(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジン燃焼室内に流入する吸気中の酸素濃度が通常の空気の酸素濃度を超える酸素濃度である高濃度酸素空気を選択的に供給するエンジンを提供する。【解決手段】酸素富化膜装置の高濃度酸素空気の取り出し口側に専用の減圧器を設置しないエンジンにおいて、通常の大気（酸素濃度２１％）からの大気吸気通路（02）である第１給気系と、この第１給気系とは別の独立した系にて、酸素富化膜装置（31）からの高濃度酸素空気通路（33）を有する第２給気系との二つの吸気系を備えるとともに、高濃度酸素空気を発生させるために、酸素富化膜装置（31）の高濃度酸素空気の取り出し側をエンジンの回転により生ずる減圧発生部に接続し、第１給気系と第２給気系にそれぞれ吸気流量を調節するそれぞれの調節弁であるスロットルバルブ（03a、03b）を備え、エンジンコントロールユニットＥＣＵによって調整することを特徴とする高濃度酸素空気吸気式エンジン。【選択図】図６
2006170176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素富化膜装置を使用する内燃機関であるエンジンにおいて、高濃度酸素空気を発生させるために、酸素富化膜装置の高濃度酸素空気の取り出し口側に専用の減圧器を設置しないエンジンにおいて、通常の大気（酸素濃度２１％）からの大気吸気通路である第１給気系と、この第１給気系とは別の独立した系にて、酸素富化膜を構成品とする酸素富化膜装置からの高濃度酸素空気通路を有する第２給気系との二つの吸気系を備えるとともに、高濃度酸素空気を発生させるために、専用の減圧器を設置することなく、酸素富化膜装置の高濃度酸素空気の取り出し側をエンジンの回転により生ずる減圧発生部に接続し、第１給気系と第２給気系にそれぞれ吸気流量を調節する調節弁（スロットルバルブなど）を備え、エンジンコントロールユニットＥＣＵによってそれぞれ吸気流量を調整することを特徴とする高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の高濃度酸素空気吸気式エンジンにおいて、第２給気系の高濃度酸素空気通路に逆止弁を備えることを特徴とする高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は燃焼効率を高めるための高濃度酸素空気によるエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】エンジンに酸素を供給し燃焼効率を上げようとする提案は既になされている（特開昭５６−５０２５３号公報）。
また、近年、酸素富化を用いた高濃度酸素空気を供給するようにしたエンジンが多数提案されている。例えば、図２に示すように大気吸気通路０２に補助的な吸気通路を接続しポンプ１２で大気を吸引し、円筒形状の酸素透過膜を内蔵する酸素濃度富化装置１１から高濃度酸素空気（酸素リッチ空気）を発生させるためにポンプ１３で減圧する過給手段により再び大気吸気通路に戻してエンジンに供給する際に、エンジン温度検出器からの温度信号、または吸入空気の酸素濃度検出器からの酸素濃度信号により制御する制御装置を備えることが提案されている（特開昭５８−１３８２４０号公報、特開昭５８−１４０５１号公報）。【０００３】また、図３に示すようにコ字形（凸状）の酸素富化膜を内臓する酸素富化膜装置２１において、エンジンの焼付や異常運転時、あるいはポンプ２５の逆回転時等によって酸素富化装置の入口側の圧力と出口側の圧力が大きくなった場合に、酸素富化膜の損傷を防止するために、圧力検出手段として圧力検出器２２ａ２２ｂ、圧力逃し手段として圧力逃がし弁２３とソレノイドバルブ２４、およびそれらの動作を行わせる制御手段としての高濃度酸素空気（酸素富化空気）の制御システムが提案されている（特開平６−２７２６２９号公報）。
【特許文献１】特開昭５６−５０２５３号公報
【特許文献２】特開昭５８−１３８２４０号公報
【特許文献３】特開昭５８−１４０４５１号公報
【特許文献４】特開平６−２７２６２９号公報
【特許文献５】特願平２００４−１１０５２４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】以上に述べた従来の酸素富化膜装置から発生する高濃度酸素空気をポンプ等の減圧器により減圧ないし過給するエンジンにおいては、エンジン温度信号、高酸濃度素空気の酸素濃度信号、酸素富化膜前後の圧力信号などの制御装置を設けているが、実質的に、酸素富化膜がエンジンの回転変動による圧力変化、あるいは、ポンプ等の減圧器による圧力変化に対して、通常の発進、後退、及び高速走行の急激な変動に耐えられるものではなく、いずれも実用に至っていない。
これは酸素富化膜が実用上の走行時のエンジン内で発生する圧力変化、およびポンプ等の減圧器で発生する圧力変化に制御装置が対応出来ず酸素富化膜の機能が損傷することによるものであった。【０００５】本発明の先願である特願平２００４−１１０５２４号では、酸素富化膜装置を使用する内燃機関・エンジンにおいて、エンジン回転によるインテイク部内の減圧度が十分である時に高濃度酸素空気が発生する。すなわち、アクセルを踏み込まないアクセルＯＦＦ時（アクセルＯＦＦ）は大気吸気通路０２である第１給気系通路のスロットルバルブ０３がほぼ閉じられて十分な減圧度が得られ高濃度酸素が発生する。しかし、アクセルを踏み込んだアクセルＯＮ時（アクセルＯＮ）は大気吸気通路０２である第１給気系通路のスロットルバルブ０３が開放される。第１給気系通路のスロットルバルブ０３が開放されている時はインテイク部の減圧度は小さいので、酸素富化膜を構成品とする酸素富化膜装置３１からの高濃度酸素空気通路３３を有する第２吸気系通路の減圧度も小さく、高濃度酸素空気の発生は不十分である。【０００６】本発明は、このような従来の発明で発生していた酸素富化膜の損傷の問題を解決するものであり、かつ、アクセルＯＮ時ならびにアクセルＯＦＦ時においても、大気より酸素濃度が高い高濃度酸素空気による燃料の燃焼効率向上による燃費向上、ならびに、排気ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）、炭化水素濃度（ＨＣ濃度）及び窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を低減することを実用的に実現するシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本発明の第１の課題解決手段では、上記の目的を達成するために、図６に示すように、酸素富化膜装置を使用する内燃機関であるエンジンにおいて、高濃度酸素空気を発生させるために、酸素富化膜装置の高濃度酸素空気の取り出し口側に専用の減圧器を設置しないエンジンにおいて、通常の大気（酸素濃度２１％）からの大気吸気通路０２である第１給気系と、この第１給気系とは別の独立した系にて、酸素富化膜を構成品とする酸素富化膜装置３１からの高濃度酸素空気通路３３を有する第２給気系との二つの吸気系を備えるとともに、高濃度酸素空気を発生させるために、専用の減圧器を設置することなく、酸素富化膜装置３１の高濃度酸素空気の取り出し側をエンジンの回転により生ずる減圧発生部に接続し、第１給気系と第２給気系にそれぞれ吸気流量を調節するスロットルバルブ０３ａ、０３ｂを備えることである。この二つのスロットルバルブはエンジンコントロールユニットＥＣＵにより制御される。【０００８】本発明の第２の課題解決手段では、上記の目的を達成するために、図５と図６に示すように、高濃度酸素空気吸気式エンジンにおいて、第２給気系の高濃度酸素空気通路３３に逆止弁３５を備えることである。この逆止弁３５は、自動車の走行時の急激な圧力変化に対して酸素富化膜の損傷を長期間にわたり防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】本発明では、大気から酸素富化膜を介して得られる高濃度酸素空気を用いて、燃料の燃焼効率向上させることにより燃費向上が達成できる。さらに、排気ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）、炭化水素濃度（ＨＣ濃度）及び窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を低減し環境保護に貢献するエンジンを提供する効果がある。
大気からより高濃度酸素空気を得るために専用の減圧器を設置することなく、エンジンの回転による減圧度を活用した経済的なエンジンを提供する効果がある。
また、アクセルＯＦＦ時ではもちろん、アクセルＯＮ時でも、酸素富化膜から高濃度酸素空気が発生するのに十分な減圧度を確保することができるのでさらに効率のよい燃費が得られる。
【発明を実施するために最良の形態】
【００１０】本発明の実施の形態を図５〜図６に基づいて説明する。
図５、６において、酸素富化膜装置３１は本発明で使用する形状の酸素富化膜装置である。酸素富化膜装置３１は高濃度酸素空気通路３３により、インテイク部０４に接続されている。
インテイク部０４の内部はエンジンの稼動時には自動的に減圧になっている。この減圧度は、本発明で使用する形状の酸素富化膜装置から高濃度酸素空気を発生するのに充分な減圧度を発生しているので、ポンプなどの専用の減圧器を必要としない。
エンジン稼動中では、高濃度酸素空気は、自動的に、圧力緩衝部３２、第２給気系に備えられた逆止弁３５とスロットルバルブ０３ｂを経て、高濃度酸素空気通路３３、インテイク部０４を経てエンジン内に流れ、インジェクタ０５から噴射された燃料と混合されエンジン０７内のエンジン燃焼室０８で燃焼される。
【００１１】本発明の酸素富化装置３１をインテイク部０４の減圧度は、燃料の燃焼に必要な充分な流量の高濃度酸素空気が酸素富化膜から得られる減圧度である。この減圧度は、マイナス３０ｋＰａからマイナス８０ｋＰａ程度であり、マイナス１００ｋＰａ以下であれば充分である。
【００１２】  本発明の目的を達成するためには、上記の手段１である第２給気系に吸気流量を調節する調節弁（スロットルバルブなど）を備えることは、必須な手段である。
本発明の目的を達成するのに、手段２はかならずしも必須手段ではないが、これらの手段２を追加することにより、本発明の目的が付随的により効果的な目的の達成ができる。
【実施例１】
【００１３】市販の軽自動車に、本発明の酸素富化膜装置を本発明に従い取り付けた。
この軽自動車は、総排気量０．６５９リットル、自然吸気（ＮＡ）式、使用燃料レギュラーガソリンのエンジンを搭載している四輪駆動車である。
図６に示すように、軽自動車のエンジンルーム内に、第２吸気系として、酸素富化膜装置３１および圧力緩衝部３２とを高濃度酸素空気通路３３を介してインテイク部０４に接続した。高濃度酸素空気通路３３には、逆止弁３５とスロットルバルブ０３ｂが設置されている。
また、通常の大気を取り入れる第１吸気系には、従来のスロットルバルブ０３ａが設置されている。
本発明では、エンジンの回転を上げるアクセルＯＮ時において、通常の大気を取り入れる第１吸気系からの空気量を制限し、主として、第２吸気系からの高濃度酸素空気をエンジン内に供給するように二つのスロットルバルブ０３ａと０３ｂをエンジンコントロールユニットＥＣＵにて調整するように設定されている。
例えば、エンジン回転数２０００ｒｐｍ以上において、第１吸気系のスロットルバルブ０３ａはほぼ閉じられ第２吸気系のスロットルバルブ０３ｂが開かれ、主として高濃度酸素空気がエンジン内に供給され高効率的な燃焼に必要な量の燃料が噴射されるように制御する。この時、インテイク部０４内の減圧度はマイナス５０ｋＰａ以上であった。
大気が流れる従来のスロットルバルブ０３ａが開放される時は、インテイク部０４内の減圧度は常圧程度であり酸素富化膜装置から高濃度酸素空気はほとんど発生しないが、大気が流れる従来のスロットルバルブ０３ａが閉じられと高濃度酸素空気が発生するためにインテイク部０４内の充分な減圧度が保たれ、この状態で燃料が噴射されると効率よい燃焼が得られた。
エンジン回転数３５００ｒｐｍ付近ではインテイク部０４の減圧度は６５ｋＰａ前後であり、エンジン回転数４０００〜５０００ｒｐｍでは、インテイク部の減圧度は７０ｋＰａ程度で効率よい燃焼条件が得られた。
また、アイドリング時９００ｒｐｍにおけるインテイク部０４の減圧度はマイナス６２ｋＰａであった。
走行実測による燃費は、走行距離１００ｋｍで、高速道路走行（走行速度７０ｋｍ程度）で、２０ｋｍ／Ｌであった。
比較として、ほぼ同一走行での、本発明の装置を付与しないノーマル状態での本軽自動車の燃費は１２ｋｍ／Ｌであった。
本発明の装置を取り付けた状態で走行距離５，０００ｋｍを超える走行を行ったが、高濃度酸素空気の取り出し口付近の減圧度はマイナス６０〜７０ｋＰａで保たれており、かつ酸素富化膜の破れなどの損傷は発生していない。また、本発明の装置を取り付けた状態でエンジン関連の不具合は発生していない。
【実施例２】
【００１４】  実施例１の軽自動車に、次に示す本発明の酸素富化膜装置を本発明に従い取り付けた。
図５に示すように、軽自動車のエンジンルーム内に、第２吸気系として、酸素富化膜装置３１および圧力緩衝部３２とを高濃度酸素空気通路３３を介してインテイク部０４に接続した。高濃度酸素空気通路３３には逆止弁３５が設置されている。
エンジンの回転が上がるアクセルＯＮ時において、通常の大気を取り入れる第１吸気系からの空気量を制限し、主として、第２吸気系からの高濃度酸素空気をエンジン内に供給するようスロットルバルブ０３ａをエンジンコントロールユニットＥＣＵにて調整し燃料が噴射するように設定されている。
逆止弁３５は、アクセルＯＮとＯＦＦの急激な変動時に変化する減圧度変化が直接に酸素富化膜に影響しないように取り付けた。
本発明の装置を取り付けた状態で走行距離５００ｋｍを超える走行を行ったが、高濃度酸素空気の取り出し口付近の減圧度はマイナス６０〜７０ｋＰａで保たれており、かつ酸素富化膜の破れなどの損傷は発生していない。また、本発明の装置を取り付けた状態でエンジン関連の不具合は発生していない。
【産業上の利用可能性】
【００１５】  本発明は、酸素富化膜を用いて高濃度酸素空気をエンジンの回転による減圧度によりエンジンの燃焼室に送り効率的な燃料の燃焼を達成する経済的で、かつ、排気ガス濃度が削減するエンジンに関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】通常のエンジン概念図  通常の内燃エンジンはエアクリナ０１、大気吸気通路０２、スロットルバルブ０３、インテイク部０４、インジェクタ０５、スパークプラグ０６、エンジン０７、エンジン燃焼室０８、排ガス通路０９、および排気のマフラ０９で構成されている。
【図２】従来の技術のエンジン図  円筒形状の酸素透過膜１１を使用し、この酸素富化膜の損傷を防ぐ目的で、送給ポンプ１２および吸込ポンプ１３等の減圧器、酸素濃度制御弁、酸素濃度検出器、等を制御する制御装置にてエンジン回転による圧力変化に対応するエンジンを提供している。  酸素富化膜の高濃度酸素空気通路はエアクリナ０１の後の大気吸気通路０２から分岐し再度大気吸気通路０２に戻すように接続されている。これらの接続は、いずれもスロットルバルブ０３、インテイク部０４の手前である。吸込ポンプ１３等の減圧器を用いて高濃度酸素空気を発生させる。
【図３】従来の技術のエンジン図  コ字形（凸状）の酸素透過膜２１を使用し、この酸素富化膜の損傷を防ぐ目的で、圧力検出部２２、圧力逃がし弁２３、ソレノイドバルブ２４、ポンプ２５の信号情報をＥＣＵに送り、酸素富化膜を破損させる方向の圧力を圧力逃がし弁から逃す制御手段を設ける過給式エンジン。酸素富化膜特性データ（吸引圧力や温度による酸素濃度と高濃度酸素空気流量のデータ）をＥＣＵに記憶させ制御させている。  この従来発明では、酸素富化膜の高濃度酸素空気通路は通常のエンジンでのエアクリナ０１の直後に接続されている。その後、通常のスロットルバルブ０３を経由してエンジンに高濃度酸素空気が送られる。
【図４】従来の技術のエンジン概念図  これは、特願２００４−１１０５２４である。この従来発明では、図１に示す従来の技術の自動車エンジンにおいて、酸素富化膜装置３１の第２吸気系を専用の減圧器を設置しないでインテイク部に接続している。この図４では、アクセルＯＮ時では、第１吸気系のスロットルバルブ０３がほぼ開かれ大気が吸気されインテイク部０４の減圧度はほぼ常圧である。従い、インテイク部０４内の圧力が常圧状態であるアクセルＯＮ時は酸素富化膜から高濃度酸素空気の発生はほとんどない。
【図５】本発明の実施形態を示すエンジン概念図  酸素富化膜モジール３１、圧力緩衝部３２、逆止弁３５と高濃度酸素空気通路３３から構成される手段がエンジン回転によって自動的に減圧されたインテイク部０４に接続されている。従来の発明の図２および図３に示されるポンプ等の減圧器は設けていない。
【図６】本発明の実施形態を示すエンジン概念図  酸素富化膜モジール３１、圧力緩衝部３２、逆止弁３５、高酸素空気通路３３、およびスロットルバルブ０３ｂとから構成される手段がエンジン回転によって自動的に減圧されたインテイク部０４に接続されている。従来の発明の図２および図３に示されるポンプ等の減圧器は設けていない。
【符号の説明】
【００１７】０１  エアクリナ
０２  大気吸気通路
０３  スロットルバルブ
０４  インテイク部
０５  インジェクタ
０６  スパークプラグ
０７  エンジン
０８  エンジン燃焼室
０９  排ガス通路
１０  マフラ
１１  円筒形状の酸素透過膜を内臓する酸素濃度富化装置
１２  送給ポンプ
１３  吸込ポンプ
２１  コ字形の酸素富化膜を内臓する酸素富化膜装置
２２ａ  圧力検知器
２２ｂ  圧力検知器
２３  圧力逃がし弁
２４  ソレノイドバルブ
２５  ポンプ
２６  補助吸気通路
０３ａ  スロットルバルブａ
０３ｂ  スロットルバルブｂ
３１  酸素富化膜装置
３２  圧力緩衝部
３２ａ  圧力緩衝部
３２ｂ  容積可変圧力緩衝部
３３  高濃度酸素空気通路
３４  エンジン戻り通路
３５  逆止弁
４１  酸素富化膜ユニット
４２ａ  酸素富化膜
４２ｂ  酸素富化膜
４３  支持筐体
４４  取り出し口
４５  酸素富化膜モジュール
【図１】
2006170176.tif 000003
【図２】
2006170176.tif 000004
【図３】
2006170176.tif 000005
【図４】
2006170176.tif 000006
【図５】
2006170176.tif 000007
【図６】
2006170176.tif 000008