内燃機関の燃焼効率向上方法及びこれに用いられるパルス発生装置
【課題】蓄電池にパルスを印加することにより内燃機関の低燃費化を可能にする
【解決手段】高周波パルス発生回路２０では、昇圧型チョッパーコンバータに内包する高周波パルス発生回路においてスイッチングトランジスタ２３がワンチップマイクロコンピュータ２１により制御されオンすることでインダクタ２４が磁気エネルギーを蓄え、スイッチングトランジスタ２３を直ちにオフとすることで磁気エネルギーを高周波高電圧のパルス電圧に変換し、抵抗器２７とダイオード２６の直列回路を介して適切な電流として蓄電池に供給することにより該磁気エネルギーの一部を電磁気界へ変換し、さらに蓄電池から反射する電磁界を被低燃費化車輌等の内燃機関へ供給することにより低燃費化を可能にする。
【解決手段】高周波パルス発生回路２０では、昇圧型チョッパーコンバータに内包する高周波パルス発生回路においてスイッチングトランジスタ２３がワンチップマイクロコンピュータ２１により制御されオンすることでインダクタ２４が磁気エネルギーを蓄え、スイッチングトランジスタ２３を直ちにオフとすることで磁気エネルギーを高周波高電圧のパルス電圧に変換し、抵抗器２７とダイオード２６の直列回路を介して適切な電流として蓄電池に供給することにより該磁気エネルギーの一部を電磁気界へ変換し、さらに蓄電池から反射する電磁界を被低燃費化車輌等の内燃機関へ供給することにより低燃費化を可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に接続された蓄電池にパルスを印加して内燃機関の燃焼効率の向上を達成する方法及びこれに用いられるパルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉛蓄電池を放電させると、その電極面にサルフェーション（硫酸鉛）の絶縁性結晶が析出するため、電池容量が次第に低下して再生不能に至る。
【０００３】
鉛蓄電池に対する従来の直流パルス印加は、鉛蓄電池の延命を目的としていた。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、電源の正極をトランスの一次側の一端に接続し、他端をスイッチングトランジスタのアノード側に接続、更にスイッチングトランジスタのカソード側を電源の負極に接続した直列回路において、スイッチングトランジスタのゲートへ一定周期で繰り返されるパルスを印加し、該トランスの二次側の一端をダイオードのアノードへ接続し、他端を電源の負極へ接続した回路を有する電源を、鉛蓄電池の正極に電源の正極を、また鉛蓄電池の負極を電源の負極へ接続することにより鉛蓄電池のサルフェーションを分解し、該鉛蓄電池の延命を図ることが開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、電源の正極と負極との間に充電用スイッチングトランジスタと放電用トランジスタとを直列接続し、これらトランジスタ間のノードを鉛蓄電池の正極に接続し、電源の負極を鉛蓄電池の負極に接続し、両トランジスタのゲートへ交互にパルスを供給することにより、直流パルスで充放電を繰り返して、サルフェーションを分解し、使用済み鉛蓄電池を再生することが開示されている。
【０００６】
また、下記特許文献３には、エンジンの着火装置および方法で示されているとおり、内燃機関の燃焼室内へ交流電界を印加することにより、燃焼促進がなされることが開示されている。
【０００７】
一方、内燃機関においては、点火プラグの特性を向上させたり、筒内への霧状燃料噴射機構を改善したり、筒内燃料濃度を変えたりすることにより、筒内での失火を低減して燃焼効率の向上が出来ることは知られている。
また、失火を低減させればトルクが向上して、アクセルを踏み込んだときのエンジンの応答性は向上することが知られている。
【０００８】
失火を低減して燃焼効率を向上させれば燃費特性も良くなり、たとえ数パーセントでも燃費特性が向上すれば、有限である石油資源を効率よく利用できるとともに、大気汚染防止にも寄与でき、また京都議定書に基く温暖化排出ガスを低減でき、好ましい。
【特許文献１】ＵＳ ＰＡＴ．５０６３３４１
【特許文献２】特開２００１−１１８６１１
【特許文献３】特開２０００−７３９２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
内燃機関において、例えばイグニッションコイルの電源として用いられる鉛蓄電池に対して直流パルスを印加することにより、燃焼効率の向上を図ることについては、従来、まったく着目されなかった。
【００１０】
本発明は、本発明者の発見に基くものであり、その目的は、例えばイグニッションコイルが接続された蓄電池にパルス電流を印加することにより該内燃機関を含む金属部分へ電界伝播を通してパルスエネルギーを燃焼室内へ送り込むことにより燃焼室内にプラズマを発生させ、燃焼効率を向上させることを可能にする方法及び、これに用いられるパルス電流発生装置を提供することにある。
【００１１】
また、例えばイグニッションコイルを持たない内燃機関においては、該内燃機関に接続された蓄電池にパルス電流を印加することにより該内燃機関を含む金属部分へ電界伝播を通してパルスエネルギーを該内燃機関の燃焼室内吸気マニホールドへ送り込むことにより該内燃機関の燃料吸気空気に高エネルギーを与え、燃焼効率を向上させることを可能にする方法及び、これに用いられるパルス電流発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１態様では、出力端子間から切り返し高周波パルスを出力するパルス発生装置において
４００Ｈｚ以上の繰り返しパルスを発生する繰り返しパルス発生回路と、
抵抗器と整流素子とが直列接続された直列接続回路と、
該繰り返しパルス発生回路から該直列接続回路を介して該出力端子から直流パルスを繰り返し発生させる制御回路とを備え、該抵抗器が、内燃機関で駆動される発電機に蓄電池と該パルス発生装置とを並列接続し該発電機が駆動されている場合に該内燃機関の燃焼効率を向上させることができる所定の範囲内の値に定められている。
【００１３】
本発明によるパルス発生装置の第２態様では、第１態様において、該パルス発生回路は昇圧型チョッパーコンバータ回路であり、
該制御回路は、
オン時に該昇圧型チョッパーコンバータ回路のインダクタに電力を磁力線の形で蓄積させ、オフ時に磁力線を電力の形に変換しオン時に加えた電圧よりも高い電圧を発生させるスイッチング素子と、
該スイッチング素子を周期的にオン・オフさせるオン・オフ制御回路とを有する。
【００１４】
本発明によるパルス発生装置の第３態様では、第２態様において、該スイッチング素子は、電流路と該電流路を開閉する制御入力端子とを有するトランジスタであり、
該パルス発生回路は、一端が該電流路の一端に結合されたコンデンサと、一端が該電流路の他端に結合され他端が該コンデンサの他端に結合されたインダクタとを有し、
該直列接続回路は、その一端が該電流路他端に結合され、その他端が該パルス発生装置の正極に結合され、該正極端子に対し該整流素子が順方向である。
【００１５】
本発明によるパルス発生装置の第４態様では、第３態様において、該コンデンサの容量が１マイクロファラド以上である。
【本発明の効果】
【００１６】
前記第１態様の構成によれば、パルス発生回路から抵抗器と整流素子との直列接続回路を介して取り出されるパルスのエネルギーが、該抵抗器の抵抗値を所定範囲内の値とすることにより、該内燃機関の金属表面を電界伝播により伝達されるエネルギーを利用して該内燃機関の燃焼室内へ電界を与え、供給混合気をプラズマ様状態とすることにより燃焼効率を向上させることとなり、低燃費化も達成できるという効果を奏する。換言すれば、この効果が得られるように該抵抗器の抵抗値が定められる。
【００１７】
上記第２又は第３態様によれば、スイッチング素子を周期的にオン・オフ制御して昇圧型チョッパーコンバータを作動させれば良いので構成が簡単であるという効果を奏する。
【００１８】
上記第４態様の構成によれば、該コンデンサの電気容量は、該昇圧型チョッパーコンバータの構成を成すものであり、該昇圧型チョッパーコンバータの出力を安定化させるために必要な最低限の電気容量以上であれば経済的に見合うサイズで良いので構成が簡単であるという効果を奏する。
【００１９】
本発明の他の目的、構成及び効果は以下の説明から明らかになる。
【実施例１】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２１】
図１は、本発明のパルス発生装置２０を、内燃機関を用いる自動車等に適用した場合の回路を示す概略ブロック図である。
【００２２】
蓄電池１０は、その容器内に正電極１１と負電極１２とがセパレータ１３を介して配設され、これらが電解液１４内に浸漬されている。蓄電池１０の端子間電圧は、例えば１２Ｖである。
【００２３】
蓄電池１０の正電極１１と負電極１２との間には、負荷１６と、内燃機関で駆動される発電機１７と、パルス発生装置２０とが並列接続されている。負荷１６には少なくとも一般的なガソリンを燃料とする内燃機関においては、点火プラグのイグニッションコイルを含み、自動車としては、これにライトとホーンとラジオとエアコン等が並列接続されたものである。
【００２４】
図２は、パルス発生装置２０の回路図である。
【００２５】
この回路では、ワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４から、高周波パルス発生回路２２のスイッチングトランジスタ２３のゲートに、図３のＴＧに示すようなパルスを印加することにより、スイッチングトランジスタ２３をオン・オフさせて、高周波パルス発生回路２２から急峻な電圧パルス波形Ｖｐを発生させている。
図３のパルス波形Ｖｐは、次のようにして観測されたものである。すなわち、自動車用公称電圧ＤＣ１２Ｖの鉛蓄電池の負電極１２にパルス発生装置２０の負極端子４６Ｍを接続し、該鉛蓄電池の正電極１１とパルス発生装置２０の正極端子４６Ｐとの間に１ミリΩの無誘導抵抗器を接続し、この抵抗器の端子間電圧をオシロスコープで観測したものである。パルス波形Ｖｐのピーク電圧は、１６５ミリボルトであった。
【００２６】
図２の高周波パルス発生回路２２では、インダクタ２４に必要に応じてエネルギーを蓄積するために正極端子からダイオード２８および抵抗器２９をダイオード２８の向きが順方向となる直列に接続した回路を通してコンデンサ２５の一端とインダクタ２４の一端に接続されており、該コンデンサ２５に電荷が蓄えられる。抵抗器２９はコンデンサ２５に電荷を蓄える速度を調節している。またインダクタ２４の他端は、スイッチングトランジスタ２３のドレインとダイオード２８のアノードとの間に抵抗器２７とパルス発生装置２０の正極端子４６Ｐの方向へ電流が流れる様に接続されたダイオード２６が直列に接続された回路を通して接続されている。
【００２７】
このような構成の高周波パルス発生回路２２は、一方ではそのダイオード２６のカソードが過電流保護ヒューズ３１と並列に接続されたコンデンサ３２を介して正極端子４６Ｐに接続され、スイッチングトランジスタ２３のソースが負極端子４６Ｍに接続されている。
【００２８】
ダイオード２８は、万が一パルス発生装置２０の正極端子４６Ｐと負極端子４６Ｍが本来とは逆に接続された場合にコンデンサ２５へ逆電圧がかかり破損することを防止するために挿入されており、抵抗器３８は、スイッチングトランジスタ２３のゲートとソース間に接続されており、パルス発生装置が動作状態でない場合にスイッチング回路２１４のインピーダンスが高インピーダンスとなることでスイッチングトランジスタ２３が静電破損する事を防ぐための保護回路として機能する。
【００２９】
ワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４を高レベルにすると、スイッチングトランジスタ２３がオンとなり、コンデンサ２５と抵抗器２８とダイオード２８の直列回路をとおしてインダクタ２４に負極端子４６Ｍへ電流が流れ、磁気エネルギーの形でインダクタ２４にエネルギーが蓄積されて行く。
【００３０】
次にワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４を低レベルにすると、スイッチングトランジスタはオフとなり、インダクタ２４から負極端子４６Ｍへ流れていた電流が急激に０となるのでインダクタの特性により逆起電圧ｅが生じ、インダクタ２４から抵抗器２７、ダイオード２６、過電流保護ヒューズ３１とこれに並列に接続されたコンデンサ３２、及び正極端子４６Ｐを介して蓄電池１０の正極板１１へ電流が流れる。
【００３１】
この逆起電圧ｅの大きさは、インダクタ２４を流れている電流Ｉの時間微分値に比例する。抵抗器２７の値が大きいほど抵抗器２９に流れ難くなるので、上記急減時の逆起電圧ｅが大きい。一方、抵抗器２７の値が小さいほど抵抗器２７で消費されるエネルギーが大きくなるので、逆起電圧ｅは小さくなる。この抵抗器２７の値は、燃焼効率と低燃費化率を最大の効果をもたらす範囲に調整されなければならない。
【００３２】
インダクタ２４の磁気エネルギーにより発生した逆起電圧ｅはパルス的であり、放出されたエネルギーにより発生した電気エネルギーは、抵抗器２７により一部が消費され適度な値に調整され、また、ダイオード２６の整流作用により負パルスがカットされ、直流パルスとして蓄電池１０の正極板１１へ充電電流として還元される。
【００３３】
上記の充電電流は抵抗器２７のインピーダンスを通して行われることとなり、この抵抗器２７の値は蓄電池１０の内部抵抗に比べて十分大きい値となっているため、蓄電池１０へパルス発生装置２０より充電電流が流れたとしても蓄電池１０の正極板１１と負極板１２の間の電圧上昇をほとんど招かない。これは一般的なオームの法則により、
Ｒ＝Ｅ／Ｉ （Ω）
上式でＥ（電圧）が極めて０に近いとすると、Ｒ（抵抗値）も極めて０に近いことが直ちにわかるので、本パルス発生装置２０から充電電流を蓄電池１０へ流し込むと、蓄電池のインピーダンスが仮想的に０に極めて近くなったと見なせる。
【００３４】
さらに本発明のパルス発生装置２０と蓄電池１０とは比較的短い距離で直接接続されている。これは直流パルスを効率良く蓄電池１０へ注入すると共に、この直流パルスの周波数から求められる電磁波の波長よりも十分に短い距離で接続されていることも意味する。さらに図４のような該内燃機関を搭載する自動車においてもこの直流パルスの周波数から求められる電磁波の波長よりも十分に短いことがわかる。一般的には電磁波の波長λは、次の式で簡単に求められる。
λ＝ｃ／ｆ （ｍ）
ここでｃは、真空中での光速度をあらわす。
本発明では請求項１及び課題を解決するための手段に記したとおりｆの値は４００（Ｈｚ）以上なので上記の式により波長（λ）は、７５０（ｋｍ）以下であると求まる。これは図４の自動車１５の寸法のどれよりも遥かに長い。
【００３５】
資料１によれば、電磁波の発生は電荷の加速度運動が源であると言っており、本発明のパルス発生装置２０から発生する直流パルス電流は、パルス発生装置２０から蓄電池１０への電子、つまり電荷の移動をともなっており、電磁波の発生要因であることは明らかである。さらに資料１によれば、電磁波の波長に比べて導体が十分に短い場合特に通常定在波アンテナ（ダイポールアンテナ）としての機能を持つ電磁波の波長（λ）の４分の１以下の場合には電磁波の放射はこのアンテナ長（１／４λ）に対する長さの比の２乗に比例して放射エネルギーが小さくなることが示されている。
【００３６】
資料２によれば、電磁波として放射できない電磁エネルギーは、電磁波の発生源を一端とした場合他端に進行波として進むものの、対する他端から電磁波の反射が発生し、これは電磁波放射に関して言えば通常なら伝送ロスとして非常に嫌われる性質のものである。しかし一方で、反射波と進行波が混在すると定在波にうねりが生じることも資料１に示されている。このパルス発生装置を搭載した自動車は、図４のとおりパルス発生装置２０から発生する電磁波の波長に比べて十分に短いので、資料２に示されたとおり、電圧定在波比ＶＳＷＲが相当大きくなるため、反射波の電圧が電磁波の発生源である電圧よりも数千倍以上もの高電圧となることがうねり波の中に存在することを示している。
【００３７】
しかし資料３によると、定在波アンテナ（ダイポールアンテナ）ではない長さの導体に電磁界を与えると常に一定した位置に腹と節を持った電圧定在波が生じることとなり、内燃機関への電磁界エネルギーを効果的に与えることはできない。これを解決するためにパルス発生装置２０の回路図にあるワンチップマイクロコンピュータ２１により、常にデータ出力端子２１４から発生させるスイッチング周波数を変化させて一定した位置に腹と節を持たない電圧定在波を発生させている。
【００３８】
一定した位置に腹と節を持たない電圧定在波を発生させる他の手法として、パルス発生装置２０または、高周波パルス発生回路２２を多数設置し、時間的なずれやオン・オフ時間周期のずれを伴ってスイッチングトランジスタ２３を駆動すれば、同様の効果が得られる。それは定在波には一定した位置に腹と節を持つという特徴が資料３に示されているが、時間的ずれはそれを一定にしない効果を持つからである。これは波動の原理から明らかである。
【００３９】
上記のスイッチング周波数を変化させて一定した位置に腹と節を持たない電圧定在波を該内燃機関を搭載する自動車１５に適用すると、自動車１５全体が高電位の電界の中に置かれることとなる。しかし電磁波であるなら同様に高磁界に置かれるはずと思われるが、これは資料１で示される交流ダイポールから発生する近傍界の電磁界であるため、実際には電磁波ではなく、静電界と誘導電磁界となるため、効果としては極めて高い電位をもった静電界が自動車１５全体を取り囲むと考えられる。
【００４０】
この極めて高い電位をもった静電界があれば十分にプラズマを誘導する原因となりうることは資料４に示されている。極めて高い電位をもった静電界は自動車１５の金属部分であればくまなく行き渡っており、いかなる空間やすき間においても発生しているので、該内燃機関の燃料や燃焼用に使用される空気にも電界エネルギーを与えることとなり、これが該内燃機関の燃焼効率を向上させる要因となる。また、点火プラグを持った内燃機関であれば内燃機関に取り付けられている点火プラグに点火スパークを起こすイグニッションコイルを通して高電位のエネルギーが与えられるので、更に高効率的に電界エネルギーによるプラズマ発生をもたらし、それが燃焼効率の向上になることは、特許文献３に示されていることは背景技術の中ですでに述べたとおりである。
【００４１】
本発明者は、パルス発生装置２０内の高周波パルス発生回路２２においてインダクタ２４と抵抗器２７が該内燃機関の燃焼効率やトルク・馬力特性に大きく影響することを実験により確かめた。具体的には図５で示すシャシダイナモによる自動車の出力性能試験結果のグラフと図６の実走行試験結果により調整し求め、それを数値化することにも成功している。この数値は以下に述べる簡単な式により求めることが可能であると実験的に結論付けた。
Ｒ（２７）＝ｋ・ＶＢ／Ｌｉ （Ω）
ここで、Ｒはパルス発生器２０の高周波パルス発生回路２２における抵抗器２７の値であり、ＶＢはパルス発生器と該内燃機関を含む自動車で使用する蓄電池１０の公称電圧であり、Ｌｉはパルス発生器２０の高周波パルス発生回路２２におけるインダクタ２４の定格電流値を代入すれば良く、またｋの値は実験により黄金比（約１．６１８）が最も適切であると判断した。この式により求められる値に対して５０％の値から２００％の値まで効果が顕著に見られ、更にこの値以外においても効果が認められる。この式により求められた値より小さな値を抵抗器２７の値としてパルス発生器２０を該内燃機関に用いると、低回転におけるトルクアップが顕著に現われるものの高回転においては該内燃機関のノッキングの発生を非常感じる。また、この式により求められた値より大きな値を抵抗器２７の値としてパルス発生器２０を該内燃機関に用いると、低回転時のトルクアップ感は薄れるが、高回転時の回転に関する摩擦抵抗があたかもまったく無い様な印象を感じる。
【００４２】
また、スイッチングトランジスタに与えるワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４のオン・オフ信号を連続的に多数にすると前項のパルス発生器２０の高周波パルス発生回路２２における抵抗器２７の値を大きくしたのと同じ効果が得られることも判明した。この効果は１秒間当たり１０個を超えたあたりから変化を見せ、同様に５００個を超えたあたりから顕著な変化を見せる。実験では１秒間あたり１０万個まで行なってみたが、１秒間あたり５千個を超えてからの該内燃機関の出力特性の変化の割合は、体感上少なくなった感覚であった。電磁界伝播を考えると、このスイッチングトランジスタに与えるワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４のオン・オフ信号を連続的に多数にするには１秒間当たり１００万個程度が上限であると考えられる。これより多くなると電波としての放射エネルギーが多くなり、送信機として働いてしまうため電波法令に触れる可能性がある。
【００４３】
一方、ワンチップマイクロコンピュータ２１にはＡ／Ｄ変換機が内臓され、Ａ／Ｄ変換入力端子２１３にパルス発生装置２０の正極端子４６Ｐと負極端子４６Ｍに加わる電圧Ｖｂを抵抗器３３と抵抗器３４の直列接続で分圧される電圧が入力され、この電圧とワンチップマイクロコンピュータ２１に印加される基準電圧源４０の電圧を比較し、高周波パルス発生回路２２のスイッチングトランジスタ２３のゲートへ加えるオン・オフ信号を制御している。これは該内燃機関を搭載する自動車１５を運転しているときにのみパルス発生装置２０を作動させるための方法の１つである。またここで分圧用で使用される抵抗器３３と抵抗器３４は、この動作が最適に行われるよう予め設計時に調整された値が用いられている。
【００４４】
基準電圧回路４０は、Ｒｅｇ４１と言われる三端子レギュレータと該三端子レギュレータの動作を安定させるためのノイズ吸収コンデンサ４３と同コンデンサ４４からなる回路が基本であり、ダイオード４２は、ツェナーダイオードといわれるものであり、パルス発生装置２０に接続される蓄電池１０が発生する起電力Ｖｂや、該内燃機関が作動時に駆動される発電機１７で発生する電圧に対しても基準電圧発生回路４０の三端子レギュレータ４１が確実な動作を行うためと使用可能最大電圧を超えないようにするために設計された値のものが挿入されている。
［資料１］九州東海大学 井手口健 電磁波の放射
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ２．ｋｔｏｋａｉ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／〜ｔｉｄｅｇｕｔｉ／ｐｄｆ／ｅｍｉｓｓｉｏｎ％２０ｐｐｔ．ｐｄｆ
［資料２］東京工業大学 広川二郎 伝送線路 ＵＲＬ：
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｃｗ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ？ｍｏｄｕｌｅ＝Ｇｅｎｅｒａｌ＆ａｃｔｉｏｎ＝ＤｏｗｎＬｏａｄ＆ｆｉｌｅ＝２００６−７１５０−２００６１００６−７−８．ｐｄｆ
［資料３］フリー百科事典『ウィキペディア（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）』 定常波
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ５％ＡＥ％９Ａ％Ｅ５％Ｂ８％Ｂ８％Ｅ６％Ｂ３％Ａ２
［資料４］微小空間へ高効率電力注入を実現する回路技術とその応用 研究代表者 石井彰三（東京工業大学 大学院理工学研究科）
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｐｌａｓｍａ．ｋｕｅｅ．ｋｙｏｔｏ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｔｏｋｕｔｅｉ４２９／２００４−ｒｅｐｏｒｔ／Ａ０１−０１．ｐｄｆ
【００４５】
図５において、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合と、取り付けなかった場合の自動車の内燃機関の出力変化を調べたものであり、測定はシャシーダイナモと呼ばれる測定装置に被測定自動車の駆動軸を乗せて被測定自動車の内燃機関を運転させて測定を行う、駆動軸出力測定機である。なお、測定時には危険を伴うので自動車整備士資格を持った専門家に被測定自動車の運転を行ってもらった。被測定自動車は、レンタカー会社より借用した自動車であり、多数の中からレンタカー会社の従業員にて準備戴いた車両であるので、公平な測定結果であると考えている。使用した自動車は、トヨタ社製のアリオン、排気量１５００ｃｃの車両である。
【００４６】
測定の結果はグラフを見ても明らかなとおり、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合の方が出力向上していることが見られる。特に内燃機関の毎分回転数が５２００回転以下の場合において軸出力としての馬力値、トルク値共におおよそ２０％の向上が見られる。また最高回転数付近で本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続しなかった場合に比べて軸出力が上回っていることが見られる。内燃機関の毎分回転数が５２００回転を超えてから最大回転数付近の軸出力が均衡しているのは、元々この測定に使用した自動車に搭載されている内燃機関を制御するＥＣＵと呼ばれる装置で内燃機関の燃焼特性を決めているコンピュータのプログラムが、本発明のパルス発生装置２０が作動した状態に対応し切れないものと考えられる。これは内燃機関の点火プラグの点火時期、燃料と吸入空気の比率を本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合に対応できるようにＥＣＵ装置の燃焼特性を決めているコンピュータのプログラムを修正することで改善されるものと考えられる。
【００４７】
図６において、４５項と４６項と同一の車輌において、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合と、取り付けなかった場合の自動車の内燃機関から排出される各排気ガスの濃度と時間的な変化を調べたものである。なお、装着されているセンサーの都合で一酸化炭素濃度（ＣＯ）の濃度測定は出来なかった。写真画像からもわかるとおり、上段のパルス発生装置を装着前の排気ガスの状態を見ると炭化水素濃度が内燃機関運転１分後に上昇しており、二酸化炭素濃度が減少している。これは内燃機関の状態が不完全燃焼状態であることを示しており、特に炭化水素が排出されると各種公害の元凶となることは資料５に示されている。
【００４８】
同様にのパルス発生装置を装着後の排気ガスの状態を見ると炭化水素濃度が内燃機関運転１分後に下降しており、二酸化炭素濃度が若干上昇している。これは内燃機関の状態が完全燃焼していることを示しており、公害防止の観点からも大変好ましい。また、排出される二酸化炭素濃度も若干しか増加しておらず、このことは排気ガスからみても該内燃機関の消費する燃料の量も少なくなっていることが伺え、本発明の目的を達成していると言える。
［資料５］フリー百科事典『ウィキペディア（ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）』 排気ガス
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ６％８Ｅ％９２％Ｅ６％Ｂ０％９７％Ｅ３％８２％ＡＣ％Ｅ３％８２％Ｂ９
【００４９】
図７において、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合と、取り付けなかった場合の自動車の内燃機関の燃料消費量の変化を日常使用する時間をかけて測定したものである。時間をかけて測定する理由は、日ごとに異なる交通量や運転状況の変化を取り除くものであり、相当の期間をかけて調査した。図６の第１項から第３項まではディーゼルエンジンの大型トラックを用いて測定したものであり、パルス発生装置の概要等一切伝えずブラックボックスとして取り付け接続し測定を行った。図６の第４項は、ガソリンエンジンの普通自動車を、第５項は、ガソリンエンジンの小型自動車を用いた測定結果である。
【００５０】
図６の各項を見ても明らかなとおり、すべての項において燃料消費量が減少しており、その省燃費化は低燃費化率項目に記載したとおり、１３．５％から１８．９％となっている。また、それぞれの測定に用いた自動車は、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した直後より効果を発揮し、それぞれの自動車の運転手は発進加速時のアクセルの踏み込み量が減り、加速感が向上したと証言しており、これは本発明のパルス発生装置から発生する高電界が内燃機関の筒内燃焼性能を向上させたことによる筒内失火が減少した効果によるものと考えられる。
また、データとしては取得中ではあるが、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続しなかった状態に比べ、取り付け接続すると３０％以上もの低燃費化率が見られる車両もある。
【００５１】
各種条件の下で、図６のような結果が得られたことから、これは実験に用いたパルス発生装置２０は請求項１に記載する請求内容を十分に満たしていると言える。
【００５２】
なお、本発明には種々の変形例が含まれる。
【００５３】
例えば、本発明の適用範囲は自動車に限定されず、内燃機関で何らかの電池が該内燃機関に接続されているのであれば建設機械、農業機関、船、航空機、ロケットエンジンなどに適用できることは勿論である。また電池の種類に関係なく適用できることも勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合の回路図を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明のパルス発生装置の回路図である。
【図３】本発明のパルス発生装置動作を示す電圧波形図である。
【図４】道路運送法による一般的な自動車の寸法図である。
【図５】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合と適用しなかった場合の差異をシャシーダイナモにて測定した結果をグラフ化したものである。
【図６】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合と適用しなかった場合の差異を排気ガス検査装置で測定した結果の測定器に表示されている内容を撮影した写真画像である。
【図７】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合と適用しなかった場合の低燃費化率の差異を実験調査したデータである。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 蓄電池
１１ 正電極
１２ 負電極
１３ セパレータ
１４ 電解液
１５ 自動車の車体
１６ 負荷
１７ 発電機
２０ パルス発生装置
２１ ワンチップマイクロコンピュータ
２１１ 電源電圧入力端子
２１２ 電源電圧入力端子
２１３ Ａ／Ｄ変換電圧入力端子
２１４ データ出力端子
２１５ 動作状態データ出力端子
２２ 高周波パルス発生回路
２３ スイッチングトランジスタ
２４ インダクタ
２５、３２ コンデンサ
２６、２８ ダイオード
２７、２９、３３、３４、３６、３８、３９ 抵抗器
３１ 過電流保護ヒューズ
３５、４３、４４、４５ ノイズ吸収コンデンサ
３７ 表示用発光ダイオード
４０ 基準電圧発生回路
４１ 三端子レギュレータ
４６Ｐ 正極端子
４６Ｍ 負極端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に接続された蓄電池にパルスを印加して内燃機関の燃焼効率の向上を達成する方法及びこれに用いられるパルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉛蓄電池を放電させると、その電極面にサルフェーション（硫酸鉛）の絶縁性結晶が析出するため、電池容量が次第に低下して再生不能に至る。
【０００３】
鉛蓄電池に対する従来の直流パルス印加は、鉛蓄電池の延命を目的としていた。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、電源の正極をトランスの一次側の一端に接続し、他端をスイッチングトランジスタのアノード側に接続、更にスイッチングトランジスタのカソード側を電源の負極に接続した直列回路において、スイッチングトランジスタのゲートへ一定周期で繰り返されるパルスを印加し、該トランスの二次側の一端をダイオードのアノードへ接続し、他端を電源の負極へ接続した回路を有する電源を、鉛蓄電池の正極に電源の正極を、また鉛蓄電池の負極を電源の負極へ接続することにより鉛蓄電池のサルフェーションを分解し、該鉛蓄電池の延命を図ることが開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、電源の正極と負極との間に充電用スイッチングトランジスタと放電用トランジスタとを直列接続し、これらトランジスタ間のノードを鉛蓄電池の正極に接続し、電源の負極を鉛蓄電池の負極に接続し、両トランジスタのゲートへ交互にパルスを供給することにより、直流パルスで充放電を繰り返して、サルフェーションを分解し、使用済み鉛蓄電池を再生することが開示されている。
【０００６】
また、下記特許文献３には、エンジンの着火装置および方法で示されているとおり、内燃機関の燃焼室内へ交流電界を印加することにより、燃焼促進がなされることが開示されている。
【０００７】
一方、内燃機関においては、点火プラグの特性を向上させたり、筒内への霧状燃料噴射機構を改善したり、筒内燃料濃度を変えたりすることにより、筒内での失火を低減して燃焼効率の向上が出来ることは知られている。
また、失火を低減させればトルクが向上して、アクセルを踏み込んだときのエンジンの応答性は向上することが知られている。
【０００８】
失火を低減して燃焼効率を向上させれば燃費特性も良くなり、たとえ数パーセントでも燃費特性が向上すれば、有限である石油資源を効率よく利用できるとともに、大気汚染防止にも寄与でき、また京都議定書に基く温暖化排出ガスを低減でき、好ましい。
【特許文献１】ＵＳ ＰＡＴ．５０６３３４１
【特許文献２】特開２００１−１１８６１１
【特許文献３】特開２０００−７３９２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
内燃機関において、例えばイグニッションコイルの電源として用いられる鉛蓄電池に対して直流パルスを印加することにより、燃焼効率の向上を図ることについては、従来、まったく着目されなかった。
【００１０】
本発明は、本発明者の発見に基くものであり、その目的は、例えばイグニッションコイルが接続された蓄電池にパルス電流を印加することにより該内燃機関を含む金属部分へ電界伝播を通してパルスエネルギーを燃焼室内へ送り込むことにより燃焼室内にプラズマを発生させ、燃焼効率を向上させることを可能にする方法及び、これに用いられるパルス電流発生装置を提供することにある。
【００１１】
また、例えばイグニッションコイルを持たない内燃機関においては、該内燃機関に接続された蓄電池にパルス電流を印加することにより該内燃機関を含む金属部分へ電界伝播を通してパルスエネルギーを該内燃機関の燃焼室内吸気マニホールドへ送り込むことにより該内燃機関の燃料吸気空気に高エネルギーを与え、燃焼効率を向上させることを可能にする方法及び、これに用いられるパルス電流発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１態様では、出力端子間から切り返し高周波パルスを出力するパルス発生装置において
４００Ｈｚ以上の繰り返しパルスを発生する繰り返しパルス発生回路と、
抵抗器と整流素子とが直列接続された直列接続回路と、
該繰り返しパルス発生回路から該直列接続回路を介して該出力端子から直流パルスを繰り返し発生させる制御回路とを備え、該抵抗器が、内燃機関で駆動される発電機に蓄電池と該パルス発生装置とを並列接続し該発電機が駆動されている場合に該内燃機関の燃焼効率を向上させることができる所定の範囲内の値に定められている。
【００１３】
本発明によるパルス発生装置の第２態様では、第１態様において、該パルス発生回路は昇圧型チョッパーコンバータ回路であり、
該制御回路は、
オン時に該昇圧型チョッパーコンバータ回路のインダクタに電力を磁力線の形で蓄積させ、オフ時に磁力線を電力の形に変換しオン時に加えた電圧よりも高い電圧を発生させるスイッチング素子と、
該スイッチング素子を周期的にオン・オフさせるオン・オフ制御回路とを有する。
【００１４】
本発明によるパルス発生装置の第３態様では、第２態様において、該スイッチング素子は、電流路と該電流路を開閉する制御入力端子とを有するトランジスタであり、
該パルス発生回路は、一端が該電流路の一端に結合されたコンデンサと、一端が該電流路の他端に結合され他端が該コンデンサの他端に結合されたインダクタとを有し、
該直列接続回路は、その一端が該電流路他端に結合され、その他端が該パルス発生装置の正極に結合され、該正極端子に対し該整流素子が順方向である。
【００１５】
本発明によるパルス発生装置の第４態様では、第３態様において、該コンデンサの容量が１マイクロファラド以上である。
【本発明の効果】
【００１６】
前記第１態様の構成によれば、パルス発生回路から抵抗器と整流素子との直列接続回路を介して取り出されるパルスのエネルギーが、該抵抗器の抵抗値を所定範囲内の値とすることにより、該内燃機関の金属表面を電界伝播により伝達されるエネルギーを利用して該内燃機関の燃焼室内へ電界を与え、供給混合気をプラズマ様状態とすることにより燃焼効率を向上させることとなり、低燃費化も達成できるという効果を奏する。換言すれば、この効果が得られるように該抵抗器の抵抗値が定められる。
【００１７】
上記第２又は第３態様によれば、スイッチング素子を周期的にオン・オフ制御して昇圧型チョッパーコンバータを作動させれば良いので構成が簡単であるという効果を奏する。
【００１８】
上記第４態様の構成によれば、該コンデンサの電気容量は、該昇圧型チョッパーコンバータの構成を成すものであり、該昇圧型チョッパーコンバータの出力を安定化させるために必要な最低限の電気容量以上であれば経済的に見合うサイズで良いので構成が簡単であるという効果を奏する。
【００１９】
本発明の他の目的、構成及び効果は以下の説明から明らかになる。
【実施例１】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２１】
図１は、本発明のパルス発生装置２０を、内燃機関を用いる自動車等に適用した場合の回路を示す概略ブロック図である。
【００２２】
蓄電池１０は、その容器内に正電極１１と負電極１２とがセパレータ１３を介して配設され、これらが電解液１４内に浸漬されている。蓄電池１０の端子間電圧は、例えば１２Ｖである。
【００２３】
蓄電池１０の正電極１１と負電極１２との間には、負荷１６と、内燃機関で駆動される発電機１７と、パルス発生装置２０とが並列接続されている。負荷１６には少なくとも一般的なガソリンを燃料とする内燃機関においては、点火プラグのイグニッションコイルを含み、自動車としては、これにライトとホーンとラジオとエアコン等が並列接続されたものである。
【００２４】
図２は、パルス発生装置２０の回路図である。
【００２５】
この回路では、ワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４から、高周波パルス発生回路２２のスイッチングトランジスタ２３のゲートに、図３のＴＧに示すようなパルスを印加することにより、スイッチングトランジスタ２３をオン・オフさせて、高周波パルス発生回路２２から急峻な電圧パルス波形Ｖｐを発生させている。
図３のパルス波形Ｖｐは、次のようにして観測されたものである。すなわち、自動車用公称電圧ＤＣ１２Ｖの鉛蓄電池の負電極１２にパルス発生装置２０の負極端子４６Ｍを接続し、該鉛蓄電池の正電極１１とパルス発生装置２０の正極端子４６Ｐとの間に１ミリΩの無誘導抵抗器を接続し、この抵抗器の端子間電圧をオシロスコープで観測したものである。パルス波形Ｖｐのピーク電圧は、１６５ミリボルトであった。
【００２６】
図２の高周波パルス発生回路２２では、インダクタ２４に必要に応じてエネルギーを蓄積するために正極端子からダイオード２８および抵抗器２９をダイオード２８の向きが順方向となる直列に接続した回路を通してコンデンサ２５の一端とインダクタ２４の一端に接続されており、該コンデンサ２５に電荷が蓄えられる。抵抗器２９はコンデンサ２５に電荷を蓄える速度を調節している。またインダクタ２４の他端は、スイッチングトランジスタ２３のドレインとダイオード２８のアノードとの間に抵抗器２７とパルス発生装置２０の正極端子４６Ｐの方向へ電流が流れる様に接続されたダイオード２６が直列に接続された回路を通して接続されている。
【００２７】
このような構成の高周波パルス発生回路２２は、一方ではそのダイオード２６のカソードが過電流保護ヒューズ３１と並列に接続されたコンデンサ３２を介して正極端子４６Ｐに接続され、スイッチングトランジスタ２３のソースが負極端子４６Ｍに接続されている。
【００２８】
ダイオード２８は、万が一パルス発生装置２０の正極端子４６Ｐと負極端子４６Ｍが本来とは逆に接続された場合にコンデンサ２５へ逆電圧がかかり破損することを防止するために挿入されており、抵抗器３８は、スイッチングトランジスタ２３のゲートとソース間に接続されており、パルス発生装置が動作状態でない場合にスイッチング回路２１４のインピーダンスが高インピーダンスとなることでスイッチングトランジスタ２３が静電破損する事を防ぐための保護回路として機能する。
【００２９】
ワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４を高レベルにすると、スイッチングトランジスタ２３がオンとなり、コンデンサ２５と抵抗器２８とダイオード２８の直列回路をとおしてインダクタ２４に負極端子４６Ｍへ電流が流れ、磁気エネルギーの形でインダクタ２４にエネルギーが蓄積されて行く。
【００３０】
次にワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４を低レベルにすると、スイッチングトランジスタはオフとなり、インダクタ２４から負極端子４６Ｍへ流れていた電流が急激に０となるのでインダクタの特性により逆起電圧ｅが生じ、インダクタ２４から抵抗器２７、ダイオード２６、過電流保護ヒューズ３１とこれに並列に接続されたコンデンサ３２、及び正極端子４６Ｐを介して蓄電池１０の正極板１１へ電流が流れる。
【００３１】
この逆起電圧ｅの大きさは、インダクタ２４を流れている電流Ｉの時間微分値に比例する。抵抗器２７の値が大きいほど抵抗器２９に流れ難くなるので、上記急減時の逆起電圧ｅが大きい。一方、抵抗器２７の値が小さいほど抵抗器２７で消費されるエネルギーが大きくなるので、逆起電圧ｅは小さくなる。この抵抗器２７の値は、燃焼効率と低燃費化率を最大の効果をもたらす範囲に調整されなければならない。
【００３２】
インダクタ２４の磁気エネルギーにより発生した逆起電圧ｅはパルス的であり、放出されたエネルギーにより発生した電気エネルギーは、抵抗器２７により一部が消費され適度な値に調整され、また、ダイオード２６の整流作用により負パルスがカットされ、直流パルスとして蓄電池１０の正極板１１へ充電電流として還元される。
【００３３】
上記の充電電流は抵抗器２７のインピーダンスを通して行われることとなり、この抵抗器２７の値は蓄電池１０の内部抵抗に比べて十分大きい値となっているため、蓄電池１０へパルス発生装置２０より充電電流が流れたとしても蓄電池１０の正極板１１と負極板１２の間の電圧上昇をほとんど招かない。これは一般的なオームの法則により、
Ｒ＝Ｅ／Ｉ （Ω）
上式でＥ（電圧）が極めて０に近いとすると、Ｒ（抵抗値）も極めて０に近いことが直ちにわかるので、本パルス発生装置２０から充電電流を蓄電池１０へ流し込むと、蓄電池のインピーダンスが仮想的に０に極めて近くなったと見なせる。
【００３４】
さらに本発明のパルス発生装置２０と蓄電池１０とは比較的短い距離で直接接続されている。これは直流パルスを効率良く蓄電池１０へ注入すると共に、この直流パルスの周波数から求められる電磁波の波長よりも十分に短い距離で接続されていることも意味する。さらに図４のような該内燃機関を搭載する自動車においてもこの直流パルスの周波数から求められる電磁波の波長よりも十分に短いことがわかる。一般的には電磁波の波長λは、次の式で簡単に求められる。
λ＝ｃ／ｆ （ｍ）
ここでｃは、真空中での光速度をあらわす。
本発明では請求項１及び課題を解決するための手段に記したとおりｆの値は４００（Ｈｚ）以上なので上記の式により波長（λ）は、７５０（ｋｍ）以下であると求まる。これは図４の自動車１５の寸法のどれよりも遥かに長い。
【００３５】
資料１によれば、電磁波の発生は電荷の加速度運動が源であると言っており、本発明のパルス発生装置２０から発生する直流パルス電流は、パルス発生装置２０から蓄電池１０への電子、つまり電荷の移動をともなっており、電磁波の発生要因であることは明らかである。さらに資料１によれば、電磁波の波長に比べて導体が十分に短い場合特に通常定在波アンテナ（ダイポールアンテナ）としての機能を持つ電磁波の波長（λ）の４分の１以下の場合には電磁波の放射はこのアンテナ長（１／４λ）に対する長さの比の２乗に比例して放射エネルギーが小さくなることが示されている。
【００３６】
資料２によれば、電磁波として放射できない電磁エネルギーは、電磁波の発生源を一端とした場合他端に進行波として進むものの、対する他端から電磁波の反射が発生し、これは電磁波放射に関して言えば通常なら伝送ロスとして非常に嫌われる性質のものである。しかし一方で、反射波と進行波が混在すると定在波にうねりが生じることも資料１に示されている。このパルス発生装置を搭載した自動車は、図４のとおりパルス発生装置２０から発生する電磁波の波長に比べて十分に短いので、資料２に示されたとおり、電圧定在波比ＶＳＷＲが相当大きくなるため、反射波の電圧が電磁波の発生源である電圧よりも数千倍以上もの高電圧となることがうねり波の中に存在することを示している。
【００３７】
しかし資料３によると、定在波アンテナ（ダイポールアンテナ）ではない長さの導体に電磁界を与えると常に一定した位置に腹と節を持った電圧定在波が生じることとなり、内燃機関への電磁界エネルギーを効果的に与えることはできない。これを解決するためにパルス発生装置２０の回路図にあるワンチップマイクロコンピュータ２１により、常にデータ出力端子２１４から発生させるスイッチング周波数を変化させて一定した位置に腹と節を持たない電圧定在波を発生させている。
【００３８】
一定した位置に腹と節を持たない電圧定在波を発生させる他の手法として、パルス発生装置２０または、高周波パルス発生回路２２を多数設置し、時間的なずれやオン・オフ時間周期のずれを伴ってスイッチングトランジスタ２３を駆動すれば、同様の効果が得られる。それは定在波には一定した位置に腹と節を持つという特徴が資料３に示されているが、時間的ずれはそれを一定にしない効果を持つからである。これは波動の原理から明らかである。
【００３９】
上記のスイッチング周波数を変化させて一定した位置に腹と節を持たない電圧定在波を該内燃機関を搭載する自動車１５に適用すると、自動車１５全体が高電位の電界の中に置かれることとなる。しかし電磁波であるなら同様に高磁界に置かれるはずと思われるが、これは資料１で示される交流ダイポールから発生する近傍界の電磁界であるため、実際には電磁波ではなく、静電界と誘導電磁界となるため、効果としては極めて高い電位をもった静電界が自動車１５全体を取り囲むと考えられる。
【００４０】
この極めて高い電位をもった静電界があれば十分にプラズマを誘導する原因となりうることは資料４に示されている。極めて高い電位をもった静電界は自動車１５の金属部分であればくまなく行き渡っており、いかなる空間やすき間においても発生しているので、該内燃機関の燃料や燃焼用に使用される空気にも電界エネルギーを与えることとなり、これが該内燃機関の燃焼効率を向上させる要因となる。また、点火プラグを持った内燃機関であれば内燃機関に取り付けられている点火プラグに点火スパークを起こすイグニッションコイルを通して高電位のエネルギーが与えられるので、更に高効率的に電界エネルギーによるプラズマ発生をもたらし、それが燃焼効率の向上になることは、特許文献３に示されていることは背景技術の中ですでに述べたとおりである。
【００４１】
本発明者は、パルス発生装置２０内の高周波パルス発生回路２２においてインダクタ２４と抵抗器２７が該内燃機関の燃焼効率やトルク・馬力特性に大きく影響することを実験により確かめた。具体的には図５で示すシャシダイナモによる自動車の出力性能試験結果のグラフと図６の実走行試験結果により調整し求め、それを数値化することにも成功している。この数値は以下に述べる簡単な式により求めることが可能であると実験的に結論付けた。
Ｒ（２７）＝ｋ・ＶＢ／Ｌｉ （Ω）
ここで、Ｒはパルス発生器２０の高周波パルス発生回路２２における抵抗器２７の値であり、ＶＢはパルス発生器と該内燃機関を含む自動車で使用する蓄電池１０の公称電圧であり、Ｌｉはパルス発生器２０の高周波パルス発生回路２２におけるインダクタ２４の定格電流値を代入すれば良く、またｋの値は実験により黄金比（約１．６１８）が最も適切であると判断した。この式により求められる値に対して５０％の値から２００％の値まで効果が顕著に見られ、更にこの値以外においても効果が認められる。この式により求められた値より小さな値を抵抗器２７の値としてパルス発生器２０を該内燃機関に用いると、低回転におけるトルクアップが顕著に現われるものの高回転においては該内燃機関のノッキングの発生を非常感じる。また、この式により求められた値より大きな値を抵抗器２７の値としてパルス発生器２０を該内燃機関に用いると、低回転時のトルクアップ感は薄れるが、高回転時の回転に関する摩擦抵抗があたかもまったく無い様な印象を感じる。
【００４２】
また、スイッチングトランジスタに与えるワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４のオン・オフ信号を連続的に多数にすると前項のパルス発生器２０の高周波パルス発生回路２２における抵抗器２７の値を大きくしたのと同じ効果が得られることも判明した。この効果は１秒間当たり１０個を超えたあたりから変化を見せ、同様に５００個を超えたあたりから顕著な変化を見せる。実験では１秒間あたり１０万個まで行なってみたが、１秒間あたり５千個を超えてからの該内燃機関の出力特性の変化の割合は、体感上少なくなった感覚であった。電磁界伝播を考えると、このスイッチングトランジスタに与えるワンチップマイクロコンピュータ２１のデータ出力端子２１４のオン・オフ信号を連続的に多数にするには１秒間当たり１００万個程度が上限であると考えられる。これより多くなると電波としての放射エネルギーが多くなり、送信機として働いてしまうため電波法令に触れる可能性がある。
【００４３】
一方、ワンチップマイクロコンピュータ２１にはＡ／Ｄ変換機が内臓され、Ａ／Ｄ変換入力端子２１３にパルス発生装置２０の正極端子４６Ｐと負極端子４６Ｍに加わる電圧Ｖｂを抵抗器３３と抵抗器３４の直列接続で分圧される電圧が入力され、この電圧とワンチップマイクロコンピュータ２１に印加される基準電圧源４０の電圧を比較し、高周波パルス発生回路２２のスイッチングトランジスタ２３のゲートへ加えるオン・オフ信号を制御している。これは該内燃機関を搭載する自動車１５を運転しているときにのみパルス発生装置２０を作動させるための方法の１つである。またここで分圧用で使用される抵抗器３３と抵抗器３４は、この動作が最適に行われるよう予め設計時に調整された値が用いられている。
【００４４】
基準電圧回路４０は、Ｒｅｇ４１と言われる三端子レギュレータと該三端子レギュレータの動作を安定させるためのノイズ吸収コンデンサ４３と同コンデンサ４４からなる回路が基本であり、ダイオード４２は、ツェナーダイオードといわれるものであり、パルス発生装置２０に接続される蓄電池１０が発生する起電力Ｖｂや、該内燃機関が作動時に駆動される発電機１７で発生する電圧に対しても基準電圧発生回路４０の三端子レギュレータ４１が確実な動作を行うためと使用可能最大電圧を超えないようにするために設計された値のものが挿入されている。
［資料１］九州東海大学 井手口健 電磁波の放射
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ２．ｋｔｏｋａｉ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／〜ｔｉｄｅｇｕｔｉ／ｐｄｆ／ｅｍｉｓｓｉｏｎ％２０ｐｐｔ．ｐｄｆ
［資料２］東京工業大学 広川二郎 伝送線路 ＵＲＬ：
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｃｗ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ？ｍｏｄｕｌｅ＝Ｇｅｎｅｒａｌ＆ａｃｔｉｏｎ＝ＤｏｗｎＬｏａｄ＆ｆｉｌｅ＝２００６−７１５０−２００６１００６−７−８．ｐｄｆ
［資料３］フリー百科事典『ウィキペディア（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）』 定常波
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ５％ＡＥ％９Ａ％Ｅ５％Ｂ８％Ｂ８％Ｅ６％Ｂ３％Ａ２
［資料４］微小空間へ高効率電力注入を実現する回路技術とその応用 研究代表者 石井彰三（東京工業大学 大学院理工学研究科）
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｐｌａｓｍａ．ｋｕｅｅ．ｋｙｏｔｏ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｔｏｋｕｔｅｉ４２９／２００４−ｒｅｐｏｒｔ／Ａ０１−０１．ｐｄｆ
【００４５】
図５において、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合と、取り付けなかった場合の自動車の内燃機関の出力変化を調べたものであり、測定はシャシーダイナモと呼ばれる測定装置に被測定自動車の駆動軸を乗せて被測定自動車の内燃機関を運転させて測定を行う、駆動軸出力測定機である。なお、測定時には危険を伴うので自動車整備士資格を持った専門家に被測定自動車の運転を行ってもらった。被測定自動車は、レンタカー会社より借用した自動車であり、多数の中からレンタカー会社の従業員にて準備戴いた車両であるので、公平な測定結果であると考えている。使用した自動車は、トヨタ社製のアリオン、排気量１５００ｃｃの車両である。
【００４６】
測定の結果はグラフを見ても明らかなとおり、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合の方が出力向上していることが見られる。特に内燃機関の毎分回転数が５２００回転以下の場合において軸出力としての馬力値、トルク値共におおよそ２０％の向上が見られる。また最高回転数付近で本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続しなかった場合に比べて軸出力が上回っていることが見られる。内燃機関の毎分回転数が５２００回転を超えてから最大回転数付近の軸出力が均衡しているのは、元々この測定に使用した自動車に搭載されている内燃機関を制御するＥＣＵと呼ばれる装置で内燃機関の燃焼特性を決めているコンピュータのプログラムが、本発明のパルス発生装置２０が作動した状態に対応し切れないものと考えられる。これは内燃機関の点火プラグの点火時期、燃料と吸入空気の比率を本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合に対応できるようにＥＣＵ装置の燃焼特性を決めているコンピュータのプログラムを修正することで改善されるものと考えられる。
【００４７】
図６において、４５項と４６項と同一の車輌において、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合と、取り付けなかった場合の自動車の内燃機関から排出される各排気ガスの濃度と時間的な変化を調べたものである。なお、装着されているセンサーの都合で一酸化炭素濃度（ＣＯ）の濃度測定は出来なかった。写真画像からもわかるとおり、上段のパルス発生装置を装着前の排気ガスの状態を見ると炭化水素濃度が内燃機関運転１分後に上昇しており、二酸化炭素濃度が減少している。これは内燃機関の状態が不完全燃焼状態であることを示しており、特に炭化水素が排出されると各種公害の元凶となることは資料５に示されている。
【００４８】
同様にのパルス発生装置を装着後の排気ガスの状態を見ると炭化水素濃度が内燃機関運転１分後に下降しており、二酸化炭素濃度が若干上昇している。これは内燃機関の状態が完全燃焼していることを示しており、公害防止の観点からも大変好ましい。また、排出される二酸化炭素濃度も若干しか増加しておらず、このことは排気ガスからみても該内燃機関の消費する燃料の量も少なくなっていることが伺え、本発明の目的を達成していると言える。
［資料５］フリー百科事典『ウィキペディア（ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）』 排気ガス
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ６％８Ｅ％９２％Ｅ６％Ｂ０％９７％Ｅ３％８２％ＡＣ％Ｅ３％８２％Ｂ９
【００４９】
図７において、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した場合と、取り付けなかった場合の自動車の内燃機関の燃料消費量の変化を日常使用する時間をかけて測定したものである。時間をかけて測定する理由は、日ごとに異なる交通量や運転状況の変化を取り除くものであり、相当の期間をかけて調査した。図６の第１項から第３項まではディーゼルエンジンの大型トラックを用いて測定したものであり、パルス発生装置の概要等一切伝えずブラックボックスとして取り付け接続し測定を行った。図６の第４項は、ガソリンエンジンの普通自動車を、第５項は、ガソリンエンジンの小型自動車を用いた測定結果である。
【００５０】
図６の各項を見ても明らかなとおり、すべての項において燃料消費量が減少しており、その省燃費化は低燃費化率項目に記載したとおり、１３．５％から１８．９％となっている。また、それぞれの測定に用いた自動車は、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続した直後より効果を発揮し、それぞれの自動車の運転手は発進加速時のアクセルの踏み込み量が減り、加速感が向上したと証言しており、これは本発明のパルス発生装置から発生する高電界が内燃機関の筒内燃焼性能を向上させたことによる筒内失火が減少した効果によるものと考えられる。
また、データとしては取得中ではあるが、本発明のパルス発生装置２０を図１のように取り付け接続しなかった状態に比べ、取り付け接続すると３０％以上もの低燃費化率が見られる車両もある。
【００５１】
各種条件の下で、図６のような結果が得られたことから、これは実験に用いたパルス発生装置２０は請求項１に記載する請求内容を十分に満たしていると言える。
【００５２】
なお、本発明には種々の変形例が含まれる。
【００５３】
例えば、本発明の適用範囲は自動車に限定されず、内燃機関で何らかの電池が該内燃機関に接続されているのであれば建設機械、農業機関、船、航空機、ロケットエンジンなどに適用できることは勿論である。また電池の種類に関係なく適用できることも勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合の回路図を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明のパルス発生装置の回路図である。
【図３】本発明のパルス発生装置動作を示す電圧波形図である。
【図４】道路運送法による一般的な自動車の寸法図である。
【図５】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合と適用しなかった場合の差異をシャシーダイナモにて測定した結果をグラフ化したものである。
【図６】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合と適用しなかった場合の差異を排気ガス検査装置で測定した結果の測定器に表示されている内容を撮影した写真画像である。
【図７】本発明のパルス発生装置を内燃機関を用いる自動車等に適用した場合と適用しなかった場合の低燃費化率の差異を実験調査したデータである。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 蓄電池
１１ 正電極
１２ 負電極
１３ セパレータ
１４ 電解液
１５ 自動車の車体
１６ 負荷
１７ 発電機
２０ パルス発生装置
２１ ワンチップマイクロコンピュータ
２１１ 電源電圧入力端子
２１２ 電源電圧入力端子
２１３ Ａ／Ｄ変換電圧入力端子
２１４ データ出力端子
２１５ 動作状態データ出力端子
２２ 高周波パルス発生回路
２３ スイッチングトランジスタ
２４ インダクタ
２５、３２ コンデンサ
２６、２８ ダイオード
２７、２９、３３、３４、３６、３８、３９ 抵抗器
３１ 過電流保護ヒューズ
３５、４３、４４、４５ ノイズ吸収コンデンサ
３７ 表示用発光ダイオード
４０ 基準電圧発生回路
４１ 三端子レギュレータ
４６Ｐ 正極端子
４６Ｍ 負極端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力端子間から繰り返し高周波パルスを出力するパルス発生装置において、４００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有する昇圧形チョッパーコンバータと抵抗と整流素子とが直列接続された直列接続回路と、該昇圧形チョッパーコンバータ回路から該直列接続回路を介して該出力端子間から直流パルスを繰り返し発生させる制御回路とを備え、該抵抗が内燃機関で駆動される発電機にイグニッションコイルと蓄電池と該パルス発生装置とを並列接続し、該発電機が駆動されている場合に該内燃機関の低燃費化を５％以上達成できる所定範囲内の値に定められていることを特徴とするパルス発生装置。
【請求項２】
該昇圧形チョッパーコンバータ回路は該蓄電池間に制限抵抗を有することと該昇圧形チョッパーコンバータの出力を安定させるための出力安定化コンデンサと該昇圧形チョッパーコンバータをスイッチングするスイッチング素子を周期的にオン・オフさせるオン・オフ制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載のパルス発生装置である。
【請求項３】
該スイッチング素子は電流路と該電流路を開閉する制御入力端子等を有するトランジスタであり該昇圧形チョッパーコンバータ回路は一端が該電流路他端に結合されたインダクタ等を有し該制限抵抗回路はその一端が該電流路他端に結合されその他端該パルス発生装置の正極出力端子に結合され該正極出力端子に対し該整流素子が順方向であることを特徴とする請求項２に記載のパルス発生装置。
【請求項４】
該出力安定化コンデンサの容量が１０マイクロファラッドであることを特徴とする請求項３に記載のパルス発生装置。
【請求項５】
内燃機関で駆動される発電機にイグニッションコイルと蓄電池とを並列接続し該発電機が駆動されている状態で整流素子と該内燃機関の低燃費化を５％以上達成できる所定範囲内の値に定められている抵抗との直列接続回路を介して該蓄電池に充電パルスを繰り返し供給することを特徴とする内燃機関の低燃費化方法。
【請求項６】
該充電パルスを４００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有する昇圧形チョッパーコンバータ回路から生成することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の低燃費化方法。
【請求項７】
図２で示す回路図または同様の動作をする該パルス発生装置を単体で、または多数個を並列または直列に接続して使用することができる回路としたパルス発生装置を製造する方法。
【請求項１】
出力端子間から繰り返し高周波パルスを出力するパルス発生装置において、４００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有する昇圧形チョッパーコンバータと抵抗と整流素子とが直列接続された直列接続回路と、該昇圧形チョッパーコンバータ回路から該直列接続回路を介して該出力端子間から直流パルスを繰り返し発生させる制御回路とを備え、該抵抗が内燃機関で駆動される発電機にイグニッションコイルと蓄電池と該パルス発生装置とを並列接続し、該発電機が駆動されている場合に該内燃機関の低燃費化を５％以上達成できる所定範囲内の値に定められていることを特徴とするパルス発生装置。
【請求項２】
該昇圧形チョッパーコンバータ回路は該蓄電池間に制限抵抗を有することと該昇圧形チョッパーコンバータの出力を安定させるための出力安定化コンデンサと該昇圧形チョッパーコンバータをスイッチングするスイッチング素子を周期的にオン・オフさせるオン・オフ制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載のパルス発生装置である。
【請求項３】
該スイッチング素子は電流路と該電流路を開閉する制御入力端子等を有するトランジスタであり該昇圧形チョッパーコンバータ回路は一端が該電流路他端に結合されたインダクタ等を有し該制限抵抗回路はその一端が該電流路他端に結合されその他端該パルス発生装置の正極出力端子に結合され該正極出力端子に対し該整流素子が順方向であることを特徴とする請求項２に記載のパルス発生装置。
【請求項４】
該出力安定化コンデンサの容量が１０マイクロファラッドであることを特徴とする請求項３に記載のパルス発生装置。
【請求項５】
内燃機関で駆動される発電機にイグニッションコイルと蓄電池とを並列接続し該発電機が駆動されている状態で整流素子と該内燃機関の低燃費化を５％以上達成できる所定範囲内の値に定められている抵抗との直列接続回路を介して該蓄電池に充電パルスを繰り返し供給することを特徴とする内燃機関の低燃費化方法。
【請求項６】
該充電パルスを４００Ｈｚ以上の繰り返し周波数を有する昇圧形チョッパーコンバータ回路から生成することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の低燃費化方法。
【請求項７】
図２で示す回路図または同様の動作をする該パルス発生装置を単体で、または多数個を並列または直列に接続して使用することができる回路としたパルス発生装置を製造する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２１６０７３（Ｐ２００９−２１６０７３Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９８７０８（Ｐ２００８−９８７０８）
【出願日】平成２０年３月１０日（２００８．３．１０）
【出願人】（５０８１０３５５１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１０日（２００８．３．１０）
【出願人】（５０８１０３５５１）
【Ｆターム（参考）】
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