JP2009257244A - 内燃機関排ガス中の水分除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排ガス中の水分を除去する具体的な方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排ガスを排気管３の途中に設けられた浄化触媒４により浄化した後、浄化触媒４の下流側の排気管３から排ガスの一部を分岐させて熱交換器６に導入し、該排ガスを冷却して該排ガスに含まれる水分を凝縮させて除去し、該水分が除去された排ガスを排気管３に還流する。排ガスを分岐させる排気管３からの分岐点と、排ガスを排気管３に還流する合流点との間に備えた流量制御弁１２により、排気管３から分岐される排ガス量を制御する。水分が除去された排ガスを内燃機関１の吸気に合流させる。排ガスを内燃機関１の吸気に合流させる合流点の上流側に備えた流量制御弁１２により、排気管３から分岐される排ガス量を制御する。熱交換器６により除去された水分を回収し、エタノール−ガソリン混合燃料に混合して、エタノールとガソリンとを分離させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関から排出された排ガスから、該排ガスに含まれる水分を分離、除去する水分除去方法に関する。

近年、自動車用燃料として、エタノール−ガソリン混合燃料を用いることが検討されている。前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たバイオエタノールを用いることができる。前記植物性物質は、土壌管理を厳密に行うことにより、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。前記カーボンニュートラル効果は、原料となる植物自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量が理論的にはゼロになるというものである。従って、自動車用燃料として、前記エタノール−ガソリン混合燃料を用いることにより、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。

また、前記エタノールは燃料として見た場合、オクタン価が高く、ガソリンに比較してアンチノッキング性に優れている。従って、前記エタノールを燃料とすることにより内燃機関の性能を律しているノッキングを抑制することが可能になる。

しかし、前記エタノールのみを燃料とするには高濃度のエタノールが必要である上、該エタノールは体積発熱量がガソリンに比較して小さいので、前記ノッキングを抑制することによる熱効率は向上しても、体積燃料消費率は悪化する虞がある。しかも、前記エタノールは植物由来であるため、生産量に限度がある。

一方、内燃機関のノッキングは、該内燃機関の高負荷時において生じるものであり、低負荷時には生じる虞が小さいことが知られている。そこで、高負荷時にのみ、高濃度のエタノールを燃料とすることにより、前記ノッキングを効率的に抑制できるものと考えられる。

このような考えに基づいて、内燃機関の要求負荷に応じて、該内燃機関に対するガソリンとエタノールとの供給割合を制御する技術が、本出願人により提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記技術は、前記エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合することにより、該エタノール−ガソリン混合燃料を車上でガソリンとエタノール−水混合液とに分離し、該エタノール−水混合液をエタノールとして用いるものである。

前記エタノール−ガソリン混合燃料をガソリンとエタノール−水混合液とに分離する場合、該エタノール−ガソリン混合燃料に混合する水をどこから調達するかが問題である。この点について、前記内燃機関から排出された排ガスは多量の水分を含んでいるので、該水分を凝縮させて回収することが合理的である。そこで、本出願人は前記技術において、前記内燃機関の排気管の途中に水分回収装置を設け、該水分回収装置に冷媒を流通させることにより、前記排ガス中に含まれる水分を凝縮させて回収することを提案している。

しかしながら、前記水分回収装置の構成は概念的なものであり、さらに改良が望まれる。
特開２００７−１３８８８８号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、内燃機関の排ガス中の水分を除去するための具体的な方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の内燃機関排ガス中の水分の除去方法は、内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化した後、該浄化触媒の下流側の該排気管から該排ガスの一部を分岐させて熱交換器に導入し、該熱交換器で該排ガスを冷却して該排ガスに含まれる水分を凝縮させて除去し、該水分が除去された排ガスを該排気管に還流することを特徴とする。

本発明では、まず、内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化する。内燃機関から排出された排ガスは、通常、パティキュレート等の粒子状物質を含んでおり、前記浄化触媒は該粒子状物質を捕集し、燃焼させると共に、燃焼により生じたＨＣ、ＣＯ等を酸化して浄化する。

次に、前記浄化触媒により浄化された前記排ガスの一部を、該浄化触媒の下流側の前記排気管から分岐させ、熱交換器に導入する。そして、前記熱交換器で前記排ガスを冷却することにより、前記水分を凝縮させて除去する。一方、前記水分が除去された前記排ガスは、前記熱交換器から前記排気管に還流される。

本発明によれば、前記内燃機関の排ガス中の水分の除去を、簡便な構成により、該内燃機関の制御とは独立した制御により行うことができる。

また、本発明では、前記排ガスを分岐させる前記排気管からの分岐点と、前記排ガスを該排気管に還流する合流点との間に備えた流量制御弁により、該排気管から分岐される該排ガスの量を制御することが好ましい。このようにすると、前記熱交換器に導入される前記排ガスの量を制御することができ、該排ガス中の水分の凝縮を効率よく行うことができる。

また、本発明では、前記のように水分が除去された前記排ガスを、前記排気管に還流することに代えて、前記内燃機関の吸気に合流させるようにしてもよい。前記熱交換器で水分が凝縮されて除去された後の前記排ガスは冷却されているものの、大気に比較すれば十分に高温である。そこで、前記排ガスを前記内燃機関の吸気に合流させることにより、ＥＧＲとしての効果を得ることができる。

この場合、前記排ガスを前記内燃機関の吸気に合流させる合流点の上流側に備えた流量制御弁により、前記排気管から分岐される該排ガスの量を制御することが好ましい。このようにすると、前記熱交換器に導入される前記排ガスの量を制御することができ、該排ガス中の水分の凝縮を効率よく行うことができると共に、ＥＧＲとして前記内燃機関に還流される該排ガスの量を同時に制御することができる。

また、本発明の方法では、前記熱交換器により除去された水分を回収し、該水分をエタノール−ガソリン混合燃料に混合して、エタノールとガソリンとを分離させることが好ましい。この場合、前記エタノール−ガソリン混合燃料に混合して、エタノールとガソリンとを分離させるための水分を前記内燃機関により確保することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の一態様の水分除去方法に用いられるシステム構成図であり、図２は図１に示すシステムの変形例を示すシステム構成図である。また、図３は本実施形態の他の態様の水分除去方法に用いられるシステム構成図であり、図４は図３に示すシステムの変形例を示すシステム構成図である。

本実施形態の水分除去方法は、例えば、自動車に搭載されている内燃機関に用いることができる。図１に示すように、自動車に搭載されている内燃機関１は、外気を導入する吸気管２と、内燃機関１の内部で燃料を燃焼させることにより生じた排ガスを排出する排気管３とを備えており、排気管３の途中には浄化触媒槽４が介装されている。浄化触媒槽４は、排気管３に流通される排ガス中のパティキュレート等の粒子状物質を捕集し、燃焼させると共に、燃焼により生じたＨＣ、ＣＯ等を酸化して浄化する。

本実施形態に用いられるシステムは、さらに、浄化触媒槽４の下流側の排気管３から排ガスの一部を分岐させて取出す取出導管５と、取出導管５により取出された排ガスが導入される凝縮用熱交換器６と、凝縮用熱交換器６で冷却された排ガスを排気管３に還流する還流導管７とを備えている。

凝縮用熱交換器６は、図示しない冷却手段により導入された排ガスを冷却して、該排ガスに含まれている水分を凝縮させて、分離除去するものである。前記冷却手段としては、空気、専用の冷媒、石油ワックス、燃料等を図示しない導管により凝縮用熱交換器６の内部に流通させるもの、或いはファン、車体を構成する金属等により凝縮用熱交換器６を冷却するもの等を挙げることができる。

また、凝縮用熱交換器６は、前記のようにして分離除去した水分をエタノール−ガソリン混合燃料に混合する用途等に利用するために、所定の位置に移送する移送導管８を備えている。移送導管８には、凝縮用熱交換器６に近い側から順に、夾雑物を除去するためのフィルタ９、分離除去された水分を中和するためのニュートライザ１０、移送のためのポンプ１１が設けられている。

一方、還流導管７には、前記排ガスの流量を制御するために、流量制御弁１２が設けられている。

次に、図１に示すシステムによる本実施形態の水分除去方法について説明する。

本実施形態の水分除去方法では、まず、内燃機関１から排出された排ガスが、排気管３の途中に設けられた浄化触媒槽４に導入され、該排ガス中のパティキュレート等の粒子状物質が捕集されて、燃焼される。また、前記粒子状物質の燃焼により生じたＨＣ、ＣＯ等が酸化されて浄化される。前記ＨＣは、酸化されることにより水と二酸化炭素とになり、前記排ガス中の水分の含有量が増加するので好都合である。

次に、前記のようにして浄化された排ガスの一部を、浄化触媒槽４の下流側で、取出導管５により分岐させて取出し、凝縮用熱交換器６に導入する。このとき排気管３から分岐されて取出される排ガスの量は、還流導管７に設けられた流量制御弁１２により制御される。

凝縮用熱交換器６に導入された排ガスは、図示しない冷却手段により冷却され、該排ガス中に含まれる水分が凝縮されて、分離除去される。そして、水分が分離除去された前記排ガスは還流導管７により、排気管３に還流される。

一方、凝縮用熱交換器６で分離除去された水分は、移送導管８に設けられたポンプ１１により、移送導管８を介して凝縮用熱交換器６から取出され、例えば、エタノール−ガソリン混合燃料に混合する用途等に利用される。前記水分は、塵埃等の夾雑物を含んでおり、排ガス中の窒素酸化物、硫黄酸化物等を含んで酸性になっていることがある。そこで、前記水分は、移送導管８に設けられたフィルタ９により前記塵埃等の夾雑物が除去され、次いでニュートライザ１０で中和される。

この結果、前記水分の水質を前記エタノール−ガソリン混合燃料に混合する用途等に利用するために、十分なものとすることができる。

図１のシステムでは、凝縮用熱交換器６に導入される前記排ガスの量を流量制御弁１２により制御するようにしているが、取出導管５の下流側の排気管３中に流量制御弁１３を設けて、この流量制御弁１３により制御してもよく、また吸気管２に設けられている吸気弁１４により制御してもよい。

また、本実施形態の水分除去方法では、図１のシステムに加えて、図２に示すように、取出導管５及び還流導管７の途中に予備熱交換器１５を備えるものを用いるようにしてもよい。予備熱交換器１５を備えることにより、凝縮用熱交換器６における前記排ガスの冷却をさらに効率よく行うことができる。

また、本実施形態の水分除去方法では、図１のシステムに代えて、図３に示すように、還流導管７を吸気管２に接続し、水分が分離除去された前記排ガスを吸気管２中の吸気に合流させ、内燃機関１に還流するようにしてもよい。前記排ガスを内燃機関１に還流することによりＥＧＲの効果を得ることができる。また、この場合、還流導管７に流量制御弁１２を設けることにより、熱交換器６に導入される前記排ガスの量を制御することができると同時に、ＥＧＲとして内燃機関１に還流される該排ガスの量を制御することができる。

さらに、本実施形態の水分除去方法では、図３のシステムに加えて、図４に示すように、取出導管５及び還流導管７の途中に予備熱交換器１５を備えるものを用いるようにしてもよい。予備熱交換器１５を備えることにより、凝縮用熱交換器６における前記排ガスの冷却をさらに効率よく行うことができる。

本発明の水分除去方法の一態様に用いられるシステム構成図。 図１に示すシステムの変形例を示すシステム構成図。 本発明の水分除去方法の他の態様に用いられるシステム構成図。 図３に示すシステムの変形例を示すシステム構成図。

符号の説明

１…内燃機関、 ２…吸気管、 ３…排気管、 ４…浄化触媒槽、 ５…取出導管、 ６…凝縮用熱交換器、 ７…還流導管、 ８…移送導管、 ９…フィルタ、 １０…ニュートライザ、 １２，１３…流量制御弁。

Claims (5)

1. 内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化した後、該浄化触媒の下流側の該排気管から該排ガスの一部を分岐させて熱交換器に導入し、該熱交換器で該排ガスを冷却して該排ガスに含まれる水分を凝縮させて除去し、該水分が除去された排ガスを該排気管に還流することを特徴とする内燃機関排ガス中の水分除去方法。
2. 前記排ガスを分岐させる前記排気管からの分岐点と、前記排ガスを該排気管に還流する合流点との間に備えた流量制御弁により、該排気管から分岐される排ガスの量を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関排ガス中の水分除去方法。
3. 内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化した後、該浄化触媒の下流側の該排気管から該排ガスの一部を分岐させて熱交換器に導入し、該熱交換器で該排ガスを冷却して該排ガスに含まれる水分を凝縮させて除去し、該水分が除去された排ガスを該内燃機関の吸気に合流させることを特徴とする内燃機関排ガス中の水分除去方法。
4. 前記排ガスを前記内燃機関の吸気に合流させる合流点の上流側に備えた流量制御弁により、前記排気管から分岐される該排ガスの量を制御することを特徴とする請求項３記載の内燃機関排ガス中の水分除去方法。
5. 前記熱交換器により除去された水分を回収し、該水分をエタノール−ガソリン混合燃料に混合して、エタノールとガソリンとを分離させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の内燃機関排ガス中の水分除去方法。

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