JP2010216303A - 内燃機関の窒素富化ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型なシステムにより、効率よく窒素富化空気を内燃機関３の燃焼室７に供給する窒素富化ガス供給装置１を提供する。
【解決手段】窒素富化ガス供給装置１は、排気ガスの一部を排気通路１０から吸気通路９に供給するバイパス通路２２と、バイパス通路２２中に配置されてバイパス通路２２を流れる排気ガスから二酸化炭素を分離する気体分離膜を有する気体分離装置２３とを備える。これにより、気体分離膜により排気ガスから二酸化炭素を分離し、窒素リッチガスを燃焼室７に供給することができる。窒素に対する分離率は、酸素よりも二酸化炭素の方が大きいので、酸素をほとんど含まず二酸化炭素を多く含有する排気ガスを利用することにより、気体分離膜が小さくても効率よく二酸化炭素が分離されて窒素リッチガスを得ることができる。この結果、小型なシステムにより、効率よく窒素リッチガスを燃焼室７に供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の内燃機関の燃焼室に窒素濃度の高い空気を供給する窒素富化ガス供給装置に関する。

従来より、内燃機関の排気改善及び燃費改善のために、窒素富化空気を内燃機関に供給する技術がある（特許文献１参照）。そして、従来の窒素富化空気供給装置では、気体分離膜で空気中の酸素の一部を除去することにより窒素富化空気を得ている。

しかし、大気から窒素富化空気を得る技術では、気体分離膜での酸素の窒素に対する分離比が小さいため、分離効率が悪く、分離を促進するために高圧の加圧空気を供給するための大掛かりな装置を要したり、気体分離膜を大きくしなければならないという問題点があった。

特開２００４−１９０５７０号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、小型なシステムにより、効率よく窒素富化空気を内燃機関の燃焼室に供給することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、排気ガスの一部を排気通路から吸気通路に供給するバイパス通路と、バイパス通路中に配置されてバイパス通路を流れる排気ガスから二酸化炭素を分離する気体分離膜とを備える。

これによれば、気体分離膜により排気ガスから二酸化炭素を分離し、窒素富化空気（窒素リッチガス）を吸気通路に供給することができる。
ここで、窒素に対する分離率は、酸素よりも二酸化炭素の方が大きいので、酸素をほとんど含まず二酸化炭素を多く含有する排気ガスを利用することにより、気体分離膜が小さくても効率よく二酸化炭素が分離されて窒素リッチガスを得ることができる。
この結果、小型なシステムにより、効率よく窒素リッチガスを内燃機関の燃焼室に供給することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、気体分離膜の透過側に、気体分離膜の供給側と透過側との間に圧力差を発生させるための負圧発生手段を備える。

すなわち、気体分離の駆動力となる圧力差を負圧発生手段により発生させ、負圧発生手段により気体分離膜の透過側を減圧することで二酸化炭素を分離する。
これによれば、気体分離膜の両側の圧力差を負圧発生手段により発生させるため、圧縮機で圧力差を発生させる場合に必要なバッファタンクが不要となり、システムの小型化を達成できる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、バイパス通路が、排気通路内で排気通路の下流側に向かって開口する吸入口を有するＬ字型の連通管により排気通路に接続されている。

排気通路を流れる排気ガス中にはカーボン等のダストが含まれる。ダストは慣性力により流れに乗って排気通路中を進むので、排気通路の下流側に向かって開口する吸入口を有するＬ字型の連通管により排気ガスを吸入するならば、軽いガスのみを吸入しダストを吸い込むのを防ぐことができる。
この結果、ダストが気体分離膜に付着することを防ぎ、気体分離膜の劣化を防ぐことができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、連通管が、吸入口が排気通路の径方向の略中心に開口するように設けられ、排気通路の連通管の上流に、排気通路内に旋回流を形成する旋回流発生手段を備える。
これによれば、ダストは旋回流による遠心力で排気通路の径方向外側へ飛ばされるので、排気通路の径方向の略中心に位置する連通管の吸入口からダストが離れ、ダストを吸入してしまうのをより防ぐことができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、排気通路が、流れ方向に平行に複数に仕切られて排気ガスが分配される複数の小通路を有し、連通管が、各小通路の下流側に向かって各小通路の径方向の略中心に開口する吸入口を有し、各小通路の連通管の上流に、各小通路内に旋回流を形成する複数の旋回流発生手段を備える。
これによれば、排気通路を複数に仕切り各小通路に旋回流発生手段を配置するため、各小通路で流速を上げてさらに細かいダストを遠心力で径方向外側に飛ばすことができ、細かいダストさえも吸入しないようにできる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、排気通路が屈曲しており、連通管は排気通路の屈曲部の下流側に接続される。
排気通路が屈曲している場合、排気通路は屈曲していてもダストは慣性力により真直ぐ進むため、ダストは排気通路の屈曲部の外側の管壁に衝突する。そこで、連通管を排気通路の屈曲部の下流側に設けることで、ダストの吸入を防止することができる。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置によれば、負圧発生手段は、排気通路の排気エネルギーで駆動するタービンにより駆動されるコンプレッサを有する過給機である。
これによれば、排気エネルギーを使って負圧を発生できるので、効率がよい。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、排気通路のバイパス通路との分岐の下流に、排気通路を開閉するバルブを備える。
これによれば、バルブで排気通路を閉じることにより、気体分離膜の供給側での圧力が上がり、気体分離膜の供給側と透過側との間の圧力差を確保することができる。

内燃機関の窒素富化ガス供給装置の説明図である（実施例１）。 内燃機関の窒素富化ガス供給装置の説明図である（実施例２）。 内燃機関の窒素富化ガス供給装置の要部拡大説明図である（実施例３）。 （ａ）は内燃機関の窒素富化ガス供給装置の要部拡大説明図であり、（ｂ）は（ａ）の径方向断面図である（実施例４）。 内燃機関の窒素富化ガス供給装置の要部拡大説明図である（実施例５）。 内燃機関の窒素富化ガス供給装置の説明図である（実施例６）。 内燃機関の窒素富化ガス供給装置の説明図である（実施例７）。

本発明を実施するための形態１は、内燃機関の窒素富化ガス供給装置は、排気ガスの一部を排気通路から吸気通路に供給するバイパス通路と、バイパス通路中に配置されてバイパス通路を流れる排気ガスから二酸化炭素を分離する気体分離膜とを備える。
また、気体分離膜の透過側に、気体分離膜の供給側と透過側との間に圧力差を発生させるための負圧発生手段を備える。

本発明を実施するための形態２は、バイパス通路が、排気通路内で排気通路の下流側に向かって開口する吸入口を有するＬ字型の連通管により排気通路に接続されている。
本発明を実施するための形態３は、連通管が、吸入口が排気通路の径方向の略中心に開口するように設けられ、排気通路の連通管の上流に、排気通路内に旋回流を形成する旋回流発生手段を備える。

本発明を実施するための形態４は、排気通路が、流れ方向に平行に複数に仕切られて排気ガスが分配される複数の小通路を有し、連通管が、各小通路の下流側に向かって各小通路の径方向の略中心に開口する吸入口を有し、各小通路の連通管の上流に、各小通路内に旋回流を形成する複数の旋回流発生手段を備える。
本発明を実施するための形態５は、排気通路が屈曲しており、連通管は排気通路の屈曲部の下流側に接続される。

本発明を実施するための形態６では、負圧発生手段は、排気通路の排気エネルギーで駆動するタービンにより駆動されるコンプレッサを有する過給機であり、窒素富化ガス供給装置は、排気通路のバイパス通路との分岐の下流に、排気通路を開閉するバルブを備える。
本発明を実施するための形態７は、排気通路のバイパス通路との分岐の下流に、排気通路を開閉するバルブを備える。

〔実施例１の構成〕
実施例１の窒素富化ガス供給装置１を備えたエンジンシステム２を図１を用いて説明する。
本実施例では、内燃機関３をガソリン直噴エンジンとして説明するが、内燃機関３はディーゼルエンジンであってもよい。

内燃機関３は、シリンダ５と、シリンダ５内を摺動するピストン６を有し、シリンダ５の上部は燃焼室７となっている。尚、内燃機関３は、複数のシリンダ５及び燃焼室７を有している。

燃焼室７には、空気を導入する吸気通路９と、燃焼により排出される排気ガスを外部へ導く排気通路１０とが接続されている。そして、燃焼室７と吸気通路９との間は吸気バルブ１１によって、燃焼室７と排気通路１０との間は排気バルブ１２によって開閉可能になっている。

また、内燃機関３は、燃焼室７に燃料を噴射する燃料噴射弁１３、及び燃焼室７内の混合気に着火するための点火装置（図示せず）を有している。

次に、吸気系について簡単に説明する。
吸気系は、大気に開口する吸気口１５を上流とし、燃焼室７を下流とする吸気通路９を有する。吸気通路９には、上流から順に、吸気通路９を流れる空気を濾過するエアクリーナ１６、吸気通路９を開閉するスロットルバルブ１７、吸気を各シリンダに分配するインテークマニホールド１８などが配されている。

次に排気系について簡単に説明する。
排気系は、燃焼室７を上流とし、外部に開口する排気口２０を下流とする排気通路１０を有する。排気通路１０には、排気ガスを浄化する触媒２１が配されており、触媒２１の下流側には、後述するバイパス通路２２が接続されている。

〔実施例１の特徴〕
このエンジンシステム２は窒素富化ガス供給装置１を備えており、窒素富化ガス供給装置１は、排気ガスの一部を排気通路１０から吸気通路９に供給するバイパス通路２２と、バイパス通路２２中に配置されてバイパス通路２２を流れる排気ガスから二酸化炭素を分離する気体分離装置２３とを備える。

バイパス通路２２は、上流側が排気通路１０の触媒２１の下流側に接続されており、下流側は吸気通路９の一部をなすインテークマニホールド１８のサージタンク２５に接続されている。

気体分離装置２３は、中空糸型の気体分離膜を有し、排気通路１０側から触媒２１を通過した排気ガスが供給される。この気体分離膜は、窒素や酸素に対して二酸化炭素をよく透過するため、気体分離膜を通過する排気ガスは、気体分離膜を透過する二酸化炭素リッチガスと、気体分離膜を透過しない窒素リッチガスとに分離される。そして、気体分離装置２３の下流側では窒素リッチガスが得られ、窒素リッチガスはサージタンク２５に導入されて、最終的に燃焼室７に供給される。
尚、バイパス通路２２のサージタンク２５の上流側にはバルブ２６が設けられており、バルブ２６により吸気通路９へ還流する窒素リッチガスの量の調整等が可能になっている。

また、窒素富化ガス供給装置１は、気体分離装置２３の透過側に接続された配管２７に真空ポンプ２８（負圧発生手段）を備える。
真空ポンプ２８は、気体分離膜による分離の駆動力となる気体分離膜を介する圧力差を発生させる差圧発生手段として機能し、真空ポンプ２８により気体分離膜の透過側を減圧することで、気体分離膜を通過する排気ガス中の二酸化炭素の透過（気体分離）が行われる。尚、透過した二酸化炭素リッチガスは、例えば大気に放出される。

〔実施例１の効果〕
本実施例の窒素富化ガス供給装置１は、排気ガスの一部を排気通路１０から吸気通路９に供給するバイパス通路２２と、バイパス通路２２中に配置されてバイパス通路２２を流れる排気ガスから二酸化炭素を分離する気体分離膜とを備える。また、気体分離膜の透過側に、気体分離膜の供給側と透過側との間に圧力差を発生させるための真空ポンプ２８を備える。

これにより、気体分離膜により排気ガスから二酸化炭素を分離し、窒素富化空気（窒素リッチガス）を吸気通路９を経て燃焼室７に供給することができる。
ここで、窒素に対する分離率は、酸素よりも二酸化炭素の方が大きいので、酸素をほとんど含まず二酸化炭素を多く含有する排気ガスを利用することにより、気体分離膜が小さくても効率よく二酸化炭素が分離されて窒素リッチガスを得ることができる。
この結果、小型なシステムにより、効率よく窒素リッチガスを燃焼室７に供給することができる。

尚、排気通路１０から燃焼室７へ排気ガスの一部を還流することになるため、ポンピングロスを少なくし、燃焼効率を上げることができる。また、排気通路１０から燃焼室７へ還流されるのは窒素リッチガスであるため、比熱比が排気ガス（二酸化炭素を含む）よりも高いので、燃費が向上する。

また、本実施例の窒素富化ガス供給装置１は、気体分離の駆動力となる圧力差を負圧発生手段である真空ポンプ２８により発生させ、真空ポンプ２８で気体分離膜の透過側を減圧することにより二酸化炭素を分離する。
これによれば、気体分離膜の両側の圧力差を真空ポンプ２８により発生させるため、圧縮機で圧力差を発生させる場合に必要なバッファタンクが不要となり、システムの小型化を達成できる。

〔実施例２の構成〕
実施例２の構成を、実施例１とは異なる点を中心に、図２を用いて説明する。
実施例２の窒素富化ガス供給装置１は、バイパス通路２２が、排気通路１０内に挿入されるＬ字型の連通管３０により排気通路１０と接続されている。連通管３０は、排気通路１０の下流側に向かって開口する吸入口３１を有する。

すなわち、バイパス通路２２の上流端を形成する連通管３０は、排気通路１０の流れ方向に垂直に垂直部３２と、垂直部３２から屈曲して流れ方向に平行に伸びる水平部３３とを有する。そして、水平部３３の先端に排気通路１０の下流側に向かって開口する吸入口３１が形成されている。

〔実施例２の効果〕
排気通路１０を流れる排気ガス中にはカーボン等のダストが含まれるが、ダストは慣性力により流れに乗って排気通路１０中を進む。このため、本実施例では、排気通路１０の下流側に向かって開口する吸入口３１を有するＬ字型の連通管３０により排気ガスを吸入することにより、軽いガスのみを吸入しダストを吸い込むのを防ぐことができる。
この結果、ダストが気体分離膜に付着することを防ぎ、気体分離膜の劣化を防ぐことができる。

〔実施例３の構成〕
実施例３の構成を、実施例２とは異なる点を中心に、図３を用いて説明する。
実施例３の窒素富化ガス供給装置１は、連通管３０が、吸入口３１が排気通路１０の径方向の略中心（排気通路１０の中心軸上）に開口するように設けられている。
また、排気通路１０の連通管３０の上流に、排気通路１０の中心軸を旋回軸とした旋回流を発生するサイクロン羽根３５（旋回流発生手段）が配される。

〔実施例３の効果〕
サイクロン羽根３５により旋回流を発生させると、排気通路１０を流れるダストは遠心力で排気通路１０の径方向外側へ飛ばされる。
これにより、排気通路１０の径方向の略中心に位置する連通管３０の吸入口３１からダストが離れるため、吸入口３１からダストを吸入してしまうのをより防ぐことができる。
この結果、ダストが気体分離膜に付着することを防ぎ、気体分離膜の劣化を防ぐことができる。

〔実施例４の構成〕
実施例４の構成を、実施例２とは異なる点を中心に、図４を用いて説明する。
実施例４の窒素富化ガス供給装置１は、排気通路１０が、流れ方向に平行に複数に仕切られて排気ガスが分配される複数の小通路３６を有し、連通管３０が、各小通路３６の下流側に向かって各小通路３６の径方向の略中心に開口する吸入口３１を有し、各小通路３６の連通管３０の上流に、各小通路３６内に旋回流を形成する複数のサイクロン羽根３５を備える。

すなわち、流れ方向に平行に複数の小通路３６が並設されて排気通路１０の一部をなしている。本実施例では、小通路３６は７つであり、１つの小通路３６を囲むように６つの小通路３６が配されている。そして、小通路３６の群の上流側の排気通路１０を流れていた排気ガスが、各小通路３６に分配されて、各小通路３６を流れる。

連通管３０は、各小通路３６に流れに平行な水平部３３と各小通路３６の下流側に向かって各小通路３６の径方向の略中心に開口する吸入口３１を有している。そして、各吸入口３１が連通しており、各吸入口３１から吸入された排気ガスは一箇所に集められてバイパス通路２２へ吸入される。
また、各小通路３６の連通管３０の上流に、それぞれ、各小通路３６の中心軸を旋回軸とした旋回流を発生するサイクロン羽根３５が配されている。

〔実施例４の効果〕
これにより、排気通路１０を複数に仕切り各小通路３６にサイクロン羽根３５を配置するため、各小通路３６で流速を上げてさらに細かいダストを遠心力で径方向外側に飛ばすことができ、細かいダストさえも吸入しないようにできる。

〔実施例５の構成〕
実施例５の構成を、実施例２とは異なる点を中心に、図５を用いて説明する。
実施例５の窒素富化ガス供給装置１は、排気通路１０が屈曲しており、連通管３０は排気通路１０の屈曲部３７の下流側に接続される。そして、連通管３０の吸入口３１も屈曲部３７の下流に開口する。

〔実施例５の効果〕
排気通路１０が屈曲している場合、排気通路１０は屈曲していてもダストは慣性力により真直ぐ進むため、ダストは排気通路１０の屈曲部３７の外側の管壁３８に衝突する。そこで、連通管３０を排気通路１０の屈曲部３７の下流側に設けるなら、ダストは連通管３０の手前の管壁３８で留まるため、吸入口３１からのダストの吸入を防止することができる。

〔実施例６の構成〕
実施例６の構成を、実施例１とは異なる点を中心に、図６を用いて説明する。
実施例６の窒素富化ガス供給装置１では、負圧発生手段は過給機４０であり、過給機４０は、排気通路１０の排気エネルギーで駆動するタービン４１と、タービン４１により駆動されるコンプレッサ４２を有する。

すなわち、窒素富化ガス供給装置１は過給機４０を備え、過給機４０のタービン４１が排気通路１０に配され、過給機４０のコンプレッサ４２が気体分離装置２３の透過側に二酸化炭素を取り出すための配管２７に配される。
そして、排気エネルギーによりタービン４１が回転させられることにより、コンプレッサ４２が駆動すると、コンプレッサ４２により気体分離膜の透過側が減圧される。
これによれば、排気エネルギーを使って負圧を発生できるので、効率がよい。

また、窒素富化ガス供給装置１は、排気通路１０のバイパス通路２２との分岐の下流に、排気通路１０を開閉するバルブ４３を備える。そして、バルブ４３で排気通路１０を閉じることにより、気体分離膜の供給側での圧力が上がる。
このため、気体分離膜による分離の駆動力となる気体分離膜を介する圧力差を発生させる差圧発生手段として、バルブ４３と過給機４０とを併用することにより、気体分離膜の供給側と透過側との間の圧力差を大きく確保することができる。

〔実施例７の構成〕
実施例７の構成を、実施例１とは異なる点を中心に、図７を用いて説明する。
実施例７の窒素富化ガス供給装置１では、気体分離膜による分離の駆動力となる気体分離膜を介する圧力差を発生させる差圧発生手段として、真空ポンプ２８と排気通路１０のバイパス通路２２との分岐の下流に設けられ排気通路１０を開閉するバルブ４３とを併用する。

これにより、真空ポンプ２８が駆動することにより気体分離膜の透過側では減圧され、バルブ４３で排気通路１０を閉じることにより気体分離膜の供給側では圧力が上がる。このため、バルブ４３と真空ポンプ２８とを併用することにより、気体分離膜の供給側と透過側との間の圧力差を大きく確保することができる。

〔変形例〕
実施例１〜７では、容積効率の高い中空糸型の気体分離膜が用いられていたが、気体分離膜は中空糸型に限らず、スパイラル型、管状型、平膜型であってもよい。
実施例７では、負圧発生手段である真空ポンプ２８とバルブ４３の両方を設けて気体分離の駆動力となる圧力差を発生させたが、負圧発生手段を配さずバルブ４３のみで圧力差を発生させてもよい。しかし、この場合はバッファタンクが必要となる。
また、実施例６、７の窒素富化ガス供給装置１に、連通管３０やサイクロン羽根３５を設けてもよい。

１ 窒素富化ガス供給装置
３ 内燃機関
７ 燃焼室
９ 吸気通路
１０ 排気通路
２２ バイパス通路
２３ 気体分離装置（気体分離膜）
２８ 真空ポンプ（負圧発生手段）
３０ 連通管
３１ 吸入口
３５ サイクロン羽根（旋回流発生手段）
３６ 小通路
３７ 屈曲部
４０ 過給機（負圧発生手段）
４１ タービン
４２ コンプレッサ
４３ バルブ

Claims (8)

1. 排気ガスの一部を排気通路から吸気通路に供給するバイパス通路と、
   前記バイパス通路中に配置されて前記バイパス通路を流れる排気ガスから二酸化炭素を分離する気体分離膜とを備える内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記気体分離膜の透過側に、前記気体分離膜の供給側と透過側との間に圧力差を発生させるための負圧発生手段を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記バイパス通路は、前記排気通路内で前記排気通路の下流側に向かって開口する吸入口を有するＬ字型の連通管により前記排気通路に接続されていることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記連通管は、前記吸入口が前記排気通路の径方向の略中心に開口するように設けられ、
   前記排気通路の前記連通管の上流に、前記排気通路内に旋回流を形成する旋回流発生手段を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
5. 請求項３に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記排気通路は、流れ方向に平行に複数に仕切られて排気ガスが分配される複数の小通路を有し、
   前記連通管は、前記各小通路の下流側に向かって前記各小通路の径方向の略中心に開口する前記吸入口を有し、
   前記各小通路の前記連通管の上流に、前記各小通路内に旋回流を形成する複数の旋回流発生手段を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
6. 請求項３〜５に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記排気通路が屈曲しており、
   前記連通管は、前記排気通路の屈曲部の下流側に接続されることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
7. 請求項２〜６に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記負圧発生手段は、前記排気通路の排気エネルギーで駆動するタービンにより駆動されるコンプレッサを有する過給機であることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。
8. 請求項１〜７に記載の内燃機関の窒素富化ガス供給装置において、
   前記排気通路の前記バイパス通路との分岐の下流に、前記排気通路を開閉するバルブを備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化ガス供給装置。

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