(57)【要約】【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供給する内燃エンジン及び自動車エンジンを提供する。【解決手段】  実用的なエンジン稼動による圧力変化に耐えうるために、酸素富化膜の大気取り入れ膜面積に対する高濃度酸素空気の取り出し口の断面積を相対的に小さくし、酸素富化膜装置とエンジン燃焼室の間に圧力緩衝用のバッファタンク等の圧力緩衝部を設置し、ポンプ等の専用の減圧器を設置しないでエンジンの回転で生じる減圧を活用するため、インテイク部、ないしエンジンからインテイク部に戻す通路であるエンジン戻り通路に接続し、さらに、酸素富化膜装置をエンジンルーム内に設置することによりエンジンから発生する熱により酸素富化膜装置を加温して、燃費向上および排気ガスの一酸化炭素、炭化水素、一酸化窒素濃度を低減する高濃度酸素空気吸気式エンジンを提供する手段。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素富化膜にあって、大気側の大気取り入れ膜面積に対する高濃度酸素空気の取り出し口の断面積を相対的に小さくする酸素富化膜モジュールを構成することにより、酸素富化膜の損傷を防止することを特徴とする酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の酸素富化膜装置にあって、酸素富化膜の大気側の大気取り入れ膜面積（面積Ｓ１）に対する高濃度酸素空気の取り出し口の断面積（Ｓ２）の比であるＳ１／Ｓ２値は、１０００以上であることを特徴とする酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項３】
請求項１記載の高濃度酸素空気吸気式エンジンにあって、酸素富化膜装置の高濃度酸素空気の取り出し口からエンジン燃焼室までの間に、圧力緩衝部を備えることを特徴とする酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項４】
請求項３記載の圧力緩衝部にあって、圧力変化により圧力緩衝部の容積が可変する容積可変圧力緩衝部であることを特徴とする酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項５】
請求項１記載の高濃度酸素空気吸気式エンジンにあって、高濃度酸素空気を発生させるために、高濃度酸素空気の取り出し側に専用の減圧器を設置しないことを特徴とする酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項６】
請求項５記載の高濃度酸素空気吸気式エンジンにあって、酸素富化膜装置の高濃度酸素空気の取り出し口側の高濃度酸素空気通路をインテイク部、ないしエンジン戻り通路に接続することを特徴とする酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジン。
【請求項７】
請求項１記載の酸素富化膜装置を備えた高濃度酸素空気吸気式エンジンにあって、酸素富化膜装置をエンジンルーム内に設置して、エンジンから放熱される熱により酸素富化膜装置を大気の温度である常温より高い温度に加温することを特徴とする酸素富化膜装置を備えた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臓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
【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、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】
【０００６】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７と図８に示すように酸素富化膜４２から成る構成品をユニット化し、この酸素富化膜ユニット４１の複数から成る酸素富化膜モジュール４５を構築し実用的なエンジンで発生する圧力変化に耐えうる酸素富化装置３１を提供する。【０００７】酸素富化膜４２の大気側の大気取り入れ膜面積Ｓ１に対する高濃度酸素空気の取り出し口４４の断面積Ｓ２を相対的に小さくすることにより実用的なエンジンによる圧力変化に耐えうる酸素富化装置３１を提供する。
酸素富化膜４２の面積Ｓ１は、大気側から酸素富化膜内に大気が取り込まれる膜表面積であり、高濃度酸素空気の取り出し口４４の断面積Ｓ２は、例えば、高濃度酸素空気の出口のノズルの内径の断面積である。【０００８】本発明の目的を得るための、Ｓ１／Ｓ２値は１０００以上であることを提供する。【０００９】本発明の第２の課題解決手段は次のとおりである。
上記の目的を達成するための手段として、さらに実用的なエンジンによる圧力変化に耐えうるために、酸素富化膜装置３１とエンジン燃焼室０８の間に圧力緩衝用のバッファタンク等の圧力緩衝部３２を設置し酸素富化システム全体の安定稼動の長期化と共に、実用走行時の急激なエンジン回転による圧力変化に対して高濃度酸素空気の安定な流量供給を提供することができる。
圧力緩衝部３２は、例えば図９に示される出入り口を有する圧力緩衝部３２ａがある。また、この圧力緩衝部にあっては、実用的なエンジンによる圧力変化に対して圧力緩衝部の容積が可変するようになっている容積可変圧力緩衝部３２ｂではこの圧力緩衝効果がさらに大きくなる。【００１０】本発明の第３の課題解決手段は次のとおりである。
さらに、本発明では、酸素富化膜から高濃度酸素空気を発生させる時、従来の発明で必要としているポンプ等の減圧器を設置しないでエンジンの回転で生じる減圧を活用することが特長である。【００１１】本発明の第４の課題解決手段は次のとおりである。
即ち、通常のエアクリナ等のフィルタを介する大気吸気の通路に加えて補助吸気通路として高濃度酸素空気通路３３を設ける時、酸素富化膜から発生した高濃度酸素空気の通路である高濃度酸素空気通路３３を、酸素富化膜から高濃度酸素空気を発生させるのに充分な減圧度を得るため、エンジン０７からインテイク部０４に戻す通路であるエンジン戻り通路３４に接続する手段を提供する。充分な減圧度−３０〜−８０ｋＰａ【００１２】また、高濃度酸素空気通路３３を、酸素富化膜４２から高濃度酸素空気を発生させるのに充分な減圧度を得るため、スロットルバルブ０３の後方に位置するインテイク部０４に接続する手段を提供する。【００１３】もちろん、高濃度酸素空気の通路を従来の発明であるエアクリナからエンジンまでの間の通路である大気吸気通路０２に接続する方法においても、エンジン回転時には大気より低い減圧度があるので本発明の目的を達成することができる。減圧度〜−３０ｋＰａ【００１４】本発明の第５の課題解決手段は次のとおりである。
本発明では、酸素富化膜装置３１をエンジンルーム内に設置することにより、エンジン０７から発生する熱により酸素富化膜を加温し酸素富化膜４２から発生する高濃度酸素空気の発生流量をより大きくし結果的に酸素量を増加させる手段を提供する。
これは、酸素富化膜４２の温度特性に従い温度が高くなると多量の高濃度酸素空気を発生することを利用したものである。
【発明の効果】
【００１５】本発明では、大気から酸素富化膜により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。
また、大気からより高濃度酸素空気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。
【発明を実施するために最良の形態】
【００１６】本発明の実施の形態を図４〜図１０に基づいて説明する。
【００１７】図４、５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は本発明の手段である圧力緩衝部３２を経て高濃度酸素空気通路３３により、インテイク部０４、ないしエンジン０７とインテイク部０４を連絡しているエンジン戻り通路３４に接続されている。
インテイク部０４、ないしエンジン戻り通路３４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、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。
【００１８】  酸素富化膜ユニット４１は、図７に示される酸素富化膜ユニット構造を有する。酸素富化膜ユニット４１は酸素富化膜２２ａ２２ｂ、それを保持する支持筐体４３および高濃度酸素空気の取り出し口４４から構成される。
【００１９】酸素富化膜モジュール４５は、図８に示される酸素富化膜モジュール構造を有する。酸素富化膜モジュール４５は、酸素富化膜ユニット４１を複数個積み重ねた構造である。酸素富化膜モジュール４５は、複数個の酸素富化膜ユニット４１と１個の高濃度酸素空気の取り出し口４４から構成される。この酸素富化膜モジュール４５は、一定の減圧度で使用されるように設計されている。
【００２０】本発明で提供する形状の酸素富化膜装置３１では、酸素富化膜４２の大気取り入れ膜面積Ｓ１に対する高濃度酸素空気の取り出し口４４の断面積Ｓ２を相対的に小さくすることにより実用的なエンジンによる圧力変化に耐えうる酸素富化装置３１を提供する。
本発明の目的を達成するためのＳ１／Ｓ２値は１０００以上である手段を提供する。
【００２１】  本発明で使用される圧力緩衝部３２は図９に示される圧力緩衝部３２ａおよび容積可変圧力緩衝部３２ｂである。
実用的なエンジン稼動による圧力変化に耐えうるために、酸素富化膜装置３１とエンジン０７の間に圧力緩衝部３２を設置し酸素富化装置３１の安定稼動の長期化と共に、実走行時の急激なエンジン回転による圧力変化に対して高濃度酸素空気の安定な流量供給を提供する。
【００２２】従来の技術では、酸素富化膜から燃料の燃焼に必要な充分な流量の高濃度酸素空気を得るため、ポンプ等の減圧器を用いている。
本発明では、エンジン稼動時はエンジン内部に自動的に発生する減圧部分であるインテイク部０４およびエンジン戻り通路３４に、本発明のＳ１／Ｓ２値１０００以上である酸素富化装置３１を接続し、ポンプ等の減圧器を設置することなく、かつ酸素富化膜の損傷を引き起こすことなく高濃度酸素空気が得られる。
【００２３】本発明の酸素富化装置３１をインテイク部０４およびエンジン戻り通路３４に接続した時の減圧度は、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程度である。
【００２４】  本発明では、図１０に示されるように酸素富化膜の温度と高濃度酸素空気の発生流量の特性に従い、酸素富化膜装置３１をエンジンルーム内に設置することによってエンジンの放熱により酸素富化膜が加温され多量の高濃度酸素空気を得る。
【００２５】図６は、本発明の酸素富化膜装置３１が圧力緩衝部３２を経て高濃度酸素空気通路３３により、大気吸気通路０２に接続されている事例である。
【００２６】  本発明の目的を達成するためには、上記の手段１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、３，４、５はかならずしも必須手段ではないが、これらの手段２、３，４、５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】
【００２７】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。
酸素富化膜ユニットが２０個から成る酸素富化膜の大気取り入れ膜面積Ｓ１が８００、０００ｍｍ２である酸素富化膜モジュールに高濃度酸素空気の取り出し口の断面積Ｓ２が４４ｍｍ２である取り出し口１個取り付けた酸素富化膜モジュールから成る酸素富化膜装置を作成した。この酸素富化膜装置のＳ１／Ｓ２値は１８，２００である。
図５に示すように、軽自動車のエンジンルーム内に、この酸素富化膜装置および内容積３リットルの容積可変圧力緩衝部とを高濃度酸素空気通路を介してインテイク部に接続した。アイドリング時における高濃度酸素空気の取り出し口付近の減圧度はマイナス６３ｋＰａであった。
ガス濃度測定計によるエンジン稼動時の排気ガス濃度と走行結果を次に示した。
充分にエンジンを温められた状態でのアイドリング時の排気ガス濃度のうち、一酸化炭素濃度（ＣＯ）は０．００％、炭化水素濃度（ＨＣ）は１０ｐｐｍ、酸化窒素濃度（ＮＯｘ）は２０ｐｐｍであった。高速道路５００ｋｍ走行の平均燃費は、１６．５ｋｍ／リットルであった。
比較のため、本発明の酸素富化膜装置を取り外した状態での結果を次に示した。
アイドリング時の排気ガス濃度のうち、一酸化炭素濃度（ＣＯ）は０．２０％、炭化水素濃度（ＨＣ）は３３０ｐｐｍ、酸化窒素濃度（ＮＯｘ）は１５０ｐｐｍであった。高速道路１０００ｋｍ走行の平均燃費は、１４．０ｋｍ／リットルであった。
これらの結果から、本発明では、本発明の酸素富化装置を取り付けることにより、排気ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ）、炭化水素濃度（ＨＣ）および酸化窒素濃度（ＮＯｘ）を相当量削減することができた。また、ガソリンの燃費も相当な割合で向上できた。
本発明の装置を取り付けた状態で３，０００ｋｍを超える走行をしたが、高濃度酸素空気の取り出し口付近の減圧度はマイナス６０〜６５ｋＰａで保たれており、かつ酸素富化膜の破壊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】
【００２８】  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。
酸素富化膜ユニットが１０個から成る酸素富化膜の大気取り入れ膜面積Ｓ１が４００、０００ｍｍ２である酸素富化膜モジュールに高濃度酸素空気の取り出し口の断面積Ｓ２が４４ｍｍ２である取り出し口１個取り付けた酸素富化膜モジュールから成る酸素富化膜装置を作成した。この酸素富化膜装置のＳ１／Ｓ２値は９，１００である。
図４に示すように、この酸素富化膜装置および内容積２．５リットルの圧力緩衝部とを高濃度酸素空気通路を介してエンジン戻り通路に接続した。アイドリング時における高濃度酸素空気の取り出し口付近の減圧度はマイナス６５ｋＰａであった。
エンジン始動時のガス濃度測定計による排気ガス濃度と走行結果を次に示した。
充分にエンジンを温められた状態でのアイドリング時の排気ガス濃度のうち、一酸化炭素濃度（ＣＯ）は０．００％、炭化水素濃度（ＨＣ）は３０ｐｐｍ、酸化窒素濃度（ＮＯｘ）は５０ｐｐｍであった。高速道路３００ｋｍ走行の平均燃費は、１６．０ｋｍ／リットルであった。
これらの結果から、本発明でも、本発明の酸素富化装置を取り付けることにより、排気ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ）、炭化水素濃度（ＨＣ）および酸化窒素濃度（ＮＯｘ）を相当量削減することができた。また、ガソリンの燃費も相当な割合で向上できた。
【実施例３】
【００２９】  実施例１において、当軽自動車のＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）であるマイクロコンピュータ設定変更により、排気ガスのうち炭化水素濃度（ＨＣ）をさらに低減する設定を行った。
充分にエンジンを温められた状態で、排気ガスの出口に排気ガス濃度計を挿入しアイドリング時の排気ガス濃度のうち、炭化水素濃度（ＨＣ）が５ｐｐｍになるようにＥＣＵのマイクロコンピュータ設定を行った。この設定でのアイドリング時の排気ガス濃度と走行結果を次に示す。
アイドリング時の排気ガス濃度のうち、一酸化炭素濃度（ＣＯ）は０．００％、炭化水素濃度（ＨＣ）は５ｐｐｍ、酸化窒素濃度（ＮＯｘ）は１２ｐｐｍであった。高速道路１００ｋｍ走行の平均燃費は、１６．８ｋｍ／リットルであった。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  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】
【００３１】
【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、排ガス通路０８、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等の減圧響、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。
【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。
【図４】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エンジン戻り通路３４に接続されている。従来の発明に示されるポンプ等の減圧器、および高濃度酸素空気流量などを制御する専用の制御装置は設けていない。
【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。従来の発明に示されるポンプ等の減圧器、および高濃度酸素空気流量などを制御する専用の制御装置は設けていない。
【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と高酸素空気通路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大気吸気通路０２に接続されている。従来の発明に示されるポンプ等の減圧器、および高濃度酸素空気流量などを制御する専用の制御装置は設けていない。
【図７】本発明で使用される酸素富化膜ユニットの例示
【図８】本発明で使用される酸素富化膜モジールの例示
【図９】本発明の圧力緩衝部
【図１０】本発明の酸素富化膜のエンジンルーム内設置の加温効果を裏付けるデータ
【符号の説明】
【００３２】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  ソレソイドバルブ
２５  ポンプ
２６  補助吸気通路
３１  酸素富化膜装置
３２  圧力緩衝部
３３  高濃度酸素空気通路
３４  エンジン戻り通路
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
３２ａ  圧力緩衝部
３２ｂ  容積可変圧力緩衝部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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