JP2002504643A

JP2002504643A - 燃焼エンジン空気供給システム

Info

Publication number: JP2002504643A
Application number: JP2000532625A
Authority: JP
Inventors: スチュアート・マーシャル・ネムサー; ケヴィン・パトリック・カラハン; トッド・コリン・リパート
Original assignee: コンパクト・メンブレン・システムズ・インコーポレイテッド
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2002-02-12
Also published as: EP1056937A1; CA2320877C; US5960777A; CA2320877A1; DE69934397T2; WO1999042709A1; EP1056937A4; DE69934397D1; EP1056937B1

Abstract

(57)【要約】内燃エンジン（２１）操作方法は選択性ガス透過膜ユニット（１０）を使用し、酸素又は窒素富化空気を供給してＮＯｘ排出の低減、リーンバーン限度、動力の増加、コールドスタート排出の低減を図る。該方法は膜ユニットを用いて空気を酸素富化空気成分と窒素富化空気成分に分離し、窒素富化空気成分をエンジンに供給する事を含む。該膜は、酸素／窒素選択性が少なくとも１．４で、酸素透過率が少なくとも５０バーレルである。膜はパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの非晶質共重合体から形成され、該共重合体のガラス遷移温度未満の温度にある多くの平行した中空繊維構造（３３）を備えた円筒状モジュール（１０）を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の属する分野本発明は、内燃エンジン用供給空気の組成をコントロールするためのシステム
に関係する。更に詳細には、内燃機関へ酸素か窒素のいずれかを富化した空気を
供給し、エンジンの性能に好影響を及ぼすために選択的なガス透過性の膜を使用
するシステムに関する。

【０００２】発明の背景及び概要現代の産業社会で内燃エンジンは広範囲に使用されている。排気ガスの排出物
の性質、及び、燃料消費効率は、そのようなエンジンを運転する上で重要な点で
ある。排気ガスは未反応燃料及び、一般に、自然環境、特に人間の健康に有害で
ある燃焼反応副産物を含む場合がある。エンジンを低い効率で操作すると、未反
応燃料がより多く排出されるばかりでなく、得られる動力単位あたり消費される
燃料の量が増加する。大部分の内燃エンジンが再生ができない化石燃料を使うの
で、非常に低い燃料消費効率は、好ましくない。有限資源が更に早急に消費され
、自然環境は、容易に到達可能でない資源を採掘する必要に迫られて、悪影響を
受けることになる。同様に燃料消費効率が低いとエンジンの運転費用が上昇する
。

【０００３】大気中の空気は、公称約７９容積％（ｖｏｌ．％）の窒素、及び、約２１容積
％の酸素を含む。（アルゴン、二酸化炭素、オゾン、及び、他の大気汚染物質の
ような空気中微量成分の存在することが知られているが、本発明と密接な関係が
ない。）内燃エンジンに供給された空気は、時に「ＮＯｘ」と呼ばれる窒素酸化
物を生成する。これらは、エンジン排気ガス排出物中の好ましくない成分である
。ある限度内で、エンジンに供給される窒素の濃度を増大させることで、排出Ｎ
Ｏｘの量を低減し得る。

【０００４】理論的には、精製又は製造された窒素を大気と混合すれば、エンジン供給物中
の窒素濃度を増大させることができる。自動車、海洋、並びに、移動可能な発電
用ガソリン、及び、ディーゼルエンジンのような可動性のエンジンに窒素を移動
可能な方法で供給することはこれまでできなかった。このやり方は、静止エンジ
ン設置用にも一般に実用的ではない。

【０００５】排気ガスの再循環による方法は、エンジン内空気の窒素濃度を高めるのに幾ら
か成功してきた。排気ガスでは、酸素が燃料の燃焼の間に消費され、大部分使い
果たされているので、窒素が富化されている。排気ガスを新鮮な空気と混合する
ことによって、窒素の全体的な濃度は上昇する。あいにく、これによって排気ガ
スは余計な汚染物を含むことになる。汚染物は、粒子状物、二酸化炭素、一酸化
炭素、未反応燃料からの揮発性有機物、及び、言うまでもなく、ＮＯｘである。
粒子状物はろ過できるが、ろ過はエンジンの操作をさらに複雑化する。該フィル
タは、究極的には目詰まりを起こし、それ自身、処理や掃除を必要とする無駄の
原因になる。気体汚染物が、エンジン性能や維持に対して有益な効果を与えると
は考えられない。更に、エンジンの動力のー部は、排気ガスのろ過、再利用に使
われなければならなくなる。従って、排出ＮＯｘの量を低減させるためには、内
燃エンジン供給物中の窒素の濃度を高めねばならないが、このために豊富な窒素
富化空気の原料を持つことは望ましい。窒素源が移動できることは、更に望まし
い。

【０００６】従って、本発明は、ここに内燃エンジンを、豊富で移動可能な窒素富化空気源
を用いて操作する方法を提供する。この新規な方法は、（Ａ）選択的ガス透過性膜ユニットを用いて空気を酸素富化成分と窒素富
化成分に分割する工程と、（Ｂ）酸素富化成分又は窒素富化成分をエンジンに供給する工程から成り、該選択的ガス透過性の膜ユニットは、（ｉ）酸素／窒素選択性が少なくとも１
．４で、酸素透過率が少なくとも５０バーレル（ｂａｒｒｅｒｓ）であり、（ｉ
ｉ）パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール（ｐｅｒｆｌｕｏ
ｒｏ−２，２−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−１，３−ｄｉｏｘｏｌｅ）の非晶質共重合体
から形成され、（ｉｉｉ）該非晶質共重合体のガラス遷移温度未満の温度にある
非多孔性の膜を含む。

【０００７】内燃エンジン操作のある局面は、燃焼室への酸素富化空気を供給することで向
上できる。これらのうちの１つは、コールドスタート（冷始動）による排出の低
減である。すなわち、冷たい状態で始動したエンジンでは、安定状態操作温度到
達まで、標準より低い効率で燃料が燃焼する傾向がある。未燃焼燃料は、排気ガ
スと共に排出され、環境を汚染する。コールドスタートによる排出は、特に自動
車からの場合、大気汚染の重要な発生源になる場合がある。

【０００８】リーンバーン限度（希薄燃焼限度）（ｌｅａｎｂｕｒｎｌｉｍｉｔ）は、
エンジン空気の酸素含量を増加することによっても向上し得る。ある限度内では
、燃料と空気の比率を調整すれば、やはり更に良い燃料消費効率が得られる。燃
料／空気混合物がより希薄であれば、燃料効率がさらに向上する。空燃比（燃料
に対する空気の比率）のより高い限度、いわゆるリーンバーン限界の上限は、空
気中酸素の濃度を増加することによって伸ばせられる。

【０００９】このように、酸素富化空気を内燃エンジンに供給することが望ましいことがあ
る。排気ガス再循環は、この目的を達成するのに有効な方法ではない。しかしな
がら、本発明は、豊富で移動可能な酸素富化空気の供給源を用いて内燃エンジン
を作動する方法を提供する。この新規な方法は、（Ａ）選択的ガス透過性膜ユニットを用いて空気を酸素富化成分と窒素富化
成分に分割する工程と、（Ｂ）酸素富化成分をエンジンに供給する工程から成り、該選択的ガス透過性の膜ユニットは、（ｉ）酸素／窒素選択性が少なくとも１
．４で、酸素透過率が少なくとも５０バーレルであり、（ｉｉ）パーフルオロ−
２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの非晶質共重合体から形成され、（ｉ
ｉｉ）該非晶質共重合体のガラス遷移温度未満の温度にある非多孔性の膜を含む
。

【００１０】更に、本発明によれば富化空気を内燃機関の燃焼室に供給する装置が提供され
る。その装置は、窒素富化空気か酸素富化空気のいずれかを供給できるように適
応し得る。一例では、前述の装置は、（ａ）ケーシングと、該ケーシング内にあり、（ｉ）酸素／窒素選択性が少なくとも１．４、酸素透
過率が５０バーレルで、（ｉｉ）パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジ
オキソールの非晶質共重合体から形成され、（ｉｉｉ）非晶質共重合体のガラス
遷移温度以下の温度にある非多孔質膜と、ケ−シング内、膜の一つの側にあり、大気の供給流から酸素を該膜を通して選
択的に透過させて未透過物用空洞室に生成した窒素富化空気流の未透過物用流源
である未透過物用空洞室と、ケーシング内膜の反対の側にあり、酸素富化空気の透過物流源であり、そこで
、透過物流：原供給流れ比率で段カットを定義する透過物空洞室とを含む選択的ガス透過性膜ユニットと、（ｂ）未透過空洞室圧力から透過物空洞室圧力に膜間で負の圧力勾配を造る
圧力変化手段、及び、（ｃ）酸素富化空気か窒素富化空気のいずれかをエンジンに導くように適応
した供給選択バルブより成る装置。

【００１１】前記の装置はフィードバック制御システムを取入れることにより酸素又は窒素
富化空気を最適の供給濃度で連続的に供給するように適応できる。フィードバッ
ク制御システムは、基本的には、装置内のある選択された場所での操作特性を検
出し検出特性を機械読み可能な信号に変換するための感知手段、段カットを調整
するスロットル（絞り弁）手段、そして、予めプログラムされたアルゴリズムに
従って信号を評価する制御手段を含む。制御方法は、このように、操作特性を向
上させるべく計算された段カットを調整するようスロットル手段に命令する。

【好適実施例の説明】

【００１２】酸素又は窒素富化空気を内燃エンジンの燃焼室に供給するための新規な方法は
、周囲の大気から窒素富化、及び、酸素富化成分を現場で生成することからなる
。生成後、所望の成分を燃焼室に導くことができる。不要成分は、大気へ排出し
ても安全である。

【００１３】ここに使われているように、「内燃エンジン」という言葉は、作動するのに酸
素と燃料の可燃性の混合物を必要とする、あらゆる型のスパーク起動点火もしく
は圧縮起動点火エンジンを意味する。エンジンは、可動性か、静止した場所に永
久に固定できる。

【００１４】この新規な方法は、大気の空気を富化酸素及び窒素富化成分に分割するのに、
酸素‐窒素選択的ガス透過性膜ユニットの能力に基づく。好ましい選択的ガス透
過性膜ユニットは、次の特定の特徴を持った非多孔性の膜を含む。かかる膜は、
酸素／窒素選択性が少なくとも１．４であり、少なくとも５０バーレル（ｃｍ３
、標準温度、圧力−ｃｍ／ｃｍ２Ｈｇ×１０−６）の酸素透過性を示す。該膜は
、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの非晶質共重合体か
ら形成され、非晶質共重合体のガラス遷移温度以下の温度で使用される。

【００１５】本発明の分離プロセスは、基本的に大気の空気を膜構造を含むユニットに供給
することによって行われる。該ユニットは基本的には、ケーシングを含み、それ
により、内部のスペースは、膜構造によって相互から封止された二つの部分に分
割されている。入って来る大気中の空気は、以下、未透過物空洞室と呼ぶ一つの
部分に導かれる。このようにして、大気中の空気は、膜と接触させられる。膜間
に負の圧力勾配が与えられると、酸素と窒素が膜を通って透過し、今後、透過物
空洞室と呼ばれる第２部分に移る。「負の圧力勾配」という言葉は、未透過物空
洞室の圧力が透過物空洞室のそれより高いことを意味する。

【００１６】以下詳細に述べるように、透過物空洞室圧力が未透過物空洞室の圧力を下回っ
ており、更に圧力が充分に高く、富化空気をエンジンに供給し、余分の空気を排
出できる限り、膜ユニットは、正又は負の圧力で作動し得る。当業者は、圧力勾
配が未透過物空洞室、透過物空洞室の各々の様々な場所に存在し得る事がこの開
示から理解できるであろう。そのような状況において、透過物空洞室圧力が未透
過物空洞室のそれより低いと言う但し書き条件は、透過物空洞室の最も高い圧力
が未透過物空洞室の最も低い圧力以下であることを意味する。好ましくは、未透
過物空洞室の圧力は、透過物空洞室圧力より大幅に大きくあるべきである。

【００１７】この膜が窒素に比し、酸素に選択的に透過性であるので、その結果、透過物空
洞室中の雰囲気が、酸素が富化されているということになる。更に、酸素が優先
的に膜を透過しているので、未透過物空洞室雰囲気は、部分的に酸素が失われて
いる。従って、未透過物雰囲気は、窒素が富化されている。酸素富化透過物空洞
室の空気流を（原）供給空気流で除した比率を「段カット」（ｓｔａｇｅｃｕ
ｔ）と定義する。

【００１８】好ましくは、ガスの透過性の物質は、ある種の過フッ素化されたジオキソール
単量体、すなわち、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール（
ＰＤＤ）の非晶質共重合体である。好ましい態様に於いて、共重合体は、ＰＤＤ
とテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、パーフルオロメチルビニルエーテル、フ
ッ化ビニリデン、及び、クロロトリフルオロエチレンから成る群から選択した、
少なくとも一種の単量体との２元共重合体である。他の態様において、共重合体
は、ＰＤＤと補足的な量のＴＦＥとの２元共重合体で、特にＰＤＤを５０〜９５
モル％を含むような重合体である。２元共重合体の例は、更に詳細に、Ｅ．Ｎ．
Ｓｑｕｉｒｅの米国特許第４，７５４，００９号（１９８８年６月２８日発行）
及びＥ．Ｎ．Ｓｑｕｉｒｅの第４，５３０，５６９号（１９８５年７月２３日発
行）に記載されている。過フッ素化ジオキソール単量体は、Ｂ．Ｃ．Ａｎｄｅｒ
ｓｏｎ、Ｄ．Ｃ．Ｅｎｇｌａｎｄ、Ｐ．Ｒ．Ｒｅｓｎｉｃｋの米国特許第４，５
６５，８５５号（１９８６年１月２１日発行）に開示されている。これらの米国
特許の全ての開示内容はその全体が本明細書の参照に含まれる。

【００１９】非晶質共重合体は、そのガラス遷移温度（Ｔｇ）で特徴づけられる。ガラス遷
移温度の重合体として性質は、当該技術においてよく分かっている。これは、共
重合体がもろく、ガラス的な、もしくは、ガラス状の状態からゴム状又は可塑性
状態に変わる温度である、非晶質共重合体のガラス遷移温度は、膜の特定の共重
合体の組成、特に存在するＴＦＥ又は他の共重合単量体によって変わる。Ｅ．Ｎ
．Ｓｑｕｉｒｅの前述の米国特許第４，７５４，００９号の第１図に示す実施例
によれば、１５％テトラフルオロエチレン共重合単量体を含む２元共重合体の持
つ約２６０℃から少なくとも６０モル％テトラフルオロエチレン含有２元共重合
体の１００℃未満まで変動する。好ましくは、非晶質共重合体のガラス遷移温度
は、少なくとも１１５℃であるべきである。

【００２０】非晶質共重合体は、更に相当の疎水性と疎油性が特色である。水と油の両方に
親和性を持たないので、ＰＤＤ共重合体は、それから生成したガス透過性膜が広
い範囲の液体中、僅かに可溶もしくは膨潤する程度を出ない。この特性の為に、
多くの液体組成、特に内燃エンジンの作動、保守に関連して、一般に使われる炭
化水素燃料、及び、油性潤滑剤と接触する間、膜の構造上の保全性と寸法安定性
が保証される。

【００２１】本発明の膜構造の形は、平らなシート又は他の形であってもよい。平らなシー
トは非多孔性のガス透過性の物質の１枚以上の単一フィルムからなることができ
る。透過性の膜を通るガス透過速度は、厚さと反比例し、膜のガス輸送面積に比
例する。当業者は、妥当な表面積のガス透過性のフィルムを通して実質的に許容
できるガス透過速度を得るのに非常に薄いフィルムを使用すべきである事を容易
に認識するであろう。このことは、本発明で使用する、好ましい非晶質共重合体
を透過する空気の透過性が全く高いものであっても、真実である。望ましいガス
透過速度を得るための好ましい非多孔性の薄膜の厚さは、約０．０１〜約２５μ
ｍである。

【００２２】厚さ約１２μｍ未満のポリマーフィルムは、一般に自立性がない。従って、好
ましい態様は、本発明のガス透過性の膜構造が、微孔性の基質上に非多孔性の層
として存在する非晶質共重合体から成る場合である。かかる基質は、使用中非多
孔性の層の構造上の一体性を維持する。基質の構造は、ガス成分の流れを過度に
妨げないような多孔度を持つように設計すべきである。代表的な多孔性の基質は
、多孔板、多孔性のメッシュ布、一枚板の微孔性重合体フィルム、微孔性の中空
繊維、及び、それらの組み合わせを含む。

【００２３】非多孔性の層は、微孔性基質上に隣接して又は直接に配設され、当業者に既知
の浸漬、噴霧、塗装、スクリーン印刷のような塗付技術を含む様々な方法のうち
のどの方法によって製造してもよい。好ましくは、非多孔性の層は溶媒塗付方法
で塗付するが、更に好ましくは、極薄い連続的な非多孔性の非晶質共重合体層を
微孔性の基質に配設するのに適した新規の溶媒塗付方法によって塗付する。この
新規な方法は、同時に出願中の１９９７年５月３０日出願の米国特許出願番号第
０８／８６２，９４４号に開示されているので、引用によって本明細書に組み込
む。非多孔性の層の厚さと言う意味で、「極薄い」とは０．０１〜約１０μｍを
意味する。好ましくは、極薄い層は厚さ約０．０１〜１μｍであり得る。

【００２４】膜構造は、また、管状の配置を採ることができる。中空繊維は本発明の使用に
、特に好ましい形の基質である。「中空繊維」と言う言葉は、非常に小さい横断
面寸法を持つ高いアスペクト（縦横比）比のものを意味する。「高いアスペクト
比」とは、［高い］繊維長さ：繊維横断面積の比率を意味する。他の中空形が可
能で、それらは本発明の範囲内に当てはまると考えられるが、円筒形の中空繊維
が好ましい。繊維の外径、内径は、一般に夫々０．１〜１ｍｍ位、０．０５〜０
．８ｍｍ位である。

【００２５】「空気輸送面積」なる言葉は、ガス輸送に効果的な利用可能面積を意味する。
一般に、空気輸送面積は、ガス流の方向に垂直に測定された膜のガス輸送面積で
ある。例えば、矩形の平らなシート膜の空気輸送面積は、シートの長さと幅の積
である。同様に、一つの円筒型の中空繊維の空気輸送面積は、繊維長さと円筒円
周の積である。

【００２６】中空繊維基質が好ましいのは、小さい容積で特に、全体の断面積の小さい容積
で非常に大きい空気輸送面積を造る能力があるからである。従って、繊維容積単
位当たり、中空繊維の空気輸送面積は、繊維の直径と共に逆比例的に増加する。
このように、個々の小径中空繊維の表面積密度は非常に大きい。その上、多数の
繊維は、繊維の伸び軸とかなり平行に束ね、多管組み合わせ（マニホルド）がで
きる。これは、効果として、空気輸送面積が、束ねた個々の繊維空気輸送面積の
合計したものになると言う事である。繊維の形状から、中空繊維束全体の効果的
な空気輸送面積は、ガスろ過ユニット全体の断面積の何倍と言う値に達し得る。
例えば、長さわずか１０インチの長さで、直径３インチの円筒の中空繊維膜ユニ
ットは、５００μｍ内径、有効長さ７．５インチの６２００本の中空繊維を含む
ことができるので、約１８ｆｔ２の空気輸送面積を供給できる。

【００２７】中空繊維膜ユニットの構造は図１、図２に図解されている。膜ユニット１０は
、複数の中空繊維４を収容する、通常長い円筒のケーシング２を備えている。そ
れらの繊維は、管シート８によってその位置に支えられている。繊維は、管シー
ト中延長し、開放末端５が管シートの機外面９に出てくるようになっている。各
繊維の効果的な空気輸送面積は、繊維直径と管シーの間の長さ１１によって定ま
る。

【００２８】図１は、繊維を全く平行なものとして示す。これは、理想的状態で、実際上そ
うである必要はなく、通常、実際にはそうなっていない。長さ：直径アスペクト
比が非常に高い事と重合体組成のために、各繊維は、全く柔軟である。隣同士の
繊維の間の空間が有効で、充分に全ての繊維の外表面の主な部分と空気の接触が
できるのにあれば、それらの繊維が大体平行に整列していればよい。ケーシング
の内面円、繊維の外側、及び、管シートの機内表面で、シェル側空洞室６の形が
定まる。ケーシングを通る少なくとも一つの口７ａ、７ｂが取付けられ、シェル
側空洞室からの流れが出入できるようになっている。膜ユニットモジュールは、
管シートの機外面上に付けられたカバー（図３の３１、３２）付きガスフィルタ
に配設される。中空繊維内部空間と、（もしあれば）入口、出口の室内部空間は
管側空洞室と呼ぶ。図２に図解した態様で、各繊維２４の内部ガスフィルタ表面
２２は、ガス透過性の重合体の層２６が塗付してある。図示していないが、代替
の態様案では、ガス透過性の層を繊維の外面２８に塗付できる。図２は、その繊
維が、シェル側空洞室と管側空洞室の間に流体漏洩なく封止する管シートに確実
に埋め込まれていることを示す。

【００２９】中空繊維モジュールは、様々な材料の繊維から組み立てることができる。例え
ば、中空繊維は、ＬａｇｕｎａＨｉｌｌｓ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＳｐｅｃ
ｔｒｕｍ社、ＨｏｅｃｈｓｔＣｅｌａｎｅｓｅ社から入手可能である。繊維を
管シートに取付けるための好ましい方法は、一束の繊維を並べ、ポリウレタンの
ような熱可塑性物質か熱硬化性の硬化重合体の深層内で、１単位として固定する
ことである。硬化重合体の他の層を用いて、最初の束ねた繊維に沿って、ある距
離（図１における１１）のところで束を保持する。平らな管シートの機外面は、
繊維の軸に垂直である方向に一つの固定した束を切り通すことで作ることができ
る。最初の機外面から都合のよい距離の所で、もう一方の固定した束を通してカ
ットし、第２の機外面を形成する事ができる。最終的に、管シート付き管束は、
長く伸びたケーシングの両端に接着か他の方法で封止し、モジュールを形成でき
る。本発明に使用するのに都合のよい、裸の中空繊維、すなわち、非多孔性の極
薄いガス透過性層のない繊維を含むモジュールの生成方法は、当業者にとって公
知である。多数の未塗付の中空繊維を含むモジュールは、Ｓｐｅｃｔｒｕｍ社及
びＨｏｅｃｈｓｔＣｅｌａｎｅｓｅ社のようなメーカーから市販品として入手
可能である。

【００３０】中空繊維基質は、また、空気輸送面積が供給−未透過物空気と非常に効果的に
接触するので好ましい。すなわち、入って来る気流を、空気が利用可能なガスフ
ィルタ面積の全てを横断して掃引するように、繊維の軸の方向に束ねた中空繊維
間を通って導くことができるからである。逆に、平らなシート形状に基づくガス
の透過性の膜には、膜との接触に淀みがあり、未透過物及び透過物富化空気のパ
ージが不十分である「デッドスペース」があり得る。これによって膜ユニットを
通ずる移動速度が遅くなる。

【００３１】小さい容積を占有していながら、膜ユニットが広い空気輸送面積を持っことが
できると言う特徴は、自動車エンジンのような移動可能なエンジンに使用するの
に特に有利である。すなわち、エンジン室は、現代、エンジンと付属品のため、
空いた空間がいつも益々限られてきているが、かかる膜ユニットは、都合よく、
これに設置できる。更に、中空繊維膜ユニットは、「インライン」（直接配設）
形式に配置できる。これは、膜ユニットの円筒の本体がエンジンの空気吸気管の
スプール部品として搭載でできることを意味する。このように配設するもう一つ
の利点は、インライン膜ユニットは、現存するエンジンへ比較的容易に、旧型の
改造ができることで、これで旧式エンジンでも富化空気を用いて燃焼する利益が
得られる。

【００３２】狭い容積で非常に大きい空気輸送面積を提供できる能力に加えて、本発明で使
用の好ましい非晶質共重合体は、非常に高い酸素透過性も持っている。例えば、
ＰＤＤ／ＴＦＥ共重合体膜は、好ましくは、少なくとも１００バーレル、更に少
なくとも２００バーレルの、より更により少なくとも５００バーレルの酸素透過
性を示せる。しかも、本発明の非晶質共重合体は高い透過性を示すので、微孔性
基質上に極薄い非多孔性の層に共重合体を供給できる能力、相俟って、特に、中
空繊維は優れた膜ユニット中酸素透過速度を提供する。この発明に従えば、約４
００ＧＰＵ（標準温度、圧力下ｃｍ３／ｃｍ２−ｓ−ｃｍＨｇ×１０−６の）を
超え、好ましくは、約６００ＧＰＵより高い酸素透過速度が達成され得る。典型
的な酸素透過速度は、４００〜１５００ＧＰＵの範囲にある。従って、この膜ユ
ニットは、一般に高速度の空気吸気流が必要な内燃エンジン供給上大変適してい
る。

【００３３】空気は、高い流量ばかりではなく富化状態でエンジンに供給することが重要で
ある。この発明で使用する膜は、非常に高い酸素／窒素選択性を示す。酸素／窒
素選択性は、好ましくは、少なくとも１．４、より少なくとも約１．５、更に少
なくとも１．７でなければならない。少なくとも最低の選択性を達成するために
は、非晶質共重合体の膜が、全体の空気輸送エアリア上非多孔性で、連続的であ
ることが重要である。すなわち、この非多孔性の層は、基質と同一の広がりを持
ち、切れ目がなく、実質的にボイド、穿孔、又は、他の流路（チャネル）がない
、もしこれらがあると、膜を通じて通路が開き、透過物空洞室と透過物空洞室の
間にガスが流通することになる。従って、本発明が高い酸素透過速度と高い選択
性の優れた組み合わせ持っガス透過性の膜ユニットを提供するということが理解
される。

【００３４】この発明で使用するのに好ましい選択的ガス透過性膜は、更に米国特許第５，
０５１，１１４号に開示されており、その全体をここに引用によって本明細書に
組み込む。

【００３５】該新規な方法は、この方法を実施するのに適当な装置を概略的に図解する図４
を参照すれば理解する事ができる。図４は、内燃エンジン２１用の富化空気供給
とコントロールシステムを示す。燃料供給、キャブレーション（気化）、電気関
係及びエンジン冷却システムのような他のシステムは公知であり図示していない
。

【００３６】公称７９容積％の窒素、２１容積％の酸素である大気中の空気８は、既知の空
気フィルタ１を経て導入される。入って来る空気は、ブロックバルブ２を通じて
、直接輸送ライン経由で膜ユニット６に導入し得、又は、ブロックバルブ３を経
て輸送ライン経由、圧力生成ユニットに分岐し得る。入って来る空気は、膜構造
９と接触する。一部の空気は、膜構造を透過し、それによって透過物空洞室１２
に入る。膜構造の選択的な透過性のために、透過物流は、酸素で富化されている
。部分的に、酸素を失った未透過物は、未透過物空洞室１０から輸送ライン４０
を通り、未透過物流コントロールバルブ７に排出される。透過物流４２は、輸送
ライン４４からフローコントロールバルブ１４か、又は、ブロックバルブ１３を
通じてライン４５経由で真空吸引ユニットに流れる。ライン４０と４４も他の輸
送ラインも、安全なフロー遮断能力を得るため、もしくは、便宜上個々のシステ
ム要素を遊離させるために、インラインブロックバルブ（図示せず）を持ち得る
。フローコントロールバルブ７からの未透過物流れは、ライン４３により３方切
替ベントバルブ及びライン４１により３方切替供給バルブ１９の夫々の入口ポー
トに向けられる。同様に、フローコントロールバルブ１４かフローコントロール
バルブ１５を通った真空吸引ユニットからの透過物流れは、ライン４７及び４６
により３方切替バルブ１１及び１９の個別の入口ポートに向けられる。３方切替
ベントバルブ１１の共通出口から余分の富化空気４８を、例えば大気に、排出す
る。３方切替供給バルブ１９の共通排出口から富化空気をエンジン供給ライン４
９を経て、究極的にエンジン２１の燃焼シリンダ２０に転換導入する。前述した
ように、エンジンに供給した富化空気は、エンジン本体に入る前に、通常のキャ
ブレーションシステム（図示せず）中、燃料と混合する事ができる。燃料と空気
燃焼物２８は、エンジンから排気管２２を経て、触媒コンバータのような通常の
後処置ユニット２３中に放出、排気管（テールパイプ）２４を経て、大気に排出
する。

【００３７】通常、与えられた時点で、未透過物流４０と透過物流４４のうちのどれか一つ
だけをライン４９を経てエンジンに供給する。すなわち、３方切替供給バルブ１
９は、通常４１か４６のいずれかから一方からの流れを通過させ、他の流れを閉
じるようにセットする。エンジンで燃焼に消費されなかった流れは、ライン４８
を経て排出される。従って、３方切替ベントバルブ１１は、透過物流４７か未透
過物流４３のいずれかを通過させ、他方の流れを妨害するようにセットされるべ
きである。即ち、透過物を供給する時は、未透過物をベントし、未透過物を供給
する時は、透過物をベントする。示したように、バルブ１１、１９は個々に作動
できる。透過物供給物と未透過物の供給作動モード間の交代に便利なように、操
作一つで双方を経るフロー経路を同時に変えられるように、バルブ１１、及び、
１９は、機械的に連絡できる。

【００３８】本プロセスでは、未透過物空洞室から透過物空洞室まで膜構造９を横断して負
の圧力勾配を課すことを必要とする。「圧力モード」型操作では、未透過物空洞
室の圧力はコンプレッサ５中に入って来る大気中の空気を圧縮することによって
得られる。これは、ブロックバルブ２を閉じ、３、４を開口することで達成する
。圧縮空気冷却用に熱交換器２６を設る。

【００３９】コンプレッサ５及び熱交換器２６は公知の設計である。膜ユニットに供給する
空気の圧力は、ベント又はエンジンに通じるシステムにおける流れが受ける制限
による圧力低下に打ち勝つのに十分に高くあるべきである。これは、膜構造を経
て選択的透過を引き起こすための負の圧力勾配が課す圧力低下を含む。膜ユニッ
トを横切る圧力勾配は、エンジンが必要とする富化空気の容積と膜ユニットの大
きさ、すなわち、空気輸送面積に依存する。典型的な圧力勾配は、約１５乃至７
５ｐｓｉ、好ましくは、約２０から５０ｐｓｉ、更に約３０から４５ｐｓｉであ
るべきである。好ましくは、コンプレッサ５の排出側の圧力は、圧力モード操作
で、少なくとも３０ｐｓｉａであるべきである。ターボチャージャータービンが
エンジン空気供給システムにある場合、これは、入って来る大気の空気の圧縮に
使用できる。ターボチャージャーは、これまでエンジン排気ガスによって駆動さ
れてきた。コンプレッサもエンジンからベルト又は機械的連結か、電気的に駆動
し得る。圧縮空気は、空気冷却もしくは内部又は外部の流体冷却剤との熱交換に
よって冷却し得る。内部冷却剤は、典型的に自動車エンジン冷却システムに見ら
れるように、再循環している冷却流体を意味する。外部冷却剤は、通常海洋エン
ジン冷却用に使われている一度限りの冷却を意味する。冷却システムは、ここに
図示、記述されていない公知の冷却剤循環ポンプ、バルブ、及び、コントロール
を更に含むことができる。

【００４０】本プロセスは、「真空モード」で同様に操作できるが、その際、透過推進力は
、膜ユニットの透過物側真空システムによって与えられる。そのような操作にお
いて、フローコントロールバルブ１４を閉じられ、透過物富化空気は、ライン４
５の開口バルブ１３を経て真空ポンプ１６及び熱交換器２７に流れる。通常のエ
ンジン作動による真空は、一般に真空ポンプなしの真空モードでは、透過用に所
望の負の圧力勾配を生み出すのに十分ではない。従って、真空モード操作では、
既知のエンジン空気吸引システムにおいて通常見られない真空ポンが必要になる
。但し、真空ポンプは、公知の技術でよい。好ましくは、真空ポンプは、電気的
に、例えばエンジンへ連結して機械的に駆動する。熱交換器は、上で示されたよ
うに公知の設計でよい。しかしながら、特記すべきは、あるエンジン操作条件下
、例えば、毎分低回転のアイドル速度、又は、低動力―毎分高回転で（例えば、
ハイウェイを巡航する自動車の条件）得られるエンジンによる真空は、補助の透
過用真空ポンプを操作する必要なしに透過を実施させるのに効果的であり得るこ
とである。

【００４１】コンプレッサ５と真空ポンプ１６の両方を備え、作動していれば、この新規な
プロセスでは、圧縮及び真空モードを同時に操作可能である。しかしながら、コ
ンプレッサ及び真空ポンプは、一般にかなりの量のエネルギーを消費するので、
１回毎に単一モードで操作する方が好ましい。更に詳細には、圧縮モードシステ
ムでは、真空ポンプ及びその関連熱交換器は、装置から除去してもよい。真空モ
ードで、コンプレッサ５及び熱交換器２６は、非常に高い膜ユニット空気供給圧
力を供給するのに必要ではない。それでも、膜ユニットの入口では、システムの
至る所にある制限に付随して起こる圧力低下する場合を克服するのに、わずかな
正の圧力が必要である。従って、真空モードにおいて、低圧ファンをコンプレッ
サ５の代わりに使え、熱交換器２６は除去できる。

【００４２】プロセスが圧縮モードか真空モードの内１つのモードだけで操作すれば、富化
空気をエンジンに供給するプロセスが消費するエネルギーは、非常に低くできる
。例えば、５％未満の動力を損失するだけで、富化窒素を供給する結果、かなり
Ｎｏｘの排出を減らせる。

【００４３】富化空気をエンジンに供給するプロセスは、様々なエンジン性能パラメータの
向上に使える。向上するのは、（ｉ）エンジン排気ガス中の種種の窒素酸化物濃
度の低減、（ｉｉ）エンジンパワーの増加、（ｉｉｉ）エンジンのリーンバーン
限界の拡大、そして（ｉｖ）コールドスタート排出の低減である。ＮＯｘ排出低
減は、窒素富化空気をエンジンに供給することに起因して起こり得る。前述のよ
うに、これは酸素富化透過物流れをライン４７を経て３方切替ベントバルブ１１
にベントし、一方、窒素富化物をライン４１を経て３方切替供給バルブ経由でエ
ンジンに送ることで達成される。

【００４４】コールドスタート排出を低減させ、リーンバーン限界及びエンジン動力を向上
させるには、エンジンへ供給する空気は、富化酸素であるべきである。装置は、
単にバルブの位置を切り替えるだけで酸素富化空気供給に容易に変換できる。詳
しくは、未透過物流をベントし、透過物流れをエンジン向けに供給するように、
３方切替バルブ１１、１９は切り替えなければならない。

【００４５】ある種の用途では、未透過物流供給か、透過物流だけを供給するために形成さ
れ、もう一方の流れはベントする装置を設けることが望ましいかもしれない。そ
のようなシステムにおいて、３方切替バルブ１１、及び、１９は、簡単なブロッ
クバルブと交換することができ、交叉する輸送ライン４１、４６が除去できる。

【００４６】図５は、内燃エンジンからのＮＯｘ排出の改良に適当な未透過物流れ供給シス
テムを示す。図解した態様で、ガスの透過性の膜ユニット５０は、円筒の中空繊
維モジュールである。大気中の空気流５５は、管側口５１を介して未透過物空洞
室５２に入り、管５６の内部を通過する。窒素富化未透過物流れ５８は、管側口
５３から回収される。これは、バルブ１０２を経てエンジンに向けられる。酸素
富化透過物流れ５７は、シェル側口５９からベントバルブ１０１に引き出される
。図示のように、第２シェル側口５４をめくら閉じしてもよく、或いは、必要と
あれば、透過物の流れ５７（断続線で図解したように）に連結できる。直角に曲
がっているものとして示したが、バルブ１０１、１０２は、簡単な真っ直ぐなブ
ロックバルブでよい。

【００４７】図６は、コールドスタート（冷始動）排出、リーンバーン限界の向上、又は、
動力の増加に適当な透過物流れ供給システムを示す。膜ユニットは、円筒の中空
繊維モジュール６０で、大気中の空気流６５が管側口６１を介して未透過物空洞
室６２に入り、管６６の内部を通過する。窒素富化未透過物流６７は、管側口６
３から引き出される。酸素富化透過物流れ６８は、エンジン供給用にシェル側口
６９から引き出される。図示のように、第２シェル側口６４がめくら閉じとする
か、必要ならば、透過物流６８に連結することができる（断続線で図示したよう
に）。

【００４８】一つの点で、この新規な方法は、最適なエンジン性能パラメータを得るため、
正しい濃度の窒素、もしくは、酸素富化空気を与えるように、フィードバックコ
ントロール（図４）ができるための構造に適応できる。フィードバックコントロ
ールシステムは、第一に透過物流れ流量、未透過物流れ流量を独立して調節する
ためのスロットル手段８２ａ、８２ｂ、及び、８２ｃを含む。そのようなスロッ
トル手段は、図で概略的に表さしたような、通常の圧縮空気作動コントロールバ
ルブを含む。第二に、フィードバックコントロールシステムは、装置の内で、選
択された場所での装置操作特性とエンジン性能パラメータを検知し、機械で読め
るシグナルへ変換するための感知（センサ）手段８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４
ｄ及び、８４ｅを含む。第三に、フィードバックコントロールシステムは、機械
で読めるシグナルを受信し、前もって選択しプログラムされたアルゴリズムに従
ってシグナルを評価し、コントロールシグナルをスロットル手段に送るためのプ
ログラム可能なコントロール手段２５を含む。プログラム可能なコントロール手
段は、感知手段８４ａ−８４ｅによって発生したアナログシグナルをデジタル化
変換し、スロットル手段８２ａ−８２ｃが使えるように、デジタルプロセッサア
ウトプットをアナログに変換するのに有効なコンピュータシステムであり、好ま
しくは、デジタル電子中央プロセッサユニットとアナログからデジタル変換装置
デバイスを持つ。

【００４９】コントロールシステムが感知するパラメータは、膜ユニット供給流８４ａ、未
透過物流８４ｂ、及び、透過物流８４ｃの流量、温度、圧力、酸素及び窒素濃度
；エンジンに供給された富化空気流の温度、圧力、濃度、空燃比、エンジン動力
出力８４ｄ及び、ＮＯｘ及び不完全燃焼による汚染物８４ｅを含む排気ガスの温
度、流量、及び、濃度を含む。様々の熱電対、及び、圧力変換器のような市販品
として利用可能なセンサは、これらの性能パラメータを検出するのに利用できる
。例えば、空気の濃度、及び、排出成分は、オンラインガスクロマトグラフィも
しくは、フーリェ変換赤外線分光法のような器機分析方法によって測定できる。

【００５０】中央プロセッサユニットは、予め選択した目標値に対してエンジン性能パラメ
ータを比較するようにプログラムできる。先に行った実験に基づいて、エンジン
への富化空気供給物の性質に答える予測エンジン性能の数学的なモデルを得るこ
とができる。中央プロセッサユニットは、所望の目標性能パラメータを与えると
予測するエンジン供給空気富化を計算するソフトウェアによって、プレ（予め）
プログラムできる。更に、プレ・プログラムされたアルゴリズムによれば、プロ
セッサは、予測されたエンジン供給空気富化を行うようスロットル手段の調整を
指示する出力シグナルを計算する。

【００５１】例えば、排気管排出ガス中に１，０００ｐｐｍＮＯｘの目標性能パラメータを
立てるとする。感知手段の検知では、ある時の実際の排気管排出ガスは、１，５
００ｐｐｍＮＯｘを含むとする。予め行われたエンジン供給空気対排出ガス性能
に基づいて予測をするモデルは、エンジン供給空気中に窒素が８２容積％あれば
、目標排出濃度を達成できるはずであることを示す。感知手段は、更に、その時
点現在の富化窒素供給濃度が８０容積％であるとプロセッサに告げる。コントロ
ールアルゴリズムは、所望のより高い窒素富化を達成するのに適切なスロットル
手段への出力コントロールシグナルを計算する。スロットル手段が調整され、そ
れでエンジン供給空気の富化度が変わる。このコントロールシステムのプロセス
は、目標値でエンジン性能パラメータが継続して維持されるよう、周期的に繰り
返す事ができる。

【００５２】ガス透過性の膜ユニットによって作られる富化空気の窒素又は、酸素ガス富化
程度を変えるのに好ましい方法は、段カットを変えることである。窒素富化空気
流がエンジンに供給されつつあり、更に高い濃度の窒素すなわち、更に高度の富
化が前の例の様に求められるとき、段カットを上げ、より多くの酸素が膜を透過
するようにする。これによって、更に未透過物から酸素が奪われ、従って、希望
どおりに窒素が更に富化される。同様に、酸素富化空気が供給されつつあって、
更に高度の酸素富化を希望する場合、段カットは、低下すべきである。段カット
は、窒素富化空気の富化度を下げるのに、低下し、酸素富化空気の富化度を上げ
るのには、増加すべきである。

【００５３】好ましいコントロールの方法は、更に図４を参照して説明できる。システムが
、窒素富化空気をエンジン２１に供給するようにセットしてあると仮定すると、
バルブ１１と１９は、酸素富化空気をライン４７を経てベントし、ライン４１を
経て窒素富化空気を供給するようにセットされる。更にその装置がコンプレッサ
５を使う圧力モード作動用に形成されていると仮定する。従って、透過物流はラ
イン４４及びフローコントロールバルブ１４を経て導かれる。更に高度の窒素富
化には、未透過物コントロールバルブ７を経る流れを制限し、更に広く透過物コ
ントロールバルブ１４を開いて段カット増加するべきである。これらの行動で、
酸素が選択的に透過物流に透過するのが促進され、より酸素が失われた未透過物
の流れができる。

【００５４】当業者であれば、今図４に解説した装置が、バルブ１１、１９を操作するだけ
で全く簡単に、窒素富化未透過物成分の供給と酸素富化透過物成分の供給間で容
易に切り替えられることが認識し得るであろう。従って、この新規な装置は、中
央プロセッサユニットにプログラムされた判定基準に応じて富化酸素か窒素富化
空気のいずれかを必要とする最適のエンジン性能を得るのに使える。例えば、エ
ンジンが冷たい条件から始動する場合、酸素富化空気を供給してコールドスター
ト排出を最小限にすることが望ましい。中央プロセッサユニットは、低いエンジ
ン温度を（例えば感知手段８４ｅから）検出する。プログラムされたアルゴリズ
ムは、スイッチ３方切替ベントバルブ１１を廻し、未透過物成分をベントし、３
方切替供給バルブ１９を廻して透過物成分を供給するように、プロセッサに指示
する。プログラムは、シグナルをフローコントロールバルブ７、１４、又は、１
５に送り、最適のコールドスタート排出を達成するよう段カットを行う。感知手
段によって検出されて、エンジンが安定状態の運転温度条件を達成したときに、
ＮＯｘ排出の低減が望ましくなることがある。プロセッサは、透過物成分がベン
トされている間、未透過物成分をエンジンに供給するように、バルブ１１、１９
の位置を切り替えるように装置に命令し得る。それ以降、プロセッサは、プログ
ラムされたアルゴリズムに従って、ＮＯｘ排出低減のための最適の段カッに到達
するために、出力をフローコントロールバルブに送るであろう。透過物と未透過
物供給モードの間の切替に使う多くの基準は、プロセッサアルゴリズム中にプロ
グラムできる。

【００５５】この発明は、ある代表的な実施例で説明するが、特に記載のない限り、全ての
部、割合及びパーセンテージは重量に基づく。

【００５６】実施例実施例中の非多孔性の膜は次の共重合体であった。ポリマーＡ：８５モル％パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキ
ソール及び１５モル％テトラフルオロエチレンの共重合体。ポリマーＢ：６５モル％パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキ
ソール及び３５モル％テトラフルオロエチレンの共重合体。

【００５７】実施例１及び比較例１３ｋＷの発電機を駆動するＦａｒｙｍａｎｎ型１気筒水冷式自然吸気４ｈｐデ
ィーゼルエンジンに富化窒素を供給して、排出ＮＯｘ及び一酸化炭素排出の低減
をめどにテストした。テスト装置は真空モードで操作するために、図７に概略的
に示したように装備した。１ｐｓｉｇ圧力（ゲージ７１上）下１０〜２１ｆｔ３
／分の範囲の外気を、１２０ボルトの電気モータ駆動の送風機７８で膜モジュー
ル７９の管側、未透過物空洞室中に吹き込んだ。円筒の膜モジュールは、公称３
インチの直径を持ち、約６２００本の多孔性の長さ７．５インチの内径５００μ
ｍポリスルフォン中空繊維を含み、それにより、１８ｆｔ２の有効ガス移動表面
積を備えていた。管内部の表面は、０．２μｍ未満の有効厚さになるよう、ポリ
マーＡの非多孔性の層を塗付した。

【００５８】段カットを行い、ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄガスクロマトグラフによる
定量により８１容積％の目標窒素富化を達成するよう、フローコントロールバル
ブを絞った。シェル側透過物空洞室における透過物流は、真空ポンプ７３で１５
〜２０インチＨｇゲージの範囲の圧力７５で吸引し、酸素富化透過物は、大気に
ベントした。素富化未透過物は、７．５〜８．５ｆｔ３／分の流速範囲内、０．
５ｐｓｉｇの圧力で、０．２５インチ直径大気ベント７４を持つ１０ガロン容器
７０に仕込みことで、送風機が引き起こす可能性のあるどんな少しのターボチャ
ージ効果をも相殺するようにした。容器からの窒素富化空気は、発電機７２を駆
動するディーゼルエンジン７６のインテーク（吸気管）に供給された。発電機は
、エンジンにかかる動力負荷をコントロールするように変動できる負荷バンクに
連結されていた。排出データは、バカラク（Ｂａｃｈａｒａｃｈ）Ｍｏｄｅｌ３
００ＮＳＸアナライザを使って２分間にわたって分析した。報告された排出値は
、２分間分析値の平均であった。

【００５９】実施例１において、エンジンは、排出温度とエンジン冷却水出口温度が安定す
るまで、負荷なしで作動させた。エンジン性能パラメータを記録し表１に要約し
た。総発電機動力の３５％の負荷を発電機に課し、エンジンが安定化してから、
富化空気吸気を８１％窒素濃度に維持しながらデータを再び採集した。負荷を変
え、７０％及び１００％負荷下で、データをとった。比較用に（比較例１）、エ
ンジンに大気の空気を供給し、０％、３５％、７０％及び１００％負荷テストを
繰り返した。表１のデータは、外気の空気供給例と比べると、８１％窒素富化空
気供給では、ＮＯｘ排出が全ての負荷レベルで著しく低減したことを示している
。これらのデータは、更に、８１％窒素富化空気を供給してＮＯｘを低減しても
、全ての負荷レベルでＣＯ排出に殆ど影響しなかったことを示す。

【００６０】

【表１】

【００６１】実施例２ポリマーＢを内面に塗付した二つの円筒の膜モジュールが平行に取付けられて
いるのを除けば、実施例１と同じ手法を繰り返した。他の点では、膜モジュール
の構成は、実施例１のそれと同一で、従って有効全ガス移動面積は、３６ｆｔ２
であった。真空ポンプで１３インチＨｇゲージ圧に吸引し、全体で２０．５ｆｔ
３／分の供給空気流から約８ｆｔ３／分の透過物を引き出した。これで、８３容
積％窒素の窒素富化未透過物を生成した。これらのテストからのデータは表２に
示す。

【００６２】この実験は、窒素富化を８３容積％の範囲まで上げると、ＮＯｘ排出が、８１
容積％の場合と比較して微かに低下したが、一酸化炭素排出物が、比較例１に比
し非常に増加したことを示す。

【００６３】

【表２】

【００６４】実施例３〜５実施例２と同じ構成の円筒の中空繊維膜モジュールを、約２０ｓｔｄ．ｆｔ３
／分（ｓｔａｎｄａｒｄｆｔ３／ｍｉｎ．）の大気の空気を管側を通して１０
０ｐｓｉａに圧力を加え供給して、圧力モードでテストした。Ｓｅｒｖｏｍｅｘ
Ｍｏｄｅｌ７５０Ａ酸素アナライザを用いて、供給物、透過物、及び、未透過
物の流れ中の酸素濃度を定量した。データは表３に示す。

【００６５】

【表３】

【００６６】実施例６〜８実施例１と同じ構成の円筒の中空繊維膜モジュールを、真空モードがシェル側
に真空を引いて行ったことを除けば、実施例３〜５と同様にテストした。データ
は表４に示す。

【００６７】

【表４】

【００６８】実施例９〜１０及び比較例２実施例１のディーゼルエンジン、発電機及び中空繊維膜モジュールを、図８に
示すように透過物供給用真空モード用に装備した。低圧送風機８８を用いて空気
をモジュールに流すようにした。実施例９で、ガス流条件は、エンジンに２４容
積％酸素を供給するよう段カットをセットした。発電機による負荷パワーなしで
、エンジン排気ガスの不透明度をＷａｇｅｒ６５００Ｐｏｒｔａｂｌｅ煙メータ
で測定した。発電機出力を段階的に上昇させ、それに従って燃料噴射を増加させ
た。利用可能な酸素による燃焼量を超過した燃料は、排出不透明度の上昇が示す
ように煙として排出された。実施例１０で、エンジンへの富化供給物は２５．５
容積％酸素を含んでいた。この方法は、比較例２で大気の空気（名目上２１容積
％酸素）で繰り返した。データは表５に示す。

【００６９】その結果、燃料を追加してもかなりの分が酸素で燃焼しないので、動力を僅か
増加しただけである。膜分離によって生成した酸素富化空気供給物は、大気から
の空気供給に比し、同等の動力消費で、不透明度がはるかに低かった。これは、
与えられたディーゼルエンジンで、富化酸素空気供給によって更に高い動力が出
力し得ることを証明する。

【００７０】

【表５】

【００７１】実施例１１及び比較例３Ｏｎａｎ３ｋＷ発電機ガソリンエンジンは、電子燃料噴射コントロールが装備
されていた。これで、エンジン出力スピードを空気供給流を絞るだけで調整する
間、燃料流が一定の状態に保たれることを可能にした。実施例１１において、エ
ンジンに供給した空気は、実施例１と同じ構成の円筒の中空繊維モジュール膜ユ
ニットによる分離で富化した酸素であった。

【００７２】その膜は図８で示すように配置され、２３容積％酸素富化空気を供給し、真空
モードで操作するようにした。エンジンは２２００回転／分で０．４馬力出力す
るように制御された。空燃比は段階的に増加した。燃料消費及び排出データは表
６に示す。比較例３では、この方法を外気の（すなわち、２１容積％酸素）空気
によって繰り返した。

【００７３】

【表６】

【００７４】エンジンは、大気を用いた場合、空燃比１８より上では作動しなかった。これ
らのデータは、膜分離プロセスによって生成した富化酸素を供給することにより
、ガソリンエンジンのリーンバーン限度が２０．１：１の空燃比に拡張されたこ
とを示す。

【００７５】実施例１２実施例１１に使用と同じ装置を用い、部分的に酸素を除去した空気の場合のリ
ーンバーン時の空燃比限界を決定した。装置は、真空モードで、エンジンへ未透
過物空気供給を達成するために図７と同様に設備した。段カットは、エンジン供
給空気が１９容積％酸素を含むように調整した。実施例１１で使用した方法を繰
り返し、表７に示された結果を得た。

【００７６】酸素を一部除去した空気を供給すると、エンジンリーンバーン限度が空燃比で
１６：１を越えることができないということが分かった。この例から、通常、窒
素富化空気を供給することによってリーンバーン限度を広げようとするのは、得
策ではないことが分かる。しかし、この実験を実施例１１及び比較例３と組み合
わせると、エンジン性能を変える点で、内燃エンジンに窒素か酸素のいずれかを
富化した空気を供給するのに、ガス透過性の膜分離技術が適応性があることが分
かる。

【００７７】

【表７】

【００７８】実施例１３スロットル機構本体９６は、１９８８年型ＣｈｅｖｒｏｌｅｔＳ−１０小型
トラック９０の２．５リットル、燃料注入型ガソリンエンジン９９のスロットル
弁９７を持ち、図９で概略的に示したように、直径４インチポリ塩化ビニルパイ
プから製作した気密のカバー９５を装備していた。カバーの前部には、ブロック
バルブ９４を持つ１．５インチ直径の大気供給ライン管が取付けられた。同じ円
筒中空繊維ガスの透過性の膜モジュールユニット、二組、９２ａ、９２ｂの透過
物流は、カバー９５に通じるブロックバルブ９３に並列に連結されていた。膜モ
ジュールは、全体の直径３インチで、夫々７５０μｍの内径及び有効長さ７．５
インチの約３，０００本の微孔性のポリスルフォン中空繊維を備えていた。管の
内面は、ポリマーＡの厚さ＜０．２μｍの非多孔性の層を塗付されていた。双方
のモジュールの有効ガス輸送面積は、全体で２９ｆｔ２であった。膜モジュール
は、トラックに搭載され、１２Ｖ直流送風機９１ａ、９１ｂが、図示のように、
夫々モジュール管側に大気中の空気を吹き込むように取付けられた。トラックに
設置する前に、それらのモジュールは、個々にそれぞれ１７インチＨｇ．ゲージ
真空の吸引力の下で、２５容積％酸素富化透過物を１３（標準）ｆｔ３／分の流
速で供給できるか、実験室でテスト済みである。

【００７９】エンジンは、バルブ９３を閉じ、バルブ９４を開放し、静止トラックで始動し
た。エンジン回転／分、エンジンカバー９５での真空度を測定し、空気流速は、
それから計算した。データは表８に示す。バルブ９３及び９４のポジションを逆
転し、富化透過物流の酸素濃度の測定中、膜モジュールを通じての気流を同様に
計算した。燃料流量は、エンジンの回転を最大３２００回転／分に加速するよう
増加し、測定を繰り返した。

【００８０】バルブを再び大気からの空気供給用にのみにセットして、このトラックを１時
間３５マイルで路上運転した。それらのバルブを再び逆転し、酸素富化空気をエ
ンジンに供給した。データは表８に示してある。

【００８１】この実施例は、膜モジュールがモジュールを経て透過物を真空吸引のみで自動
車を転するのに十分な酸素富化空気を供給し得ることを立証している。モジュー
ル供給の空気で、外気の空気供給によるのと同じ車両性能、すなわち、エンジン
速度、及び、車両速度が得られた。しかしながら、モジュールから供給された空
気は、２４容積％酸素を含んでいたのである。他の態様では、酸素富化空気がス
ロットル弁プレート９７のの下流側のスロットル機構９６に供給できることが立
証された。

【００８２】

【表８】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に基づくコンパクトな中空繊維ガス透過性膜ユニットの断面図
である。

【図２】図２は、図１の膜ユニットの一部分の詳細図である。

【図３】図３は、エンドキャップ配設済み円筒状中空繊維膜ユニットの断面図である。

【図４】図４は、本発明に基づいた装置の略図である。

【図５】図５は、窒素富化空気をエンジンに供給専用に形成された新規な装置の略図で
ある。

【図６】図６は、酸素富化空気をエンジンに供給専用に形成された新規な装置の略図で
ある。

【図７】図７は、窒素富化空気をディーゼルエンジン供給するにに、真空モードで中空
繊維ガス透過性の膜ユニットを使う装置の略図である。

【図８】図８は、酸素富化空気をディーゼルエンジン供給するのに、真空モードで中空
繊維ガス透過性の膜ユニットを使う装置の概要の図である。

【図９】図９は、ガソリン動力エンジンを持つ自動車に取付けられたガス透過性膜装置
の略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０１Ｂ 13/02 Ｃ０１Ｂ 13/02 Ｚ 21/04 21/04 ＭＦ０２Ｄ 21/02 Ｆ０２Ｄ 21/02 (72)発明者ケヴィン・パトリック・カラハンアメリカ合衆国デラウェア州 19805 ウィルミントンノース・バンクロフト 921 (72)発明者トッド・コリン・リパートアメリカ合衆国メリーランド州 21921 エルクトンウィロウ・コート 24 Ｆターム(参考） 3G092 AA01 AA02 AA06 AA09 AB02 AB03 BA00 BA04 DE17S DF01 EA05 EA07 EC01 FA01 FA17 FA18 FA24 FA31 GA01 GA05 HA01X HA01Z HA03X HA03Z HA04Z HA05Z HA06Z HD01Z HD04Z HE06Z 4D006 GA41 HA02 JA02A JA25A MA01 MA09 MA31 MB03 MB04 MC11X MC22X MC28X MC29X MC30X MC62X MC87 PA02 PB17 PB62 PB63 PC71 4G042 BA30 BB02 BC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と燃焼空気の混合物の内燃により作動するエンジンの操
作方法に於いて、（Ａ）選択的ガス透過性膜ユニットを用いて、空気を酸素富化成分と窒素富
化成分に分割する工程と、（Ｂ）酸素富化成分と窒素富化成分からなる群から選択した富化空気をエン
ジンに供給する工程から成り、該混合物は大気を含まず、そして、該選択的ガス透過性の膜ユニットは、（ｉ）酸素／窒素選択性が少なくとも１
．４で、酸素透過率が少なくとも５０バーレルであり、（ｉｉ）パーフルオロ−
２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの非晶質共重合体から形成され、（ｉ
ｉｉ）該非晶質共重合体のガラス遷移温度未満の温度にある非多孔性の膜を含むことを特徴とするエンジン操作方法。
【請求項２】前記非晶質共重合体が、パーフルオロ−２，２−ジメチル−
１，３−ジオキソールと、補足的な量のテトラフルオロエチレン、パーフルオロ
メチルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、ヘクサフルオロプロピレン及び、ク
ロロトリフルオロエチレンから成る群から選択した少なくとも一種の単量体との
共重合体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記非晶質共重合体が、パーフルオロ−２，２−ジメチル−
１，３−ジオキソールとテトラフルオロエチレンとの二元共重合体である、請求
項１に記載の方法。
【請求項４】膜ユニットの酸素／窒素選択性が約１．５：１である、請求
項１に記載の方法。
【請求項５】非多孔性膜が、ポリオレフィン、フッ素化ポリオレフィン、
ポリスルフォン、繊維素エステル重合体、オレフィン共重合体、フッ化オレフィ
ン共重合体、ポリスルフォン共重合体、繊維素エステル共重合体、及び、この内
最低二種の混合物からなる群から選ばれた重合体の微孔性基質で支持された、請
求項１に記載の方法。
【請求項６】微孔性基質が中空繊維である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】選択的ガス透過性膜ユニットが、（１）両端を持つ長いケーシングと、（２）第一管シート機外面を持つケーシングの一端に第一管シートと、（３）第二管シート機外面を持つケーシングの他端に第二管シートと、（４）第一管シート機外面から第二管シート機外面へケーシング中実質的に
平行に伸びた複数の両端開放の微孔中空繊維を含み、該中空繊維が総合的に内面と外面を持ち、該内面が管側空洞室を形成し、ケー
シングと該外面がシェル側空洞室を形成し、そして、（５）ケーシングを通し少なくとも一つのシェル側口を含み、内面と外面の内少なくとも一面が該非多孔性の膜で塗付されている、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】分離工程が、更に、（Ｉ）空気を管側空洞室の一端に導入する工程と、（ＩＩ）管側空洞室の第２の端から窒素富化成分を抜き出す工程と、そして
、（ＩＩＩ）シェル側空洞室から酸素富化成分を抜き出す工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】分離工程が、更に、（Ｉ）空気をシェル側の一つの口に導入する工程と、（ＩＩ）該シェル側口から離れたもう一つのシェル側口から窒素富化成分を
抜き出す工程と、そして、（ＩＩＩ）少なくとも管側空洞室の一端から酸素富化成分を抜き出す工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】少なくとも内面、外面の内、一面上の塗付層が該面と同一
の広がりを持ち、厚さ約０．０１〜１０μｍである、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】分離工程が、膜を通して少なくとも約４００ＧＰＵの流束
で酸素を輸送する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】エンジンが圧縮点火エンジンである請求項１に記載の方法
。
【請求項１３】エンジンがディーゼルエンジンである請求項１２に記載の
方法。
【請求項１４】エンジンがスパーク点火エンジンである請求項１に記載の
方法。
【請求項１５】酸素富化成分が約２２から約４０容積％の酸素を含む請求
項１に記載の方法。
【請求項１６】窒素富化成分が約８０から約９５容積％の窒素含む請求項
１に記載の方法。
【請求項１７】燃料と燃焼空気の混合物の内燃により作動するるエンジン
に富化空気を供給する装置に於いて、該装置は、（ａ）ケーシングと、該ケーシング内にあり、（ｉ）酸素／窒素選択性が少なくとも１．４、酸素透
過率が５０バーレルで、（ｉｉ）パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジ
オキソールの非晶質共重合体から形成され、（ｉｉｉ）非晶質共重合体のガラス
遷移温度以下の温度にある非多孔質膜と、ケ−シング内、膜の一つの側にあり、そこに入る大気の供給流から酸素を該膜
を通して選択的に透過させ、そこで生成した窒素富化空気流の未透過物用流源に
なる未透過物用空洞室、及び、ケーシング内、膜の反対の側にあって、酸素富化空気の透過物流源であり、そ
こで、透過物流原供給流れ比率が段カットを決定する透過物空洞室とを含む選択的ガス透過性膜ユニットでと、（ｂ）膜間に未透過空洞室圧力から透過物空洞室圧力へ負の圧力勾配を生成
する為の圧力変化手段、及び、（ｃ）該酸素富化空気か窒素富化空気のいずれかをエンジンに導くように適
応した供給選択バルブより成り、該装置の操作により大気からの空気を含まない該混合物を提供する
装置。
【請求項１８】圧力変化手段が、未透過物空洞室圧力を透過空洞室圧力よ
り高くする為の圧縮手段より成る請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】圧力変化手段が、透過物空洞室圧力を未透過空洞室圧力よ
り低くする為の吸引手段より成る請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】更に、酸素富化空気又は窒素富化空気をベントさせるよう
適応したベント選択バルブを含む請求項１７の方法。
【請求項２１】更に、（ｉ）エンジン排気ガスの窒素酸化物の濃度、（ｉ
ｉ）エンジン動力、（ｉｉｉ）エンジンのリーンバーン限界、及び、（ｉｖ）コ
ールドスタート排出ガスの中から選択されたエンジン性能パラメータに応答する
ように段カットを制御する為のフィードバックコントロール手段を含む請求項２
０に記載の装置。
【請求項２２】フィードバックコントロール手段が、（Ａ）透過物流れ流量、及び、未透過物流れ流量を独立して調節するスロッ
トル手段と、（Ｂ）装置中で選んだ場所の装置操作特性とエンジン性能パラメータを検出
し、機械で読み取れる信号へ変換する感知手段と、（Ｃ）機械で読みとれるシグナルを受信し、予め選択したプログラムされた
アルゴリズムに従って信号を評価し、コントロール信号をスロットル手段に送信
する為のプログラム可能なコントロール手段から成る請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】未透過流をエンジンに供給するように供給選択バルブをセ
ットし、透過物流をベントするようにベント選択バルブをセットする請求項２２
に記載の方法。
【請求項２４】透過流を燃焼室に供給するように供給選択バルブをセット
し、未透過物流をベントするようにベント選択バルブをセットする請求項２２に
記載の方法。
【請求項２５】選択的ガス透過性膜ユニットが、（１）両端を持つ長いケーシングと、（２）第一管シート機外面を持つケーシングの一端に第一管シートと、（３）第二管シート機外面を持つケーシングの他端に第二管シートと、（４）第一管シート機外面から第二管シート機外面へケーシング中実質的に
平行に伸びた複数の両端開放の微孔中空繊維とを含み、該中空繊維が総合的に内面と外面を持ち、該内面が管側空洞室を形成し、ケー
シングと該外面がシェル側空洞室を形成し、更に、（５）ケーシングを通し少なくとも一つのシェル側口を含み、内面と外面の内、少なくともその一面が該非多孔性の膜で塗付されている請求
項１７に記載の装置。
【請求項２６】少なくとも内面、外面の内、一面上の塗付層が該面と同一
の広がりを持ち、厚さ約０．０１〜１０μｍである請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】膜ユニットを通して少なくとも約４００ＧＰＵの流束で酸
素を輸送する請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】圧力変化手段が通常のエンジン操作による真空よりなる請
求項１７に記載の装置。
【請求項２９】エンジンがスロットル板を備えたスロットル機構を持ち、
富化空気がスロットル板の下流に位置するスロットル機構に供給される請求項２
８に記載の装置。
【請求項３０】富化空気が酸素富化成分から成る請求項１に記載の方法。
【請求項３１】富化空気が窒素富化成分から成る請求項１に記載の方法。
【請求項３２】酸素富化空気と窒素富化空気のうち一種のみを、随時エン
ジンに供給する請求項１に記載の方法。