JP2007309213A - Oxygen enriching device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関に高酸素濃度の空気を供給して燃焼効率を上げるために、エンジン吸気路の空気に酸素濃度を高めた空気を供給する酸素富化装置及びその制御に関する。 The present invention relates to an oxygen enrichment device that supplies air with an increased oxygen concentration to the air in an engine intake passage in order to increase combustion efficiency by supplying air with a high oxygen concentration to an internal combustion engine, and control thereof.
車両のガソリンエンジンは、ディーゼルエンジンに比べ低速トルクが不足しているため、アクセル踏み込み時の加速感が得られないといわれる。
ガソリンエンジンで低速トルクが不足するのは低速時のエンジン筒内への導入酸素量が少ないためエンジンの熱効率が上がらないことが原因である。従って、導入酸素量を増加させるために酸素富化装置を用いることが行われる。
従来、内燃機関において、酸素富化装置を用いた技術として例えば特許文献1がある。これは、酸素・窒素分離型の吸着材(ゼオライトなど)を用いて空気から高酸素濃度の空気を取り出し、これをタンクに貯蔵し、制御装置と連動したバルブを介して高濃度酸素をエンジンの空気吸入路に供給してエンジンへの導入酸素量を増加させる方法である。また、高濃度酸素をタンクに蓄圧して直接エンジンの燃焼室にガス噴射弁から噴射する方法も開示されている(例えば特許文献2)。
The reason why the low-speed torque is insufficient in a gasoline engine is that the thermal efficiency of the engine does not increase because the amount of oxygen introduced into the engine cylinder at low speed is small. Therefore, an oxygen enricher is used to increase the amount of oxygen introduced.
Conventionally, as a technique using an oxygen enrichment apparatus in an internal combustion engine, for example, there is
しかし、上記従来の高濃度酸素供給システムでは、一定の酸素濃度の空気を供給することが困難であるだけでなく、多量の高濃度酸素を供給するためには、非常に大きなタンクを必要とし、容積増による搭載性、重量増による燃費悪化などの問題がある。 However, in the conventional high-concentration oxygen supply system, not only is it difficult to supply air with a constant oxygen concentration, but in order to supply a large amount of high-concentration oxygen, a very large tank is required, There are problems such as mountability due to volume increase and fuel consumption deterioration due to weight increase.
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、高濃度酸素をエンジン吸気路に供給する酸素富化装置において、吸気路に供給する高濃度酸素の量と酸素濃度を制御することで、エンジンに供給する混合後の酸素富化空気の酸素濃度を簡素に、かつ正確に制御してエンジンのトルクを向上させ、さらに、酸素貯蔵用のタンクを使用しない搭載性のよい酸素富化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in an oxygen enrichment device that supplies high-concentration oxygen to the engine intake passage, the amount of high-concentration oxygen supplied to the intake passage and the oxygen concentration are controlled to supply the engine. To provide an oxygen enrichment device that can easily and accurately control the oxygen concentration of mixed oxygen-enriched air to improve engine torque, and that does not use a tank for storing oxygen. With the goal.
上記課題を解決するための請求項1に記載の酸素富化装置は、分離膜を介した前室と後室との両室間に圧力差を生じさせる圧力差発生部を備え、前記前室に通常空気が導入されて前記後室に酸素または窒素を透過させ、通常空気中より酸素を分離する酸素分離部と、前記酸素分離部により分離した酸素富化空気を貯蔵する酸素貯蔵部と、エンジン吸気路を流通する通常空気に対し、前記酸素貯蔵部に貯蔵した酸素富化空気の混入量を調整する制御装置と、を備える酸素富化装置において、前記酸素貯蔵部は、分離した酸素富化空気を収容する容積を縮小し、所定容積当たりの酸素富化空気量を増大させて貯蔵する酸素吸着部を備えることを特徴とする。
なお、本発明では、酸素富化する前の通常の大気(吸気)を通常空気と称し、酸素分離部で酸素富化された空気を酸素富化空気と称し、酸素富化空気と通常空気とを混合した空気を混合吸気と称して、三者を区別する。
The oxygen enrichment apparatus according to
In the present invention, normal air (intake) before oxygen enrichment is referred to as normal air, and oxygen-enriched air in the oxygen separator is referred to as oxygen-enriched air. The mixed air is called mixed intake air to distinguish the three.
請求項1発明の酸素富化装置は、制御装置により吸気路の通常空気への酸素富化空気の混入量を調整してエンジンに供給する吸気路の混合吸気の酸素濃度を制御することができる。従って、エンジンに供給する混合吸気の酸素濃度そのものをエンジンの運転状況に応じて正確にコントロールすることができる。また、運転状況によりエンジンに供給する吸気の酸素濃度を高める必要のない場合には、酸素貯蔵部を酸素の保存に専念させることができる。さらに、酸素貯蔵部を従来のタンクに代えて酸素吸着部で構成したので酸素過濃空気貯蔵のためのスペースと重量を大幅に縮小することができ、搭載性を著しく向上させることができる。 In the oxygen enrichment device of the first aspect of the invention, the control device can control the oxygen concentration of the mixed intake air in the intake passage supplied to the engine by adjusting the amount of oxygen-enriched air mixed into the normal air in the intake passage. . Therefore, the oxygen concentration itself of the mixed intake air supplied to the engine can be accurately controlled in accordance with the operating condition of the engine. In addition, when there is no need to increase the oxygen concentration of the intake air supplied to the engine depending on the operating conditions, the oxygen storage unit can be dedicated to storing oxygen. Furthermore, since the oxygen storage unit is constituted by an oxygen adsorption unit instead of a conventional tank, the space and weight for storing oxygen-rich air can be greatly reduced, and the mountability can be remarkably improved.
請求項2の発明は、請求項1の酸素富化装置において、前記酸素吸着部は、酸素吸着部の温度を降下させて酸素を酸素吸着部に貯蔵させる温度降下手段と、酸素吸着部の温度を上昇させて酸素を酸素吸着部より放出させる温度上昇手段と、を備えることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the oxygen enrichment apparatus according to the first aspect, wherein the oxygen adsorbing unit is configured to lower the temperature of the oxygen adsorbing unit and store oxygen in the oxygen adsorbing unit, and the temperature of the oxygen adsorbing unit. And a temperature raising means for releasing oxygen from the oxygen adsorbing portion.
請求項3の発明は、請求項2の酸素富化装置において、熱交換器にエアコン用冷媒を供給して行われる温度降下手段を備えていることを特徴としている。
請求項4の発明では、上記の酸素吸着部の加熱は、温度上昇手段として熱交換器にヒータ用温水を供給して行う構成とすることもできる。
請求項5の発明は、請求項3乃至4の酸素富化装置において、熱交換器へのエアコン用冷媒、および、ヒータ用温水の供給量を調整し、酸素吸着部における酸素の吸蔵量、および、放出量を調整する調整部を備えることを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in the oxygen enrichment apparatus according to the second aspect, the apparatus is provided with a temperature lowering means that is performed by supplying a refrigerant for an air conditioner to the heat exchanger.
In the invention of
According to a fifth aspect of the present invention, in the oxygen enrichment apparatus according to the third to fourth aspects, the supply amount of the air conditioner refrigerant and the warm water for the heater to the heat exchanger is adjusted, And an adjustment unit for adjusting the discharge amount.
請求項2〜5の構成によれば、酸素吸着部を加熱することで酸素を放出し、冷却することで酸素貯蔵を行っているので車載のヒータ用温水やエアコン用冷媒等の熱源を利用することができる。従って、上記の効果(請求項1の発明の効果)に加えて新たな装置は必要とされずコスト上昇も抑えられる。 According to the structure of Claims 2-5, since oxygen is discharge | released by heating an oxygen adsorption part, and oxygen storage is performed by cooling, heat sources, such as a vehicle-mounted warm water for heaters, and a refrigerant | coolant for air conditioners, are utilized. be able to. Therefore, in addition to the above effect (the effect of the invention of claim 1), a new device is not required and the cost increase can be suppressed.
請求項6の発明は、請求項1の酸素富化装置において、酸素分離部の分離膜はゼオライト分離膜で構成されている。
圧力差によって酸素(あるいは窒素)のみを選択的に透過させるゼオライト透過膜を採用することで外気から取り入れた空気から減圧あるいは加圧によって容易に酸素富化した空気を生成できるので、通常の分離膜を使用した酸素分離器よりもシステム的に簡素な構成とすることができる。
According to a sixth aspect of the present invention, in the oxygen enrichment apparatus of the first aspect, the separation membrane of the oxygen separation section is constituted by a zeolite separation membrane.
By using a zeolite permeable membrane that selectively permeates only oxygen (or nitrogen) depending on the pressure difference, it is possible to easily generate oxygen-enriched air from the air taken from the outside air by decompression or pressurization. It is possible to make the system simpler than that of an oxygen separator using the above.
請求項7の発明は、請求項1〜6の酸素富化装置において、制御装置は、加熱及び冷却は車両の運転状況に基づいて酸素吸着部の加熱量及び冷却量を制御する構成となっている。
請求項7の構成によれば、エンジンが酸素富化空気を必要としないときは酸素を貯蔵し、エンジンが酸素富化空気を必要とする運転状況のときにのみ酸素を放出して効率よく酸素富化装置を制御することができる。
According to a seventh aspect of the present invention, in the oxygen enrichment device according to the first to sixth aspects, the control device is configured to control the heating amount and the cooling amount of the oxygen adsorbing portion based on the driving state of the vehicle for heating and cooling. Yes.
According to the structure of
請求項8の発明は、請求項1〜6の酸素富化装置において、制御装置は、車両の運転状況、及びエンジン吸気路の混合吸気(通常空気と酸素貯蔵部の酸素富化空気とを混合して生成される)の酸素濃度を検出するO2センサからの情報に基づいて酸素吸着部の加熱量及び酸素供給バルブの開度を制御してエンジンに供給する酸素富化空気の酸素濃度を制御する構成となっている。
この構成によれば、酸素富化装置は運転状況に応じた酸素濃度の空気(吸気)を的確にエンジンに供給することができるので、車両の運転者は運転状況に応じて必要なトルクを容易に得ることができる。
According to an eighth aspect of the present invention, in the oxygen enrichment device according to any one of the first to sixth aspects, the control device mixes the operating state of the vehicle and the mixed intake air in the engine intake passage (normal air and oxygen enriched air in the oxygen storage section). The oxygen concentration of the oxygen-enriched air supplied to the engine is controlled by controlling the heating amount of the oxygen adsorbing part and the opening of the oxygen supply valve based on the information from the O2 sensor that detects the oxygen concentration of It is the composition to do.
According to this configuration, the oxygen enricher can accurately supply air (intake air) having an oxygen concentration according to the driving situation to the engine, so that the vehicle driver can easily provide the necessary torque according to the driving situation. Can get to.
請求項9の発明は、請求項1〜8の酸素富化装置において、酸素吸着部はカルキン酸銅を用いて構成したものとすることができる。
カルキン酸銅は、冷却あるいは加圧することで多量の酸素分子をその表面に吸着し、加熱することで容易に放出する特性を有する。従って、従来の酸素貯蔵用のタンクに代えてカルキン酸銅で構成した酸素吸着部を使用することにより、重量、容量とも大幅に減少させることが可能となる。また、冷却や加熱で酸素の吸蔵、放出を制御できるので酸素吸着部の構成と操作が容易である。
According to a ninth aspect of the present invention, in the oxygen enrichment apparatus according to the first to eighth aspects, the oxygen adsorbing portion may be configured using copper calcinate.
Copper calcinate has a characteristic that a large amount of oxygen molecules are adsorbed on its surface by cooling or pressurizing and easily released by heating. Therefore, by using an oxygen adsorbing portion made of copper calcinate instead of the conventional oxygen storage tank, it is possible to significantly reduce both weight and capacity. Further, since the occlusion and release of oxygen can be controlled by cooling and heating, the configuration and operation of the oxygen adsorbing portion are easy.
以上述べてきたように、本発明の内燃機関の酸素富化装置は、第一にエンジンに供給する空気の酸素濃度をO2センサで検出し、酸素吸着部と酸素供給バルブとスロットルバルブを制御することによって、酸素濃度を正確にコントロールできるので運転状況に対応した酸素濃度の空気をエンジンに供給し、エンジンの熱効率を向上させて必要なトルクを得ることができる。
第二に酸素分離部で生成した酸素富化空気に対してさらに酸素吸着部から酸素分子を放出させて、従来の酸素富化空気よりも酸素濃度がより高い空気とすることができる。このことは、エンジンに供給する空気の酸素濃度を高めるときに目標酸素濃度に到達する時間を短縮する効果がある。
第三に高酸素濃度空気を貯蔵するタンクに代えて吸着材に酸素を貯蔵させるようにしたので重量を軽減し、容量を小型化した搭載性のよい酸素富化装置となっている。
As described above, the oxygen enrichment device for an internal combustion engine according to the present invention first detects the oxygen concentration of the air supplied to the engine by the O2 sensor, and controls the oxygen adsorption unit, the oxygen supply valve, and the throttle valve. Thus, since the oxygen concentration can be accurately controlled, air having an oxygen concentration corresponding to the driving situation can be supplied to the engine, and the thermal efficiency of the engine can be improved to obtain the necessary torque.
Secondly, oxygen molecules can be further released from the oxygen adsorbing unit to the oxygen-enriched air generated in the oxygen separation unit, so that the oxygen concentration is higher than that of the conventional oxygen-enriched air. This has the effect of shortening the time to reach the target oxygen concentration when increasing the oxygen concentration of the air supplied to the engine.
Third, instead of a tank for storing high oxygen concentration air, oxygen is stored in the adsorbent material, so that the weight is reduced and the capacity is reduced, and the oxygen enrichment apparatus has good mountability.
以下、図1〜図10を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る酸素富化装置10及び酸素富化装置10が係わるエンジンの吸気路、制御系を示す全体構成図である。
図1に示すように、酸素富化装置10は、酸素分離部1、圧力発生部2、酸素貯蔵部3、酸素供給バルブ4、O2センサ5、制御装置としてのECU8から構成されている。圧力発生部2は、減圧ポンプ2a、減圧ポンプ2aを駆動するための動力源2c、減圧ポンプ2aと酸素分離部1とを接続する圧力流路2bとから構成されている。
酸素貯蔵部3は酸素吸着部6と熱交換器7とから構成されている。さらに、酸素富化装置10を制御するためにECU8が酸素貯蔵部3、酸素供給バルブ4及びO2センサ5に接続されている。
エンジン吸気路51の上流側には酸素分離部1にエンジン吸気路51から分岐した通常空気を酸素分離部1に導入するための分岐路9が接続されており、エンジン吸気路51の下流側には酸素富化装置10からの酸素富化空気を通常空気に混合して下流のエンジン50に酸素富化した混合吸気として送出するための混合層54が設けられている。また、エンジン吸気路51の大気導入口には大気の塵等を除去するエアクリーナ52、エンジン吸気路51に設けられた混合層54の入口側にはスロットルバルブ53が設けられている。スロットルバルブ53はECU8により制御される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an
As shown in FIG. 1, the
The
A
本発明を構成する主要部について、構成及び動作について以下に述べる。
〈酸素分離部〉
窒素・酸素分離膜としての酸素分離部1は、図2の断面図に示すように、密閉された円筒形の容器1aの中に窒素を選択的に透過させる円筒形状のゼオライト分離膜1bを組み込んだものである。ゼオライト分離膜1bは、窒素分子と酸素分子のゼオライトへの吸着特性の違い(窒素分子の吸着量が酸素分子の吸着量より数倍大きい)を利用してゼオライト分離膜の左右の面(円筒形状の膜の内側と外側)に圧力差をつけて窒素のみを選択的に透過させ酸素富化した空気を生成する。
酸素分離部1は、密閉された容器1aの入口側がエンジン吸気路51から分岐した分岐路9に接続され、出口側は酸素富化された酸素富化空気が送出される下流側の分岐路9に接続されている。容器1aの側面には減圧ポンプ2aと連通する圧力流路2bが接続されている。酸素分離部1の入口側から円筒形状のゼオライト分離膜1b内(前室1c)に導入された通常空気は、前室1c内を入口側から出口側へと流れる間にゼオライト分離膜1bの外周部(後室1d)の空気が減圧ポンプ2aによって吸引されることにより窒素のみがゼオライト分離膜1bを通過して圧力流路2bへと吸引されるので、出口側から酸素貯蔵部へと送出されるときには酸素濃度の高い酸素富化空気となっている。一方、圧力流路2bへと吸引された窒素は減圧ポンプ2aを経由して排出路2dから外部に排出される。減圧ポンプ2aは、排ガスにより作動される駆動源2cにより駆動されている。
〈酸素貯蔵部〉
The configuration and operation of the main part constituting the present invention will be described below.
<Oxygen separator>
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the
The
<Oxygen storage unit>
酸素貯蔵部3は、図3の模式図に示すように、密閉された容器3aの中にカルキン酸銅からなる酸素吸着部6を組み込んだもので、酸素吸着部6は、図4の斜視図に示すように酸素分離部1から送られてくる酸素富化空気との接触面を広くし、熱交換し易いようにフィン状に形成されている。各フィン状酸素吸着部の間は酸素富化空気が通過する空気流通路3bとなっている。
酸素貯蔵部の酸素吸着部の温度降下手段としては、冷却作用を利用し、温度上昇手段としては、加熱作用を利用することができる。本実施の形態では、冷却用媒体としてカーエアコン用の冷媒(代替フロン、CO2など)を用い、加熱用温水としてエンジンの冷却廃熱用温水を用いる構成としている。
そのため、フィン状酸素吸着部6の中には、図5及び図6の断面図に示すように、熱交換器7を構成する加熱用パイプ7aと冷却用パイプ7bが埋め込まれている。加熱用パイプ7aの入口側には加熱用パイプ7a内を流れる加熱用温水の流量を調整して酸素吸着部6の酸素放出量を制御する制御部として温水バルブ7Hが備えられ、冷却用パイプ7bの入口側には冷却用パイプ7b内を流れる冷却用媒体の流量を調整して酸素吸着部6の酸素吸蔵量を制御する制御部として冷却水バルブ7Cが備えられている。温水バルブ7Hと冷却水バルブ7Cは、それぞれECU8に接続されている。
〈酸素吸着部〉
As shown in the schematic diagram of FIG. 3, the
As the temperature lowering means of the oxygen adsorption section of the oxygen storage section, a cooling action can be used, and as the temperature increasing means, a heating action can be used. In the present embodiment, a refrigerant for car air conditioners (alternative chlorofluorocarbon, CO2, etc.) is used as a cooling medium, and warm water for engine cooling waste heat is used as hot water for heating.
Therefore, as shown in the cross-sectional views of FIGS. 5 and 6, a
<Oxygen adsorption part>
酸素吸着部による酸素の貯蔵について説明する。酸素吸着部は多孔質状のカルキン酸銅の薄膜を比較的熱伝導率の高い金属(例えば、銅など)の支持基材の上に形成したもので、図7は、酸素吸着部による貯蔵を模式的に示したものである。酸素吸着部の表面を形成しているカルキン酸銅は、酢酸銅にテレフタル酸を加えることにより集積型の金属錯体を合成したものである。その構造は2次元にポリマー化カルボン酸金属状シートを3次元に集積し、均一なミクロ細孔を形成したものである。このカルキン酸銅が酸素吸着部の内部に配設された熱交換器により冷却されることにより表面のミクロ細孔に酸素分子(O2)が吸着する。また、カルキン酸銅と接している周囲の空気(酸素過濃空気)の加圧によっても酸素分子を吸着する。逆に、加熱されることで酸素分子を離脱させる特性を有する。すなわち、吸着材を加圧または冷却することで周囲の空気から酸素分子のみを取り込み貯蔵し、加熱することで貯蔵している酸素分子を放出して周囲の空気の酸素濃度を高めることができる。
なお、吸着材(カルキン酸銅)は100gで30lの酸素を貯蔵することができる(ただし、lは吸着材に吸着する酸素分子O2の体積、gは吸着材の重さ)。
The storage of oxygen by the oxygen adsorption unit will be described. The oxygen adsorbing part is a porous copper calcinate thin film formed on a support base of a metal having a relatively high thermal conductivity (for example, copper). FIG. 7 shows storage by the oxygen adsorbing part. It is shown schematically. Copper calcinate forming the surface of the oxygen adsorbing portion is obtained by synthesizing an integrated metal complex by adding terephthalic acid to copper acetate. Its structure is that two-dimensionally polymerized metal carboxylate sheets are three-dimensionally integrated to form uniform micropores. The copper calcinate is cooled by a heat exchanger disposed inside the oxygen adsorbing portion, whereby oxygen molecules (O 2) are adsorbed on the micropores on the surface. Also, oxygen molecules are adsorbed by pressurization of the surrounding air (oxygen-rich air) in contact with copper calcinate. On the other hand, it has the property of releasing oxygen molecules when heated. That is, by pressing or cooling the adsorbent, only oxygen molecules are taken in from the surrounding air and stored, and by heating, the stored oxygen molecules are released to increase the oxygen concentration in the surrounding air.
The adsorbent (copper calcinate) can store 30 l of oxygen at 100 g (where l is the volume of
次に、この酸素富化装置10の動作を説明する。
図1に示すように、外部からエンジン吸気路51に導入された通常空気は、エアクリーナ52を通過した後、一部は分岐路9を経由して酸素分離部1へと導かれる。酸素分離部1に導入された通常空気は、円筒形状のゼオライト分離膜1bの中空部(前室1c)を入口側から出口側へと通過する間に窒素(N2)のみが外周部(後室1d)に移動し、高酸素濃度の空気(酸素富化空気)となっている。酸素分離部1の出口側から送出された酸素富化空気は下流の酸素貯蔵部3へと導入される。酸素貯蔵部3は送られてきた酸素富化空気に対して、ECU8からの指令に基づいて酸素の貯蔵あるいは酸素の放出かのいずれかを行う機能を持つ。この時、ECU8は、酸素貯蔵部3と酸素供給バルブ4とスロットルバルブ53とを同時に制御してエンジン吸気路の混合吸気の酸素濃度を目標の値に導く。
Next, operation | movement of this
As shown in FIG. 1, the normal air introduced into the
エンジンに供給する混合吸気の酸素濃度の制御は、図8のフローチャート及び図9のタイミングチャートに示すように行われる。
ECU8において、まず、混合吸気の酸素濃度制御のパラメータとして酸素濃度要求値(目標値)の決定、酸素濃度測定値の入力が行われる(図8のステップS1)。酸素濃度要求値は、エンジンに供給する空気(吸気)の酸素濃度をアクセル開度との関連において決定するもので、ECU8に入力するアクセル開度と酸素濃度のマップに基づいて酸素濃度要求値が決定される。同時にO2センサ5で検出されている酸素濃度が酸素濃度測定値としてECU8に入力される。ステップS2において、この酸素濃度要求値と酸素濃度測定値の比較が行われ、酸素濃度要求値が酸素濃度測定値より大きければ(ステップS2でYES)ステップS3に進む。
Control of the oxygen concentration of the mixed intake air supplied to the engine is performed as shown in the flowchart of FIG. 8 and the timing chart of FIG.
First, the
ここで、ステップS3は図9のタイミングチャートに示す切替え1の条件に該当し、ECU8は、熱交換器7の温水バルブ7Hを全開、冷却水バルブ7Cを全閉、酸素供給バルブ4を全開、スロットルバルブ53の開度調節、の操作を平行して行う。
温水バルブ7Hを開き熱交換器7の加熱用パイプ7aに温水を供給し酸素吸着部6を加熱することにより、酸素吸着部6の表面に吸着されている酸素分子は放出される。これにより酸素貯蔵部3の入口側から導入された酸素富化空気は、さらに酸素濃度が高められて出口側から送出され、全開した酸素供給バルブ4を介して混合層54に送られる。このとき、ECU8は、スロットルバルブ53の開度を絞り通常空気の混合層54への流入量を少なくする。すなわち、分岐路9を経由して酸素供給バルブ4から流入する酸素富化空気の量に相当する量が少なくなるように操作する。
Here, step S3 corresponds to the condition of switching 1 shown in the timing chart of FIG. 9, and the
By opening the
スッテプS2における酸素濃度要求値と酸素濃度測定値の比較で、酸素濃度要求値が酸素濃度測定値より小さければ(ステップS2でNO)ステップS4に進む。
図9のタイミングチャートに示す切替え2の条件は、ステップS4に該当する一例である。エンジンに供給する混合吸気の酸素濃度要求値(目標値)は、大気の酸素濃度(約21%)より高い値(例えば25%)に設定されているが切替え1で設定され維持されてきた酸素濃度より低い値に設定されている。ECU8は、熱交換器7の温水バルブ7Hを全閉とし、冷却水バルブ7Cの開度を徐々に大きくしながら冷却用パイプ7bに供給する冷媒を増していく。同時に、酸素供給バルブ4に対しては、バルブの開度を徐々に絞る制御を行う。この一連の制御サイクル(S1〜S4)の次回のステップS2において、酸素濃度要求値が酸素濃度測定値より小さければ、さらに、冷却水バルブ7Cの開度を大きくして酸素吸着部6の放出する酸素分子の量を減らし酸素富化空気の酸素濃度を下げるとともに、酸素供給バルブ4の開度を絞って混合吸気の酸素濃度を低下させる。
If the required oxygen concentration value is smaller than the measured oxygen concentration value in the comparison between the required oxygen concentration value and the measured oxygen concentration value in step S2 (NO in step S2), the process proceeds to step S4.
The condition for switching 2 shown in the timing chart of FIG. 9 is an example corresponding to step S4. The oxygen concentration required value (target value) of the mixed intake air supplied to the engine is set to a value (for example, 25%) higher than the atmospheric oxygen concentration (about 21%), but has been set and maintained in the
このようにして、混合吸気の酸素濃度要求値が達成された後は、酸素分離部1で生成された酸素富化空気が図9タイミングチャートのB)酸素供給バルブ開度に示すようにバルブがかなり絞り込まれた一定の開度でエンジン吸気路51の混合層54に送出される。
このとき、スロットルバルブ53は、酸素供給バルブ4の開度調節による酸素過濃空気の流量低下分だけ通常空気の流量が増加するように開度調節されている。
温水バルブ7Hが閉じられ、冷却水バルブ7Cが全開となるので酸素吸着部6は冷却される。さらに、酸素分離部1で生成されて酸素貯蔵部3の容器3a内に導入された酸素過濃空気は、酸素供給バルブ4が絞られエンジン吸気路51に送出される流量が減少しているのでその圧力が上昇する。この酸素吸着部6の冷却と加圧により酸素吸着部6の表面には酸素分子が吸着される(すなわち、酸素の貯蔵が行われる)。
Thus, after the oxygen concentration requirement value of the mixed intake air is achieved, the oxygen-enriched air generated in the
At this time, the opening degree of the
Since the
以上の一連の操作を一サイクルとして繰り返して、エンジンに供給する混合吸気の酸素濃度を最適値に制御する。 The above series of operations is repeated as one cycle, and the oxygen concentration of the mixed intake air supplied to the engine is controlled to an optimum value.
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2に係る酸素富化装置20とその制御系を示す全体構成図である。
図10示す酸素富化装置20が図1の酸素富化装置10(実施の形態1)と異なる点は、酸素分離部にある。実施の形態1の酸素分離部1は、円筒形のゼオライト分離膜の外周部を減圧して、円筒内の空気から窒素を外周部の外側に引き抜き、円筒内を軸方向に通過する空気に対して酸素富化を行うものである。一方、実施の形態2の酸素分離部21の場合は、容器内にはゼオライト分離膜を通過して外部に排出される窒素富化された空気が通る第1経路と、ゼオライト分離膜を通らない空気(第1経路に窒素が移動するので酸素富化空気となる)が通る第2経路が設けられている。加圧ポンプ22aにより空気を酸素分離部21に圧送することでゼオライト分離膜に対して圧力差をつけ酸素富化空気を生成する。そして、酸素富化された第2経路の酸素富化空気を酸素貯蔵部3へと送出するように構成したものである。第1経路の窒素富化された空気は排出路21dから外部に排出される。
その他の構成及び動作は、図1の実施の形態1と同じであるので同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is an overall configuration diagram showing the
The
Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
なお、実施の形態1、2とも酸素分離部1(21)に導入する空気は、吸気路51から分岐して送り込んでいるが、大気から直接導入する構成としてもよい。また、実施の形態1、2のゼオライト分離膜は窒素を透過させるものであるが、酸素を透過させて酸素富化空気を生成するものでもよい。
In the first and second embodiments, the air introduced into the oxygen separation unit 1 (21) is branched and sent from the
実施の形態では酸素貯蔵部3の酸素吸着部6の加熱は、酸素吸着部6に加熱用パイプを埋め込み、温水を供給する構成としているが、電熱線等を埋め込み電流をオン・オフして加熱する構成としてもよい。
In the embodiment, heating of the
1、21:酸素分離部 1a:容器(酸素分離部)
2:圧力差発生部 1b:ゼオライト分離膜
3:酸素貯蔵部 1c:前室
4:酸素供給バルブ 1d:後室
5:O2センサ 2a:減圧ポンプ
6:酸素吸着部 2b:圧力流路
7:熱交換器 2c:駆動源
8:ECU(制御装置) 2d、21d:排出路
9:分岐路 3a:容器(酸素貯蔵部)
10、20:酸素富化装置 3b:空気流通路
50:エンジン 7a:加熱用パイプ
51:エンジン吸気路 7b:冷却用パイプ
52:エアクリーナ 7H:温水水バルブ(調整部)
53:スロットルバルブ 7C:冷却水バルブ(調整部)
54:混合層 21a:第1経路
21b:第2経路
22a:加圧ポンプ
1, 2: 1:
2: Pressure
10, 20:
53: Throttle valve 7C: Cooling water valve (adjusting part)
54: Mixed layer 21a: First path
21b: Second route
22a: Pressurizing pump
Claims (9)
前記酸素分離部により分離した酸素富化空気を貯蔵する酸素貯蔵部と、
エンジン吸気路を流通する通常空気に対し、前記酸素貯蔵部に貯蔵した酸素富化空気の混入量を調整する制御装置と、
を備える酸素富化装置において、
前記酸素貯蔵部は、分離した酸素富化空気を収容する容積を縮小し、所定容積当たりの酸素富化空気量を増大させて貯蔵する酸素吸着部を備えることを特徴とする内燃機関における酸素富化装置。 A pressure difference generating section that generates a pressure difference between both the front chamber and the rear chamber through the separation membrane, and normal air is introduced into the front chamber to allow oxygen or nitrogen to pass through the rear chamber, An oxygen separator for separating oxygen from the air;
An oxygen storage unit for storing oxygen-enriched air separated by the oxygen separation unit;
A control device that adjusts the amount of oxygen-enriched air stored in the oxygen storage unit with respect to normal air flowing through the engine intake passage;
In an oxygen enrichment apparatus comprising:
The oxygen storage unit includes an oxygen adsorbing unit that stores the oxygen-enriched air that has been separated by reducing the volume for storing the oxygen-enriched air and increasing the amount of oxygen-enriched air per predetermined volume. Device.
該酸素吸着部の温度を上昇させて酸素を該酸素吸着部より放出させる温度上昇手段と、を備えることを特徴とする請求項1記載の内燃機関における酸素富化装置。 The oxygen adsorbing part, a temperature lowering means for lowering the temperature of the oxygen adsorbing part and storing oxygen in the oxygen adsorbing part;
2. The oxygen enrichment device for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising a temperature raising means for raising the temperature of the oxygen adsorbing portion to release oxygen from the oxygen adsorbing portion.
通常空気と前記酸素貯蔵部が放出する前記酸素富化空気とを混合して生成された混合吸気の酸素濃度を検出するO2センサからの情報と、
に基づいて前記酸素吸着部の加熱量と冷却量、および酸素供給バルブの開度を制御して、エンジンに供給する該混合吸気の酸素濃度を制御することを特徴とする請求項1乃至6記載の内燃機関における酸素富化装置。 The control device includes a driving situation of the vehicle,
Information from the O2 sensor for detecting the oxygen concentration of the mixed intake air generated by mixing the normal air and the oxygen-enriched air released from the oxygen storage unit;
7. The oxygen concentration of the mixed intake air supplied to the engine is controlled by controlling the heating amount and cooling amount of the oxygen adsorbing portion and the opening degree of the oxygen supply valve based on the control. Enrichment device in an internal combustion engine.
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