(57)【要約】  本発明は、内燃機関の総体的な環境汚染を低減すると共に出力トルク及び結果として馬力を向上させるために使用することができる方法について説明する。本発明は、ドライバビリティを犠牲にすることなく、より小排気量のエンジンを交通車両に使用できるようにする。いくつかの適用例では、既存の高出力エンジンを増強して、更に高出力化することができる。本発明は、空気から窒素を分離して燃料との化合に使用する酸素濃縮空気を残して、エンジンの様々な運転モード（発進、加速、巡航、減速及びアイドル）中にエンジンの運転を向上させる。【選択図】図１
2007523290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）内燃機関と、（ｂ）酸素濃縮空気を生成する車載システムと、（ｃ）前記酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する手段とを備えたことを特徴とする車両。
【請求項２】
前記内燃機関に供給される酸素濃度は、２２％から３６％の範囲であり、かつ、前記内燃機関への供給は間欠的であることを特徴とする請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記内燃機関に供給される酸素濃度は、２２％から２８％の範囲であり、かつ、前記内燃機関への供給は継続的であることを特徴とする請求項１に記載の車両。
【請求項４】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有するモレキュラーシーブを設け、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記モレキュラーシーブに空気を供給して通過させて、酸素濃縮空気を生成し、
（ｃ）前記酸素濃縮空気を内燃機関に供給し、
（ｄ）ステップ（ｂ）を停止し、
（ｅ）前記モレキュラーシーブを大気に通気させるステップを有することを特徴とする酸素濃縮空気を内燃機関に供給するための方法。
【請求項５】
ステップ（ｂ）の間、空気は合成ゼオライトモレキュラーシーブを通過することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
更に、（ｆ）ステップ（ａ）のモレキュラーシーブと同じ特性を有する第２のモレキュラーシーブを設け、
（ｇ）ステップ（ａ）のモレキュラーシーブに空気を供給して通過させるのを停止したとき、前記第２のモレキュラーシーブに空気を供給して通過させ、
（ｈ）前記第２のモレキュラーシーブからの酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
更に、前記酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する前に貯留容器に供給するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有する第１及び第２モレキュラーシーブを設け、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記第１モレキュラーシーブに空気を供給して通過させて、酸素濃縮空気を生成し、
（ｃ）前記酸素濃縮空気を内燃機関に供給し、
（ｄ）ステップ（ｂ）を停止し、
（ｅ）前記第１モレキュラーシーブを大気に通気させ、
（ｆ）大気圧よりも高い圧力下で前記第２モレキュラーシーブに空気を供給して通過させて、酸素濃縮空気を生成し、
（ｇ）前記第２モレキュラーシーブから前記酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給し、
（ｈ）ステップ（ｇ）を停止し、
（ｉ）前記第２モレキュラーシーブを大気に通気させるステップを有することを特徴とする酸素濃縮空気を内燃機関に供給する方法。
【請求項９】
更に、前記酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する前に貯留容器に供給するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記第１モレキュラーシーブから酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する前に貯留容器に供給し、また、前記第２モレキュラーシーブから酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する前に貯留容器に供給するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有するモレキュラーシーブと、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記モレキュラーシーブに空気を供給して通過させる手段と、
（ｃ）前記モレキュラーシーブと内燃機関との間の通路と、
（ｄ）前記モレキュラーシーブを大気に通気させるためのベントと、
（ｅ）前記モレキュラーシーブを通る前記内燃機関への空気の流路が開いているとき、前記ベントを閉じ、前記モレキュラーシーブと前記内燃機関との間の空気の流路が閉じているとき、前記ベントを開くように作動する複数のバルブとを備えていることを特徴とする内燃機関に酸素濃縮空気を供給するための装置。
【請求項１２】
更に、酸素濃縮空気を前記モレキュラーシーブから受入れて前記内燃機関に供給するように配置された貯留容器を含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
更に、前記モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素の量を検出するためのセンサを含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有する第１及び第２モレキュラーシーブと、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記第１及び第２モレキュラーシーブに順次空気を供給する手段と、
（ｃ）前記第１モレキュラーシーブに空気が流れているとき、前記第２モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止し、前記第２モレキュラーシーブに空気が流れているとき、前記第１モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止する第１バルブセットと、
（ｄ）前記第１バルブセットが前記第２モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止しているとき、前記第２モレキュラーシーブを大気に通気させ、また、前記第１バルブセットが前記第１モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止しているとき、前記第１モレキュラーシーブを大気に通気させるように作動する第２バルブセットと、
（ｅ）前記第１及び第２モレキュラーシーブのそれぞれと前記内燃機関との間の通路とを備えていることを特徴とする内燃機関に酸素濃縮空気を供給するための装置。
【請求項１５】
更に、酸素濃縮空気を貯留する貯留室を含み、該貯留室は、前記第１及び第２モレキュラーシーブの少なくとも一方から酸素濃縮空気を受入れて前記内燃機関に供給するように配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
更に、前記第１モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素の量を検出するための第１センサ及び前記第２モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素の量を検出するための第２センサを含み、前記第１センサは、前記第１モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素が減少したとき、その空気の流れを停止させるべく作動し、前記第２センサは、前記第２モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素が減少したとき、その空気の流れを停止させるべく作動することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
（ａ）可燃性の燃料を内燃機関の燃焼室に供給し、
（ｂ）酸素及び窒素を含む空気を前記燃焼室に前記燃料と共に供給し、
（ｃ）ステップ（ｂ）の前に、前記空気の少なくとも一部を大気よりも高圧下でモレキュラーシーブに通過させて、前記供給される空気の窒素の濃度を減少させて酸素を濃縮するステップを有することを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項１８】
供給される空気中の酸素濃度は、２８％を超えず、酸素濃縮空気は、ほぼ継続的に供給されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
供給される空気中の酸素濃度は２８％を超え、酸素濃縮空気は間欠的に供給されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
更に、前記酸素濃縮空気を前記燃焼室に供給する前に、前記酸素濃縮空気の少なくとも一部を貯留するステップを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
更に、（ｉ）前記モレキュラーシーブを通る空気の流れを停止し、
（ｉｉ）前記モレキュラーシーブを大気に通気させ、
（ｉｉｉ）前記モレキュラーシーブを通る空気の流れが停止されている時間の少なくとも一部の間、空気を第２のモレキュラーシーブに流通させ、
（ｉｖ）空気を前記第２のモレキュラーシーブから前記燃焼室に供給するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
更に、前記通気させるステップの間、前記モレキュラーシーブに負圧を付与するステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の目的は、内燃機関（ＩＣ）に酸素濃縮空気を供給することである。
【背景技術】
【０００２】
米国の自動車産業は、ドライバビリティを提供する車両を供給することによって消費者を満足させなければならなくなっている。ドライバビリティは、停止からの発進又はハイウエイの交通への迅速な合流が必要なとき良好に加速するのに充分なトルク及び出力を有するエンジンを備えた自動車として定義される。一般的に、米国以外の消費者は、大抵は高コストの燃料によって乏しい加速性能の軽量の車両を受入れる意思を有している。このため、平均的な米国車は、消費者の要求を満足するのに必要な、より大きな排気量と共により高出力を有するエンジンを備えている。これらのエンジンは、通常、大排気量のため、効率が低く、大量の排気ガスを排出する。亜酸化窒素が追加の燃料と共に吸気マニホールドに噴射されると、自動車に巨大な出力の上昇をもたらすことができることは公知である。質量で窒素約６４％に対して酸素約３６％の亜酸化窒素は、追加の燃料を燃焼するために必要な追加の酸素を供給する。この反応は、エンジンのトルク及び出力を非常に大きく（一般的には７５〜２００馬力以上）増大させる。この目的のために亜酸化窒素を使用することは、エンジンに巨大な歪を与え、これにより、その寿命を減少させる。そのような歪のため、一般的に亜酸化窒素混合燃料は、それ以上の長時間の使用がエンジンに損傷を与えるため、約１０秒間のみ使用される。
【０００３】
本発明は、いくつかのエンジンの作動モード又は要求では、追加の燃料の使用を必要とせず、更なる酸素を供給することにより、通常供給される量の燃料が、より効率的に使用されて、その燃料から、より大きな値（出力）が確実に得られるようにする。本発明では、排気パイプへ排出される未燃焼の炭化水素及び窒素化合物の量を減少させる。本発明は、燃焼反応の酸素量を増大させるだけでなく、その反応における窒素量を減少させ、これにより、効率的な運転と共に環境汚染の減少をもたらす。燃焼反応における過剰な酸素は、排気システムにおいて、ある程度炭化水素を燃焼させる。本発明は、ガソリン、プロパン、天然ガス、ディーゼル及び水素燃料の内燃機関に使用することができる。また、酸素濃縮空気の使用中に追加の燃料が供給された場合、出力を増大させることができる。追加の燃料は、その出力の改善レベルを長時間維持することができないため、亜酸化窒素が使用される場合に供給されるよりも少なくなるであろう。本発明は、車両の寿命にわたって制御された状態下で増大した出力を長時間時にわたって持続することができる。
【０００４】
また、圧力変動吸着（ＰＳＡ）法として知られる方法を使用して空気流の酸素濃度を増大し、窒素濃度を減少することができることは公知である。この従来の方法は、モレキュラーシーブを利用し、これは空気が低圧下でモレキュラーシーブに接触したとき、空気から窒素を吸着する。空気が大気圧よりも高圧で吸着床又は容器内に収容されたモレキュラーシーブを通過したとき、殆どの窒素は吸着床の中に吸着され、その結果、吸着床からの空気流は、通常の空気よりも高い酸素濃度を有することになる。そのような吸着床のモレキュラーシーブがその窒素吸着の飽和点に達したとき、大気圧よりも高圧の空気は第２のモレキュラーシーブ吸着床へ導かれて吸着過程を継続する。そして、第１の吸着床は、大気圧に曝され、その結果、その吸着床の窒素が脱離される。大気圧よりも高圧の空気流は、２つの吸着床の間で交代され、その結果、酸素濃縮空気の流れが継続する。上述のタイプのシステムは、本出願人が知る限り、内燃機関には使用されていない。
【０００５】
本発明の目的は、内燃機関に供給する燃料に対する酸素濃度を少し増大させることである。運転中に大量の空気が内燃機関に導入される。例えば、６０マイル／時の速度で２０００ｒｐｍで運転している排気量２００立方インチのエンジンは、約１２０立方フィート／時の空気を必要とする。この１２０立方フィートの空気は、約２４立方フィートの酸素を含んでいる。その運転状態で１０％だけ出力を増大させるためには、適当な量の燃料と共に１２０立方フィートの空気に加えて２．５立方フィートの酸素濃縮空気が必要である。この運転モードでは、出力の増大は交通を追い越すために使用することができる。
【０００６】
本発明の装置は、エンジンを損傷することなく、そのような量の酸素濃縮空気を供給することができる。
【０００７】
本発明の一実施形態では、車載酸素生成システムを提供して、適当なシステム制御下で所望のエンジンの改善を行う。この酸素濃縮空気は、容器内に貯留されて追加の燃料と共に選択的にマニホールド内に放出される。酸素濃縮空気が生成されてエンジン吸気マニホールドに供給されて、ドライブトレーンへのより大きな出力となるトルクを発生すると共に全排気ガスを減少させる。
【０００８】
本発明の他の実施形態では、酸素濃縮空気は、モレキュラーシーブ酸素濃縮室から燃焼室に直接送られる。
【０００９】
自動車産業は、より小型でより高出力のエンジンが望ましく、これらが開発されて、より高トルク及び高出力を可能にする市販システム（スーパーチャージャ、ターボチャージャ）が提供されていることを認識している。スーパーチャージャは、加圧された空気をエンジン吸気マニホールドに供給するベルト駆動の圧縮機である。ターボチャージャは、排気システムに配置されたタービンを使用して吸気マニホールドを加圧する吸気システム内のタービンを駆動する。両システムは、エンジンシリンダに供給される燃焼空気を加圧する。これらのシステムの設計は、出力の増大が燃焼室に供給される空気及び燃料の追加を必要とするという事実に基づいている。吸気マニホールドを加圧した結果、吸気バルブが開かれたとき、追加の酸素が燃焼室へ押込まれる。燃焼室に入る追加の酸素と共に、窒素からなる空気の約８０％も燃焼室に押込まれる。この高濃度の窒素も、実際、付随して排気管へ排出されることになる。このようなシステムを使用してエンジン出力を増大させた結果、排気管から大気に排出される排気ガスの体積は、同排気量の自然吸気エンジンよりも増大する。本発明の好ましい実施形態は、吸気マニホールドの圧力を増大させない。その結果、排気ガスの体積は、エンジンの排気量に直接関係し、マニホールドへの空気の加圧によって増大されることがない。
【００１０】
しかしながら、本発明は、スーパーチャージャ及びターボチャージャの使用を排除しない。エンジンから最大限の出力を得ることが望まれる場合には、酸素濃縮空気はスーパーチャージャ又はターボチャージャによって加圧された空気の一部として供給することができる。その結果、燃焼室内の空燃費に酸素を追加することになり、スーパーチャージャ又はターボチャージャによって過給されたエンジンの出力を増大させることができる。また、本発明は、出力を増大させるために、全ての燃焼空気がスーパーチャージャ又はターボチャージャで過給されるエンジンで処理されるシステムについても説明する。
【００１１】
自動車に、より小さいエンジンを使用する目標は、自動車産業により、ガソリン／電気ハイブリッド構造によってドライバビリティを得ながら達成されてきている。このシステムにおいては、バッテリセットを充電するために小出力エンジン（ガソリン又はディーゼル）が使用される。そして、この車両は、バッテリによって供給されるエネルギーが供給される電気モータによって駆動される。あるハイブリッドシステムは、巡航速度を維持するために必要な出力よりも大きいが良好な加速を得るために充分な出力よりも大きくない出力を有するエンジンを使用する。バッテリに蓄えられたエネルギーが所望の加速を提供し、巡航中はより少ないエネルギーを要求する。このハイブリッドシステムは、現在、消費者に提供されている。
【００１２】
ハイブリッドシステムが産業界に完全に受入れられて広く普及するためには、多くの新しい技術が製品化されなければならない。信頼性を有する新しいドライブシステム、バッテリ寿命の改善及び更なる低コスト化は、解消しなければならない多くの課題のいくつかである。
【００１３】
本発明は、事実上、同様の戦略に従う。それは、巡航中には内燃機関は低エネルギーを要求すると共に、酸素濃縮空気が生成されて貯留タンクに蓄えられる。この酸素濃縮空気は、後に加速が要求されたとき、追加の燃料と共にエンジンに供給されてトルク及び出力を増大させる。本発明の相違点は、高度の信頼性を得ている通常の自動車のドライブコンポーネントが使用される点である。酸素濃縮空気の形の潜在的なエネルギーは、軽量低コストの貯留容器に蓄えられる。これに対して、ガソリン／電気ハイブリッドシステムは、重く高コストで交換が高価なバッテリを運ばなくてはならない。そのようなハイブリッドシステムを受入れるのに長い年月をかけ、また、新しい生産システムに必要な巨大な資本を投資することが多くの経営者によって計画されている。
【００１４】
ドラッグレーサーは、燃焼室に酸素を追加することでエンジンのトルク及び出力が非常に増大することがよく分かっている。しかしながら、本発明以前は、車載状態で使用して継続的に酸素から窒素を分離することができる実用システムは存在していない。ドラッグレーサーは、長年、酸素をエンジンに供給してトルク及び出力を非常に増大させる高圧タンクの亜酸化窒素システム（ＮＯＳ）を使用してきた。１／４マイル（０．２５マイル）で１〜３秒及び１０〜１５ｍｐｈの改善を期待することができる。ホリー社（Ｈｏｌｌｅｙ  Ｉｎｃ．）（ｗｗｗ．ＨＯＬＬＥＹ．ｃｏｍ）は、殆どの量産エンジンにボルトオンすることができるシステムを供給している。この会社は、例えば、４．０リッター  マスタング及びＧＭ  ３０５／３５０  Ｖ８用の合法的な亜酸化窒素システムを５０州に供給する。これらのシステムは、エンジントルク及び出力を増大させる上で非常に効果的であるが、ドライバビリティ、低燃費及び低環境汚染車両を欲する平均的な運転者に対しては実用的及びコスト効果的ではない。このシステムは、エンジンに接続される亜酸化窒素の高圧シリンダを必要とする。この高圧シリンダは、約３分間、高出力を使用した後、交換する必要がある。
【００１５】
この亜酸化窒素システムから、燃焼室内の酸素濃度の増大によって膨大なエンジン出力の増大が可能であり、また、適当な酸素濃度の追加では量産エンジンは所望の信頼性を維持可能であることが分かる。ホリー社のウエブサイトは、殆どの量産エンジンに最大限の信頼性を欲する場合、達成するブースト量に制限を設ける必要があると述べている。このサイトは、「４気筒エンジンは通常４０〜６０馬力の増大を許容し、６気筒エンジンは通常７５〜１００馬力の増大で運転し、スモールブロックＶ８エンジン（３０２／３５０／４００ｃｉｄ）は一般的に１４０馬力までの増大を許容することができ、ビッグブロックエンジン（４２７〜４５４ｃｉｄ）は１２５〜２００馬力の増大を許容する。」と述べている。「ｃｉｄ」という用語は立方インチ排気量である。
【００１６】
ＮＯＳシステムを使用するとき、亜酸化窒素は、追加の燃料と共に吸気マニホールドに噴射される。この亜酸化窒素ガスは自然吸気された空気及び燃料インジェクタからの燃料と混合して、燃焼室内に混合気を供給する。約５７２度Ｆで亜酸化窒素ガスは分解して酸素（３６重量パーセント）及び窒素を放出する。この３６パーセントの酸素は、２０パーセントの酸素を含む自然吸気された空気と混合する。その結果、燃焼室に供給される酸素濃度は、これらの２つの値の間のいずれかである。全てが３６パーセント濃度の酸素は、エンジンの寿命を短縮する。長いエンジン寿命を確保する酸素ブーストの修正濃度は、実験によって決定すべきである。現在の最新の自動車エンジンは、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によってコンピュータ制御されている。このＥＣＵは、
排気システムの酸素
空気流量
スロットル位置
冷却水温度
電圧
マニホールド絶対圧力
エンジン速度
を測定するセンサからデータが供給される。
【００１７】
このデータは、ＥＣＵの処理チップと共に使用されて様々な運転状態下で必要な制御動作を計算して適当な制御信号を送る。これらの制御信号（パルス幅）の１つは、燃料噴射システムに送られて様々な運転状態で供給される燃料の量を変化させる。空気流量、スロットル位置及びスロットルセンサの変化率を使用して、エンジンの出力を最適化するために本発明によって考慮される追加する酸素濃縮空気及び追加する燃料を制御することができる。これにより、全ての運転モードにおけるエンジンの最適化が可能になる。
【００１８】
エンジンの冷間始動時には、低温で燃焼反応が行われるため、排気管の汚染レベルが高くなる。本発明を使用することにより、このモード時に、ＥＣＵは、追加の酸素濃縮空気を燃焼室に供給して反応温度及びエンジンの暖機速度を上昇させる。これによってこの期間の汚染レベルを減少させることができる。巡航中、排気システムの酸素濃度が低レベルに低下した場合、追加の酸素が吸気マニホールド（又は排気マニホールド）に導入されて
完全燃焼のために利用可能な充分な酸素を確保する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、酸素濃縮空気を生成して貯留する車載システムを有する車両駆動用内燃機関を提供する。酸素濃縮空気は、総体的な環境汚染レベルを低減すると共にエンジンの運転性能を最適化し、燃料経済性を改善するために使用される。本発明は、総体的な環境汚染の低減及び外国石油輸入の依存性を低減するための１つの回答である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施形態１
図１に示される概略図は、車載されて酸素濃縮空気を生成する提案されたシステムＳを示している。そして、この酸素濃縮空気は、車両の内燃機関の運転を最適化するために使用される。
【００２１】
この実施形態では、濾過された空気は、ブロワ、圧縮機、ターボチャージャ又はスーパーチャージャ５６の入口に流入し、ここで圧力及び流速が上昇される。この空気流は、空気冷却器５８を通り、そして、生成システムの流路１００に流入する。この空気流は、流路１０１を介してモレキュラーシーブパックＰ−１に流入し、又は、流路１１６を介して
モレキュラーシーブパックＰ−２に流入する。モレキュラーシーブパックＰ−１及びＰ−２に使用することができる材料のタイプの一つは、合成ゼオライトであり、これを通過する空気から窒素の一部を吸着して、そこから出る空気の酸素を濃縮する。空気をシーブパックＰ−１に導入するため、バルブ１１１及び１１３が開位置に配置され、バルブ１１２、１１４、Ａ及びＢが閉じられる。この空気は、パックＰ−１を通って流れ、ここで窒素がモレキュラーシーブに収容された材料（すなわち合成ゼオライト）に吸着される。結果として酸素が濃縮された空気は、流路１２０及び１１５を通って圧力ポンプＰへ流出し、ここで圧力が上昇される。ポンプＰから流出した酸素濃縮空気は、空気冷却器１１９によって冷却され、貯留タンクＴに流入する。
【００２２】
第１のモレキュラーシーブパックＰ−１が窒素を吸着すると共に、低圧の供給空気の一部は、流路１００から流路１１７を通り、開いたバルブＤを通り、そして、第２のモレキュラーシーブパックＰ−２を通り、開いたバルブＣを介して大気に流出する。この低圧の空気の流れは、第２のモレキュラーシーブパックＰ−２から脱離された窒素を洗浄して、バルブ１１２及び１１４が開いて空気が圧力下で流路１００及び１１６を介してモレキュラーシーブパックＰ−２を通して流通できるようにする次のサイクルにおいて酸素濃縮空気を生成する準備を行う。流路１１６を流通する間、バルブ１１１、１１３、Ｃ及びＤが閉じられ、バルブＡ及びＢが開かれる。第２のパックＰ−２で空気から窒素が吸着されて、第２パックＰ−２からの酸素濃縮空気は、流路１１４及び１１５を通って圧力ポンプＰに流入する。酸素濃縮空気は、圧力ポンプＰを出て冷却器１１９を通って流れ、加圧状態で貯留タンクＴに蓄えられる。
【００２３】
酸素濃縮空気は、必要なときに車両の内燃機関の吸気マニホールドへ放出される。この空気が第２のパックＰ−２を通って流れている間、空気流は流路１１８を通り、開いたバルブＢ及びＡを通って第１のパックＰ−１から脱離された窒素を逆洗して次のサイクルの準備を行う。
【００２４】
流路１２０の第１のモレキュラーシーブパックＰ−１の近くに第１酸素センサ１２５が配置され、流路１１４の第２のモレキュラーシーブパックＰ−２の近くに第２酸素センサ１２６が配置されている。第１及び第２酸素センサ１２５，１２６は、モレキュラーシーブによる窒素の吸着がほぼ完了したとき制御システムに信号を送信して、第１パックＰ−１を通る加圧下の空気の流れを第２パックＰ−２を通る加圧下の空気の流れに切換える。センサ１２５及び１２６に適するセンサは、ユタ州  ８４１０７、ソルトレークシティ、サウスカトリンウッド  ６５２６のマックステック社（Ｍａｘｔｅｃ）によって製造されるモデルＮｏ．ＭＡＸＴＭ２５０  Ｒ１２５Ｐ０１−００２酸素センサである。
【００２５】
図１に示して上述した方法は、酸素濃縮空気を生成するＰＳＡ（圧力変動吸着）法と呼ぶことができる。このＰＳＡ法は、脱離モードにおいて、パックＰ−１、Ｐ−２に負圧をかけることによって増強することができる。負圧は、パックＰ−１及びＰ−２の脱離モード中に、それぞれバルブＡ及びバルブＢの近くにかけるべきである。負圧が使用されたとき、この方法は、ＶＰＳＡ（減圧変動吸着）法と呼ぶことができる。
【００２６】
実施形態２
実施形態２は、空気の酸素を濃縮し、そして、これを貯留して実施形態１のように後で使用し、又は、低濃度の酸素濃縮空気を自然吸気される吸入空気と共に常時エンジンに供給する新規で迅速な方法を開示する。低濃度の濃縮では、酸素濃縮空気は、エンジンに損傷を与えることなく継続的に供給することができる。
【００２７】
実施形態２に使用する方法及び装置は、図２、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ及び３Ｄに示されている。本実施形態では、新規で独特な装置によってＶＰＳＡ法が実行される。本実施形態では、図１の実施形態のように、モレキュラーシーブＡを使用して吸入空気から窒素を吸着する。しかしながら、吸着過程は、図１で使用されるブロワ、スーパーチャージャ又はターボチャージャ５６によって供給可能なよりも、かなり高圧（１５０ｐｓｉまで又はそれ以上）で実行される。また、脱離過程は、大気への単純な通気ではなく、負圧を使用することによって増強される。この増強された過程（高圧吸着及び減圧脱離）は、この過程を迅速化して、窒素及びモレキュラーシーブＡに吸着される水分のより迅速な吸着及び脱離を確保する。
【００２８】
本実施形態を実行するために、４気筒内燃機関を使用して酸素濃縮空気を供給するために必要な機能を設けることができる。図２を参照すると、内燃機関３０の概略断面図で示されており、この内燃機関は、大気から空気を受入れるための入口通路４０、内燃機関の吸気マニホールド（図示せず）に酸素濃縮空気を供給するための通路１０及び脱離された窒素が濃縮された空気を排気マニホールド又は大気へ排出するための通路４７を有している。
【００２９】
入口通路４０は、分岐して、（１）シリンダ室３８に連通する通路４１及び（２）別の通路４３へ延びる通路４２に接続している。通路４３は、シリンダ室３８へ延びている。通路４３内にシリンダ室３８に隣接してモレキュラーシーブＡが配置されている。クランク軸３７及びコンロッド３６から動力が伝達されるピストン３５がシリンダ室３８内を上下に移動する。
【００３０】
通路４３は、通路４２との接続部に対してモレキュラーシーブＡとは反対側で、通路４２との接続部を超えた部位に、その寸法が縮小された制御オリフィス３９を有している。通路４３には、寸法が縮小されたオリフィス３９の向こう側に、通路４３に対してほぼ垂直に配された更に別の通路４４が交差している。通路４４は、エンジンの吸気マニホールドに連通する通路１０に接続している。この接続部にはバルブ３１が配置されて、通路４４の酸素濃縮空気の流路を開閉する。更に、通路４２と通路４３との接続部にバルブ３２が配置されて、これらの間の空気の流路を開閉する。通路４１とシリンダ室３８との接続部に別のバルブ３３が配置されて、その接続部の空気の流路を開閉する。更に、シリンダ室３８と、窒素が濃縮された排出空気をエンジンの排気マニホールドに導くための出口管路４７との間に通路４６が延びている。通路４６に更なるバルブ３４が配置されて、開弁位置ではシリンダ室３８から通路４６を通る窒素濃縮空気の流れを許容し、閉弁位置ではその流れを遮断する。
【００３１】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ及び３Ｄを参照すると、一般的な内燃機関の４つの行程が概略的に示されている。ピストン３５は、クランク軸３７の回転運動によって動力が伝達されたコンロッド３６によってシリンダ室３８内をストロークする。図３Ａは吸気行程を表し、図３Ｂは圧縮行程を表し、図３Ｃは燃焼行程を表し、また、図３Ｄは排気行程を表している。
【００３２】
本実施形態の作動は次の通りである。図３Ａの位置から開始して、ピストン３５は、コンロッド３６を下方へ移動させるクランク軸３７の回転運動によって下方へストロークする。行程のこの部分では、バルブ３１、３２及び３４（図２参照）は閉じられ、バルブ３３は開かれ、これにより、充填空気（吸気）をシリンダ室３８に供給する。クランク軸３７の更なる回転は、バルブ３３を閉じ、バルブ３１を開き、また、ピストン３５を上方に押圧して空気を圧縮し、これにより、この空気を押圧して、空気中の窒素の一部を吸着するモレキュラーシーブＡに流通させる。バルブ３２及び３４を閉じられた状態で維持することにより、この空気は、図３Ｂに示されるように、ピストン３５が上方に移動してシリンダ室３８の容積を縮小することによって圧縮される。吸着が行われるのに有効な圧力は、モレキュラーシーブＡからの出口に続く通路４３を通る酸素濃縮空気の流れを制限するオリフィス３９によって制御される。上方へ移動して室３８の容積を縮小するピストンの作用によって、モレキュラーシーブＡを通して推進される空気の圧力は、図１の実施形態のブロワ５６等によって発生される圧力よりもかなり高くなる。図２の実施形態では、この圧力はオリフィス３９の寸法に依存して１５０ｐｓｉ又はそれ以上に達することができる。
【００３３】
その後、ピストン３５は、下降して（図３Ｃ）、通路４２、開いたバルブ３２、通路４３
及びモレキュラーシーブＡを通してシリンダ室３８内に空気を吸引する。このとき、他のバルブ、すなわちバルブ３１、３３及び３４は閉じられている。バルブ３１、３３及び３４が閉じられているときのモレキュラーシーブＡを通したこの空気の吸引作用は、部分真空を生じ、この部分真空がモレキュラーシーブＡからの窒素の脱離を引き起こして、大気圧で起こるよりも迅速に脱離が起こる。これにより、ピストン３５の図３Ｃに示される位置への下方への移動は、通路４３からモレキュラーシーブＡを通して室３８内へ空気を吸引する。クランク軸３７の図３Ｄに示される位置への更なる回転は、ピストン３５に窒素濃縮空気を押圧させて、バルブ３４が開いたとき、通路４６及び４７を通して排気マニホールドへ排出する。ピストン３５がその上方へのストロークを開始することによって、その結果を達成するため、バルブ３４が開き、バルブ３１、３２及び３３が閉位置に移動される。
【００３４】
上述のＶＰＳＡ装置は、内燃機関の要求に追従するのに、あるいは、貯留タンクを満たすべく貯留するのに適当な速度で作動するように、連結されて駆動される。
【００３５】
上述のように、亜酸化窒素を使用してエンジンに供給される空気の酸素を濃縮する従来技術は、通常供給される２０％の酸素濃度を３６％に高める。吸気マニホールド内のこの酸素濃度は、エンジンに損傷を与えることなく、短時間しか使用することができない。本発明は、空気中の酸素濃度を２０％から２２％又はそれ以上に容易に１０％増大させることができる。この増大には、空気中の窒素を８０％から約７８％に少し減少させることが必要である。１０％酸素を増大させるのに必要な窒素の減少は約２．５％になる。これは、正確なサイズの装置によって直接的に供給することができ、又は、貯留されて吸入空気に混合される酸素濃縮空気によって間接的に供給することができる。
【００３６】
実施形態３
上述の実施形態１は、車載生成システムを使用して高濃度の酸素濃縮空気を生成し、そして、後に加速の要求又は環境汚染の抑制が望まれたとき、これを内燃機関に（燃料の追加を伴って又は伴わず）供給するために貯留する。
【００３７】
実施形態２は、空気の酸素を濃縮し、そして、これを実施形態１のように後で使用するために貯留し、又は、低い変換速度で酸素が濃縮された空気を自然吸気された空気と共に継続的にエンジンに供給する新規で非常に迅速な方法を開示する。
【００３８】
実施形態３は、加圧された吸気マニホールドに直接接続された小型のモレキュラーシーブを使用する。エンジンによって使用される全ての空気は、このモレキュラーシーブを通して処理される。本実施形態が使用されるとき、変換速度すなわち空気流からの窒素の離脱速度は、上述のいずれの実施形態に比しても非常に低速度である。燃焼空気中の非常に高濃度の酸素は、常時使用されたとき、エンジンに損傷を与えることが知られている。小さい体積のモレキュラーシーブに対して非常に高速の空気流を使用する結果、燃焼空気から離脱される窒素の量は少なくなる。一例として、窒素の８０％から７６％への減少（５％の減少）は、空気流中の酸素を２０％から２４％に濃縮する。追加の燃料と共に燃焼室内の酸素濃度の２０％の増加は、エンジンにかなりの出力の急上昇をもたらす。レースカー（ＮＡＳ  ＣＡＲ（ナスカー）、ＩＮＤＹ  ＣＡＲ（インディーカー））では、このシステムは、高性能エンジン及び自動車を提供することになるであろう。スーパーチャージャ又はターボチャージャの全ての出力がモレキュラーシーブシステムに導入される場合、エンジンは、レースコースの要求サイクルの間、出力に対して最適化される。一例として、インディレースにおいては、直線路では出力が必要であり、曲線路では窒素の洗浄を行うことができる。
【００３９】
図４を参照すると、実施形態３が示されている。この実施形態では、エンジンに対する全ての燃焼空気が吸気ポート７２を通してターボチャージャ又はスーパーチャージャ７０から供給される。この空気は、加圧された後、冷却器Ｃによって冷却されて、開いたバルブ７４を通って流れることによってモレキュラーシーブ７５を通って流れ、このモレキュラーシーブ７５で、ある程度の窒素が吸着される。残りの酸素濃縮空気は、通路７６を通って内燃機関の吸気マニホールド７８へ流れる。この流れがモレキュラーシーブ７５を通っている間、バルブ８０は閉じられる。エンジンが加速モードにあるとき、上述の動作を実行する。減速モードに入ったとき、モレキュラーシーブ７５は、窒素を脱離して大気に放出できるようにモレキュラーシーブ７５の圧力を減圧することによって吸着された窒素が洗浄される。これは、バルブ７４及び８２を閉じてバルブ８０を開くことによって行われる。この動作は吸気マニホールド７８がターボチャージャ又はスーパーチャージャ７０によって加圧され続けられるようにするが、流路８４を通して通常の空気が供給される。
【００４０】
以上は特定のレースコースの要求サイクルで使用される酸素濃縮空気を提供する方法を説明している。
当業者には、多くの修正例が容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】内燃機関の吸気マニホールドに濃縮酸素を導入するための装置（実施形態１）の概略図である。
【図２】酸素濃縮空気を貯留タンクを介し内燃機関の吸気マニホールドに導入し、又は、中間で貯留せず直接エンジン吸気マニホールドに導入する修正された実施形態２を示す概略断面図である。
【図３Ａ】図２の装置の吸気行程中におけるピストン及びクランクの位置を示す概略図である。
【図３Ｂ】図２の装置の圧縮行程中におけるピストン及びクランクの位置を示す概略図である。
【図３Ｃ】図２の装置の燃焼行程中におけるピストン及びクランクの位置を示す概略図である。
【図３Ｄ】図２の装置の排気行程中におけるピストン及びクランクの位置を示す概略図である。
【図４】特定の使用のため、すなわち、既知のレースコースで必要なレース自動車のための他の実施形態３を示す図１と同様な図である。
【図１】
2007523290.tif 000003
【図２】
2007523290.tif 000004
【図３Ａ】
2007523290.tif 000005
【図３Ｂ】
2007523290.tif 000006
【図３Ｃ】
2007523290.tif 000007
【図３Ｄ】
2007523290.tif 000008
【図４】
2007523290.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月26日(2005.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）吸気マニホールドを有する内燃機関と、
（ｂ）酸素濃縮空気を生成する車載システムと、
（ｃ）前記酸素濃縮空気及び燃料を車両の加速中にのみ間欠的に前記吸気マニホールドに供給して加速中に前記内燃機関に供給される酸素の濃度が２２％から３６％の範囲になるようにする手段とを備えたことを特徴とする車両。
【請求項２】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有するモレキュラーシーブを設け、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記モレキュラーシーブに空気を供給して通過させて、酸素濃縮空気を生成し、
（ｃ）自動車が加速している間、前記酸素濃縮空気を燃料と共に内燃機関に供給し、
（ｄ）ステップ（ｂ）を停止し、
（ｅ）前記モレキュラーシーブを大気に通気させ、
（ｆ）ステップ（ｄ）の間、通常の空気を前記内燃機関に供給するステップを有することを特徴とする酸素濃縮空気及び燃料を自動車の内燃機関に供給するための方法。
【請求項３】
ステップ（ｂ）の間、空気は合成ゼオライトモレキュラーシーブを通過することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
更に、（ｆ）ステップ（ａ）のモレキュラーシーブと同じ特性を有する第２のモレキュラーシーブを設け、
（ｇ）ステップ（ａ）のモレキュラーシーブに空気を供給して通過させるのを停止したとき、前記第２のモレキュラーシーブに空気を供給して通過させ、
（ｈ）前記第２のモレキュラーシーブから酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
更に、前記酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する前に貯留容器に供給するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
更に、前記酸素濃縮空気を前記内燃機関に供給する前に貯留容器に供給するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有する第１及び第２モレキュラーシーブと、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記第１及び第２モレキュラーシーブに順次空気を供給する手段と、
（ｃ）前記第１モレキュラーシーブに空気が流れているとき、前記第２モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止し、前記第２モレキュラーシーブに空気が流れているとき、前記第１モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止する第１バルブセットと、
（ｄ）前記第１バルブセットが前記第２モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止しているとき、前記第２モレキュラーシーブを大気に通気させ、また、前記第１バルブセットが前記第１モレキュラーシーブへの圧力下の空気の流れを阻止しているとき、前記第１モレキュラーシーブを大気に通気させるように作動する第２バルブセットと、
（ｅ）前記第１及び第２モレキュラーシーブのそれぞれと前記内燃機関との間の通路と、
（ｆ）前記第１モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素の量を検出する第１センサと、
（ｇ）前記第２モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素の量を検出する第２センサとを備え、
前記第１センサは、前記第１モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素が減少したとき、その空気の流れを停止させるべく作動し、前記第２センサは、前記第２モレキュラーシーブから流出する空気中の酸素が減少したとき、その空気の流れを停止させるべく作動することを特徴とする内燃機関に酸素濃縮空気を燃料と共に供給するための装置。
【請求項８】
更に、酸素濃縮空気を貯留する貯留室を含み、該貯留室は、前記第１及び第２モレキュラーシーブの少なくとも一方から酸素濃縮空気を受入れて前記内燃機関に供給するように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
（ａ）可燃性の燃料を内燃機関の燃焼室に供給し、
（ｂ）酸素及び窒素を含む空気を前記燃焼室に前記燃料と共に供給し、
（ｃ）加速時に、ステップ（ｂ）の前に、前記空気の少なくとも一部を大気よりも高圧下でモレキュラーシーブに通過させて、前記供給される空気の窒素の濃度を減少させて酸素を濃縮し、
（ｄ）加速していないとき、空気が前記モレキュラーシーブをバイパスするようにし、これにより、前記モレキュラーシーブから水素を脱離できるようにするステップを有することを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項１０】
（ａ）拡大された室を形成する第１位置から、より小さい室を形成する第２位置へ内部を移動可能なピストンを有するシリンダ室を設け、
（ｂ）（ｉ）前記シリンダ室に間欠的に空気を導入するための吸気口及び吸気バルブと、（ｉｉ）前記シリンダ室から間欠的に空気を排出するための排気口及び排気バルブと、（ｉｉｉ）モレキュラーシーブが内部に配置されて前記シリンダ室及び内燃機関の吸気マニホールドに接続する通路とを設け、
（ｃ）前記ピストンが前記シリンダ室を拡大する方向に移動している間、前記吸気バルブを開き、
（ｄ）前記吸気バルブ及び前記排気バルブの両方が閉じられている間、前記ピストンを前記シリンダ室をより小さくする方向に移動させて、空気を圧力下で前記通路及び前記モレキュラーシーブを通して前記吸気マニホールドへ押込むステップを有することを特徴とする内燃機関に酸素濃縮空気を供給するための方法。
【請求項１１】
更に、前記通路の前記シリンダ室から前記モレキュラーシーブの反対側の寸法を絞って、前記シリンダ室から前記モレキュラーシーブを通る空気流の圧力を上昇させるステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
更に、前記吸気バルブ及び前記排気バルブが閉じられている間、前記ピストンを前記シリンダ室を拡大する方向に移動して、前記通路及び前記モレキュラーシーブを通して空気を吸引して、窒素濃縮空気を前記シリンダ室に供給し、そして、前記排気バルブを開いて、前記ピストンが移動して前記シリンダ室を縮小したとき、前記窒素濃縮空気を排出するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
（ａ）拡大された室を形成する第１位置から、より小さい室を形成する第２位置へ内部を移動可能なピストンを有するシリンダ室と、
（ｂ）吸気口及び該吸気口と前記シリンダ室との間の連通を開閉するための吸気バルブと、
（ｃ）排気口及び該排気口と前記シリンダ室との間の連通を開閉するための排気バルブと、
（ｄ）前記シリンダ室と前記吸気マニホールドとを接続する通路と、
（ｅ）前記通路内に配置されたモレキュラーシーブとを備えたことを特徴とする吸気マニホールドを有する内燃機関。
【請求項１４】
前記吸気バルブ及び前記排気バルブは、前記ピストンが前記第２位置に向って移動しているとき、該ピストンの移動のその行程中、閉じるように作動して、空気を圧力下でモレキュラーシーブを通して前記吸気マニホールドに押込むことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
更に、前記モレキュラーシーブと前記吸気マニホールドとの間の前記通路の寸法を絞ったことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１６】
更に、前記モレキュラーシーブの前記シリンダ室の反対側に配置された第２の吸気口及び第２の吸気バルブを含み、前記ピストンが前記第１位置に向って移動中、前記吸気バルブ及び前記排気バルブは閉じるように作動し、前記第２の吸気バルブは開くように作動することを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１７】
更に、前記モレキュラーシーブと前記吸気マニホールドとの間の前記通路に追加のバルブを含むことを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関。
【請求項１８】
更に、前記モレキュラーシーブと前記吸気マニホールドとの間に配置されて酸素濃縮空気を貯留する貯留容器を含むことを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項１９】
（ａ）空気を受入れて排出し、（ｉ）圧力下でこれを通過する空気から少なくとも一部の窒素を吸着して、そこから排出される空気が大気よりも酸素濃度が高くなるようにし、また、（ｉｉ）通常の大気圧で大気に曝されたとき、前記窒素の少なくとも一部を脱離する特性を有するモレキュラーシーブを設け、
（ｂ）大気圧よりも高い圧力下で前記モレキュラーシーブに空気を供給して通過させて、酸素濃縮空気を生成し、
（ｃ）始動直後に前記酸素濃縮空気を燃料と共に内燃機関に供給して該内燃機関の暖機を迅速化するステップを含むことを特徴とする冷間始動中に酸素濃縮空気及び燃料を内燃機関に供給するための方法。
【請求項２０】
（ａ）排気中の残留酸素濃度を監視し、
（ｂ）酸素の示度が低いとき、排気マニホールドに酸素濃縮空気を付与するステップを含むことを特徴とする排気マニホールドを有する車両の排気エミッション制御方法。
【請求項２１】
更に、酸素濃縮空気を吸気マニホールドに供給するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【国際調査報告】
2007523290.tif 000010
2007523290.tif 000011