiates light in the near infrared region in the range of 850 to 1450 nm toward the filter member 6 in the cleaner body 2 by feeding from a power source (not shown).
  • each said light emitting diode 11 is interlocked with the operation of the ignition key so as to be synchronized with the ON / OFF of the engine so as to emit light only when the engine is driven.
  • each said light emitting diode 11 may be provided in the downstream from the said filter member 6, and may be provided in both upstream and downstream.
  • a light emitting diode capable of emitting light in the near infrared region in the range of 850 to 1450 nm may be prepared.
  • the visible light emitting diode has been remarkably advanced.
  • light in the near infrared region can be sufficiently irradiated by applying a conversion film, a wavelength conversion plastic, or the like on the light emitting surface for long wavelength conversion.
  • the element of the light emitting diode 11 is composed of any one of indium (In), gallium (Ga), arsenic (As), and phosphorus (P).
  • a battery is used as a power source for each light emitting diode 11.
  • the battery is divided into 12V and 24V, but the power source that enters the battery from the dynamo is about 20% higher, so with that in mind, an appropriate resistor and switch It is preferable to be connected to each light-emitting diode 11 via. For this reason, a conductive wire 12 for supplying power to each light emitting diode 11 is connected to the base 10.
  • the filter member removes the impurities contained in the air by passing the air through the air cleaner 1 during the supply of air to the engine.
  • the air supplied to the cylinder is removed by 6 and the air is cleaned.
  • a plurality of light-emitting diodes 11 are disposed in the air cleaner 1, and each light-emitting diode 11 faces the filter member 6 and has a near-red wavelength of any wavelength in the near-infrared region of 850 to 1450 nm. It emits external light.
  • the near-infrared light from each light emitting diode 11 is applied to the air passing through the air cleaner 1, the vibration energy of the light is carried in the vapor phase water contained in the air. The movement of the phase water molecules will become even more intense and the intermolecular distance will increase. Then, since the vapor phase water is unlikely to become liquid phase water, a lot of vapor phase water is supplied to the cylinder as it is. Therefore, even if it is compressed in the cylinder of the internal combustion engine, it will be involved in the explosion while maintaining the state as gas phase water.
  • Table 1 shows the results of an experiment of reducing fuel consumption when 20 light emitting diodes 11 are made to emit light with a specific wavelength in the near infrared region of 850 to 1450 nm in the air cleaner 1 of FIG. .
  • the light emitting diode unit 9 was returned to the engine room of the automobile and wired to the fuse box so that each light emitting diode 11 was lit.
  • the wavelength of each light-emitting diode 11 is 940 nm
  • the average fuel consumption reduction rate of 62.13% of the four data
  • the wavelength of each light-emitting diode 11 is 970 nm
  • the average fuel consumption reduction rate of 67.97% of the three data
  • the wavelength was 1450 nm the fuel consumption reduction rate was an average of 74.81% of the three data.
  • FIGS. 4 to 6 show a second embodiment of the fuel consumption reduction apparatus according to the present invention.
  • This fuel consumption reduction apparatus is an air cleaner for supplying purified air to an engine (internal combustion engine) (not shown) of an automobile. 21.
  • the air cleaner 21 is formed in a cylindrical shape as a whole, and a cylindrical filter member 24 made of a wire mesh through which air can flow is supported between the disk-like upper and lower end plates 22, 23. Yes.
  • a cloth-like filter body (not shown) that removes impurities contained in the air and cleans the air supplied to the cylinder (not shown) is mounted on the outer periphery of the cylindrical filter member 24. It has come to be.
  • a central opening 25 is formed in the upper end plate 22, and a light emitting device 26 that irradiates light in the near infrared region to the air through the central opening 25 is accommodated in the air cleaner 21. Yes.
  • the light emitting device 26 has a long triangular metal frame 27 in the shape of a triangular cylinder, and the three plates 28, 28.
  • two vertically long bases 29 and 29 are fixed by screws 31 so as to be separated from the respective plate bodies 28 via a plurality of spacers 30.
  • each of the bases 29 is provided with 20 light emitting diodes 32 each as an example in 10 rows per row over 2 rows. Accordingly, a total of 120 light emitting diodes 32 are disposed in the air cleaner 21.
  • the element of the light emitting diode 11 is composed of any one of indium (In), gallium (Ga), arsenic (As), and phosphorus (P).
  • Each of the 120 light emitting diodes 32 irradiates light in the near infrared region of 850 to 1450 nm toward the filter member 24 on the outer peripheral surface of the air cleaner 21 by power supply from a power source (not shown). .
  • These light emitting diodes 11 are interlocked with the operation of the ignition key so as to be synchronized with the ON / OFF of the engine so as to emit light only when the engine is driven.
  • the upper end of the frame 27 is covered with a triangular lid 33.
  • fixing arms 34 and 35 are respectively projected from the plate bodies 28, and by fixing the arms 34 and 35 to the upper and lower end plates 22 and 23, respectively.
  • the light emitting device 26 is fixed in the air cleaner 21.
  • the air cleaner 21 including the light emitting device 26 is mounted in a casing 36 shown in FIG. 6A.
  • the casing 36 has an outer peripheral wall 37 having an elliptical shape in plan view, and an upper opening 38 is formed at the upper end of the outer peripheral wall 37. Further, a bottom wall 39 having an air supply pipe 40 at the center is connected to the lower end of the outer peripheral wall 37, and the outer periphery of the central opening 25 of the upper end plate 22 of the air cleaner 21 is connected to the bottom wall 39. A receiving seat 41 is formed on which the protruding portion 22A formed in is fitted.
  • an air introduction pipe 42 is formed on the outer peripheral wall 37.
  • an elliptical plate 43 fitted to the upper opening 38 of the casing 36 is fixed to the lower end plate 23 of the air cleaner 21, and as shown in FIG.
  • the air cleaner 21 may be held upside down by hand, the air cleaner 21 may be lowered into the casing 36, and fixed to the casing 36 by a fixing member (not shown).
  • the air cleaner 21 is used to remove the impurities contained in the air while air is being supplied to the engine. Clean the air supplied to the cylinder.
  • a plurality of light emitting diodes 32 are disposed in the air cleaner 21, and each light emitting diode 11 has a near-red wavelength of any wavelength in the near infrared region of 850 to 1450 nm toward the filter member 24. It emits external light.
  • the vibration energy of the light is carried on the vapor phase water contained in the air.
  • the movement of the phase water molecules will become even more intense and the intermolecular distance will increase.
  • the vapor phase water is unlikely to become liquid phase water, a lot of vapor phase water is supplied to the cylinder as it is. Therefore, even if it is compressed in the cylinder of the internal combustion engine, it will be involved in the explosion while maintaining the state as gas phase water.
  • the present invention has been described with reference to the two embodiments.
  • the present invention is an internal combustion engine fuel efficiency improvement device that utilizes absorption of light in the near infrared region that resonates with vibrations of water molecules.
  • the fundamental vibration of water molecules is represented by ⁇ 1 : symmetrical stretching vibration, ⁇ 2 : bending vibration, ⁇ 3 : asymmetric stretching vibration, and the wave number and wavelength at which gas phase water molecules absorb light in these representative coupled vibrations are expressed. 2 (reference: http://en.wikipedia.org/wiki/blue of water). Table 2 shows the infrared absorption wavelength of water vapor according to the vibration mode.
  • the vertical axis represents the transmittance
  • the horizontal axis represents the wavelength
  • the second gas phase water molecule (H 2 O) from the bottom has many wavelengths that do not transmit light.
  • the peak wavelength of light emission from the light emitting diode becomes the absorption wavelength due to the half width of the light emission spectrum of the light emitting diode being several tens of nm or more, about 100 nm for light emission in the near infrared region, and the spread due to the Doppler effect of the absorption spectrum. Even if they do not match, resonance absorption occurs efficiently. Therefore, it is a feature of the present invention to use light emission by a light emitting diode in the near infrared region.

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Abstract

　 【課題】　燃料消費量を著しく低減できる内燃機関の燃費削減装置を提供すること。 【解決手段】　フィルタ部材を有するエアクリーナ１内に、空気に対し波長８５０～１４５０ｎｍの近赤外領域の光を照射する複数の発光ダイオード１１を配設し、空気中の気相水に近赤外領域の光の振動エネルギを担持させるようにしたもの。

Description

内燃機関の燃費削減装置
　本発明は、内燃機関の吸入空気に対して含有する気相水(水蒸気)のスペクトル吸収波長を適宜に選択し、最適化した発光ダイオード（ＬＥＤ）を回路基板に敷設し、発光ダイオードを照射可能に備えて吸入空気に照射することによって、燃料消費量を著しく低減化できる内燃機関の燃費削減装置に関する。
　内燃機関に用いられる燃料には、ガソリン、軽油、Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油があり、添加剤の開発とか、燃料添加・投入方法の改善といった内燃機関そのものの改良による燃費改善の努力が永年なされてきたが、内燃機関におけるエネルギ消費量は未だに高いにもかかわらず、技術的には更なる改善の余地が少なくなりつつある。
　化石資源枯渇と地球温暖化の問題を受けて、乗用車、トラック、バスなどに対する燃費規制が現実の段階に入り、燃費削減のため、メーカーサイドにおいてはハイブリッド自動車や電気自動車の開発が進められているのが現状である。
　しかしながら、ハイブリッド自動車ならびに電気自動車は、双方とも価格的には高価で、ユーザによる乗用車離れが起きている。
　すなわち、内燃機関とモータを組み合わせたハイブリッド自動車は、構造的にモータ、バッテリと内燃機関との一体化した構成が複雑であるし、内燃機関自体を用いない電気自動車は、１回の充電による走行距離が短いし、バッテリの価格が車体価格の１／２を占めるといった問題があるほか、バッテリを構成するリチウム、レアアースなどの特殊金属の資源問題がその先に立ち塞がっている。
　このため、従来から、内燃機関の燃料の燃焼効率を向上させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、２）。
　このうち、特許文献１に記載のものは、物質波共振装置に直流電流を利用してその出力を銅板に流すことにより低電圧で銅イオンを発生させるようにし、かつ、物質波を含んだ電流をＬＥＤランプから流すことにより燃焼度の向上を持続させるようにしたものである。
　また、特許文献２に記載のものは、内燃機関の燃焼空気の通路に反射体と照射体とを貼り合わせた部材を配置して、二酸化炭素、一酸化炭素および窒素酸化物の排出を低下させるようにしたものである。
特開２００９－０４１４１２号公報 特開２０００－２６５９０９号公報
　前述した特許文献１に記載のものによれば、たしかに燃費削減をはかることができるかもしれない。しかしながら、引用文献１のものにおいては、銅板を反射板として使用しなければならないため、構造が複雑になる。
　また、特許文献２に記載のものによれば、内燃機関のアイドリング時における排出ガスの低減化と限定されているので、一般走行時に排出ガスの低減化がはかれるかは不明である。
　本発明は、このような従来のものにおける問題点を克服し、簡単な構成により燃料消費量を著しく低減できる内燃機関の燃費削減装置を提供することを目的としている。
　ところで、空気中にあるＮ2（窒素ガス）、Ｏ2（酸素ガス）のような等核二原子分子は、振動してもその双極子モーメントが全く変化しない特性を有している。よって、内燃機関の吸入空気中に第３の成分として２％程度含まれている気体としての水分子（気相水）が内燃機関における燃費削減のための検討の対象となる。
　気相水が内燃機関のシリンダに吸入されるときは、シリンダ内の負圧により吸引される。このとき、吸入される気相水は霧状（液相水）に変化することになる。
　一般に、化学実験で沈殿物を濾過するとき、時間を短縮する目的で真空引きをすることがある。このようにして濾液を取り出すとき、濾過鐘（ベルジャー）に空気を入れて取り出すが、このとき、べルジャー内に吸引された空気の水分は霧状（液相水）に変化することになる。この水蒸気の霧化は、気圧変化と温度の影響を受け、空気中に含まれる超微細な粒子を核として生成される。この液相水は、シリンダがピストンにより圧縮されてもそのままの状態で存在するから、内燃機関における燃料の爆発に負の力となって関与することになる。
　この気相水の負の作用を減ずるには、粉塵爆発の原理に近い雰囲気の環境条件を創出することが考えられるが、この技術は内燃機関の爆発サイクルに応用可能であるので、第三の空気含有成分である気相水についての吸収スペクトルを追跡した。
　まず、内燃機関の吸入空気中の気相水が霧化されて液相水になるのをいかなる手段で阻止できるか、もしくは、霧化現象をいかに少なくすることができるかを、気相水の物理的性質と関連させて検討した。
　１００℃においては、１８．８ｃｍ3の液相水が気相水になると３０．１×１０3ｃｍ3になる。液相水が気相水になると体積が約１６００倍にも増加することにより、気相水における分子間の平均距離は、液相水に比べて約１１倍も広がっている。
　液相水において水分子は互いに接しているが、気相水の分子はばらばらになって分子間に働く引力は急激に小さくなり、分子間引力による縛りは殆ど働かなくなる。
　液相水（２５℃）の水分子運動（ブラウン運動の集計）速度は５０ｍ／ｓｅｃ、同じく気相水の分子速度は５８３ｍ／ｓｅｃとなり、液相水の分子速度は気相水の１／１１ということになる。
　そして、気相水の吸収スペクトルに適合した波長の光を照射すると、気相水の水分子は光のエネルギを吸収してさらにその振動は激しくなる。
　人の目には見えない赤外線と可視光線の中間に位置する８００～３０００ｎｍの近赤外線の光を内燃機関の吸入空気に照射したところ、その実測の結果、顕著な効果を認めた。
　一般に、光は「波」としての性質と、「粒子」としての性質を兼ね備えているが、近赤外分光法などの分析においては、「波」換言すると「振動」としての性質を利用している。
　本発明の燃費削減装置は、光の振動としての性質を利用するものである。
　水は水素（Ｈ）と酸素（Ｏ）の原子から構成されているが、実際にはこれらの原子が結合してできた分子から成り立っている。原子は絶えず振動しており、その結果、分子も振動（分子振動）することになる。そこで、この分子振動の振動数と同じ固有振動数を有する光が水に照射されると、光のエネルギが水の分子に吸収され、分子の振動および回転エネルギに変換される。特に、赤外領域の光が分子に照射されると、分子の基準振動による光エネルギの吸収が生じ、近赤外領域では、この基準振動の倍音または結合音による光エネルギの吸収が生じることになる。この近赤外領域における光エネルギの吸収は、特に、水素原子を含むＨ－Ｏ、Ｎ－Ｈ、Ｃ－Ｈなどの官能基が中心となる。
　内燃機関のシリンダに吸入される空気はあくまでも、燃料を適宜な条件で爆発させることを目的としている。したがって、液相水の存在は不要であり、液相水をできるだけなくすことで燃料の爆発効率を向上させることになる。
　そこで、気相水の段階で水分子が吸収する波長である近赤外線をこの気相水に照射することによって、気相水にこの光の振動エネルギを担持させ、内燃機関のシリンダ内で圧縮されても、気相水としての状態を維持したまま、爆発に関与するようにした。
　水分子（Ｈ２Ｏ）のＨ―Ｏ間距離は９８．８５ｐｍ（ピコメートル：１／１０オングストローム）と極小で、可視光波長よりもさらに小さい存在である。そして、気相水分子が近赤外線を吸収することにより共振・共鳴振動が激しくなるが、気相水分子が近赤外領域の光を吸収すると気相水分子の振動は熱エネルギに変換され、気相水分子はこの熱エネルギを放射しながら内燃機関のシリンダに吸引され、シリンダ内における爆発のエネルギに寄与することになる。この結果、燃費の削減が可能となる。
　前述した粉塵爆発の条件としては、
１．粉状態の燃料（５０μ～１００μ以下）が存在すること。
２．燃料の融点が低く、着火性に優れていること。
３．大きな燃焼が得られること。
４．雰囲気中の水分が少なく乾燥していること。
５．粉塵濃度は０．２～０．５％の範囲内であること。
６．酸素濃度は１４～１６％程度であること。
　これらの条件下で、６．酸素濃度は１４～１６％程度であることを念頭に入れ、４．雰囲気中の水分が少なく乾燥していることに注目した。
　この粉塵爆発の酸素濃度は内燃機関の混合ガスの濃度より低く、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンでは異なるが、現状の燃費を３／４程度削減できる可能性はあると考えた。すなわち、気相水に対する好適スペクトルの光を照射し、気相水を高エネルギ状態に保持すれば実現可能と判断した。
　近年、可視光発光ダイオード（ＬＥＤ）の進化が目覚しいので、この可視光発光ダイオードをエネルギ源として使用し、長波長変換のために、変換フイルム、波長変換プラスチックなどを発光面に被着すると近赤外領域の光を充分に照射できるようになることも判った。
　ところで、近赤外領域の光は人の目には見えないが、ＣＣＤカメラの赤外線を使用しているレンズを通して見ると良く見える。要は水分子のヒドロキシル基（Ｈ－Ｏ）の光吸収の実態を確認することで判る。ガラス製のプレパラートボックスに水を入れて発光ダイオードを発光状態にして水の中に通すと、光源の発光ダイオードの光より光輝度、光量が減衰しているかどうかを観察することができる。
　この観察を行なうことにより、可視光の場合は肉眼により確認できるし、近赤外領域の波長の光の場合はＣＣＤカメラにより確認できる。
　前述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の内燃機関の燃費削減装置は、駆動中の内燃機関のシリンダに供給され燃料と混合されてシリンダ内における爆発に寄与する空気を清浄化するフィルタ部材を有するエアクリーナ内に、空気に対し波長８５０～１４５０ｎｍの近赤外領域の光を照射する複数の発光ダイオードを配設し、空気中の気相水に前記近赤外領域の光の振動エネルギを担持させるようにしたことにある。
　また、本発明の請求項２に記載の内燃機関の燃費削減装置は、前記複数の発光ダイオードが基盤に整列配置されていることにある。
　つぎに、本発明における波長８５０～１４５０ｎｍの近赤外領域の光のエネルギ量を説明する。
　光などの電磁波のエネルギ量Ｅ（Ｊ）は次式（１）により計算することができる。
　E=h・c÷λ(J)・・（１）
　ここでｈ：プランク定数4.13566×10-15(eVs)
　　　　　ｃ:真空中の光速2.99792458×108(m/s)
　　　　　λ:真空中の電磁波の波長(m)である。
　ところで、電磁波の波長は、電子ボルト(eV)で示される。この電子ボルトにおける1eVとは、1Vで加速された電子１つのエネルギである。
　1（eV）=1.60218×10－19（J）であるから、式（１）に数値を代入して、
　E=(4.13566×10-15)×(2.99792×108)÷λ=1.23984×10-6÷λ(eV)・・（２）
　また、光の波長は通常nmで示され、1(nm)=10-9(m)であるから、E=1.23984×103÷λ（eV）となる。したがって、E≒1240/λとなり、1240÷λ(eV)で波長からエネルギ量Eを計算することができる。
　この結果、本発明において照射する近赤外線領域の光850-1450nm内の光のエネルギ量は、850nm:1.45(eV),870nm:1.42(eV),940nm:1.31(eV),970nm:1.27(eV),1450nm:0.86(eV)となる。ちなみに、電子レンジの電磁波の波長は12,2cmで、電子レンジの電磁波のエネルギ量Eは1240÷122(mm)=10.163×10-6(eV)となり、電子レンジの電磁波のエネルギ量と比較して、本発明においてＬＥＤから照射される近赤外線光のエネルギ量は、非常に大きい。
　本発明に係る内燃機関の燃費削減装置によれば、空気に近赤外領域の光を発光ダイオードから照射して、気相水の液相水への変化を阻止するので、粉塵爆発と同様な爆発を内燃機関のシリンダ内において行うことができ、効率よく燃費削減を行うことができる。
本発明に係る燃費低減装置の第１実施形態を示すエアクリーナの斜視図 図１のエアクリーナの縦断面分解斜視図 図１のエアクリーナの蓋体とクリーナ本体を分解した斜視図 本発明に係る燃費低減装置の第２実施形態を示すエアクリーナの斜視図 図４に使用されている発光ダイオードユニットの斜視図 Ａは図４のエアクリーナを収納するケーシングの斜視図、ＢはＡのケーシングに図４のエアクリーナを収納する状態を示す斜視図 天頂大気の各温室効果ガス中における各種光の透過スペクトルを示すグラフ
　以下、本発明を図面に示す実施の形態により詳細に説明する。
　図１ないし図３は本発明に係る燃費低減装置の第１実施形態を示すものであり、この燃費低減装置は、自動車の図示しないエンジン（内燃機関）へ清浄化した空気を供給するためのエアクリーナ１を有している。このエアクリーナ１は、全体として箱形に形成されており、このエアクリーナ１は、上部開口３を有するクリーナ本体２と、このクリーナ本体２に被着される蓋体４とを備えている。
　前記クリーナ本体２には、空気をエアクリーナ１内に導入するための空気導入管５が突設されており、クリーナ本体２の上端部には、通過する空気を清浄化するためのフィルタ部材６が張設されている。また、前記蓋体４には、前記フィルタ部材６を通過することにより清浄化された空気をエンジンに供給するための空気供給管７が突設されている。なお、前記クリーナ本体２の表裏をなす２つの側壁には、前記蓋体４を固定するための各１対の掛止ばね部材８，８が枢着されている。前記掛止ばね部材８，８は、一側壁のもののみ図示してある。
　前記クリーナ本体２内には、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１１，１１…が整列状に配設された基盤１０からなる発光ダイオードユニット９が装着されている。この発光ダイオードユニット９における発光ダイオード１１の数については、一例として１列１０個のものが２列で合計２０個配置されている。前記各発光ダイオード１１は、図示しない電源からの給電により８５０～１４５０ｎｍの範囲の近赤外領域の光をクリーナ本体２内におけるフィルタ部材６に向けて照射するようになっている。これらの発光ダイオード１１は、エンジンを駆動するときにのみ発光するように、エンジンのＯＮ、ＯＦＦと同期するようにイグニッションキーの動作と連動するようになっている。なお、前記各発光ダイオード１１は、前記フィルタ部材６より下流側に設けてもよいし、上流側と下流側の両方に設けてもよい。
　なお、発光ダイオード１１として、８５０～１４５０ｎｍの範囲の近赤外領域の光を発光できるものを用意してもいいが、近年、可視光発光ダイオードの進化が目覚しいので、この可視光発光ダイオードを使用し、長波長変換のために、変換フイルム、波長変換プラスチックなどを発光面に被着することによっても近赤外領域の光を充分に照射できる。また、前記発光ダイオード１１の素子としては、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）のいずれかから構成されている。
　さらに、前記各発光ダイオード１１の電源としてはバッテリを用いる。自動車の場合、バッテリは１２Ｖのものと，２４Ｖのものに分けられるが、ダイナモからバッテリに入る電源は２割程度高めになっているので、その分を念頭に入れ、適当な抵抗とスイッチとを介して各発光ダイオード１１に接続されるのが好ましい。このため、前記基盤１０には、各発光ダイオード１１に給電するための導線１２が接続されている。
　つぎに、前述した構成からなる本実施形態の作用について説明する。
　エンジンのシリンダに供給される空気には、塵芥などの不純物が含まれているので、エンジンへ空気を供給する途中、エアクリーナ１に空気を通過させることにより空気中に含まれている不純物をフィルタ部材６により除去してシリンダに供給される空気を清浄化する。
　本実施形態においては、前記エアクリーナ１内に複数の発光ダイオード１１が配設されており、各発光ダイオード１１がフィルタ部材６に向けて８５０～１４５０ｎｍの近赤外領域におけるいずれかの波長の近赤外光を発光している。そして、各発光ダイオード１１からの近赤外光がエアクリーナ１内を通過している空気に照射されると、空気中に含まれている気相水に光の振動エネルギが担持されるので、気相水の分子の運動はさらに激しくなり、分子間距離が拡がることになる。すると、気相水は液相水になりにくいので、多くの気相水がそのままの状態でシリンダに供給されることになる。したがって、内燃機関のシリンダ内で圧縮されても、気相水としての状態を維持したまま、爆発に関与することになる。
　表１は、図１のエアクリーナ１内において２０個の発光ダイオード１１を８５０～１４５０ｎｍという近赤外領域内における特定の波長の光で発光させたときの燃費低減を実験した結果を示すものである。
　市販自動車（三菱パジェロ、ＫＨ－Ｖ７８Ｗ、排気量３２００ｃｃ、ディーゼルエンジン、燃費削減装置を用いないで表１に記載のようにして実測した通常走行時の燃費は６．５２Ｋｍ／ｌ）を用い、表１に記載の２０個の発光ダイオード１１を電気的に直列または並列に接続してエアクリーナ１の内面に取り付けた。その際，適宜抵抗を用いて自動車のバッテリを電源とした場合に各発光ダイオード１１に所望の波長の電流が流れるように配線した。
　この発光ダイオードユニット９を自動車のエンジンルームに戻して、各発光ダイオード１１が点灯するようにヒューズボックスに配線した。
　この自動車を用い、表１に記載の距離（１１４．２Ｋｍ）の走行試験を１６回（Ａ－Ｐ）行った。各走行試験は、東京都江東区東雲ガソリンスタンド（宇佐美）～新木場ＩＣ～千葉県富里市富里ＩＣの往復で行った。いずれの走行試験の際も、走行試験を行う直前に燃料タンクを満タンにし、走行試験直後に再び燃料タンクを満タンにして、その際、新たに注入された燃料の量を消費燃料とした。また、自動車の走行距離計の値の増分から実際の走行距離を計測した。走行距離には細かい誤差はあったものの、毎回ほぼ１１４．２Ｋｍであった。
　これらの測定値から結果を評価し、その結果を表１に記載した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この表１の結果によると、各発光ダイオード１１の波長８５０ｎｍのとき３データの平均６０．０７％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長８７０ｎｍのとき３データの平均５７．４６％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長９４０ｎｍのとき４データの平均６２．１３％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長９７０ｎｍのとき３データの平均６７．９７％の燃費削減率、各発光ダイオード１１の波長１４５０ｎｍのとき３データの平均７４．８１％の燃費削減率となった。
　このように、エンジンに導入される空気に近赤外領域の光を照射すると、空気中における気相水の液相水への変化が阻止され、粉塵爆発と同様の爆発がシリンダ内において生じるため、高率の燃費削減を行うことができた。
　図４ないし図６は本発明に係る燃費低減装置の第２実施形態を示すものであり、この燃費低減装置は、自動車の図示しないエンジン（内燃機関）へ清浄化した空気を供給するためのエアクリーナ２１を有している。このエアクリーナ２１は、図４に示すように、全体として円筒形に形成されており、円盤状の上下端板２２，２３間に空気が流通可能な金網からなる円筒状フィルタ部材２４が支持されている。この円筒状フィルタ部材２４の外周には、空気中に含まれている不純物を除去してシリンダ（図示せず）に供給される空気を清浄化する布状のフィルタ本体（図示せず）が装着されるようになっている。
　前記上端板２２には、中央開口２５が形成されており、この中央開口２５を介して空気に近赤外領域の光を照射する発光装置２６が前記エアクリーナ２１内に収納されるようになっている。
　前記発光装置２６は、図５に詳示するように、三角筒状の長尺の金属製のフレーム２７を有しており、このフレーム２７を構成している３つの板体２８，２８…のそれぞれには、各２つの縦長の基盤２９，２９が複数のスペーサ３０を介して前記各板体２８から離間するようにねじ３１により固定されている。
　前記各基盤２９には、前実施形態と同様、一例として各２０個の発光ダイオード３２が１列１０個で２列にわたって装着されている。したがって、前記エアクリーナ２１には、合計１２０個の発光ダイオード３２が配設されていることになる。前記発光ダイオード１１の素子としては、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）のいずれかから構成されている。
　前記１２０個の発光ダイオード３２のそれぞれは、図示しない電源からの給電により８５０～１４５０ｎｍの範囲の近赤外領域の光をエアクリーナ２１の外周面のフィルタ部材２４に向けて照射するようになっている。これらの発光ダイオード１１は、エンジンを駆動するときにのみ発光するように、エンジンのＯＮ、ＯＦＦと同期するようにイグニッションキーの動作と連動するようになっている。
　前記フレーム２７の上端は三角形状の蓋体３３により被覆されている。
　また、前記フレーム２７の上下端部には、各板体２８からそれぞれ被固定用アーム３４，３５が突設されており、各アーム３４，３５を前記上下端板２２，２３に固定することにより発光装置２６が前記エアクリーナ２１内において固定されることになる。
　前記発光装置２６を備えたエアクリーナ２１は、図６Ａに示すケーシング３６内に装着されるようになっている。
　前記ケーシング３６は平面視楕円形の外周壁３７を有しており、この外周壁３７の上端には、上部開口３８が形成されている。また、前記外周壁３７の下端には、中央に空気供給管４０を備えた底壁３９が連設されており、この底壁３９には、前記エアクリーナ２１の上端板２２の中央開口２５の外周に形成された突部２２Ａが嵌着される受け座４１が形成されている。
　また、前記外周壁３７には、空気導入管４２が形成されている。なお、前記ケーシング３６内にエアクリーナ２１を配設すると、エアクリーナ２１の円筒状フィルタ部材２４は、前記ケーシング３６の外周壁３７から距離を隔てて離間するようになっている。
　そして、前記エアクリーナ２１をケーシング３６に設置するためには、前記エアクリーナ２１の下端板２３に前記ケーシング３６の上部開口３８に嵌着される楕円形板４３を固着し、図６Ｂに示すように、手でエアクリーナ２１を上下逆に持って、エアクリーナ２１をケーシング３６内に下ろし、図示しない固定部材によりケーシング３６に固定すればよい。
　つぎに、前述した構成からなる本実施形態の作用について説明する。
　エンジンのシリンダに供給される空気には、塵芥などの不純物が含まれているので、エンジンへ空気を供給する途中、エアクリーナ２１に空気を通過させることにより空気中に含まれている不純物を除去してシリンダに供給される空気を清浄化する。
　本実施形態においては、前記エアクリーナ２１内に複数の発光ダイオード３２が配設されており、各発光ダイオード１１がフィルタ部材２４に向けて８５０～１４５０ｎｍの近赤外領域におけるいずれかの波長の近赤外光を発光している。そして、各発光ダイオード３２からの近赤外光がエアクリーナ２１内を通過している空気に照射されると、空気中に含まれている気相水に光の振動エネルギが担持されるので、気相水の分子の運動はさらに激しくなり、分子間距離が拡がることになる。すると、気相水は液相水になりにくいので、多くの気相水がそのままの状態でシリンダに供給されることになる。したがって、内燃機関のシリンダ内で圧縮されても、気相水としての状態を維持したまま、爆発に関与することになる。
　本実施形態においても前実施形態と同様、高率の燃費削減を行うことができる。
　前述したように本発明を２実施形態により説明したが、本発明は、水分子の振動に共鳴する近赤外領域の光の吸収を利用した内燃機関の燃費改善装置である。
　水分子の基本振動を、ν１：対称伸縮振動，ν２：変角振動，ν３：非対称伸縮振動とし、これらの代表的結合振動において気相水分子が光を吸収する波数と波長が表２（参照：http://ja.wikipedia.org/wiki/水の青）に示されている。この表２は、水蒸気の赤外吸収波長を振動モードに応じて示したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２において、可視光の波長上限に近い赤色の５９２ｎｍから近赤外および赤外領域にかけて気相水分子の振動と共鳴する波長が多数あり、気相水分子が近赤外光や赤外光を吸収することにより、図７に示すように、水蒸気が地球大気の温室効果に飛び抜けて寄与することになる。
　図７の縦軸は透過率、横軸は波長で、下から２つめの気相水分子（Ｈ２Ｏ）には、光が透過せずにとどまる波長が多くある。
　そして、発光ダイオードの発光スペクトルの半値幅が数十ｎｍ以上、近赤外領域における発光では１００ｎｍ程度であることと、吸収スペクトルのドップラー効果による拡がりにより、発光ダイオードにおける発光のピーク波長が吸収波長に一致しなくても、効率よく共鳴吸収が生じることになる。したがって、近赤外領域の発光ダイオードによる発光を利用することが本発明の特徴である。
　他方、太陽光や、街頭や信号に用いられる発光ダイオードの発光では、水分子の吸収波長でのエネルギが弱く、分子振動の励起が限定されることになる。
　さらに、分子運動の寿命に当たる緩和時間も考慮する必要がある。振動エネルギが並進運動エネルギ（Ｖ－Ｔ）、すなわち熱エネルギへ緩和される時間は０．０１ミリ秒のオーダーである（http://www.env01.net/global_warming/report/theorysurgery/ts001.htm：参照）。そのため、内燃機関のシリンダに近接しているところで共鳴吸収をさせなければ、分子振動の効果を活用できない。このため、本発明においては、複数の発光ダイオードをエアクリーナ内に配置している。
　１，２１　エアクリーナ　
　２　クリーナ本体
　４　蓋体
　５，４２　空気導入管
　６，２４　フィルタ部材
　７，４０　空気供給管
　９　発光ダイオードユニット
　１０，２９　基盤
　１１，３２　発光ダイオード（ＬＥＤ）
　２２　上端板
　２３　下端板
　２６　発光装置
　３６　ケーシング
　３７　外周壁
　３９　底壁
　４１　受け座
　４３　楕円形板

Claims (2)

  1. フィルタ部材を有するエアクリーナ内に、空気に対し波長８５０～１４５０ｎｍの近赤外領域の光を照射する複数の発光ダイオードを配設し、空気中の気相水に前記近赤外領域の光の振動エネルギを担持させるようにしたことを特徴とする内燃機関の燃費削減装置。
  2. 前記複数の発光ダイオードが基盤に整列配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃費削減装置。
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