JP2000087811A

JP2000087811A - エンジンの排気再循環装置

Info

Publication number: JP2000087811A
Application number: JP10257373A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hayashida; 大林田; Koichi Sugawara; 光一菅原; Hirobumi Sekino; 博文関野; Tadao Yamato; 忠夫大和
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-03-28

Abstract

(57)【要約】【解決手段】排気１の一部が還流ガス２として燃焼室３
に戻されるようにしたエンジンの排気再循環装置におい
て、ガス透過膜５を備え、このガス透過膜５には、炭酸
ガスと窒素ガスとを、同一圧力、同一温度の条件下で個
別に透過させた場合に、炭酸ガスの透過速度が窒素ガス
の透過速度よりも大きくなるものが用いられ、このガス
透過膜５に排気１を透過させ、このガス透過膜５を透過
した排気１の透過成分が上記還流ガス２となるようにし
たもの。【効果】炭酸ガスは、窒素ガスよりも熱容量も密度も大
きい。このため、還流ガス２の量を少なくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気再
循環装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの排気再循環装置は、排気の一
部を還流ガスとして燃焼室に戻し、燃焼室の混合気の熱
容量を増加させて、最高燃焼温度を低下させ、ＮＯ_Xの
低減を図るものである。従来の排気再循環装置では、排
気がそのまま還流ガスとして用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、排
気がそのまま還流ガスとして用いられているため、次の
問題がある。排気の主成分は窒素ガスであり、この窒素
ガスは体積百分率で排気の６５％〜７５％を占める。窒
素ガスは、熱容量も密度も小さいため、有効なＮＯ_Xの
低減効果を得るには、還流ガスの量を多くしなければな
らない。このため、体積効率が低下し、出力が低下す
る。また、燃焼速度が遅くなり、熱効率の悪化やＨＣの
増大を招く。

【０００４】本発明の課題は、ＮＯ_Xの低減に必要な還
流ガスの量を少なくできるエンジンの排気再循環装置を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の構成
は、次の通りである(図１〜図３参照)。排気(１)の一部
が還流ガス(２)として燃焼室(３)に戻されるようにした
エンジンの排気再循環装置において、ガス透過膜(５)を
備え、このガス透過膜(５)には、炭酸ガスと窒素ガスと
を、同一圧力、同一温度の条件下で個別に透過させた場
合に、炭酸ガスの透過速度が窒素ガスの透過速度よりも
大きくなるものが用いられ、このガス透過膜(５)に排気
(１)を透過させ、このガス透過膜(５)を透過した排気
(１)の透過成分が上記還流ガス(２)となるようにしたも
の。

【０００６】

【発明の作用及び効果】(請求項１の発明)請求項１の発
明は、次の作用効果を奏する(図１〜図３参照)。ガス透
過膜(５)を透過して得られる還流ガス(２)は、元の排気
(１)に比べ、窒素ガス(７)の割合が少なく、炭酸ガス
(６)の割合が多いため、次の利点がある。炭酸ガス(６)
は、窒素ガス(７)よりも熱容量も密度も大きい。このた
め、ＮＯ_Ｘの低減に必要な還流ガス（２)の量を少なく
できる。このため、体積効率を高め、出力を高めること
ができる。また、燃焼速度を速め、熱効率を向上やＨＣ
の低減を図ることができる。また、炭酸ガス(６)には排
気中の微粒子(ディーゼルエンジンのバティキュレート
等)の発生を抑制する機能があるため、この機能を高め
ることができる。

【０００７】（請求項２の発明）請求項２の発明は、請
求項１の発明の作用効果に加え、次の作用効果を奏する
(図１〜図３参照)。ガス透過膜(５)を透過して得られる
還流ガス(２)は、元の排気(１)に比べ、窒素ガス(７)の
割合が少なく、水蒸気(９)の割合が多いため、次の利点
がある。水蒸気(９)は、窒素ガス(７)よりも熱容量が大
きく、また容易に凝縮して、密度が大きくなる。このた
め、ＮＯ_Xの低減に必要な還流ガス(２)の量を少なくで
きる。

【０００８】(請求項３の発明)請求項３の発明は、請求
項１または２の発明の作用効果に加え、次の作用効果を
奏する(図１〜図３参照)。排気(１)を冷却する冷却手段
(８)を備え、ガス透過膜(５)の透過孔(４)内に排気(１)
中の水蒸気(９)の凝縮水が付着するようにしたので、次
の利点がある。図２に示すように、透過孔(４)内に水蒸
気(９)の凝縮水が付着すると、水に溶けやすい炭酸ガス
(６)は、透過孔(４)内の水に溶け込みながら、或いは、
その水の表面に沿って、透過孔(４)内をスムーズに透過
する。水に溶けにくい窒素ガス(７)は、透過孔(４)内で
凝縮した水によって透過を妨げられる。透過孔(４)内の
凝縮水は、そのまま、或いは水蒸気(９)となって、透過
孔(４)をスムーズに透過する。このように、ガス透過膜
(５)を冷却するだけで、炭酸ガス(６)と水蒸気(９)の透
過を促進できるとともに、窒素ガス(７)の透過を抑制で
き、還流ガス(２)中の炭酸ガス(６)と水蒸気(９)の割合
を増加させることができる。また、これらの透過成分は
冷却されているため、還流ガス(２)の体積を小さくでき
る。

【０００９】(請求項４の発明)請求項４の発明は、請求
項３の発明の作用効果に加え、次の作用効果を奏する
(図３参照)。排気(１)の冷却手段(８)として、ガス透過
膜(５)が排気熱回収装置の排気熱交換器(１０)が用いら
れるため、次の利点がある。排気熱交換器(１０)を排気
(１)の冷却手段(８)として利用できるため、新たな冷却
手段(８)を追加する必要がなく、製作コストを安くでき
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１と図２は本発明の第１実施形態を説
明する図である。この実施形態では、液冷式の火花点火
式エンジンが用いられている。

【００１１】エンジンの構成は、次の通りである。図１
に示すように、シリンダ(１１)にピストン(１２)が内嵌
されている。シリンダ(１１)はシリンダジャケット(１
３)で囲まれている。シリンダジャケット(１３)内の熱
媒体(３３)は、シリンダジャケット(１３)と放熱器(図
外)との相互間で強制循環される。熱媒体(３３)には水
が用いられている。シリンダ(１１)の上部にシリンダヘ
ッド(１４)が組み付けられ、ピストン(１２)とシリンダ
ヘッド(１４)との間にペントルーフ型の燃焼室(３)が形
成されている。燃焼室(３)に吸気弁口(１５)と排気弁口
(１６)とが臨んでいる。

【００１２】吸気弁口(１５)から吸気通路(１７)が導出
され、排気弁口(１６)から排気通路(１８)が導出されて
いる。吸気通路(１７)の上流にスロットル弁(１９)が設
けられ、下流に燃料噴射用のインジェクタ(２０)が設け
らている。インジェクタ(２０)は、吸気弁口(１５)に向
けられ、ガス燃料を噴射する。ガス燃料にはメタンガス
が用いられている。排気通路(１８)の終端には触媒ケー
ス(２１)と排気マフラ(２２)とが順に接続されている。
排気通路(１８)と吸気通路(１７)との間には排気再循環
装置(２２)が介設されている。

【００１３】インジェクタ(２０)の制御機構の構成は、
次の通りである。この制御機構では、インジェクタ(２
０)の噴射タイミングと噴射量とを制御する。この制御
機構は、エンジン回転速度を検出する速度検出手段(２
３)と、吸入空気量を検出する吸気量検出手段(２４)
と、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段(２
５)と、シリンダジャケット(１３)内の冷媒温度を検出
する温度検出手段(２６)と、制御手段(２７)とを備えて
いる。制御手段(２７)にはマイクロコンピュータが用い
られている。制御手段(２７)は、エンジン回転速度と吸
気量に応じて、インジェクタ(２０)の噴射タイミングと
噴射量とを制御する。噴射タイミングと噴射量は、排気
(１)中の酸素濃度に応じて補正され、空燃比が触媒の作
動範囲に納まるようになっている。また、噴射タイミン
グと噴射量は、熱媒体(３３)の温度に応じて補正され、
始動運転時や暖機運転時の燃焼が適正化されるようにな
っている。

【００１４】排気再循環装置(２２)の構成は、次の通り
である。排気再循環装置(２２)では、排気(１)の一部が
還流ガス(２)として燃焼室(３)に戻される。排気通路
(１８)と吸気通路(１７)とが排気還流通路(２８)で連通
され、排気還流通路(２８)の途中に排気還流弁(２９)が
設けられている。排気還流弁(２９)の開弁タイミング、
開度、開弁時間は、前記制御手段(２７)によって制御さ
れる。排気還流通路(２８)の入口(３０)は、排気通路
(１８)を周囲から取り囲む筒状の入口空間(３１)に臨ん
でいる。入口空間(３１)と排気通路(１８)とは筒状のガ
ス透過膜(５)で仕切られている。

【００１５】ガス透過膜(５)の構成は、次の通りであ
る。このガス透過膜(５)には、炭酸ガスと窒素ガスと
を、同一圧力、同一温度の条件下で個別に透過させた場
合に、炭酸ガスの透過速度が窒素ガスの透過速度よりも
大きくなるものが用いられている。このガス透過膜(５)
に排気(１)を透過させ、このガス透過膜(５)を透過した
排気(１)の透過成分が上記還流ガス(２)となる。ガス透
過膜(５)は、無機多孔質支持体の表面に無機材料組成物
の非結晶性塗膜を形成したものである。このガス透過膜
(５)では、水蒸気と窒素ガスとを、同一圧力、同一温度
の条件下で個別に透過させた場合に、水蒸気の透過速度
が窒素ガスの透過速度よりも大きくなる。

【００１６】排気再循環装置(２２)は、排気ガス(１)を
冷却する冷却手段(８)を備え、ガス透過膜(５)の透過孔
(４)内で排気(１)中の水蒸気(９)が凝縮するようになっ
ている。冷却手段(８)は、排気通路(１８)の周囲に設け
られた排気通路ジャケット(３２)で構成されている。こ
の冷却手段(８)によりガス透過膜(５)や排気(１)の透過
成分も冷却される。この排気通路ジャケット(３２)は入
口空間(３１)に隣接し、シリンダジャケット(１３)と連
通する。

【００１７】ガス透過膜(５)は、特開平９−２２７１１
３号に開示された製法に基づいて製作した。ガス透過膜
(５)の一般的製法は、次の通りである。無機多孔質支持
体の表面に無機材料組成物を塗布、乾燥して非結晶性塗
膜を形成し、加熱処理する。無機材料組成物は、テンプ
レート剤、水、触媒量の酸を含むアルコキシシラン類か
らなる。テンプレート剤には、アンモニウムイオン、ホ
スホニウムイオン、アミン類の一種以上のものを用い
る。特に次の条件下では、孔径の均一なものが得られ
る。無機材料組成物については、水とアルコキシシラン
類とのモル比率（Ｈ₂Ｏ／Ｓｉ）を４以下とし、ｐＨを
１〜２.５とし、水とアルコキシシラン類とのモル比
（Ｈ₂Ｏ：Ｓｉ）を０.１〜１０とし、酸を塩酸とし、そ
の添加量を水１に対して１／１０⁵〜１／１０とする。
そして、加熱処理については、非結晶性塗膜を加水分解
による結晶化をさせない低温かつ常圧下で行う。

【００１８】ガス透過膜(５)の具体的製法は、次の通り
である。テトラエトキシシランを所定量、エタノール２
０、水２、塩酸０.０１の組成比でこれらを混合し、１
時間撹拌することによりゾル状の組成物を得た。これに
臭化テトラプロピルアンモニウム０.０８を加え、大気
中室温で２時間撹拌して無機材料組成物とした。この無
機材料組成物に平均細孔径２００ｎｍの多孔質アルミナ
チューブを浸漬しておき、無機材料組成物の撹拌混合条
件下、０.５ｍｍ／秒の速度で引き上げて多孔質アルミ
ナチューブの表面に無機材料組成物を塗布する。これを
室温で１時間乾燥して、塗膜とする。この塗布と乾燥の
操作を６回繰り返す。次に、１５０゜Ｃに昇温後２時間
加熱すると、塗膜はガラス状の無機多孔質膜となり、ガ
ス透過膜(５)が得られる。

【００１９】このガス透過膜(５)のガス透過性能は、次
の通りである。性能試験は、ガス透過膜(５)の一方面側
からガスを供給し、その透過速度を測定することにより
行った。純粋な窒素ガスの透過速度Ｐ(Ｎ₂)、純粋な炭
酸ガスの透過速度Ｐ(ＣＯ₂)は、次の通りである。５７
３Ｋでは、Ｐ(Ｎ₂)は３.３９×１０^-6、Ｐ(ＣＯ₂)は１.
９３×１０^-4である。６７３Ｋでは、Ｐ(Ｎ₂)は８.５０
×１０^-5、Ｐ(ＣＯ₂)は９.５８×１０^-4である。７７３
Ｋでは、Ｐ(Ｎ₂)は１.０４×１０^-4、Ｐ(ＣＯ₂)は１.３
９×１０^-3である。なお、透過速度の単位は、ｃｍ³(標
準状態)／ｃｍ²・ｃｍＨｇ・ｓである。このように、この
ガス透過膜(５)は、炭酸ガスと窒素ガスとを、同一圧
力、同一温度の条件下で個別に透過させた場合に、炭酸
ガスの透過速度が窒素ガスの透過速度よりも大きくなる
機能を備えていることが分かる。また、このガス透過膜
(５)は、水蒸気と窒素ガスとを、同一圧力、同一温度の
条件下で個別に透過させた場合に、水蒸気の透過速度が
窒素ガスの透過速度よりも大きくなる機能を備えてい
る。なお、図２中の符号(４４)は排気(１)中に含まれる
有機物である。

【００２０】図３の第２実施形態では、コージェネレー
ション装置が用いられている。コージェネレーション装
置は、エンジンに発電機(図外)を連動連結し、発電を行
うとともに、エンジンの熱媒体(３３)及び排気(１)の保
有する熱を温水として回収し供給するシステムである。

【００２１】コージェネレーション装置の構成は、次の
通りである。排気通路(１８)と触媒ケース(２１)との間
に排気熱交換器(１０)が設けられている。排気熱交換器
(１０)は、熱交換器エレメント(３４)と、これを覆う熱
交換器ジャケット(３５)とで構成されている。熱交換器
エレメント(３４)の入口は排気通路(１８)と連通し、出
口は触媒ケース(２１)と連通している。熱交換器ジャケ
ット(３５)の入口は、ヘッドジャケット(３６)と連通し
ている。ヘッドジャケット(３６)は、シリンダヘッド
(１４)に設けられ、シリンダジャケット(１３)と連通し
ている。排気通路(１８)を通過した排気(１)は、熱交換
器エレメント(３４)内を通過し、ヘッドジャケット(３
６)を通過した熱媒体(３３)は、熱交換器ジャケット(３
５)内を通過する。熱交換器ジャケット(３５)を通過す
る熱媒体(３３)は、熱交換器エレメント(３４)内を通過
する排気(１)の熱を吸収する。

【００２２】熱交換器ジャケット(３５)の出口には、熱
媒体(３３)の温度を検出する温度検出手段(３７)と、三
方弁(３８)とが設けられ、検出温度に応じて三方弁(３
８)が制御され、温水熱交換器(３９)と放熱器(４０)へ
の熱媒体(３３)の流量が調節される。温水熱交換器(３
９)に給湯水(４１)が流れている場合には、熱媒体(３
３)の温度が低下するため、熱媒体(３３)の全量が三方
弁(３８)を介して温水熱交換器(３９)に流れる。給湯水
(４１)が止まった場合には、熱媒体(３３)の温度が上昇
するため、熱媒体(３３)の一部が三方弁(３８)を介して
放熱器(４０)に分流し、熱媒体(３３)の温度を一定に保
つ。なお、温水熱交換器(３９)と放熱器(４０)を通過し
た熱媒体(３３)は、シリンダジャケット(１３)に戻され
る。熱媒体(３３)の循環は、ポンプ(４２)によって行
う。

【００２３】排気再循環装置(２２)を構成する排気還流
通路(２８)の入口(３０)は、熱交換器エレメント(３４)
内に設けられた入口空間(３１)に臨んでいる。入口空間
(３１)とジャケット内通路(４３)とは平板状のガス透過
膜(５)で仕切られている。このように、ガス透過膜(５)
がコージェネレーション装置の排気熱交換器(１０）内
に設けられ、排気（１)の冷却手段(８)としてこの排気
熱交換器(１０)が用いられている。排気(１)は熱交換器
ジャケット(３５)を通過する熱媒体(３３)によって冷却
される。この冷却手段(８)によりガス透過膜(５)や排気
(１)の透過成分も冷却される。

【００２４】他の構成及び機能は、第１実施形態のエン
ジンと同じである。図３中、第１実施形態と同一の要素
には、同一の符号を付しておく。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るエンジンの模式図
である。

【図２】図１のエンジンに用いるガス透過膜の透過孔の
拡大断面図である。

【図３】本発明の第２実施形態に係るコージェネレーシ
ョン装置の模式図である。

【符号の説明】

(１)…排気、(２)…還流ガス、(３)…燃焼室、(４)…炭
酸ガス、(５)…ガス透過膜、(６)…ガス透過膜、(７)…
窒素ガス、(８)…冷却手段、(９)…水蒸気、(１０)…排
気熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関野博文兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号株式会社クボタ基盤技術研究所内 (72)発明者大和忠夫兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号株式会社クボタ基盤技術研究所内Ｆターム(参考） 3G062 ED08 ED09 GA01 GA06 GA08 GA15 4D006 GA41 HA22 JA26A KE16Q MA02 MA03 MB04 MC03X NA05 NA50 PA02 PB19 PB64 PB65 PC80

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気(１)の一部が還流ガス(２)として燃
焼室(３)に戻されるようにしたエンジンの排気再循環装
置において、ガス透過膜(５)を備え、このガス透過膜(５)には、炭酸
ガスと窒素ガスとを、同一圧力、同一温度の条件下で個
別に透過させた場合に、炭酸ガスの透過速度が窒素ガス
の透過速度よりも大きくなるものが用いられ、このガス
透過膜(５)に排気(１)を透過させ、このガス透過膜(５)
を透過した排気(１)の透過成分が上記還流ガス(２)とな
るようにしたもの。
【請求項２】請求項１に記載したエンジンの排気再循
環装置において、前記ガス透過膜(５)には、水蒸気と窒
素ガスとを、同一圧力、同一温度の条件下で個別に透過
させた場合に、水蒸気の透過速度が窒素ガスの透過速度
よりも大きくなるものが用いられるもの。
【請求項３】請求項２に記載したエンジンの排気再循
環装置において、前記排気(１)を冷却する冷却手段(８)
を備え、ガス透過膜(５)の透過孔(４)内に排気(１)中の
水蒸気(９)の凝縮水が付着するようにしたもの。
【請求項４】請求項３に記載したエンジンの排気再循
環装置において、前記排気(１)の冷却手段(８)として、
排気熱回収装置の排気熱交換器(１０)が用いられるも
の。