(57)【要約】【課題】移動体におけるエネルギー効率の改善および省エネ化を図ること。【解決手段】エンジン２１の駆動力によって移動する自動車１であって、自動車１の移動にともなう風力または振動などによって発電を行う補助発電装置２９と、補助発電装置により発電された電力を蓄えるバッテリー２４と、バッテリーに蓄えられた直流の電力を交流の電力に変換するインバータ２５と、インバータの出力する交流電力により水の電気分解を行って水素酸素混合ガスＨＧを発生させる水素酸素混合ガス発生装置２６と、水素酸素混合ガス発生装置が発生した水素酸素混合ガスをエンジン内で爆縮させるために当該エンジンに供給するガス供給管路３４とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの駆動力によって移動する移動体であって、
当該移動体の移動にともなう風力または当該移動体の振動などによって発電を行う補助発電装置と、
前記補助発電装置により発電された電力を蓄えるバッテリーと、
前記バッテリーに蓄えられた直流の電力を交流の電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力する交流電力により水の電気分解を行って水素酸素混合ガスを発生させる水素酸素混合ガス発生装置と、
前記水素酸素混合ガス発生装置が発生した水素酸素混合ガスを前記エンジン内で爆縮させるために当該エンジンに供給するガス供給管路と、
を有することを特徴とする移動体。
【請求項２】
前記エンジンは、前記水素酸素混合ガスの爆縮によって生じた水が当該爆縮により生じた熱によって気化し、気化による水の体積膨張が当該エンジンの駆動力を増大させるようになっている、
請求項１記載の移動体。
【請求項３】
前記エンジンには、前記水素酸素混合ガスとともに、燃料ガス、空気、および霧状の水が供給され、
前記エンジン内では、前記水素酸素混合ガスの爆縮により生じた熱によって前記霧状の水が気化するようになっている、
請求項２記載の移動体。
【請求項４】
前記水素酸素混合ガス発生装置には、電極としてステンレス鋼またはチタンが用いられる、
請求項１ないし３のいずれかに記載の移動体。
【請求項５】
前記補助発電装置は、
当該移動体の上部に配置された円筒形のケーシング、および、
前記ケーシングの内部に設けられた風力発電機を備える、
請求項１ないし４のいずれかに記載の移動体。
【請求項６】
前記風力発電機は、前記ケーシングの軸方向に沿って複数個設けられている、
請求項５記載の移動体。
【請求項７】
前記バッテリーに蓄えられた電力を外部の機器に供給するための接続端子が設けられている、
請求項１ないし６のいずれかに記載の移動体。
【請求項８】
エンジンの駆動力によって移動する移動体に用いられる補助燃料システムであって、
当該移動体の移動にともなう風力または当該移動体の振動によって発電を行う補助発電装置と、
前記補助発電装置により発電された電力を蓄えるバッテリーと、
前記バッテリーに蓄えられた直流の電力を交流の電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力する交流電力により水の電気分解を行って水素酸素混合ガスを発生させる水素酸素混合ガス発生装置と、
前記水素酸素混合ガス発生装置が発生した水素酸素混合ガスを前記エンジン内で爆縮させるために当該エンジンに供給するガス供給管路と、
を有することを特徴とする補助燃料システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、機関車、船舶などのようにエンジンの駆動力によって移動する移動体、およびそれに用いられる補助燃料システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、化石燃料の大量使用による環境問題、および化石燃料の枯渇問題から、種々の分野で代替エネルギーの開発が進められている。
【０００３】
例えば、自動車において、燃費の改善などによる省エネ化のためにハイブリッドシステムが取り入れられている。ハイブリッド車では、化石燃料によるエンジンと電気モータとを搭載し、エンジンによって発電した電力をバッテリーに蓄えるとともに、その電力で回転する電気モータの駆動力によって走行する。
【０００４】
ハイブリッド車では、エンジンを定速度で運転することができるので燃費が向上し、また電気モータによる回生制動によってエネルギー効率を向上させることができる。
【０００５】
また、自動車に風力発電装置を取り付け、その発電電力を利用することによって省エネ化および低公害化を図ることが提案されている（特許文献１、２）。
【０００６】
しかし、自動車に単に風力発電装置を取り付けるだけでは省エネ化の実効性は余り期待することができず、コストパフォ−マンスが悪い。
【０００７】
他方、燃料電池を搭載した電気自動車（燃料電池自動車）が、汚染物質を出さない自動車として提案され注目されている。
【０００８】
燃料電池自動車は、化石燃料の種々の問題の解決に寄与し、化石燃料によるエンジンを搭載した通常の自動車に比べてエネルギー効率が高く、水素燃料がある限り走行することができるという利点がある。しかし、燃料電池の効率に限界があるという問題があり、燃料である水素の生産に関しても課題が残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−１４４７９４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１２３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上に述べた従来の自動車では、それなりにエネルギー効率の改善を図り、省エネ化を図ることができるが、まだこれだけでは十分とはいえない状況である。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、移動体におけるエネルギー効率の改善および省エネ化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る一実施形態の移動体は、エンジンの駆動力によって移動する移動体であって、当該移動体の移動にともなう風力または当該移動体の振動などによって発電を行う補助発電装置と、前記補助発電装置により発電された電力を蓄えるバッテリーと、前記バッテリーに蓄えられた直流の電力を交流の電力に変換するインバータと、前記インバータの出力する交流電力により水の電気分解を行って水素酸素混合ガスを発生させる水素酸素混合ガス発生装置と、前記水素酸素混合ガス発生装置が発生した水素酸素混合ガスを前記エンジン内で爆縮させるために当該エンジンに供給するガス供給管路と、を有する。
【００１３】
好ましくは、前記エンジンは、前記水素酸素混合ガスの爆縮によって生じた水が当該爆縮により生じた熱によって気化し、気化による水の体積膨張が当該エンジンの駆動力を増大させるようになっている。
【００１４】
好ましくは、前記エンジンには、前記水素酸素混合ガスとともに、燃料ガス、空気、および霧状の水が供給され、前記エンジン内では、前記水素酸素混合ガスの爆縮により生じた熱によって前記霧状の水が気化するようになっている。
【００１５】
また、好ましくは、前記水素酸素混合ガス発生装置には、電極としてステンレス鋼またはチタンが用いられる。
【００１６】
好ましくは、前記補助発電装置は、当該移動体の上部に配置された円筒形のケーシング、および、前記ケーシングの内部に設けられた風力発電機を備える。
【００１７】
好ましくは、前記風力発電機は、前記ケーシングの軸方向に沿って複数個設けられる。
【００１８】
好ましくは、バッテリーに蓄えられた電力を外部の機器に供給するための接続端子が設けられる。
【００１９】
本発明に係る一実施形態のシステムは、エンジンの駆動力によって移動する移動体に用いられる補助燃料システムであって、当該移動体の移動にともなう風力または当該移動体の振動によって発電を行う補助発電装置と、前記補助発電装置により発電された電力を蓄えるバッテリーと、前記バッテリーに蓄えられた直流の電力を交流の電力に変換するインバータと、前記インバータの出力する交流電力により水の電気分解を行って水素酸素混合ガスを発生させる水素酸素混合ガス発生装置と、前記水素酸素混合ガス発生装置が発生した水素酸素混合ガスを前記エンジン内で爆縮させるために当該エンジンに供給するガス供給管路と、を有する。
【００２０】
本発明に係る移動体には、自動車、機関車、船舶、航空機、ロボット、その他の種々の移動体を含めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、移動体におけるエネルギー効率の改善および省エネ化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る第一の実施形態の自動車の概略の構成を示す図である。
【図２】自動車に搭載された補助燃料システムの構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第二の実施形態の自動車の概略の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１において、本発明の移動体の例として自動車１が示されている。図１に示す自動車１は貨物自動車（トラック）である。
【００２４】
図１において、自動車１は、車体１１、エンジンルーム１２、運転席１３、荷台１４、車輪１５（１５ａ、１５ｂ）、などから構成される。
【００２５】
エンジンルーム１２には、エンジン２１の他、ダイナモ（発電機）２２、タコメータ２３などが搭載される。車体１１には、バッテリー２４、コントローラ２５、水素酸素混合ガス発生装置２６、水補給タンク２７、濾過装置２８などが搭載される。
【００２６】
荷台１４は、アルミニウム板などによって密閉構造の箱形状となっている（有蓋車）。しかし、金属製の骨組みの上にビニ−ル製または布製のシートを被せてベルトで固定した構造（幌付き車）のもの、その他の構造のものでもよい。
【００２７】
荷台１４の上部の外側には、複数の風力発電装置２９のうちの１つである風力発電装置２９ａが設けられる。風力発電装置２９ａは、円筒形のケーシング（風洞）２９１、およびケーシング２９１の内部に設けられた複数の風力発電機２９２ａ〜ｃを備える。複数の風力発電機２９２ａ〜ｃは、ケーシング２９１の軸方向に沿って直列状態で配置され、ケーシング２９１の前方から入ってきた風（空気）がこれら風力発電機２９２ａ〜ｃの羽根を順次回転させ、ケーシング２９１の後方から抜け出る。二つ目の風力発電機２９２ｂは、他の風力発電機２９２ａ、ｃとは回転方向が逆になるように、それらの羽根の向きが決められている。
【００２８】
また、荷台１４の上部の前面、つまり運転席１３の屋根の上方には、風力発電装置２９ｂが設けられる。風力発電装置２９ｂは、運転席１３の天井部の風除けなどが設けられている部分に設けてもよい。また、エンジンルーム１２に、風力発電装置２９ｃが設けられる。風力発電装置２９ｃは、自動車１の前面のバンパーの上の部分に設けてもよい。これら、風力発電装置２９ｂ，ｃには、それぞれ１個または複数個の風力発電機が設けられる。
【００２９】
これら風力発電装置２９ａ〜ｃは、自動車１の走行にともなう風力によって発電を行う。つまり、自動車１が走行することによって受ける空気抵抗の一部を利用して、電気エネルギーに変換する。特に風力発電装置２９ｂ、ｃは、荷台１４の前面またはエンジンルーム１２の前部などに当たって通過する空気流により羽根を回転させ、発電を行うものであり、自動車１の走行にともなう風力を効率的に利用する。また、風力発電装置２９ａは、自動車１の走行にともなう空気流をケーシング２９１によって集め、３つの風力発電機２９２ａ〜ｃを回転させて効率的に発電する。
【００３０】
これら風力発電装置２９ａ〜ｃは、所定の電圧の直流電力を出力する。発電によって得られる電力が交流である場合は、適当な整流器または変換器によって所定の電圧の直流電力に変換すればよい。
【００３１】
例えば、自動車１が速度６０Ｋｍ／ｈで走行するときに、風速１７ｍ／ｓ程度となり、この場合に、風力発電装置２９ａ〜ｃによって４５０Ｗ程度の電力を発生することができる。
【００３２】
さて、自動車１には、エネルギー効率の改善を図って省エネ化を図るために、補助燃料システムＨＳが搭載されている。
【００３３】
補助燃料システムＨＳは、バッテリー２４、コントローラ２５、水素酸素混合ガス発生装置２６、水補給タンク２７、濾過装置２８、および、エンジン２１、ダイナモ２２、タコメータ２３、風力発電装置２９ａ〜ｃなどによって構成される。
【００３４】
バッテリー２４は、風力発電装置２９ａ〜ｃにより発電された電力、およびダイナモ２２により発電された電力を蓄える。バッテリー２４は、例えば、１２ボルト２０Ａｈの容量のものが用いられる。バッテリー２４は、補助燃料システムＨＳのための専用のものを用いてもよいが、自動車１の電源として設置されたッテリーを兼用することが可能である。
【００３５】
したがって、エンジン２１が始動している間は、バッテリー２４はダイナモ２２によって充電されるのであるが、補助燃料システムＨＳが稼動しているときはそれでも電力が不足することがあるので、風力発電装置２９ａ〜ｃがその不足分を補う。つまり、ダイナモ２２を主発電装置とした場合に、風力発電装置２９ａ〜ｃは補助発電装置ということになる。
【００３６】
コントローラ２５は、バッテリー２４に蓄えられた直流の電力を交流の電力に変換するインバータを含む。その出力の周波数は、例えば、５〜６０Ｈｚ程度である。コントローラ２５は、タコメータ２３によって検出されるエンジン２１の回転数に応じて、その出力電流を調整することが可能である。つまり、例えば、エンジン２１の回転数が低いときはコントローラ２５の出力電流を小さくし、回転数が増大するにしたがって出力電流が大きくなるように制御することが可能である。
【００３７】
また、コントローラ２５は、内部の回路基板の温度上昇が８０℃になった場合には出力電流をオフとし、温度上昇が６０℃になった場合には出力電流をオンとするよう制御することも可能である。
【００３８】
コントローラ２５は、「ＨＢＳコントローラ」ということもある。
【００３９】
水素酸素混合ガス発生装置２６は、コントローラ２５から出力される交流電力により水の電気分解を行って水素酸素混合ガス（ハイドロゲンガス）ＨＧを発生させる。つまり、次の反応によって水素と酸素が生成される。
【００４０】
２Ｈ2 Ｏ  →    ２Ｈ2 ＋  Ｏ2 
発生した水素酸素混合ガスＨＧは、ガス供給管路３４を通って濾過装置２８に入り、濾過装置２８および逆止弁２８ｂを通って、エンジン２１の吸気口２１ａからエンジン内に供給される。
【００４１】
なお、濾過装置２８は、容器の中に水を溜めたものであり、水素酸素混合ガスＨＧは水の中を通過することによって不純物が濾過される。容器の中の水は、バルブ２８ａを開くことによって排出することが可能であり、これによって水の入れ替えが容易に行える。
【００４２】
エンジン２１には、水素酸素混合ガスＨＧとともに、燃料ガスＮＧ、空気ＡＧ、および霧状の水ＳＧが供給される。エンジン２１がガソリンエンジンの場合は、燃料ガスＮＧはガソリンであり、ディーゼルエンジンの場合は燃料ガスＮＧは軽油である。
【００４３】
燃料ガスＮＧおよび空気ＡＧは、予混合燃焼機関のための図示しないキャブレターから、管路ＧＫを経て吸気口２１ａに送り込まれる。霧状の水ＳＧの一部は、空気ＡＧに含まれる水蒸気が管路ＧＫまたは吸気口２１ａにおいて冷やされて霧状の水となったものである。
【００４４】
エンジン２１の内部では、まず水素酸素混合ガスＨＧの爆縮（凝縮）が起こる。つまり、水素酸素混合ガスＨＧの水素と酸素が反応して水になる。これとほぼ同時に、燃料ガスＮＧの爆発が起こる。これらにより生じた熱によって、霧状の水ＳＧおよび爆縮により生じた水が気化し、その体積が急激に大幅に増大する。また、空気も熱膨張して体積が増大する。これらの体積の増大によって、エンジン２１内の圧力が極めて大きくなり、ピストンがより強くより速く押し下げられ、大きなトルクを発生する。
【００４５】
なお、燃料ガスＮＧの爆発によって、二酸化炭素と水が生成され、これらの熱膨張または気化によっても体積が膨張する。その結果、体積は例えば２０００倍以上に増大する。体積の増大が極めて大きくなるため、エンジン２１は大きなトルクを発生する。また、水素酸素混合ガスＨＧの爆縮による熱のために温度が上昇し、燃料ガスＮＧが燃えやすくなり、完全燃焼し易い。そのため、従来であれば不完全燃焼していた排ガスのハイドロカーボンや一酸化炭素が大幅に減少するとともに、エネルギー効率が向上する。
【００４６】
ここで、水素酸素混合ガス発生装置２６について詳しく説明する。
【００４７】
水素酸素混合ガス発生装置２６は、容器３０、電極板３１ａ，３１ｂ、電解水３２、および水位計３３などを備える。
【００４８】
容器３０は、電解水３２などを収容するものであり、合成樹脂などを用いて形成した適当な容積を有する密閉の箱状のものとすることができる。
【００４９】
電極板３１ａ，３１ｂは、電気分解に交流を用いるため、同じ素材のものを用いることができる。電極板３１ａ，３１ｂの素材として、例えば、ステンレス鋼、チタン、またはその他の金属などが用いられる。
【００５０】
電解水３２は、アルカリ水（ＮａＯＨ、ＫＯＨ）が好ましい。水位計３３は、電解水３２の水位を監視し、水位が低下したときは検知信号を出力する。電解水３２の水位が低下すると、水補給タンク２７のバルブ２７ａを開き、ポンプ２７ｂによって電解水３２を補給する。
【００５１】
コントローラ２５の出力する交流電圧が２つの電極板３１ａ，３１ｂの間に印加されることによって、電解水３２が電気分解され、水素と酸素が生成される。
【００５２】
交流電力によって電気分解を行うため、電気分解によって生じたＮａやＫのイオンは、電極板３１ａ，３１ｂに付着してもすぐに剥がれる。そのため、電極板３１ａ，３１ｂの表面の導電性が低下することなく、電気分解が安定して継続され、水素酸素混合ガスＨＧを安定して発生することができる。また、電極板３１ａ，３１ｂの寿命が長くなる。
【００５３】
なお、電気分解のために、ここでは交流電力を用いたが、直流電力を用いることも可能である。
【００５４】
電気分解で生成された水素と酸素は、容器３０の上部に溜まり、水素酸素混合ガスＨＧとしてガス供給管路３４からエンジン２１に供給される。
【００５５】
水素酸素混合ガス発生装置２６によって、例えば、毎分３００ｃｃ程度の水素酸素混合ガスＨＧが生成される。これを、例えば排気量１０００ｃｃのエンジン２１に供給すると、約２０％の燃費向上につながる。このとき、コントローラ２５から水素酸素混合ガス発生装置２６に、５ボルト２０アンペア程度の電力が供給され、水素酸素混合ガス発生装置２６において消費される。バッテリー２４は、そのための電力を供給するが、ダイナモ２２による充電だけでは不足する分が風力発電装置２９によって補われる。風力発電装置２９の個数、サイズなどを調整することにより、その最大発電電力量または実用発電電力量を調整することが可能である。
【００５６】
つまり、例えば風力発電装置２９の設置台数を増設することによって、バッテリー２４から供給可能な電力量が増大する。特に、自動車１がトラックである場合に、長距離走行を行うことが多く、風力発電装置２９によって比較的安定した電力が供給される。
【００５７】
なお、電極板３１ａ，３１ｂとしてステンレスやチタンなどの素材を使用した場合に、電極板３１ａ，３１ｂと水の電気抵抗によって、水の温度が上昇し、例えば６０〜１００℃程度となる。
【００５８】
このため、容器３０内の水が気化して水蒸気が発生し、これが水素酸素混合ガスＨＧに含まれることとなる。つまり、ガス供給管路３４を介して、水素、酸素、および水蒸気の混合ガスが、エンジン２１の吸気口２１ａに供給される。
【００５９】
このように、水蒸気は、空気ＡＧに含まれた状態で管路ＧＫから、水素酸素混合ガスＨＧに含まれた状態でガス供給管路３４から、それぞれ送り込まれ、吸気口２１ａにおいて合流する。吸気口２１ａに送り込まれる水蒸気は、上に述べたように途中の適所で冷やされて霧状の水となる。
【００６０】
特に、水素酸素混合ガスＨＧに含まれた水蒸気は、温度が６０〜１００℃程度と高いので、管路ＧＫから供給される２０℃程度の空気ＡＧによって冷やされ、霧状の水の大半の供給源となる。
【００６１】
したがって、空気ＡＧに含まれる水蒸気の量または水素酸素混合ガスＨＧに含まれる水蒸気の量、またはこれらの両方を調整して、全体の水蒸気の量、つまりエンジン２１に供給される霧状の水の量を調整することが可能である。エンジン２１に供給される霧状の水の量を調整することにより、エンジン２１の燃焼工程（膨張工程）のプロセスを制御することが可能である。
【００６２】
また、燃料ガスＮＧに対する水素酸素混合ガスＨＧの割合を調整することによって、エンジン２１の燃焼工程のプロセスを制御することも可能である。
【００６３】
上に述べたように、本実施形態の自動車１では、補助燃料システムＨＳを備えているため、エンジン２１の燃費が向上し、エネルギー効率の改善および省エネ化を図ることができる。
【００６４】
特に、自動車１の走行にともなう空気抵抗を利用して風力発電装置２９ａ〜ｃで発電し、得られた電力をバッテリー２４に蓄え、この電力によって水素酸素混合ガス発生装置２６で水素酸素混合ガスＨＧを発生させ、それをエンジン２１に送り込んで爆縮または再燃焼させることにより、エネルギーを効率的に利用して省エネ化を図ることができる。
【００６５】
また、風力発電装置２９ａ〜ｃで発電して得られる電力量が多い場合に、その余った電力を、他の自動車、電気自動車用の充電ステーション、その他の施設、または商用電力系統などに供給しまたは売電するように構成することも可能である。
【００６６】
そのために、バッテリー２４に蓄えられた電力を外部の機器に供給するための接続端子を設けておけばよい。そのような接続端子として、自動車への充電のための接続端子と兼用しまたはそれと一体的に配置し、ワンタッチで外部からのケーブルとの接続または離脱ができるようにしておいてもよい。
【００６７】
その場合に、適当な安全装置、電圧変換のためのインバータ、または系統連係装置などを自動車１に装備しておいてもよい。なお、この場合に、バッテリー２４は、補助燃料システムＨＳのための専用のものを用いるのが好ましい。
【００６８】
上述の実施形態において、バッテリー２４、コントローラ２５、水素酸素混合ガス発生装置２６、水補給タンク２７、濾過装置２８の全部または一部を、エンジンルーム１２の内部に配置してもよい。
【００６９】
上述の実施形態において、補助発電装置として風力発電装置２９ａ〜ｃを用いたが、これに代えて、またはこれとともに、自動車１の振動によって発電を行う振動発電装置を設けてもよい。例えば、自動車１のエンジン２１やミッションの振動を利用して発電する。車体１１そのものの振動を利用して発電してもよい。
【００７０】
そのような振動発電装置として、例えば、振動を受けて直接的に発電する圧電素子、永久磁石を振動させて電磁誘導により発電する装置、振動を回転運動に変換して発電機を駆動するようにした発電装置など、種々のものを用いることができる。また、これら以外の補助発電装置を用いることも可能である。
【００７１】
上述の実施形態において、バルブ２７ａ、２８ａとして、電磁式、パイロット圧式、または手動式のバルブを用いることができる。
【００７２】
図３には、移動体の例として自動車１Ｂが示されている。図３に示す自動車１Ｂは乗用車である。
【００７３】
図３に示す自動車１Ｂには、エネルギー効率の改善を図って省エネ化を図るために、補助燃料システムＨＳＢが搭載されている。
【００７４】
図３に示す補助燃料システムＨＳＢは、図１および図２に示す補助燃料システムＨＳとほぼ同じ構成であるので、互いに対応する要素に対して、図１に示した符号に「Ｂ」を付加してその説明を省略する。
【００７５】
本発明の移動体として、上に述べたような自動車の他、機関車、その他の車両、船舶、航空機、二足歩行可能なロボット、自走式の種々の形態のロボットなどに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１，１Ｂ  自動車（移動体）
１１，１１Ｂ  車体
１４，１４Ｂ  荷台
２１，２１Ｂ  エンジン
２２，２２Ｂ  ダイナモ
２４，２４Ｂ  バッテリー
２５，２５Ｂ  コントローラ（インバータ）
２６，２６Ｂ  水素酸素混合ガス発生装置
２９，２９Ｂ  風力発電装置（補助発電装置）
２９１，２９１Ｂ  ケーシング
２９２ａ〜ｃ，２９２Ｂａ〜ｂ  風力発電機
３１ａ，３１ｂ  電極板（電極）
３４  ガス供給管路
ＨＧ  水素酸素混合ガス
ＨＳ，ＨＳＢ  補助燃料システム
【図１】
2013160048.tif 000003
【図２】
2013160048.tif 000004
【図３】
2013160048.tif 000005