(57)【要約】空気に乱流を与える装置を通って吸引された空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムは、空気が酸素の消費される位置に到達した時に濃縮された酸素の供給が利用可能であるように、空気の成分（例えば、酸素と窒素）の再配分をもたらす。吸入空気の乱流の第１段階の影響は削減され、内燃機関の場合、結果として霧化点及び燃焼室へより高密度の供給がもたらされる。
2006524780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムを備えた装置であって、該空気は前記空気に乱流を与える装置を通って吸引され、前記空気が酸素の消費される位置に到達した時に濃縮された酸素の供給が利用可能であるように、前記空気の成分の再配分をもたらすこと特徴とする装置。
【請求項２】
前記メカニズムは前記成分に遠心力を与えるように構成されており、前記成分は異なる質量によって特徴付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記メカニズムは偏向面を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記メカニズムは、前記空気が吸引される際に辿る吸引経路内に配置される一式の偏向面を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記装置はエアフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記メカニズムはさらに、乱流を与える前記装置によって供給される空気吸入口を有するエアボックス内に取り付けられるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記メカニズムは、前記装置を通って吸引された前記空気を回転させるように構成された一式の翼を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記翼の各々は、前記空気が吸引される際に辿る経路に対して角度をつけて配置されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記翼は中心点の周りに配置され、回転装置を形成することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記翼の少なくとも一部は、前記翼と前記空気が吸引される際に辿る経路との間に形成される角度が、前記吸引力により変化するように取り付けられることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記翼はエアフォイルを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記翼は、質量の大きい前記空気の成分を、前記空気が吸引される際に辿る経路から半径方向に離れさせるように構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記翼は、質量の小さい前記空気の成分を、前記空気が吸引される際に辿る経路へ半径方向に向かわせるように構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
前記空気が吸引される際に通る前記装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置はエアフィルタを備えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記空気の前記成分の再配分をもたらす前記エアフィルタと前記メカニズムとは、単一の装置内で連結されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記エアフィルタと前記メカニズムとは、間に隙間を置いて連結されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記隙間は１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記エアフィルタと前記メカニズムとは、それらの間の隙間が前記吸引力の強さにより変動するように連結されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記エアフィルタと前記メカニズムとは、伸縮性スカートを使用して連結されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記エアフィルタは自動車用エアフィルタを備え、前記メカニズムは空気回転装置を備えることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２２】
エアボックスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記メカニズムは前記エアボックス内に支持されることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記メカニズムは、前記エアボックスの出口から所定の距離を置いて支持されることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記エアボックスは出口を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記メカニズムは、酸素が窒素より先に前記出口に到達するように前記成分を再配分するよう構成されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記メカニズムは軸を有し、前記出口は前記軸と一列に並ぶことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記メカニズムは軸を有し、前記出口は前記軸とは一列に並ばないことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記エアボックスは、酸素以外の前記空気の成分の少なくとも一部を除去する排気口を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記排気口は圧力作動式バルブを含むことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記エアボックスは、前記エアボックス内へ吸い込まれる空気を、前記空気の温度に基づいて選択するよう構成された構造を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３２】
フレームに支持されたフィルタ材料と、
前記フィルタ材料の前記フレームに支持された偏向翼と
を備えることを特徴とする自動車エアフィルタ。
【請求項３３】
装置を通って吸引される空気の流れに、前記空気内の酸素が消費される位置への途中で、乱流を与える装置の下流において、前記空気が前記酸素の消費される位置に到達した時に濃縮された酸素の供給が利用可能であるように、前記空気の成分を再配分するステップを有してなる方法。
【請求項３４】
前記成分の前記再配分は、相対質量に基づき前記空気の成分を分離する遠心力を与えるステップを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記成分の前記再配分は、前記装置を通って吸引された前記空気を回転させるステップを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記回転は、偏向面上で前記空気を偏向させるステップを含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記空気の前記成分は、前記空気が吸引される際に通る前記装置からわずかしか離れていないところで、まず再配分されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記空気が吸引される際に通る前記装置は、エアフィルタを備えることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記酸素が消費される前記位置は、内燃機関内の霧化点を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記空気の前記成分は酸素と窒素を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記成分の前記再配分は、少なくとも１つの前記成分が中央円筒形領域を占める傾向があるようにし、少なくとももう１つの前記成分が前記中央円筒形領域の周囲の円筒形外殻を占める傾向があるようにするステップを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
前記酸素は、前記中央円筒形領域を占める傾向があることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
前記酸素は、前記円筒形外殻を占める傾向があることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４４】
吸気フィルタから下流位置まで誘導する空気吸入経路の上流位置で、酸素と窒素とを機械的に分離することで、供給空気内に含まれる酸素をエンジン内の下流位置で入手する可能性を増大させるステップを有してなる方法。
【請求項４５】
内燃機関と、
大気の供給源から前記エンジンまでの吸入経路と、
前記吸入経路内のフィルタと、前記エアフィルタに取り付けられて前記フィルタを通って吸引された空気を偏向させる偏向翼の構造と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項４６】
空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムを備えた装置であって、該空気は前記空気に乱流を与える装置を通って吸引され、装置を通って吸引される際に空気に与えられる低振幅・高周波の乱流の段階を短縮することによることを特徴とする装置。
【請求項４７】
空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムを備えた装置であって、該空気は前記空気に乱流を与える装置を通って吸引され、内燃機関のストロークにより前記空気内に生成される乱流の帯域に起因する影響の軽減をもたらすことによることを特徴とする装置。
【請求項４８】
空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムを備えた装置であって、該空気は前記空気に乱流を与える装置を通って吸引され、内燃機関のストロークにより前記空気内に生成される乱流の帯域内の位相変換に起因する影響の軽減をもたらすことによることを特徴とする装置。
【請求項４９】
前記翼は、質量の小さい前記空気の成分を、前記空気が吸引される際に辿る経路から半径方向に離れさせるように構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項５０】
前記翼は、質量の大きい前記空気の成分を、前記空気が吸引される際に辿る経路へ半径方向に向かわせるように構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項５１】
前記排気口は、圧力作動式バルブ及び吸引補強装置を含むことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項５２】
前記乱流は、偶発的損失のために、前記空気経路内に翼を設置することで、削減されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項５３】
内燃機関と、
大気の供給源から前記エンジンまでの吸入経路と、
前記吸入経路内のフィルタと、
前記エアフィルタに取り付けられて前記フィルタを通って吸引された空気を偏向させる偏向翼の構造と、
前記吸引力、真空又は電気作動式アクチュエータのうち少なくとも１つを使用して、前記吸引力に依って前記偏向翼の角度を変更するメカニズムと
を含むことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は空気の吸入に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関では、例えば、大気から吸入された空気は燃焼前に燃料と混合される。良好な燃焼は、吸入空気が均質であり混合気が特定の比率である場合に実現可能である。
【０００３】
図１に示すように、空気は通常の自動車のエンジン１０内へ吸入経路を辿って吸入され、この吸入経路は通気ポート１２と、ハウジング内のエアフィルタ１４と、空気膨張室１５と、吸気ポート１６と、出口胴体２０（図示せず）へ誘導するチューブ１８とを備えており、霧化点２１へ達し、そこでインジェクタ２１は吸入空気内へ燃料を噴霧し、燃料は吸入空気内で霧化される。チューブ２２は霧化された混合気を霧化点からシリンダ２６の燃焼室２４内へ供給し、そこで混合気は調時機構３０により制御される点火プラグ２８によって点火される。
【０００４】
エンジンの効率は、霧化点で燃料と混合するための吸入空気から入手可能な酸素量に依存する。大気、つまり吸気は、約２１％の酸素と７８％の窒素とを含む。通常のエンジンは、霧化点において約１対１４の空気／燃料重量比を使用するように設計されている。
【０００５】
図２にも示すように、大気は、（空気から粒子を除去する）エアフィルタ１４を通って空気膨張室１５内まで、吸気ポート１６を通り、配管１８を通り、シリンダの吸気ポート１９に隣接するエンジンの全長に沿って伸びる吸気マニホールド１７を通り抜けて作用する、エンジン真空の吸引によって吸入される。吸引は、ピストンが対応する吸気ポート１９から引き離される際に、各シリンダが今度は吸気ストロークを受ける際のサイクル中に起こる。このサイクルに因り、空気は吸入され、連続する爆発３０において吸気マニホールドへ到達する。連続する爆発の間隔は、アクセルペダルを使用して運転者によって選択されるエンジンの毎分回転数（ＲＰＭ）が高いほど、小さい。連続する吸気ストローク間の間合いもまた毎分回転数に依存する。所与のシリンダの吸気ストロークの間、空気の爆発の１つは、吸気マニホールドに沿って適正な位置に配置され、燃料との混合のために霧化点２１へ吸い込まれる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一般に、１つの態様において、本発明は、空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムを備えた装置であって、該空気は空気に乱流を与える装置を通って吸引され、空気が酸素の消費される位置に到達した時に濃縮された酸素の供給が利用可能であるように、空気の成分の再配分をもたらす装置を特徴とする。
【０００７】
本発明の実施形態は、以下の特徴を１つ以上含むことができる。メカニズムは成分に遠心力を与えるように構成されており、成分は異なる質量を特徴とする。メカニズムは偏向面を備える。メカニズムは、空気が吸引される際に辿る吸引経路内に配置される一式の偏向面を備える。装置はエアフィルタを備える。メカニズムはさらに、乱流を与える装置によって供給される空気吸入口を有するエアボックス内に取り付けられるように構成される。メカニズムは、装置を通って吸引された空気を回転させるように構成された一式の翼を備える。翼の各々は、空気が吸引される際に辿る経路に対して角度をつけて配置される。翼は中心点の周りに配置され、回転装置を形成する。翼の少なくとも一部は、翼と空気が吸引される際に辿る経路との間に形成される角度が、吸引力により変化するように、取り付けられる。翼はエアフォイルを含む。翼は、質量の大きい空気の成分を、空気が吸引される際に辿る経路から半径方向に離れさせるように構成される。翼は、質量の小さい空気の成分を、空気が吸引される際に辿る経路へ半径方向に向かわせるように構成される。
【０００８】
装置はエアフィルタを備える。空気の成分の再配分をもたらすエアフィルタとメカニズムとは、単一の装置内で連結される。エアフィルタとメカニズムとは、間に隙間を置いて連結される。隙間は１ｍｍ〜１０ｍｍである。エアフィルタとメカニズムとは、それらの間の隙間が吸引力の強さにより変動するように連結される。エアフィルタとメカニズムとは、伸縮性スカートを使用して連結される。エアフィルタは自動車用エアフィルタを備え、メカニズムは空気回転装置を備える。
【０００９】
装置はエアボックスを含む。メカニズムはエアボックス内に支持される。メカニズムはエアボックスの出口から所定の距離を置いて支持される。エアボックスは出口を含む。メカニズムは、酸素が窒素より先に出口に到達するように成分を再配分するよう構成される。メカニズムは軸を有し、出口は軸と一列に並ぶ。メカニズムは軸を有し、出口は軸とは一列に並ばない。エアボックスは、酸素以外の空気の成分の少なくとも一部を除去する排気口を含む。排気口は圧力作動式バルブを含む。エアボックスは、エアボックス内へ吸い込まれる空気を、空気の温度に基づいて選択するよう構成された構造を含む。
【００１０】
一般に、別の態様において、本発明は、フレームに支持されたフィルタ材料と、フレームに支持された偏向翼とを備えた、自動車用エアフィルタを特徴とする。
【００１１】
一般に、別の態様において、本発明は、装置を通って吸引される空気の流れに、空気内の酸素が消費される位置への途中で、乱流を与える装置の下流において、空気が酸素の消費される位置に到達した時に濃縮された酸素の供給が利用可能であるように、空気の成分を再配分するステップを含む方法を特徴とする。
【００１２】
本発明の実施形態は、以下の特徴を１つ以上含むことができる。成分の再配分は、相対質量に基づき空気の成分を分離する遠心力を与えるステップを含む。成分の再配分は、装置を通って吸引された空気を回転させるステップを含む。回転は、偏向面上で空気を偏向させるステップを含む。空気の成分は、空気が吸引される際に通る装置からわずかしか離れていないところで、まず再配分される。空気が吸引される際に通る装置はエアフィルタを備える。酸素が消費される位置は、内燃機関内の霧化点を含む。空気の成分は酸素と窒素を含む。成分の再配分は、少なくとも１つの成分が中央円筒形領域を占める傾向があるようにし、少なくとももう１つの成分が中央円筒形領域の周囲の円筒形外殻を占める傾向があるようにするステップを含む。酸素は中央円筒形領域を占める傾向がある。酸素は円筒形外殻を占める傾向がある。
【００１３】
一般に、別の態様において、本発明は、吸気フィルタから下流位置まで誘導する空気吸入経路の上流位置で、酸素と窒素とを機械的に分離することで、供給空気内に含まれる酸素をエンジン内下流位置で入手する可能性を増大させるステップを含む方法を特徴とする。
【００１４】
一般に、別の態様において、本発明は、内燃機関と、大気の供給源からエンジンまでの吸入経路と、吸入経路内のフィルタと、エアフィルタに取り付けられてフィルタを通って吸引された空気を偏向させる偏向翼の構造とを備える装置を特徴とする。
【００１５】
一般に、他の態様において、本発明は、偏向翼を含むエアフィルタを作成する方法と、偏向翼を設置する方法と、偏向翼を含むエアボックスを作成する方法とを特徴とする。
【００１６】
一般に、別の態様において、本発明は、内燃機関と、大気の供給源からエンジンまでの吸入経路と、吸入経路内のフィルタと、エアフィルタに取り付けられてフィルタを通って吸引された空気を偏向させる偏向翼の構造とを含む装置を特徴とする。
【００１７】
一般に、他の態様において、本発明は、空気と相互に作用するよう構成されたメカニズムを備えた装置であって、該空気は前記空気に乱流を与える装置を通って吸引され、（１）装置を通って吸引される際に空気に与えられる低振幅・高周波の乱流の段階を短縮すること、及び／又は（２）内燃機関のストロークにより空気内に生成される乱流の帯域に起因する影響の軽減をもたらすこと、及び／又は（３）内燃機関のストロークにより空気内に生成される乱流の帯域内の位相変換に起因する影響の軽減をもたらすことによる、装置を特徴とする。
【００１８】
本発明の実施形態は、以下の特徴を１つ以上含むことができる。翼は、質量の小さい空気の成分を、空気が吸引される際に辿る経路から半径方向に離れさせるように構成される。翼は、質量の大きい空気の成分を、空気が吸引される際に辿る経路へ半径方向に向かわせるように構成される。圧力作動式バルブを含む排気口は、吸引補強装置によって補足される。乱流は、偶発的損失のために、空気経路内に翼を設置することで、削減される。
【００１９】
一般に、別の態様において、本発明は、内燃機関と、大気の供給源からエンジンまでの吸入経路と、吸入経路内のフィルタと、エアフィルタに取り付けられてフィルタを通って吸引された空気を偏向させる偏向翼の構造と、吸引力、真空又は電気作動式アクチュエータのうち少なくとも１つを使用して、吸引力に依って偏向翼の角度を変更するメカニズムとを含む、装置を特徴とする。
【００２０】
他の利点及び特徴は、以下の記述及び請求項から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
吸気マニホールドへ誘導するエアフィルタ１４及び配管１８の設計者は、エアフィルタ及び配管を通って吸引される空気は、吸入前の元の大気状態と本質的に同じ酸素／窒素特性（すなわち、大気中の窒素及び酸素分子の比較的ランダムな分布）を維持するであろうと想定していると思われる。
【００２２】
この想定に基づいて、霧化の時点及び地点では所望の酸素量が入手可能であると期待されており、それによって混合気はエンジンの作動において設計どおりの水準の効率を生むと予測されている。
【００２３】
しかし、吸気系統内の空気流の厳密な分析は、この仮定が恐らく間違っていることを示唆しており、それは次の理由に因る。
【００２４】
エアフィルタは通常、細孔が不均一に分布した紙又は合成材料でできている。材料には、吸入された大気が流れる表面積を増やすように、ひだがつけられている。不均一な細孔分布とプリーツ加工は共に、フィルタの出力表面域全体にわたる不均一な空気の速度分布の一因となっている。この出力表面における速度分布の不均一性は、吸気が最終的に霧化点に到達した際の吸入空気の特性に対して、少なくとも２つの重要な影響を与える。
【００２５】
影響の一つは、霧化点における吸入空気内の強い乱流である。他の影響は霧化点における空気密度に見られる偶発性で、下記に説明するように、吸入経路を辿る連続した吸引サイクルによって生成される吸気配管の全長に沿った空気の高密度と低密度の空気帯に起因する。
【００２６】
乱流は、エンジンがストロークする際にフィルタの入力側と出力側との間に生み出される圧力差によって、さらに増大する。
【００２７】
エアフィルタの出力側の空気内の増大した乱流は、フィルタ材料の細孔が空気を入力側から出力側へ通過させようと作用する状態に部分的に起因する。エンジンが吸引空気をフィルタ材料を通してストロークさせる際、空気中の粒子は、各細孔付近で、特に細孔に空気を通す空気流路の入口周辺で、フィルタの入力表面上に捕捉される。
【００２８】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、１つの細孔４０の断面図を概略的に図示しているが、これらの粒子４２の堆積物は、細孔をノズル４４として機能させ、ノズルの通常モードから反対モードで作動させる傾向がある。ノズルの作動の通常モードでは、比較的乱流状態である空気は広い入口から進入し、ノズルの収縮部分を通って、乱流の一部を失いながら、比較的層流の形態で狭い出口から高速で噴出する。逆モードのノズルについては、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、この反対となる。空気は比較的高速で受け入れられ、比較的層流の形態を失い、速度の一部を失って、比較的高乱流で真空中に排出する。この乱流は、逆ノズルの出力終端部での分子間衝突に因り誘導される乱流と共に、後述の段落では「第１水準乱流」と呼ばれる。これは、フィルタ材料の下流側のハウジング内に吸引される空気の、高周波・低振幅の乱流構成要素である。
【００２９】
この乱流状態の空気はフィルタ材料の下流側のハウジング内に吸引される。
【００３０】
図４は、狭断面端部（４６）から進入して広断面端部（４７）から排出する空気によって逆モードで作動されるノズルを図示している。断面が（図では左から右へ）徐々に拡大するので、ノズルは空気中の速度不均一性を増大させる。ノズルの形状と寸法が、速度の大きさと出力側全体にわたる不均一性を決定する。
【００３１】
空気は吸気口断面４６の一点で速度Ｖ１（４５）で進入し、同じ断面の別の点では速度Ｖ１＋ＤＶ１（５１）で進入すると仮定する。さらに、圧力は断面の全ての点において一定であると仮定する。排気口断面４７において、出口における空気速度はＶ２（４８）及びＶ２＋ＤＶ２（５２）である。これら２つの流線形にベルヌーイの方程式を応用し、ＤＶ１及びＤＶ２の二乗値を無視すると、Ｖ１＊ＤＶ１＝Ｖ２＊ＤＶ２又はＤＶ１＝ＤＶ２＊Ｖ２／Ｖ１が得られる。ノズルの入口と出口における分数速度が、ａ１＝ＤＶ１／Ｖ１かつａ２＝ＤＶ２／Ｖ２である時、上記からＤＶ１を引くと：ａ１＝ＤＶ２（Ｖ２／Ｖ１＾２）＝ＤＶ２（Ｖ２／（Ｖ２／ｎ）＾２）＝ｎ＾２ａ２となり、式中、ｎ＝Ｖ２／Ｖ１であり、これは断面積Ｆ１（４９）及びＦ２（５０）において測定したノズルの収縮比Ｆ１／Ｆ２に等しい分数値であり、Ｆ１（４９）及びＦ２（５０）は、それぞれ逆ノズルの入力側及び出力側の断面積である。よって、ａ２＝ａ１／ｎ＾２  となる。従って、ｎ＾２が分数値であるため、排気口断面４７における速度変化はより高く、断面４７における速度変化の増加は、排気口断面４７におけるより強い乱流（すなわち、より大きい速度変化）を伴う。
【００３２】
エアフィルタの細孔により形成されたノズルの収縮比は著しく多様であり、異なる収縮比はフィルタ全体にわたってランダムに見られる。ホーナー（Ｈｏｒｎｅｒ）によって測定されたように収縮比ｎの関数としての球体についての臨界レイノルズ数を、図５に示す。増大する乱流は、臨界レイノルズ数は収縮比の減少と共に減少するという事実によって立証される。
【００３３】
フィルタ材料の入力側の粒子の蓄積は細孔の大きさを抑制するが、これに加えて、ノズルを形成する第２の影響は、フィルタの入力空気（大気）側と出力側（圧力は負である）との間での圧力における大きな差である。これらの大きい圧力差は、図６Ａに示すように、細孔入口６２の縁端部６０周辺の高空気密度領域の形成に因って、細孔をノズル内へ効果的に向ける。図６Ｂ及び図６Ｃに図示するように、エンジン吸引が増大するにつれ、細孔の側面に沿った圧力は均等化する傾向がある（図６Ｂ）。これはフィルタ細孔について最も効率的な作動点になる。エンジンの速度がさらに増大するにつれ、細孔の容積は最大値に向かう傾向があり、効率は再び減少する（図６Ｃ）。
【００３４】
図７に示すように、細孔が形成されているフィルタ材料の膜のランダムな性質のために、ノズルの軸７０、７２、７４の方向は一様でない。分子がノズルから排出する際の分子における乱流の断面特性は、ノズルを通って分子を引っ張る吸引軸７６に対するノズル軸の相対的な向きに依存する。細孔軸７０が吸引軸と一致する場合、異なる分子間の乱流の可変性は、ノズルの出口全体にわたって比較的低いが、しかしノズル出口に存在する異なる分子の流れの方向は広範に多様である。吸引軸と一致しないノズル軸７２、７４については、分子はノズルの出口においてより強い乱流状態で、出口全体にわたって速度の分布は高速から低速まで変化する。空気分子は、細孔の壁に因る空気に対する圧力のために、吸引軸と細孔軸のベクトルの和によって定義される軸に沿って加速される。このように、吸引軸に近い高密度域と、それから離れた低密度域とが存在する。
【００３５】
エンジンのシリンダのストロークに伴う連続的吸引の間の非吸引期間では、吸引力は停止し、フィルタを通って吸い込まれる新しい大気の量はほぼゼロである。しかし、それ以前のストロークでフィルタを通して吸引された空気の相対的高密度の爆発は、相対的低密度領域により分離された空気吸入経路を辿り、弾みに因って、継続して移動する。そして高密度領域の分子は、非吸引期間中増大する乱流にさらされる。
【００３６】
図８及び図９は、空気の連続的爆発の乱流状態を図示しており、この爆発はエアフィルタの出力側で生成され、エンジンの吸気ポートに向かう空気吸入経路を辿って移動する。各爆発は吸入経路を辿って移動する際に増大する乱流を受ける。
【００３７】
図示したように、２つの代表的フィルタ細孔８０、８２は、吸引軸８８とは一致しない軸８４、８６を有している。各細孔内の空気速度は、吸引軸に対して上流側の側面に沿ってより高く、その側面に沿った空気はより高密度である。その結果、位置９０における空気の爆発は、爆発を生成する細孔の向きに依存する速度と密度の区域の断面を有する。図は、高密度から低密度、そして再び高密度へと変わる密度の変化が、空気の爆発を通じて厳密に周期的であることを示しているが、実際の特性は空気爆発が由来する細孔のランダムな向きに依存する。
【００３８】
構成に従った非ストローク期間中、配置９０における空気爆発は、吸入経路を辿って進行し中間位置９１を占める。次の吸引期間では、空気爆発はさらに移動し、それに続く位置９２を占める。次の吸引期間中、爆発は吸入経路を辿りさらに引っ張られ、追加の乱流を獲得する。
【００３９】
空気は高密度もしくは高圧力から低密度もしくは低圧力へ互いに向かって流れるために高密度な空気領域がより速く移動しかつ拡散する傾向にあるので追加の乱流が生じ、それゆえ遅く移動する低密度の空気が巻き込まれる。このように、空気爆発が位置９２に到達する際、爆発全体にわたる密度の変化は、位置９０でそうであったもののほぼ逆である。各連続する位置９４、９６に到達する時間まで、空気爆発は、先の位置と比べて追加の乱流を受け、より高密度及びより低密度の領域の位置はいずれもほぼ１８０度の位相変換を受ける。連続する４回のストロークにより与えられる吸引力は、図８の一番上に概略的に示される。
【００４０】
空気の爆発は上流と下流の縁端部上に厳密に限定された境界線を有するものとして示されているが、実際は、各爆発と隣接する低密度領域と間によりゆるやかな遷移がある。
【００４１】
窒素分子は酸素分子より分子量が小さい。同じ吸引力が双方にかけられている。従って、加速度＝力／質量であるから、空気中の窒素分子は所定の時間内（速度＝加速度＊時間なので）に乱流内において、酸素分子より高速を得る。各々の連続した吸引サイクルで、窒素分子はさらに加速を受け、より速く移動し、従って吸引力が停止する時も先導を保って失速する。窒素は、より小さい質量のため、酸素より速く減速し、従って酸素分子周辺の流れの経路で失速すると考えることが可能である。酸素分子に対する窒素分子の比は４対１なので、窒素は酸素分子の直ぐ前にバリアを形成するだろうと考えられた。
【００４２】
このように、フィルタのプリーツ加工構造と、エンジンストロークに因る空気流量の加速及び減速とは、継続的に空気に乱流を投入し、酸素の周りで窒素を強制的に失速させる。窒素と酸素は各々のデッドゾーンに遭遇すると、より大きい弾みのついた酸素は、窒素よりも受ける減速効果が低いので、継続して前方へ移動する。窒素はより速く減速し、酸素分子と衝突する。その結果、窒素は酸素を越えて周りを取り囲んで移動する。窒素はより豊富に利用可能であり、１つの酸素分子を取り囲むのに利用可能な窒素分子は４つある。エンジンが再び吸引を開始すると、窒素は酸素より大きな加速を受け、再び酸素に衝突する。この段階でも、窒素は酸素を越えて移動し、酸素分子のより多くを封じ込める結果となる。
【００４３】
図９では、矢印に加えられたジグザグ１１０は、各ストローク後に加えられる乱流因子を表している。
【００４４】
空気の各爆発が別の吸引サイクルにさらされて、吸入経路を辿って吸気マニホールドの中へ吸い込まれる際、窒素分子は、この時酸素分子をほぼ取り囲んでおり、エアボックス内の通常ボックスに強度を与えるため存在するリブ状構造（すなわち、フィルタ用のハウジング）に因って追加的に増加した乱流を受ける。
【００４５】
直接吸気（大気吸気管は自動車の前部に衝突する風に対して直接開口している）を使用する自動車の場合、大気はフィルタの入力側と出力側との間により高い圧力差を作り出し、ノズルを通る空気流をさらに制限させる。その結果、車の速度を維持するために、エンジンはより多くの燃料を使用して吸入経路内の背圧により引き起こされた出力損失を補填する。この現象は図６Ｂ及び図６Ｃに図示したように強風に逆らって運転する場合特に顕著である。
【００４６】
要約すると、エアフィルタは、種々の方法で大気に対して乱流の影響を及ぼすと考えられる：フィルタの出力側に直近のノズル出力部でかけられた乱流；吸引力及びストロークの間のデッドゾーン期間に継続的変化をもたらす加速／減速モード又は定常状態のいずれかにおいてストロークする場合のエンジンの変動；さらに、空気速度に対しさらに損失を加えるフィルタハウジングの内壁の荒い表面の影響。
【００４７】
これら乱流の各々は、少なくとも３つのランダムエネルギーを搬送する：無線周波数における白色雑音に類似した１種類目は、材料の不均一性及びフィルタ材料の構造に起因する；２種類目は、エアボックスの構造に起因する；３種類目は、エンジンの連続的ストロークに起因する。吸入経路に沿って前進する空気帯域は、事実上ある一定の瞬間周波数を伴う波形である。この波は、第１及び第２の乱流（これも波形である）用の搬送波となると同時に、互いに入れ違いになる２つの波は、結果として成分の和の波となる。
【００４８】
さらに、酸素分子の周りの窒素分子の濃度は、霧化点において燃料と酸素との混合に対するバリアとして作用し、従って燃焼の効率を低下させる、と考えられる。
【００４９】
エアフィルタの下流における流れ制御技術は、酸素分子が燃料と結合しないよう阻止する窒素分子の影響に対して作用するだけでなく、霧化点での燃料との混合用に入手可能な酸素分子の密度を補強するよう設計されている。燃焼行程の間、この用意された酸素の入手可能性は、この技術が適用されない場合よりも、効率の良い燃焼をもたらす。これらの技術は、さらにフィルタの入力側と出力側との圧力差を低減する。
【００５０】
１つの重要な技術は、フィルタの下流側付近の点に存在する幅広い断面輪郭全体にわたって、窒素分子と酸素分子とが分離されるように、並びに、この分離を利用して確実に、霧化点で燃料と混合するためにより高い密度の酸素分子が入手可能になり、この混合に対するバリアとなる窒素分子がより少なくなるように、吸入経路を変更することである。本発明者らは、分離によって、例えば、一方の領域では酸素がより多く濃縮され、別の領域では窒素が濃縮されるような、異なる領域の酸素と窒素の濃度の変化を意図している。
【００５１】
窒素分子と酸素分子とが、それら自身の異なる分子量に因って異なるモードの運動を受けて、空間的分離をもたらし、霧化点で窒素と酸素の混合が処理されるのを可能にして、より効率の良い燃焼を実現するように、吸入経路が変更されることが可能である。
【００５２】
経路を変更する１つの方法は翼（図１０に示す）（ある例では、翼は受動回転装置１２０と呼ばれる装置を形成する）を使用することで、この翼は空気を吸引軸の周りに回転させ、それによってより低分子量の窒素分子に通常翼の下流で円筒形外側外殻１２２を形成させ、一方で酸素分子は通常外殻内に中心円柱１２４を形成する。経路に沿って吸引される際の空気の回転は外向きの力成分を与え、この力は酸素分子の加速よりも大きい窒素分子の外向きの加速をもたらす。フィルタハウジングと吸気マニホールドとの間に既に通常存在する比較的に小さい直径のポート１２５は、ハウジング上に配置され、それによってポート１２５は、中心円柱から空気を吸い込み、まず酸素が吸気マニホールド１２６へ吸い込まれ、これに窒素１２７が続いて、従って窒素加速の影響の一部を打ち消し、確実により多くの酸素が燃料と混合のために入手可能となるようにする。吸気チューブに進入する空気混合物の特性は、球の外側部分にはより高い濃度の酸素分子を、球の内側部分にはより高い濃度の窒素分子を備えた、いくらか球形のものになると考えられる。
【００５３】
別の場合では、窒素分子に内側を向いたより大きい加速をもたらすことで、酸素分子を外側外殻１３０へ、また窒素分子を内側円柱１２８へ向けるように翼が配置されるようにすることも可能である（図１１参照）。空気が中心ではなく外殻から吸引される場合、各爆発１３２の酸素のより豊富な部分は、霧化点に最初に到達する。
【００５４】
翼の他の配置も可能であると考えられる。
【００５５】
どのタイプの翼を使用するか、いくつ使用するか、どのような構成にするべきか、どうやって配置するかの選択は、例えば、エアボックスの構成及び吸気がエアボックスから移動される位置（図１２Ａ参照）、すなわち吸気ポート１４０がエアボックス内に設置される位置に依存する。エアボックス１４３はしばしば長方形の形状をしている。
【００５６】
空気がフィルタ１４２を通って吸引される際、空気は、高速で、フィルタの出力側から前述のように多くの方向により速く流出すると考えられる。空気がフィルタ細孔から噴出する際に、フィルタ出力からの空気分子の異なる分別速度によって生成されるクロスオーバー効果が起こる。この効果は、分子間衝突の強さが大きいフィルタ表面の直ぐ上に、乱流的遷移ゾーン１４４を形成する。このゾーンの厚みは、フィルタ細孔の入力と出力間の圧力差に依存する。ひだにより課される空間的制限もこれに影響する。実験は、この遷移ゾーンが１ｍｍ〜５ｍｍの間で変動することを示している。空気がこの遷移ゾーンの直ぐ上で捕捉されるように回転装置１３５が設置される場合、好適な結果が観察された。
【００５７】
第２段階の乱流が主にエンジンストロークにより生成される位置と遷移ゾーンとの間を移動する空気を捕捉することが望ましい。遷移ゾーン内の第１段階の乱流もエンジンストロークにより生成されるが、第１段階乱流に関して主に乱流を生成する要因は、空気が細孔を離れる際の逆ノズルとしての細孔の作用である。
【００５８】
第１段階の乱流は、フィルタ細孔の逆ノズル効果により誘導されるもので、これは高周波・低振幅効果である。第２及び弟３段階の乱流は、エンジンストローク及びフィルタボックスハウジングに起因し、これは比較的周波数が低く、振幅は大きい。これらの段階の乱流は、図２に示す吸気ポート１６、スロットル２０、及び燃焼室内へ誘導する空気出力ポート１９で起こる圧縮により低減される。これに対して、第１段階の乱流の空気成分は、霧化点までの経路を、燃焼室内までずっと搬送される。実験に基づいて、本発明者らは、第１段階の乱流は、空気密度を低下させ、その結果燃焼室内の酸素密度を低下させる要因の一つであると考える。
【００５９】
空気が翼表面で偏向される場合、偶発的損失が起こる。表面が十分滑らかな場合、第１段階の乱流エネルギーの一部は偶発的損失に転換し、回転装置を出る空気は第１段階の乱流におけるものより少ないエネルギーを搬送する。従って、第１段階の乱流を捕捉するように回転装置を遷移ゾーンの直ぐ上に設置することが重要であると考えられ、それによって第１段階の乱流は、乱流の第２段階及び第３段階の進行の一部とはならない。
【００６０】
図１２Ｆ及び図１２Ｇは、高第１段階乱流空気供給の場合と低第１段階乱流空気供給の場合、すなわち回転装置が使用される場合、における燃焼及び出力特性を時間の関数として示している。図のように、高乱流空気供給１２０２は一定量の燃焼燃料１２１２をもたらし、この燃焼燃料は転換出力１２２０となる。未燃焼のまま残る燃料１２０８は非活用出力１２２２となる。
【００６１】
図１２Ｇは、低乱流空気供給１２００、燃焼燃料１２１０、未燃焼燃料１２０６、に対応する成分を示す。出力曲線は、転換エネルギー１２１６と非活用出力１２１８を示す。燃焼される燃料の量は、この場合、転換エネルギーと同様、より大きいと考えられる。
【００６２】
回転装置の設置のための通常の距離は（以下「隙間」と呼ぶ）約１ｍｍ〜５ｍｍで、フィルタとエアボックスの設計に依る。隙間は回転装置翼の下端とフィルタのひだの上端との間で測定される。好ましい隙間は実験に基づいて決定されることが可能である。
【００６３】
回転装置が遷移ゾーン内に設置される場合、回転装置は比較的効果的ではない。実験は、回転装置をフィルタに近づけすぎると、燃費を低減させることを示した。本発明者らは、回転装置をフィルタのひだの上端から十分に離して設置することが望ましく、それによって回転装置翼に当たる空気は第２段階の乱流の直前の状態になることを見出した。
【００６４】
良好な隙間の選択に影響を与えると思われる要因には、フィルタ材料細孔密度、製造者ごとに異なるフィルタ内のひだの数、及びエアボックス内のフィルタと吸気ポート間のクリアランスの大きさが挙げられる。クリアランスの大きいエアボックスでは、隙間は１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内であり得る。大きいクリアランスを備えたエアボックスは、流入空気のためにより大きい膨張余地を与え、より大きい隙間を必要とする。
【００６５】
別の取り付けとして乱流ゾーンの厚みの動的多様性を考慮するよう設計することも可能である（図１２Ｃ及び図１２Ｄに示す）。エンジンの変化する吸引圧力は、フィルタ細孔からの分子の排出速度に変化をもたらす。これらの分子は、乱流ゾーンに進入する直前のフィルタ表面を覆う小さい可変圧力の大筋を生成し、乱流ゾーンの高さは吸引力の変動に従って変化する。
【００６６】
回転装置がフレーム１３７に取り付けられた伸縮性スカート材料１４５上に取り付けられる場合、このスカートは乱流ゾーンの厚みに応じてフィルタ表面の上方の回転装置の高さ１４６（図１２Ｄ参照）を再調節し、回転装置の効率良い作動の範囲はさらに補強される。ある例では、伸縮性スカートは隙間を、圧力変化に応じて約１ｍｍ〜５ｍｍ変動させることを可能にし、これにより燃費の改善が見られる。
【００６７】
図１２Ｅは、回転装置内に使用される通常翼１４９（又はフィン）を示す。図示された翼は、外側に沿ってより大きい規模の速度成分１１４１、及び翼の内側に沿ってより小さい規模の速度成分１１４３を生成するように設計されている。従って、流体透過性について、図示された翼の透過性は周辺域１４８に沿ってより高く、中心１４７に向かってより低くなっている。分子量は異なるので、窒素分子は翼の外側に向かって偏向され、より高い窒素濃度ゾーン１４８を形成する。酸素分子はより低速度成分の区域周辺に集まり、より高い酸素濃度ゾーン１４７を形成する。前述のように、反対の効果を生成する翼を使用することも可能である。その場合、酸素の豊富な区域は翼の外側に、窒素の豊富な区域は翼の内側になる。エアボックスの内部のポートの位置がどの構成を使用すべきかを決定する。
【００６８】
図１２Ｈ、図１２Ｉ及び図１２Ｊは、種々のエアボックスについて回転装置の翼の傾斜角の変形形態を示す。翼の傾斜角は、エアボックス内の回転装置の上部と吸気ポートとの間のクリアランスに依存する。より小さいクリアランスを備えたエアボックスにとっては、より小さい角度がより良い効率をもたらす。より大きいクリアランスを備えたエアボックスについては、傾斜角を増大する必要がある。
【００６９】
図１２Ｈ、図１２Ｉ及び図１２Ｊでは、ｘ軸は、負のｙ軸として示される吸引軸に対して直角である。傾斜角１５１は、回転装置翼１４５の表面の平面の間の角度を示す。翼自体は平面ではなく、むしろ中央平面１５３に沿って形成されると考えられる湾曲を備えた三次元的エアフォイルである。傾斜角は翼のこの中央平面とｘ軸との間で測定された角度である。酸素と窒素の分離用の経路を設定するには、多数の可能な構成及び設計がある。ある例では、エアフォイルは単純な形状を有する。他の例では、本発明者らの仮説をテストした際の市販のファンのブレードに類似している。両方とも悪くない結果を示したものの、本発明者らは、それらのいずれも分離用として最も効率良い設計ではないと考える。
【００７０】
エアフォイルが自動車のエアボックス内の空気流特性を考慮した分離のために特別に設計されたならば、より良い効率がもたらされると考えられる。
【００７１】
外向き回転装置又は内向き回転装置のいずれかのための傾斜角は、エアボックス内部の吸気ポートと内部フィルタ表面との間のクリアランス１５２の関数として選択される。
【００７２】
図１２Ｈ、図１２Ｉ及び図１２Ｊを参照すると、異なる回転装置の異なる翼入射角は、異なる空気流パターンを生成する。従って、吸気ポートがエアボックス内に設置された高さにおける酸素及び窒素ゾーンの特性は多様になる。吸気ポートの位置で酸素と窒素の最適な分離を行う翼角度を備えた回転装置を選択すると有益である。そうすることにより、より高い効率が実現される。良好な効率のための典型的な角度は、フィルタの水平面は３５〜４５度である。図１３Ａ及び図１３Ｂは、各々４枚の翼１５５を有する回転装置を示す。各回転装置にとって、翼の各々は、設計された翼用のエアボックスに適するよう選ばれた選択傾斜角を持つ平面を有する。図１３Ａは中央の酸素の豊富な区域を生成する回転装置を示し、一方で図１３Ｂは酸素の豊富な周辺区域を生成する回転装置を示す。これらの図は例示のみを目的とする。
【００７３】
回転装置の他の実施形態は、他の枚数のフィン１５５を含んでもよく、またフィンの形状、大きさ、設置は、車両のエアボックスの形状、大きさ及び空気膨張クリアランスに依って変化してもよい。空気膨張クリアランスは、エアボックス内のフィルタの上面と吸気ポートとの間の垂直クリアランスとして定義可能である。フィンの形状及び大きさは、エアボックスの容積に対して最も効率の良い酸素分離が達成されるように設計されるべきである。回転装置の設置は、使用する回転装置のタイプの選択と同様、エアボックス内の吸気ポートの位置に依存する。
【００７４】
回転装置の適切な設置は、エアボックスカバー内に既に組み込まれている吸気ポートの位置において、酸素の豊富な空気の良好な（理想的な、最適な）供給が可能となるように実現される必要がある。この設置は、フィルタの水平面、すなわちフィルタの長さ及び幅に沿ったｘ及びｚ軸の他に、ｙ軸、すなわち回転装置が設置されるフィルタ表面上方の高さ、も含めた３本の軸全てに沿って選択される必要がある。これら３つのパラメータ全てが、目標とされるエアボックスに依り適正に調節される場合、最適な酸素の豊富な区域が吸気ポートに生成されることが可能となる。エンジン吸引が発生すると、吸引される空気は、エアボックス内に一定のかなり明確な領域を形成する。この吸引の領域は、「吸引範囲」と呼ばれ、エンジン吸引が変化する際に容積が変化する。具体的には、吸引範囲は、力が増大すると吸引軸に対して相対的に狭くなり、従って吸引範囲の境界線で囲まれた容積は減少し、吸引力を増大させる。回転装置の効率良い利用にとっては、酸素の豊富な気流の流路が吸気ポートの吸引範囲の変動内に納まるように、装置を設計し設置することが重要である。
【００７５】
図１３Ｃは円錐吸引範囲１５８を示し、より弱い吸引力、例えばより低いエンジン回転数における吸気ポートからの範囲が描かれている。図は回転装置の１つの翼１５６と適切な流れのパターンを示している。図１３Ｄは、円錐吸引範囲１５９を示し、より強い吸引力、すなわちより高いエンジン回転数における範囲が描かれている。前述のように、吸引範囲の境界線に囲まれた容積は、より低い吸引力の場合よりも小さく、境界線自体が互いに接近している。図は回転装置の１つの翼１５６と適切な流れのパターンを示している。
【００７６】
図１４Ａは、エアボックスの中央に大気吸入ポート１６６を備えたエアボックス１６８を示している。図１４Ｂは、エアボックスの側面に吸気ポート１６６を有するエアボックスを示している。中央の酸素の豊富な円柱を生成する回転装置は、図１４Ａに図示したタイプのエアボックスで使用され、酸素の豊富な外殻を生成する回転装置は、図１４Ｂのタイプのエアボックスの場合に使用される。
【００７７】
回転装置は、さらにフィンの傾斜角を自己調節するメカニズムも有する（図１５Ａ）。こうした装置では、フィンは、外側シリンダ１７０と内側シリンダ１７２との間で支持される（図には１つのフィンのみが図示されている）。外側シリンダ１７０は、ガイドスロット１７５を含み、内側シリンダ１７２はガイドスロット１７７を含み、フィン１８０は２つの旋回軸１８２、１８４及びガイドスロット内に支えられている２本のピン１８６、１８８によって支持されている。これにより、エンジンの吸引力に依って圧力が変化する際にフィンの傾斜角を変更するためにフィンを旋回させることが可能になる。
【００７８】
より低いエンジン回転数では、回転装置を通るより直線的な経路を有することが好ましく、これは吸引力が低く、フィンの抗力を克服するために吸引力の相当部分が必要とされるからである。このような場合、水平から測定した傾斜角は大きくなくてはならない。エンジンが回転数を上げると、吸引力は、フィンを流れて通過する空気の容積が増大するにつれて増大する。傾斜角は、水平から測定した場合より低い測定値となるように変更する。こうした状況におけるこのフィンの低い角度は、より効率の良い酸素／窒素分離を可能にし、従ってより良い全体の効率をもたらす。
【００７９】
フィン角度の変更は、フィンの上端が旋回軸１８２、１８４上に取り付けられ、下端がガイド１７５、１７７に沿って支えられている回転装置によって実現されることが可能である。フィンの傾斜角１７８は、エンジンの吸引に対して自己調節し、エアボックスの吸気ポート１９０からの吸引力に必要な、エンジンの吸引力の変化に因る圧力の変化に比例した最も効率良い角度に調節される。吸引力は、吸引軸１９４に沿って加えられ、フィンは印加される力の量に比例してガイドに沿って支えられる。
【００８０】
エンジンによって印加される吸引力に依る最適なフィン角度を維持するため、様々な方法が使用されてもよい。フィンがそのために設計された特定のエンジンによって印加される吸引力が、適正なフィン角度を実現するのに十分となるように、フィンは適正な重量で設計されることができる。代わりに、適正なフィン角度は、フィンに取り付けられたばね装置によって得てもよい。エンジンによって印加される吸引圧力にとって最適なフィン角度が実現可能となるように、ばねは適正なばね定数が選択される。フィン角度は、サーボ機構又は他の手段のいずれかによる能動制御メカニズムを使用して制御されてもよい。サーボ機構は、吸引のためにエンジンによって印加された現在の圧力を測定する圧力センサからの入力を受信する。
【００８１】
さらなる利点は、外側外殻（場合によって内側外殻）内の窒素をエアボックスから除去する装置、例えば、ボックスの壁周囲に配置された穴及びバルブを通って作動する排気吸引を使用して、実現されることが可能である。吸気マニホールド内へ取り込まれた空気内の酸素の濃度を増大させることで、エンジン出力は増大され、より少ない排気ガスが生成される。
【００８２】
図１５Ｂは、エアボックスから窒素が豊富な空気１９８を除去するための排気バルブ１９７を備えたエアボックス２９２内の回転装置１９６の配置の平面図を示している。図は、使用される回転装置が、中央に酸素の豊富なゾーンを、外殻付近に窒素の豊富なゾーンを生成すると仮定している。こうした場合のバルブは、エアボックスの周辺に設置される。使用される値１９９は単純フラップタイプ２００でもよく、これは純粋にエアボックス内の圧力差によって作動する。別の方法として、電気的に作動し（ソレノイド又はモーターによって）、エンジン制御コンピュータ又は独立制御装置のいずれかの中の調時機構を使用して時間計測される、バルブを採用してもよい。エアボックスが窒素の豊富な中央ゾーンと酸素の豊富な外殻ゾーンを生成する回転装置を要する場合、バルブは窒素の豊富な空気が十分にある中央区域の周りに設置される必要がある。どちらの場合も、効率に対する効果は同様である。こうした装置にとって、シリンダ自体の空気容積要件を超えてそれを上回る空気の追加容積のフィルタを通した吸引が要求される場合、これを補填するために、外部吸引補強装置２０４が追加されるようにすることも可能である。補強装置は、エンジン自体の中に構築されるか、あるいはエンジンもしくはエアボックスの上に周辺機器として追加されるかのいずれかが可能である。
【００８３】
圧力差は、フィルタの吸気側（大気側）に網状組織を設置することによってさらに低減される。網状組織は、正方形又は他の形状で、ナイロン又は他の材料で製造されることが可能で、網状組織の大きさは、網目要素（もしくは穴）面積が大きすぎないようにしなくてはならない。テストされた網状組織は、約０．７５ｍｍ２の面積を有する。
【００８４】
図１６を参照すると、回転装置２０５は、酸素の豊富な空気の中央円柱２０６を生成する種類のもので、窒素は与えられる高速に因って外側縁端部２０７へ向けられ、吸気ポート２１０は、吸引が中央の酸素の豊富な区域からとなるように設置される。この場合、酸素の豊富な空気２１３は、（吸入経路に沿った位置に関して）窒素の豊富な空気２１４により有利であり、吸入チューブ２１２内への進入に際して先行する。
【００８５】
エンジンがストロークして、これに続く吸引力にデッドゾーンが交互に差し挟まれる際、空気の特性は後述及び図１７Ａ及び図１７Ｂに図示する通りであると考えられる。第１吸引サイクルの間、酸素は吸気ポート２２０内に対してリード２２１を取る。これは酸素が先行することで細長い気泡の形をとる。しかし、窒素２２２がさらに加速されるので、窒素は酸素の豊富な区域に追いつく傾向がある。この状態が起こると２２５、酸素の豊富な区域は窒素区域を取り囲む。吸引サイクルの合間に発生するデッドゾーンの間、窒素はより早く減速し、一方酸素はそのより大きい質量とより大きい弾みに因り前方へ移動を続ける。これによって酸素は再び窒素より先行し、事実上、壁が酸素でできた内部が窒素の細長い気泡２２７の形を生成する。
【００８６】
次のストロークサイクルの間、気泡内部の窒素は再び酸素の壁より先行しようとして、後続のデッドゾーンによって引き戻される。このように、交互に起こる吸引と非吸引（デッド）ゾーンの結果、窒素は気泡の中で振動する。２０００ｃｃの４気筒エンジンについては、これらの細長い気泡の各々は約５００ｃｃの容積を有する。これに続く各ストロークにより、気泡は吸気マニホールドに沿って前方へ移動し、吸気マニホールドに沿う進路にわたって気泡の特性を事実上維持する。
【００８７】
図１７Ｂは、外側壁２３０に酸素を内側領域２３２に窒素を備えたこれら気泡の構成の１つを示す。窒素が気泡内で前方及び後方へ移動する振動する領域２３４も示されている。
【００８８】
図１８Ａ及び図１８Ｂは、エンジンの２回のストロークについての、これらの気泡の構成の系統的図である。酸素はストローク２４０の開始時に吸引される。次のデッドゾーン２４１で、気泡は吸入チューブ内で完成し始める。この工程は第２ストロークで繰り返される。参照番号２５０、２５２、２５４はこれらのストロークのうち第１ストローク中の気泡の変動を示し、２６０、２６２、２６４番は、第２ストローク中の変動を示す。
【００８９】
最大効率を達成するには、エアボックスの吸気ポートとシリンダ霧化点の通常位置との間の区域の容積を、単一シリンダの複合的容積として保持することが望ましいと考えられる。このように、各シリンダが５００ｃｃの２０００ｃｃエンジンにとって、エアボックスの吸気ポートと霧化点吸気口の位置との間の空気経路の容積は、約５００ｃｃ又は１０００ｃｃ又は１５００ｃｃのいずれかでなければならない。しかし、チューブが３、４本よりずっと多く複合されている場合、窒素は気泡を破り酸素の豊富な区域を越えて先行することが可能であり、従ってエンジン内で達成されるはずの利点が失われる。
【００９０】
回転装置の効率は、一定の温度範囲内で最も高くなることが、実験で測定されている。本発明者らは、これは、酸素と窒素の分子が高められた励起状態にあり、より分離し易くなっているからであると考える。より冷たい空気は密度が高く、分子の励起は低いので、分離工程にとってより難しくなる。本発明者らは、非常に低温の天候における燃費の低下を観察結果として得た。燃費はより高温で再び低下するが、恐らくこれは空気が希薄で分離効率が再び低下するためである。本発明者らは、この範囲は約華氏５０度（摂氏１０度）から約華氏９５度（摂氏３５度）であることがわかった。これらの温度は近似値であり、範囲は異なる場合もあると考えられる。これらの温度は観察結果の考察に過ぎない。
【００９１】
エアボックスに供給される空気が最適な温度範囲内に確実に納まるようにするため、別の補強として、エアボックスの入力側にメカニズムを追加してもよい。吸気は、フラップもしくは他のメカニズムによって制御されることが可能であり、このフラップもしくは他のメカニズムは、エンジン付近又はラジエータの後ろに設置されたポートから取り入れられる暖かい空気を、比較的より低温でエンジンから離れて設置されたポートから取り入れられるより冷たい大気と混合する。混合が最適な範囲内に維持されるようにフラップを動かすためにサーモスタットが使用されるようにすることも可能である。観察された範囲外の温度については、効率性は範囲内程良好にならないことが認められた。これは、範囲の上限で、非常に暑い天候においてのみ起こると考えられる。このような場合、中間冷却器のようなメカニズムを用いることも可能であり、このメカニズムは、温度を範囲内に維持するためにエアボックス内に吸入された空気を冷却する。非常に低温の天候では、エンジン自体の熱が範囲内の空気を供給することが可能なので、外部冷却又は加熱メカニズムは必要ない。
【００９２】
図１９は、空気を混合しその温度を所定の最適範囲内に維持する装置を示している。暖かい空気は、エンジン付近又はラジエータの後ろに設置されたポート２８０を通ってエアボックス内へ吸引される。大気の比較的冷たい空気は、エンジン区域から離れた大気を取り込むように設置されたポート１２８を通って吸引される。フラップ２８２は、ボックスに吸引された暖かい空気と大気とを混合できるように移動可能となるように、設置される。サーモスタット制御装置２８５はフラップの位置を制御する。
【００９３】
吸引された空気が所定の最適範囲の上限より暖かい場合、フラップは、暖かい空気が配管を通ってボックス内へ入る際に通る内部ポート２８３を、完全に又は部分的に覆うように移動する。その結果、より多くの冷たい空気がボックス内に進入し混合の温度を最適範囲内に保つ。一方で、混合の温度が範囲の下限より冷たい場合、フラップは、冷たい空気が配管を通ってボックス内へ入る際に通る内部ポート２８４を、完全に又は部分的に覆うように移動する。その結果、より多くのより暖かい空気がボックス内に進入し混合の温度は最適範囲内に維持される。ポート、配管、制御装置及びフラップのこの装置は、エアボックス内に、あるいはエアボックス自体の前に設置される独立した混合室として、どちらに構築されてもよい。
【００９４】
例としての実施形態では、図２０Ａに示すように、回転装置３００は、プリーツ加工フィルタ３０４を含むフィルタフレーム３０２上に直接取り付けられる。プリーツ加工フィルタ及びフィルタハウジングは、自動車の特定の車種のエアボックス内への挿入用に通常設けられる型である。図２０Ｂ及び図２０Ｃは、同一のサンプル装置の斜視図を示している。図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃの回転装置は、酸素の中央円柱と窒素の外側外殻とを生成するので、エンジンに誘導する中央ポートを有するエアボックスにとって有益である。
【００９５】
図２１Ａ、図２１Ｂ及び図２１Ｃは、中央窒素円柱と外側酸素外殻とを生成するので、側面ポートを備えたエアボックスにとって有益である回転装置を示す。
【００９６】
上記の記述では、エンジンの効率を向上させる目的で、大気中の酸素と窒素とが再構成される一定のメカニズムを仮定している。従って、ここに提案されたものと同類又は異なるシステムの達成のためには、他の理由があってもよい。
【００９７】
さらに他の実施形態も、請求項の範囲内である。
【００９８】
例えば、使用者が交換用フィルタを購入する場合に回転装置が含まれているように、回転装置は、フィルタフレーム内に常に組み込まれるようにすることも可能である。あるいは、回転装置は、エアボックス内に設置される場合フィルタに追加されるように構成された独立の製品として提供されることも可能である。他の実施形態では、エアボックスは、フィルタフレームに対する改造が必要ないようにエアボックス内に組み込まれた回転装置を有することも可能である。
【００９９】
翼は円形に対称的に配置される必要はなく、翼の表面も平面である必要はない。霧化の地点及び時点においてより多くの酸素を提供するために、空気中の酸素と窒素の分子の空間的関係を分離・再構成することが可能ならば、空気を方向付ける表面の他の構成あるいは他の機械的もしくは電気的装置を、翼であってもなくても、フィルタ上、フィルタフレーム上、エアボックス内、あるいは他の位置及び他の構成に設けることも可能である。
【０１００】
上述した技術は、空気中に含まれる酸素を使用する他の種類の装置、例えばディーゼルエンジン、加熱炉、家庭用暖房又はタービン蒸気生成炉のような他の目的にも、適用可能である。
【０１０１】
例えば、図２２に示すよう、エアボックスカバー２９０は内蔵された回転装置２９１を有してもよい。この装置の１つの利点は、カバーが挿入されたフィルタ２９３を備えたエアボックス２９２を覆って閉じられている場合、回転装置の最適な設置が自動的に達成されることである。適切なパラメータに対して形成されたフィルタは、先に説明したパラメータを考慮して良好な分離を達成する必要があると考えられる。このことにより、フィルタ表面の上方に回転装置が設置される必要がある高さであるｙ軸の他にｘ軸とｚ軸の３本の軸全てに沿って適切な設置が実現される。このことにより、３つのカルテシアン平面全てに沿った設置においてゆがみが回避される。
【０１０２】
空気流特徴及び空気流の特性は、空気密度、例えば天候の変化によって発生する空気密度の変化、に大きく依存する。
【０１０３】
空気流特性変化について回転装置の設置を適応させる方法の１つを図２３に示す。
【０１０４】
１つは自己調節可能にすることで、伸縮性環状部品（例えば、図１２Ｄに示す種類の）を使用して、これにより回転装置が空気流パターンをＸ、Ｙ、Ｚ方向に従わせることを可能にする。伸縮性吸気ポートは、距離Ｙ１を調節可能である。
【０１０５】
回転装置の静止的設置に基づいた実験では、構成が温度及び天候の変化に対応して回転装置の位置又は向きを訂正することはないと結論づけている。
【０１０６】
流入する空気の温度と湿度の特性を検出するセンサ、フィルタ及び吸気ポートに対して回転装置を移動させるアクチュエータ、及びセンサ情報を処理しアクチュエータを制御するマイクロプロセッサを設けることで、回転装置の位置及び向きを制御するためにフィードバックが使用されるようにすることも可能である。特に、回転装置の位置及び向きの調節は、酸素と窒素の濃縮区域の互いに対する先行及び遅れの位置の動的調節を可能にする。
【０１０７】
先行及び遅れの位置の調整は、より良い効率を達成するために、高速道路運転と市街地運転とで、回転装置を切り替え可能にすることができる。この利点は、エンジンの毎分回転数が高速道路運転ではかなり一定であり、市街地運転では変化しやすいという事実を反映していると考えられ、市街地と高速道路の運転の燃費差に影響を及ぼす重要な要因になると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】通常のガソリンエンジンを示す。
【図２】吸気マニホールド内の空気流パターンを示す。
【図３Ａ】エアフィルタの単一の細孔に対するほこりの影響を示す。
【図３Ｂ】エアフィルタの単一の細孔に対するほこりの影響を示す。
【図４】入力及び出力速度の逆ノズルに沿った配分を示す。
【図５】臨界レイノルズ数に対するノズル収縮比のグラフを示す。
【図６Ａ】異なる速度における逆ノズルの通気性を示す。
【図６Ｂ】異なる速度における逆ノズルの通気性を示す。
【図６Ｃ】異なる速度における逆ノズルの通気性を示す。
【図７】細孔の不均一性に因るフィルタ全体にわたる空気密度分布を示す。
【図８】１回のエンジンサイクル（４吸気ストローク）における乱流の増大を示す。
【図９】乱流増大の幾何学的図を示す。
【図１０】（中央吸気の場合）中心部における酸素と周辺部における窒素の濃度を示す。
【図１１】（側面吸気の場合）中心部における窒素と周辺部における酸素の濃度を示す。
【図１２Ａ】回転装置の設置を示す。
【図１２Ｂ】高分子衝突及び交差帯域を示す。
【図１２Ｃ】自己調節回転装置の高さの平面図を示す。
【図１２Ｄ】自己調節回転装置の高さの側面図を示す。
【図１２Ｅ】空気流路を示す。
【図１２Ｆ】高乱流の空気供給のための燃焼及び出力の特性を示す。
【図１２Ｇ】低乱流の空気供給のための燃焼及び出力の特性を示す。
【図１２Ｈ】１〜２ｃｍのクリアランスを備えた吸気ポートを示す。
【図１２Ｉ】２〜５ｃｍのクリアランスを備えた吸気ポートを示す。
【図１２Ｊ】５ｃｍを超すクリアランスを備えた吸気ポートを示す。
【図１３Ａ】中央に酸素を濃縮させる翼配置を示す。
【図１３Ｂ】周辺に酸素を濃縮させる翼配置を示す。
【図１３Ｃ】低回転数における吸引力範囲を示す。
【図１３Ｄ】高回転数における吸引力範囲を示す。
【図１４Ａ】中央吸気を備えたエアボックスを示す。
【図１４Ｂ】周辺吸気を備えたエアボックスを示す。
【図１５Ａ】自己調節翼の角度を示す。
【図１５Ｂ】窒素を削減するメカニズムを示す。
【図１６】酸素と窒素との分離を示す。
【図１７Ａ】吸気チューブ内の気泡の形成を示す。
【図１７Ｂ】窒素の振動範囲を示す。
【図１８Ａ】ストローク間の時間に関するデッドゾーンを示す。
【図１８Ｂ】ストローク間の窒素気泡の動態を示す。
【図１８Ｃ】デッドゾーンの絶対時間表示を示す。
【図１９】吸気温度を維持するメカニズムを示す。
【図２０Ａ】中心に酸素を濃縮させる回転装置の平面図を示す。
【図２０Ｂ】中心に酸素を濃縮させる回転装置の斜視図を示す。
【図２０Ｃ】中心に酸素を濃縮させる回転装置の斜視図を示す。
【図２１Ａ】周辺に酸素を濃縮させる回転装置の平面図を示す。
【図２１Ｂ】周辺に酸素を濃縮させる回転装置の斜視図を示す。
【図２１Ｃ】周辺に酸素を濃縮させる回転装置の斜視図を示す。
【図２２】フィルタボックス組立部品の回転装置部分を示す。
【図２３】回転装置の概略的側面図と、フィルタ及び吸気ポートからの距離とを示す。
【図１】
2006524780.tif 000003
【図２】
2006524780.tif 000004
【図３Ａ】
2006524780.tif 000005
【図３Ｂ】
2006524780.tif 000006
【図４】
2006524780.tif 000007
【図５】
2006524780.tif 000008
【図６Ａ】
2006524780.tif 000009
2006524780.tif 000010
【図６Ｃ】
2006524780.tif 000011
【図７】
2006524780.tif 000012
【図８】
2006524780.tif 000013
【図９】
2006524780.tif 000014
【図１０】
2006524780.tif 000015
【図１１】
2006524780.tif 000016
2006524780.tif 000017
【図１２Ｂ】
2006524780.tif 000018
【図１２Ｃ】
2006524780.tif 000019
2006524780.tif 000020
【図１２Ｅ】
2006524780.tif 000021
【図１２Ｆ】
2006524780.tif 000022
【図１２Ｇ】
2006524780.tif 000023
【図１２Ｈ】
2006524780.tif 000024
【図１２Ｉ】
2006524780.tif 000025
【図１２Ｊ】
2006524780.tif 000026
2006524780.tif 000027
【図１３Ｃ】
2006524780.tif 000028
【図１３Ｄ】
2006524780.tif 000029
【図１４Ａ】
2006524780.tif 000030
【図１４Ｂ】
2006524780.tif 000031
【図１５Ａ】
2006524780.tif 000032
【図１５Ｂ】
2006524780.tif 000033
【図１６】
2006524780.tif 000034
2006524780.tif 000035
【図１８Ａ】
2006524780.tif 000036
【図１８Ｂ】
2006524780.tif 000037
【図１８Ｃ】
2006524780.tif 000038
【図１９】
2006524780.tif 000039
2006524780.tif 000040
2006524780.tif 000041
2006524780.tif 000042
2006524780.tif 000043
【図２２】
2006524780.tif 000044
【図２３】
2006524780.tif 000045
【国際調査報告】
2006524780.tif 000046