JP2011012653A - Nitrogen enrichment gas supply device and nitrogen enrichment gas supply method of internal combustion engine - Google Patents

Nitrogen enrichment gas supply device and nitrogen enrichment gas supply method of internal combustion engine Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitrogen enrichment gas supply device and a nitrogen enrichment gas supply method of an internal combustion engine which can control the enlargement of the device.SOLUTION: The nitrogen enrichment gas supply device is provided with a nitrogen enrichment gas generating device 30, an induction passage 31, and a supply passage 36. The nitrogen enrichment gas generating device 30 increases the nitrogen concentration of exhaust based on the differences in the permeability of each gas with respect to a separating member 30a. The induction passage guides the exhaust from the exhaust passage 16 of the internal combustion engine 10 to the device 30, and the supply passage supplies the exhaust (nitrogen enrichment exhaust) in which the nitrogen concentration has been increased by the device to the intake passage 11 of the internal combustion engine 10. The nitrogen enrichment gas generating device 30 increases the nitrogen concentration of exhaust by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust.

Description

本発明は、窒素濃度を高めた窒素富化気体を内燃機関に供給する装置および方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and method for supplying a nitrogen-enriched gas having an increased nitrogen concentration to an internal combustion engine.

この種の装置において、吸入空気中の酸素の一部を分離膜により除去して窒素濃度を高めた吸気(窒素富化吸気)を内燃機関に供給するものがある(例えば、特許文献1,2参照)。これらの特許文献1,2に記載のものは、大気からなる自然吸気と窒素富化吸気との割合を調節して、吸気中の酸素と燃料とが過不足なく反応する状態で燃焼を行っている。その結果、窒素富化吸気を供給しない場合と比較して吸気量を増大させることができるため、内燃機関のポンピングロスを低下させて燃費を改善することができる。また、余剰酸素が存在しない状態で燃料の燃焼が行われるため、窒素酸化物の生成を抑制することができるとともに、三元触媒による排気浄化効率が低下することを抑制することができる。   In this type of apparatus, there is an apparatus that supplies intake air (nitrogen-enriched intake air) in which a part of oxygen in intake air is removed by a separation membrane to increase nitrogen concentration to an internal combustion engine (for example, Patent Documents 1 and 2). reference). Those described in Patent Documents 1 and 2 adjust the ratio of natural intake air and nitrogen-enriched intake air, and perform combustion in a state where oxygen and fuel in the intake air react without excess or deficiency. Yes. As a result, the intake air amount can be increased as compared with the case where the nitrogen-enriched intake air is not supplied, so that the pumping loss of the internal combustion engine can be reduced and the fuel consumption can be improved. In addition, since the fuel is burned in the state where there is no surplus oxygen, it is possible to suppress the generation of nitrogen oxides and to suppress the reduction of exhaust purification efficiency by the three-way catalyst.

特開2004−190570号公報JP 2004-190570 A 特開2004−245085号公報JP 2004-245085 A

ところで、特許文献1,2に記載のものは、吸入空気中の酸素を分離膜により除去する際に、分離膜に対する窒素と酸素との透過性の差異を利用している。ここで、分離膜に対する透過性に関して、窒素と酸素との差異は、窒素と酸素以外の物質との差異に比べると小さい。このため、分離膜により窒素と酸素とを分離するためには、比較的高圧で吸入空気を加圧する必要があり、特許文献1,2に記載のものでは、ターボチャージャのコンプレッサを吸入空気の加圧に用いている。したがって、特許文献1,2に記載のものは、装置が大型化することが避けられず、未だ改善の余地を残すものとなっている。   By the way, the thing of patent document 1, 2 utilizes the permeability | transmittance difference of nitrogen and oxygen with respect to a separation membrane, when removing oxygen in intake air with a separation membrane. Here, regarding the permeability to the separation membrane, the difference between nitrogen and oxygen is smaller than the difference between nitrogen and substances other than oxygen. For this reason, in order to separate nitrogen and oxygen by the separation membrane, it is necessary to pressurize the intake air at a relatively high pressure. In the devices described in Patent Documents 1 and 2, the turbocharger compressor is connected to the intake air. Used for pressure. Accordingly, the devices described in Patent Documents 1 and 2 are unavoidably increased in size of the device, and still have room for improvement.

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、装置が大型化することを抑制することのできる内燃機関の窒素富化気体供給装置および窒素富化気体供給方法を提供することを主たる目的とするものである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object of the present invention is to provide a nitrogen-enriched gas supply device and a nitrogen-enriched gas supply method for an internal combustion engine that can prevent the apparatus from becoming large. It is what.

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems.

請求項1に記載の発明は、気体の窒素濃度を高める窒素富化手段と、内燃機関の排気通路から前記窒素富化手段に排気を誘導する誘導通路と、前記窒素富化手段により窒素濃度の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する供給通路とを備えることを特徴とする。   According to the first aspect of the present invention, the nitrogen enrichment means for increasing the nitrogen concentration of the gas, the induction passage for inducing exhaust from the exhaust passage of the internal combustion engine to the nitrogen enrichment means, and the nitrogen enrichment means And a supply passage for supplying the raised exhaust gas to the intake passage of the engine.

上記構成によれば、誘導通路を通じて内燃機関の排気通路から窒素富化手段に排気が誘導され、窒素富化手段にて排気の窒素濃度が高められる。そして、窒素富化手段により窒素濃度の高められた排気(窒素富化排気)が、供給通路を通じて内燃機関の吸気通路に供給される。   According to the above configuration, exhaust gas is guided from the exhaust passage of the internal combustion engine to the nitrogen enrichment means through the induction passage, and the nitrogen concentration of the exhaust is increased by the nitrogen enrichment means. Then, the exhaust gas (nitrogen-enriched exhaust gas) whose nitrogen concentration is increased by the nitrogen enriching means is supplied to the intake passage of the internal combustion engine through the supply passage.

ここで、内燃機関において燃料と吸入空気との混合気の燃焼により生じた排気では、吸気に比べ、酸素含有量が少ない反面、二酸化炭素および水蒸気の含有量が多い。また、これらのガス成分同士では、気体性状の相違等に起因して窒素富化手段に対する気体の分離比率が異なり、例えば窒素富化手段を例えば酸素富化膜又は中空糸膜を含む構成とした場合には、二酸化炭素および水蒸気の方が酸素や窒素よりも膜透過性が高い。このため、大気からなる吸気(自然吸気)から酸素を分離する場合と比較して、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離する場合には、気体分離を容易にかつ精度よく行うことができる。したがって、本発明によれば、気体の分離装置が大型化することを抑制することができる。   Here, in the exhaust gas generated by the combustion of the mixture of fuel and intake air in the internal combustion engine, the oxygen content is small compared to the intake air, but the carbon dioxide and water vapor contents are large. In addition, these gas components have different gas separation ratios with respect to the nitrogen-enriching means due to differences in gas properties, for example, the nitrogen-enriching means includes, for example, an oxygen-enriched membrane or a hollow fiber membrane. In some cases, carbon dioxide and water vapor have higher membrane permeability than oxygen or nitrogen. For this reason, gas separation can be performed easily and accurately when separating carbon dioxide and water vapor from exhaust gas, compared to when separating oxygen from intake air (natural intake air) consisting of the atmosphere. Therefore, according to this invention, it can suppress that a gas separation apparatus enlarges.

特に、窒素富化手段を酸素富化膜や中空糸膜を含む構成とした場合には、窒素富化手段の気体分離効率が被分離ガスの温度に依存し、気体温度が高いほど、窒素濃度を高める際の分離効率が高くなると考えられる。このため、高温の排気を用いて窒素富化気体を生成する場合には、常温の自然吸気を用いて窒素富化気体を生成する場合に比べて分離効率を向上させることができ、分離装置の小型化を図るといった効果を好適に得ることができる。   In particular, when the nitrogen-enriching means includes an oxygen-enriched membrane or a hollow fiber membrane, the gas separation efficiency of the nitrogen-enriching means depends on the temperature of the gas to be separated, and the higher the gas temperature, the higher the nitrogen concentration It is considered that the separation efficiency at the time of increasing is increased. For this reason, when nitrogen-enriched gas is generated using high-temperature exhaust gas, the separation efficiency can be improved as compared with the case where nitrogen-enriched gas is generated using natural air intake at room temperature. The effect of reducing the size can be suitably obtained.

なお、窒素富化手段としては、例えば分離部材に対する各気体の透過性の差異に基づいて気体の窒素濃度を高める構成を有するものの他、分離部材に対する各気体の吸着性の差異に基づいて気体の窒素濃度を高める構成を有するものを含む。   The nitrogen-enriching means includes, for example, a structure that increases the nitrogen concentration of the gas based on the difference in permeability of each gas with respect to the separation member, and the gas enrichment based on the difference in adsorbability of each gas with respect to the separation member. Including those having a structure for increasing the nitrogen concentration.

内燃機関において、吸気中の酸素と燃料とが過不足なく反応する状態で燃焼が行われた場合には、その排気は主に窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含むこととなる。   In an internal combustion engine, when combustion is performed in a state where oxygen and fuel in the intake air react without excess or deficiency, the exhaust mainly contains nitrogen, carbon dioxide, and water vapor.

したがって、請求項2に記載の発明のように、請求項1に記載の発明において、前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めるといった構成を採用することにより、排気の窒素濃度をより高くすることができる。   Therefore, as in the invention according to claim 2, in the invention according to claim 1, the nitrogen enriching means increases the nitrogen concentration of the exhaust gas by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas. By adopting the above, the nitrogen concentration in the exhaust can be made higher.

ここで、内燃機関の熱効率は、作動流体の比熱比(定圧比熱と定積比熱との比)が大きいほど高くなる。そして、窒素は二酸化炭素および水蒸気よりも比熱比が大きいため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより、排気の比熱比を大きくすることができる。その結果、窒素濃度を高めていない排気を内燃機関に供給する場合と比較して、内燃機関の熱効率を向上させることができる。   Here, the thermal efficiency of the internal combustion engine increases as the specific heat ratio of the working fluid (the ratio between the constant pressure specific heat and the constant volume specific heat) increases. And since nitrogen has a larger specific heat ratio than carbon dioxide and water vapor, the specific heat ratio of the exhaust gas can be increased by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas. As a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved as compared with the case where exhaust gas whose nitrogen concentration is not increased is supplied to the internal combustion engine.

ここで、窒素富化手段による気体分離は、窒素富化手段における気体導入側及び気体送出側の少なくともいずれか、又は窒素富化手段の内部の圧力を変化させることで、その気体分離能を高めることができる。ところが、吸気中の酸素と窒素とを分離する場合、両者の分離比率の差がさほど大きくないため、気体分離効率を高めるには、ターボチャージャのコンプレッサ等といった大型の加圧装置を用いる必要がある。そのため、装置の大型化が懸念される。   Here, the gas separation by the nitrogen enrichment means increases the gas separation ability by changing the pressure inside the nitrogen enrichment means or at least one of the gas introduction side and the gas delivery side in the nitrogen enrichment means. be able to. However, when separating the oxygen and nitrogen in the intake air, the difference in the separation ratio between the two is not so large. Therefore, in order to increase the gas separation efficiency, it is necessary to use a large pressure device such as a turbocharger compressor. . For this reason, there is a concern about an increase in size of the apparatus.

一方、上述したように、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離する場合には、自然吸気から酸素を分離する場合と比較して、その気体分離を容易にかつ精度よく実施することができる。さらに、高温の排気を用いて窒素富化気体を生成する場合には、常温の吸気を用いて窒素富化気体を生成する場合よりも、窒素富化手段による分離効率を向上させることができる。   On the other hand, as described above, when carbon dioxide and water vapor are separated from exhaust gas, gas separation can be easily and accurately performed as compared with the case where oxygen is separated from natural intake air. Further, when the nitrogen-enriched gas is generated using the high-temperature exhaust gas, the separation efficiency by the nitrogen-enriching means can be improved as compared with the case where the nitrogen-enriched gas is generated using the normal temperature intake air.

したがって、請求項3に記載の発明のように、請求項1又は2に記載の発明において、前記誘導通路内の前記排気を加圧して前記窒素富化手段に送出するポンプを備えるといった構成によっても、気体分離を高効率で実施することができる。つまり、本発明では、ターボチャージャのコンプレッサ等を利用する場合と比較して、気体を加圧する加圧装置を小型化することができる。   Therefore, as in the invention according to claim 3, the invention according to claim 1 or 2 also includes a pump that pressurizes the exhaust gas in the guide passage and sends it to the nitrogen-enriching means. Gas separation can be performed with high efficiency. That is, in the present invention, the pressurizing device for pressurizing the gas can be downsized as compared with the case where a compressor of a turbocharger or the like is used.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記ポンプは前記排気の流量を調節可能なポンプであるといった構成を採用し、前記機関の運転状態に基づいて前記ポンプにより送出される前記排気の流量を制御する制御手段を備えるため、排気を加圧するためのポンプを利用して、窒素富化手段に送出される排気の流量、ひいては機関の吸気通路に供給される窒素富化排気の流量を、機関の運転状態に応じて制御することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the pump is a pump capable of adjusting the flow rate of the exhaust gas, and is delivered by the pump based on the operating state of the engine. Since the control means for controlling the flow rate of the exhaust gas is provided, the flow rate of the exhaust gas sent to the nitrogen enrichment means by using a pump for pressurizing the exhaust gas, and consequently the nitrogen rich gas supplied to the intake passage of the engine The flow rate of the activated exhaust can be controlled according to the operating state of the engine.

あるいは、請求項3に記載の発明において、上記ポンプを、排気を所定流量で送出するポンプとして構成し、吸気通路に供給される排気の流量を調節する絞り弁と、内燃機関の運転状態に基づいて同絞り弁の開度を制御する制御手段とを備える構成としてもよい。この構成によれば、排気の流量を調節できない簡素なポンプを採用しつつ、機関の吸気通路に供給される窒素富化排気の流量を、機関の運転状態に応じて制御することができる。   Alternatively, in the invention according to claim 3, the pump is configured as a pump that sends exhaust gas at a predetermined flow rate, and is based on a throttle valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas supplied to the intake passage and the operating state of the internal combustion engine. And a control means for controlling the opening of the throttle valve. According to this configuration, it is possible to control the flow rate of the nitrogen-enriched exhaust gas supplied to the intake passage of the engine according to the operating state of the engine while employing a simple pump that cannot adjust the flow rate of the exhaust gas.

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記吸気通路に供給される前記排気の流量を調節する流量調節弁を備える。この構成によれば、排気の流量を調節可能なポンプ等を有しない構成であっても、吸気通路に供給される排気の流量を調節することができ、装置の簡略化を図ることができる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, a flow rate adjustment valve is provided for adjusting a flow rate of the exhaust gas supplied to the intake passage. According to this structure, even if it is a structure which does not have a pump etc. which can adjust the flow volume of exhaust_gas | exhaustion, the flow volume of the exhaust_gas | exhaustion supplied to an intake passage can be adjusted, and simplification of an apparatus can be achieved.

請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記吸気通路に供給される前記排気の窒素濃度を調節する濃度調節弁を備える。この構成によれば、吸気通路に供給される排気の窒素濃度を調節することができる。   According to a sixth aspect of the invention, there is provided the concentration control valve according to any one of the first to fifth aspects, wherein the concentration control valve adjusts a nitrogen concentration of the exhaust gas supplied to the intake passage. According to this configuration, the nitrogen concentration of the exhaust gas supplied to the intake passage can be adjusted.

請求項7に記載の発明は、内燃機関の排気通路から窒素富化手段に排気を誘導する工程と、前記窒素富化手段によって前記排気の窒素濃度を高める工程と、前記窒素富化手段によって窒素濃度の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する工程とを備えることを特徴とする。   The invention described in claim 7 includes the steps of inducing exhaust from the exhaust passage of the internal combustion engine to the nitrogen enrichment means, the step of increasing the nitrogen concentration of the exhaust by the nitrogen enrichment means, and the nitrogen enrichment means by the nitrogen enrichment means. And supplying the exhaust gas whose concentration has been increased to the intake passage of the engine.

上記工程によれば、請求項1に記載の発明と同様にして、気体を分離する装置が大型化することを抑制することができる。   According to the said process, it can suppress that the apparatus which isolate | separates gas similarly to the invention of Claim 1 enlarges.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において、前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めるといった工程を備えるため、請求項2に記載の発明と同様にして、排気の窒素濃度をより高くすることができるとともに、内燃機関の熱効率を向上させることができる。   The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7, wherein the nitrogen enriching means includes a step of increasing the nitrogen concentration of the exhaust gas by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas. Similarly to the second aspect of the invention, the nitrogen concentration of the exhaust gas can be made higher and the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved.

窒素富化気体供給装置の概要を示す模式図。The schematic diagram which shows the outline | summary of a nitrogen enriched gas supply apparatus. 気体分離膜に対する各ガス成分の透過性を示す図。The figure which shows the permeability | transmittance of each gas component with respect to a gas separation membrane. 窒素富化排気供給量制御の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of nitrogen-rich exhaust gas supply control. 他の実施形態の窒素富化気体供給装置の概要を示す模式図。The schematic diagram which shows the outline | summary of the nitrogen-rich gas supply apparatus of other embodiment.

以下、一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, an embodiment will be described with reference to the drawings.

本実施形態は、車両に搭載された内燃機関の排気を窒素富化気体生成装置に誘導して、その窒素濃度を高めた上で内燃機関の吸気通路に供給する窒素富化排気供給装置に具体化している。   This embodiment is a nitrogen-enriched exhaust gas supply device that guides exhaust gas from an internal combustion engine mounted on a vehicle to a nitrogen-enriched gas generation device, increases the nitrogen concentration, and supplies the exhaust gas to the intake passage of the internal combustion engine. It has become.

図1に示すように、内燃機関10には、その燃焼室に吸入空気を供給する吸気通路11が接続されている。内燃機関10は、燃料としてのガソリンと吸入空気との混合気に点火プラグによる点火を行って燃焼させるガソリンエンジンが採用されている。吸気通路11には、吸入空気の流量を調節するスロットルバルブ12が設けられており、スロットルバルブ12はスロットルアクチュエータ13によって駆動される。アクチュエータ13は、電気モータ及びギア等により構成されており、ECU(電子制御装置)20からの駆動信号に基づいて駆動される。そして、ECU20によるアクチュエータ13の駆動を通じて、スロットルバルブ12の開度が制御される。   As shown in FIG. 1, an internal combustion engine 10 is connected to an intake passage 11 that supplies intake air to its combustion chamber. The internal combustion engine 10 employs a gasoline engine in which a mixture of gasoline as fuel and intake air is ignited by a spark plug and burned. The intake passage 11 is provided with a throttle valve 12 that adjusts the flow rate of intake air. The throttle valve 12 is driven by a throttle actuator 13. The actuator 13 includes an electric motor, a gear, and the like, and is driven based on a drive signal from an ECU (electronic control unit) 20. Then, the opening degree of the throttle valve 12 is controlled through the driving of the actuator 13 by the ECU 20.

内燃機関10には、混合気の燃焼により生じた排気を排出する排気通路16が接続されている。排気通路16には、排気を浄化する浄化装置17が設けられている。浄化装置17は、排気中の一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物を低減する三元触媒等により構成されている。   Connected to the internal combustion engine 10 is an exhaust passage 16 for discharging exhaust gas generated by combustion of the air-fuel mixture. The exhaust passage 16 is provided with a purification device 17 that purifies the exhaust. The purification device 17 is composed of a three-way catalyst that reduces carbon monoxide, hydrocarbons, and nitrogen oxides in the exhaust gas.

排気通路16には、排気の一部を窒素富化気体生成装置30に誘導する誘導通路31が接続されている。誘導通路31は、排気通路16において浄化装置17よりも排気の下流側の部分に接続されている。このため、誘導通路31には、浄化装置17によって浄化された排気、すなわち一酸化炭素、炭化水素および窒素酸化物が、二酸化炭素、水蒸気および窒素に浄化された排気が導入される。また、内燃機関10において、吸気中の酸素と燃料とが過不足なく反応する状態で燃焼が行われた場合には、燃料が完全に燃焼するとともに窒素酸化物の生成が抑制されるため、その排気は主に窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含むこととなる。換言すれば、その場合には排気中の酸素が比較的少ない状態となる。   The exhaust passage 16 is connected to a guide passage 31 that guides part of the exhaust to the nitrogen-enriched gas generator 30. The guide passage 31 is connected to a portion of the exhaust passage 16 on the downstream side of the exhaust with respect to the purification device 17. For this reason, the exhaust gas purified by the purification device 17, that is, the exhaust gas in which carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxides are purified into carbon dioxide, water vapor and nitrogen is introduced into the guide passage 31. Further, in the internal combustion engine 10, when combustion is performed in a state where oxygen and fuel in the intake air react without excess or deficiency, the fuel is completely burned and generation of nitrogen oxides is suppressed. The exhaust mainly contains nitrogen, carbon dioxide and water vapor. In other words, in that case, the oxygen in the exhaust gas is relatively low.

誘導通路31には、排気を加圧して窒素富化気体生成装置30に送出するポンプ32が設けられている。ポンプ32は、送出する排気の流量を調節可能な電動ポンプからなり、ECU20からの駆動信号に基づいて駆動される。ポンプ32は、ターボチャージャのコンプレッサ等と比較して、気体を加圧する能力が低いもの、すなわち気体を比較的低圧で加圧するものが採用されている。このため、気体を加圧する装置を小型化することができる。そして、ECU20によるポンプ32の駆動を通じて、ポンプ32により送出される排気の流量が制御される。   The induction passage 31 is provided with a pump 32 that pressurizes exhaust gas and sends it to the nitrogen-enriched gas generation device 30. The pump 32 is an electric pump that can adjust the flow rate of exhaust gas to be sent out, and is driven based on a drive signal from the ECU 20. The pump 32 employs a pump that has a lower ability to pressurize the gas than a compressor of a turbocharger, that is, a pump that pressurizes the gas at a relatively low pressure. For this reason, the apparatus which pressurizes gas can be reduced in size. Then, the flow rate of the exhaust gas delivered by the pump 32 is controlled through the driving of the pump 32 by the ECU 20.

誘導通路31のポンプ32よりも下流側には、窒素富化気体生成装置30(窒素富化手段)が接続されており、ポンプ32により加圧された排気が誘導通路31を通じて装置30に導入される。装置30は、分離部材30aに対する各気体の透過性の差異に基づいて排気中の窒素濃度を高める。また、装置30には供給通路36が接続されており、装置30により窒素濃度の高められた排気(窒素富化排気)が、供給通路36を通じて内燃機関10の吸気通路11に供給される。   A nitrogen-enriched gas generating device 30 (nitrogen-enriching means) is connected downstream of the pump 32 in the induction passage 31, and exhaust gas pressurized by the pump 32 is introduced into the device 30 through the induction passage 31. The The device 30 increases the nitrogen concentration in the exhaust based on the difference in permeability of each gas with respect to the separation member 30a. Further, a supply passage 36 is connected to the device 30, and exhaust gas (nitrogen-enriched exhaust gas) whose nitrogen concentration has been increased by the device 30 is supplied to the intake passage 11 of the internal combustion engine 10 through the supply passage 36.

具体的には、装置30の分離部材30aは、ポリイミド樹脂等からなる中空糸状の高分子膜(中空糸膜)を束にして構成されており、この中空糸膜に対する各気体の透過性がそれぞれ異なる。そして、中空糸膜の中空部に排気が導入され、中空糸膜の中空部を排気が流通する間に、二酸化炭素や水蒸気等、窒素分子よりも分子径の小さな気体は中空糸膜をより速やかに透過する。このため、中空糸膜において排気の下流側の端部からは、窒素濃度の高められた排気が流出する。一方、中空糸膜を透過した気体は、装置30の排出通路30bを通じて大気中に排出される。   Specifically, the separation member 30a of the apparatus 30 is configured by a bundle of hollow fiber-like polymer membranes (hollow fiber membranes) made of polyimide resin or the like, and each gas has a permeability to the hollow fiber membrane. Different. And while exhaust gas is introduced into the hollow part of the hollow fiber membrane and the exhaust gas flows through the hollow part of the hollow fiber membrane, gas having a smaller molecular diameter than nitrogen molecules, such as carbon dioxide and water vapor, rapidly passes through the hollow fiber membrane. To penetrate. For this reason, the exhaust with an increased nitrogen concentration flows out from the downstream end of the exhaust in the hollow fiber membrane. On the other hand, the gas which permeate | transmitted the hollow fiber membrane is discharged | emitted in air | atmosphere through the discharge passage 30b of the apparatus 30. FIG.

なお、分離部材30aの材質や形状は上記に限定されず、他の樹脂からなる平板状の分離膜等、その他の材質や形状のものを適宜用いることができる。具体的には、膜に気体の分子が溶け込む性質を有する例えばシリコン等からなる酸素富化膜(気体分離膜)を用い、この酸素富化膜に気体分子が溶解し、拡散し、離脱する速度が気体分子間で異なることを利用して二酸化炭素および水蒸気と窒素とを分離する。このとき、水蒸気や二酸化炭素の方が、窒素や酸素よりも酸素富化膜に対する透過速度が高い。   The material and shape of the separation member 30a are not limited to the above, and other materials and shapes such as a flat plate-shaped separation membrane made of another resin can be used as appropriate. Specifically, an oxygen-enriched membrane (gas separation membrane) made of, for example, silicon having the property that gas molecules dissolve in the membrane, and the rate at which gas molecules dissolve, diffuse, and desorb in this oxygen-enriched membrane Separates carbon dioxide, water vapor and nitrogen by utilizing the difference between gas molecules. At this time, water vapor or carbon dioxide has a higher permeation rate with respect to the oxygen-enriched film than nitrogen or oxygen.

また、装置30において、同装置30から送出される排気中の窒素濃度(分離濃度)は、装置30に供給される排気の圧力に応じて異なり、排気圧力が高圧であるほど、窒素濃度が高くなる。逆に言えば、窒素分離の分離効率が低い場合には、例えばターボチャージャのコンプレッサ等といった比較的大型の装置により、装置30に導入する気体の圧力を高める必要があり、この場合、システム全体の大型化が懸念される。   Further, in the device 30, the nitrogen concentration (separation concentration) in the exhaust gas sent out from the device 30 varies depending on the pressure of the exhaust gas supplied to the device 30, and the higher the exhaust gas pressure, the higher the nitrogen concentration. Become. Conversely, when the separation efficiency of nitrogen separation is low, it is necessary to increase the pressure of the gas introduced into the apparatus 30 by a relatively large apparatus such as a turbocharger compressor. There is a concern about enlargement.

ここで、本発明者らは、分離部材30aにより気体分離を実施する場合、吸気中に主に含まれる酸素と窒素とを分離するよりも、排気中に主に含まれる水蒸気および二酸化炭素と窒素とを分離する方が容易にかつ精度よく実施できることに着目した。より具体的には、分離部材30aに対する透過性は気体分子間で異なり、二酸化炭素および水蒸気では、窒素や酸素に比べて膜透過性が高いことに着目した。   Here, when performing gas separation by the separation member 30a, the present inventors mainly separate water vapor, carbon dioxide, and nitrogen contained in the exhaust gas rather than separating oxygen and nitrogen mainly contained in the intake air. We focused on the fact that it is easier and more accurate to separate the two. More specifically, the permeability to the separation member 30a is different between gas molecules, and attention has been paid to the fact that carbon dioxide and water vapor have higher membrane permeability than nitrogen and oxygen.

図2は、気体間の膜透過性の相違を表す一例として、気体分離膜に対する各ガス成分の透過性を示す図である。なお、図2では、窒素に対する各ガス成分の分離比として膜透過性を表しており、分離比が大きいほど、気体分離膜に対して窒素よりも透過性が高いことを示す。   FIG. 2 is a diagram showing the permeability of each gas component with respect to the gas separation membrane as an example representing the difference in membrane permeability between gases. In addition, in FIG. 2, membrane permeability is represented as a separation ratio of each gas component with respect to nitrogen, and it shows that permeability is higher with respect to a gas separation membrane than nitrogen, so that a separation ratio is large.

図2において、窒素に対する酸素の分離比は2.5であり、その分離比はさほど大きくない。これに対し、窒素に対する炭酸ガスの分離比は12.6、水蒸気の分離比は22であり、二酸化炭素および水蒸気では、酸素に比べて窒素に対する分離比が大きい。このため、大気からなる吸気(自然吸気)から酸素を分離するよりも、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離する方が、気体分離が容易であり、かつ分離精度が高いと言える。したがって、分離部材30aに導入する気体を排気とすることにより、分離部材30aによる気体分離を比較的低い圧力で実施可能である。換言すれば、内燃機関10の排気を用いる場合には、気体の窒素濃度を高めるために気体を高圧まで加圧する必要性が低い。   In FIG. 2, the separation ratio of oxygen to nitrogen is 2.5, and the separation ratio is not so large. On the other hand, the separation ratio of carbon dioxide gas to nitrogen is 12.6, and the separation ratio of water vapor is 22. Carbon dioxide and water vapor have a larger separation ratio of nitrogen than oxygen. For this reason, it can be said that the separation of carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas is easier to separate and the separation accuracy is higher than the separation of oxygen from the intake air (natural intake air) consisting of the atmosphere. Therefore, by using the gas introduced into the separation member 30a as exhaust, gas separation by the separation member 30a can be performed at a relatively low pressure. In other words, when the exhaust of the internal combustion engine 10 is used, it is less necessary to pressurize the gas to a high pressure in order to increase the nitrogen concentration of the gas.

そこで、本実施形態では、排気から窒素富化気体を生成し、その生成した窒素富化気体を内燃機関10の吸気通路11に供給している。具体的には、図1の窒素富化排気供給装置において、内燃機関10の排気通路16から窒素富化気体生成装置30に排気を誘導する誘導通路31と、窒素富化気体生成装置30から送出される排気を吸気通路11に供給する供給通路36とを設け、これにより、吸気の代わりに排気を利用して生成された窒素富化気体が吸気通路11に供給されるようにしている。   Therefore, in the present embodiment, a nitrogen-enriched gas is generated from the exhaust gas, and the generated nitrogen-enriched gas is supplied to the intake passage 11 of the internal combustion engine 10. Specifically, in the nitrogen-rich exhaust gas supply device of FIG. 1, the induction passage 31 that guides exhaust gas from the exhaust passage 16 of the internal combustion engine 10 to the nitrogen-rich gas generation device 30 and the nitrogen-rich gas generation device 30 A supply passage 36 for supplying exhaust gas to be supplied to the intake passage 11 is provided, so that nitrogen-enriched gas generated by using exhaust instead of intake air is supplied to the intake passage 11.

さらに、吸気に代えて排気を用いる場合、透過膜を通過する被分離ガスが、混合気の燃焼により高温となっている。ここで、透過膜の性質として、透過膜に導入される気体の温度が高いほど、透過膜により窒素濃度を高める際の効率が高くなると考えられる。このため、混合気の燃焼により生じた高温の排気が透過膜に導入される場合には、常温の自然吸気が透過膜に導入される場合と比較して、窒素濃度を高める際の分離効率が高くなる。したがって、窒素富化気体を吸気通路11に供給するに際し、吸気に代えて排気を用いる場合には、ポンプ32として、小型の電動ポンプの採用が可能となり、また、気体分離に用いる透過膜の厚みを薄くする、すなわち分離部材30aの小型化が可能になる。   Furthermore, when exhaust gas is used instead of intake air, the gas to be separated that passes through the permeable membrane has a high temperature due to the combustion of the air-fuel mixture. Here, as a property of the permeable membrane, it is considered that the higher the temperature of the gas introduced into the permeable membrane, the higher the efficiency in increasing the nitrogen concentration by the permeable membrane. For this reason, when high-temperature exhaust gas generated by combustion of the air-fuel mixture is introduced into the permeable membrane, the separation efficiency for increasing the nitrogen concentration is higher than when natural air intake at normal temperature is introduced into the permeable membrane. Get higher. Therefore, when supplying nitrogen-enriched gas to the intake passage 11 and using exhaust instead of intake, it is possible to employ a small electric pump as the pump 32, and the thickness of the permeable membrane used for gas separation. It is possible to reduce the thickness of the separation member 30a.

また、内燃機関10の熱効率は、作動流体の比熱比κ(定圧比熱Cpと定積比熱Cvとの比)が大きいほど高くなる。具体的には、ガソリンエンジンの理論熱効率ηは次式で表される。次式において、εは圧縮比であり、κ=Cp/Cvである。   Further, the thermal efficiency of the internal combustion engine 10 increases as the specific heat ratio κ (ratio between the constant pressure specific heat Cp and the constant volume specific heat Cv) of the working fluid increases. Specifically, the theoretical thermal efficiency η of the gasoline engine is expressed by the following equation. In the following equation, ε is a compression ratio, and κ = Cp / Cv.

η=1−(1/ε)κ−1 η = 1− (1 / ε) κ−1

ここで、窒素は二酸化炭素および水蒸気よりも比熱比κが大きく、具体的には、例えば気体温度が900Kの場合には、二酸化炭素の比熱比がκco2=1.19、水蒸気の比熱比がκh2o=1.26であるのに対し、窒素の比熱比はκn2=1.35である。このため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離した場合、その気体分離を行わない場合に比べて排気の比熱比κが大きくなる。したがって、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離して窒素濃度を高めた窒素富化排気を内燃機関10に供給する場合に、窒素濃度の高められていない排気をそのまま内燃機関10に供給する場合と比較して、内燃機関10の熱効率が向上される。 Here, nitrogen has a larger specific heat ratio κ than carbon dioxide and water vapor. Specifically, for example, when the gas temperature is 900 K, the specific heat ratio of carbon dioxide is κco 2 = 1.19, and the specific heat ratio of water vapor is Whereas κh 2 o = 1.26, the specific heat ratio of nitrogen is κn 2 = 1.35. For this reason, when carbon dioxide and water vapor are separated from the exhaust gas, the specific heat ratio κ of the exhaust gas becomes larger than when gas separation is not performed. Therefore, when supplying the nitrogen-enriched exhaust gas in which the nitrogen concentration is increased by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas to the internal combustion engine 10, it is compared with the case where the exhaust gas without increasing the nitrogen concentration is supplied to the internal combustion engine 10 as it is. Thus, the thermal efficiency of the internal combustion engine 10 is improved.

供給通路36は、吸気通路11においてスロットルバルブ12よりも吸気の下流側の部分に接続されている。供給通路36には、窒素富化排気の流量を調節する窒素富化排気バルブ37(流量調節弁)が設けられており、窒素富化排気バルブ37はバルブアクチュエータ38によって駆動される。バルブアクチュエータ38は、電磁ソレノイド等により構成されており、ECU20からの駆動信号に基づいて駆動される。そして、ECU20によるバルブアクチュエータ38の駆動を通じて、窒素富化排気バルブ37の開度が制御される。   The supply passage 36 is connected to a portion of the intake passage 11 on the downstream side of the intake air from the throttle valve 12. The supply passage 36 is provided with a nitrogen-rich exhaust valve 37 (flow rate control valve) for adjusting the flow rate of the nitrogen-rich exhaust, and the nitrogen-rich exhaust valve 37 is driven by a valve actuator 38. The valve actuator 38 is configured by an electromagnetic solenoid or the like, and is driven based on a drive signal from the ECU 20. Then, the opening degree of the nitrogen-rich exhaust valve 37 is controlled through the driving of the valve actuator 38 by the ECU 20.

ECU20は、CPU、RAM、ROM、及び入出力インターフェース等により構成されるマイクロコンピュータである。ECU20には、車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ41、内燃機関10の回転速度を検出する回転速度センサ42、吸気通路11における吸気の流量を検出する吸気流量センサ43、排気通路16において浄化装置17よりも排気の上流側の部分の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ44等の検出信号が入力される。そして、ECU20のCPUは、これらの検出信号に基づいてROMに記憶されたマップやプログラム等を用いて、内燃機関10の燃料噴射量制御や、スロットルバルブ12の開度制御、ポンプ32により送出される排気の流量制御、窒素富化排気バルブ37の開度制御等を実行する。   The ECU 20 is a microcomputer that includes a CPU, a RAM, a ROM, an input / output interface, and the like. The ECU 20 includes an accelerator sensor 41 that detects the amount of depression of the accelerator pedal of the vehicle, a rotational speed sensor 42 that detects the rotational speed of the internal combustion engine 10, an intake flow sensor 43 that detects the flow rate of intake air in the intake passage 11, and the exhaust passage 16. , A detection signal from an oxygen concentration sensor 44 or the like that detects the oxygen concentration in the portion upstream of the exhaust gas from the purification device 17 is input. Then, the CPU of the ECU 20 sends out the fuel injection amount control of the internal combustion engine 10, the opening degree control of the throttle valve 12, and the pump 32 using a map, a program or the like stored in the ROM based on these detection signals. Exhaust flow control, opening control of the nitrogen-rich exhaust valve 37, and the like are executed.

こうした構成を備える窒素富化排気供給装置において、図3のフローチャートに示す処理手順により、内燃機関10に供給される窒素富化排気の量を制御する窒素富化排気供給量制御が実行される。この処理は、ECU20により所定の周期をもって繰り返し実行される。   In the nitrogen-rich exhaust gas supply device having such a configuration, nitrogen-rich exhaust gas supply amount control for controlling the amount of nitrogen-rich exhaust gas supplied to the internal combustion engine 10 is executed by the processing procedure shown in the flowchart of FIG. This process is repeatedly executed by the ECU 20 with a predetermined cycle.

まず、内燃機関10の運転状態に基づいて窒素富化排気の目標供給量が設定される(S11)。具体的には、アクセルセンサ41及び回転速度センサ42の検出信号に基づいて、ECU20のROMに記憶されたマップを参照することにより、窒素富化排気の目標供給量が設定される。このマップは、内燃機関10の負荷としてのアクセルペダルの踏み込み量と、内燃機関10の回転速度と、窒素富化排気の目標供給量との関係を規定している。そして、アクセルペダルの踏み込み量が大きいほど、また内燃機関10の回転速度が高いほど、窒素富化排気の目標供給量が多くなるように規定されている。   First, a target supply amount of nitrogen-rich exhaust is set based on the operating state of the internal combustion engine 10 (S11). Specifically, the target supply amount of the nitrogen-enriched exhaust gas is set by referring to a map stored in the ROM of the ECU 20 based on detection signals from the accelerator sensor 41 and the rotation speed sensor 42. This map defines the relationship between the amount of depression of the accelerator pedal as the load of the internal combustion engine 10, the rotational speed of the internal combustion engine 10, and the target supply amount of nitrogen-rich exhaust. The target supply amount of the nitrogen-enriched exhaust gas is specified to increase as the accelerator pedal depression amount increases and as the rotational speed of the internal combustion engine 10 increases.

これに併せて、内燃機関10の運転状態に基づいてスロットルバルブ12の開度が制御される(S12)。具体的には、アクセルセンサ41、回転速度センサ42及び吸気流量センサ43等の検出信号に基づいてスロットルバルブ12の目標開度が設定され、スロットルバルブ12の開度を目標開度に制御するようにスロットルアクチュエータ13が駆動される。   At the same time, the opening degree of the throttle valve 12 is controlled based on the operating state of the internal combustion engine 10 (S12). Specifically, the target opening of the throttle valve 12 is set based on detection signals from the accelerator sensor 41, the rotation speed sensor 42, the intake flow rate sensor 43, etc., and the opening of the throttle valve 12 is controlled to the target opening. Then, the throttle actuator 13 is driven.

続いて、窒素富化排気の目標供給量に基づいてポンプ32の駆動および窒素富化排気バルブ37の開度が制御される(S13)。具体的には、ポンプ32の駆動を制御することにより、ポンプ32から送出される排気の流量が制御される。すなわち、ポンプ32は、排気を加圧して送出するとともに、送出される排気の流量を調節する。そして、窒素富化気体生成装置30によって排気の窒素濃度が高められ、窒素富化排気バルブ37の開度制御を通じて窒素富化排気の流量が制御される。なお、供給通路36から吸気通路11に供給される窒素富化排気の流量は、吸気通路11内の圧力によって影響を受けるため、これを考慮してポンプ32の駆動および窒素富化排気バルブ37の開度が制御される。これにより、目標供給量の窒素富化排気が供給通路36から吸気通路11に供給される。こうして、本処理は終了される。   Subsequently, the driving of the pump 32 and the opening degree of the nitrogen-rich exhaust valve 37 are controlled based on the target supply amount of the nitrogen-rich exhaust (S13). Specifically, by controlling the driving of the pump 32, the flow rate of the exhaust gas sent from the pump 32 is controlled. That is, the pump 32 pressurizes and delivers the exhaust gas, and adjusts the flow rate of the exhaust gas to be delivered. Then, the nitrogen concentration of the exhaust is increased by the nitrogen-enriched gas generator 30, and the flow rate of the nitrogen-enriched exhaust is controlled through the opening degree control of the nitrogen-enriched exhaust valve 37. Note that the flow rate of the nitrogen-enriched exhaust gas supplied from the supply passage 36 to the intake passage 11 is affected by the pressure in the intake passage 11. The opening is controlled. As a result, a target supply amount of nitrogen-enriched exhaust gas is supplied from the supply passage 36 to the intake passage 11. Thus, this process is terminated.

以上詳述した本実施形態は以下の利点を有する。   The embodiment described above has the following advantages.

誘導通路31を通じて内燃機関10の排気通路16から窒素富化気体生成装置30に排気が誘導され、分離部材30aに対する各気体の透過性の差異に基づいて排気の窒素濃度が高められる。そして、装置30により窒素濃度の高められた排気(窒素富化排気)が、供給通路36を通じて内燃機関10の吸気通路11に供給される。   Exhaust gas is guided from the exhaust passage 16 of the internal combustion engine 10 to the nitrogen-enriched gas generating device 30 through the induction passage 31, and the nitrogen concentration of the exhaust gas is increased based on the difference in permeability of each gas with respect to the separation member 30a. Then, the exhaust gas (nitrogen-enriched exhaust gas) whose nitrogen concentration is increased by the device 30 is supplied to the intake passage 11 of the internal combustion engine 10 through the supply passage 36.

ここで、内燃機関10において燃料と吸入空気との混合気の燃焼により生じた排気は、窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含んでおり、分離部材30aに対する二酸化炭素および水蒸気の透過性は酸素の透過性よりも高い。このため、大気からなる吸気(自然吸気)から酸素を分離する場合と比較して、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離する場合には、分離部材30aによる気体分離を低圧で実施することができる。さらに、気体の温度が高いほど、分離部材30aにより窒素濃度を高める際の効率が高くなる。このため、高温の排気を用いて窒素富化気体を生成する場合には、常温の自然吸気を用いて窒素富化気体を生成する場合よりも効率を向上させることができる。その結果、気体を加圧する装置や気体を分離する装置が大型化することを抑制することができる。   Here, the exhaust gas generated by the combustion of the mixture of fuel and intake air in the internal combustion engine 10 contains nitrogen, carbon dioxide, and water vapor, and the permeability of the carbon dioxide and water vapor to the separation member 30a is oxygen permeation. Higher than sex. For this reason, gas separation by the separation member 30a can be performed at a low pressure when separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust as compared to separating oxygen from intake air (natural intake air) consisting of the atmosphere. Further, the higher the temperature of the gas, the higher the efficiency in increasing the nitrogen concentration by the separation member 30a. For this reason, when producing | generating a nitrogen-enriched gas using high temperature exhaust_gas | exhaustion, efficiency can be improved rather than the case where producing | generating a nitrogen-enriched gas using normal temperature natural air intake. As a result, it is possible to suppress an increase in size of a device that pressurizes the gas or a device that separates the gas.

内燃機関10において、吸気中の酸素と燃料とが過不足なく反応する状態で燃焼が行われた場合には、その排気は主に窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含むこととなる。   In the internal combustion engine 10, when combustion is performed in a state in which oxygen and fuel in the intake air react without excess or deficiency, the exhaust mainly contains nitrogen, carbon dioxide, and water vapor.

したがって、窒素富化気体生成装置30は、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより排気の窒素濃度を高めるため、排気の窒素濃度をより高くすることができる。ここで、内燃機関10の熱効率ηは、作動流体の比熱比κ(定圧比熱Cpと定積比熱Cvとの比)が大きいほど高くなる。そして、窒素は二酸化炭素および水蒸気よりも比熱比κが大きいため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより、排気の比熱比κを大きくすることができる。その結果、窒素濃度を高めていない排気を内燃機関10に供給する場合と比較して、内燃機関10の熱効率を向上させることができる。また、比熱比κを増大させるためのリーン燃焼といった特別な燃焼状態を形成する必要がない。   Therefore, since the nitrogen-enriched gas generating device 30 increases the nitrogen concentration of the exhaust gas by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas, the nitrogen concentration of the exhaust gas can be further increased. Here, the thermal efficiency η of the internal combustion engine 10 increases as the specific heat ratio κ (ratio between the constant pressure specific heat Cp and the constant volume specific heat Cv) of the working fluid increases. Since nitrogen has a larger specific heat ratio κ than carbon dioxide and water vapor, the specific heat ratio κ of the exhaust gas can be increased by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas. As a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine 10 can be improved as compared with the case where exhaust gas whose nitrogen concentration is not increased is supplied to the internal combustion engine 10. In addition, it is not necessary to form a special combustion state such as lean combustion for increasing the specific heat ratio κ.

誘導通路31内の排気を加圧して窒素富化気体生成装置30に送出するポンプ32を備えるため、ターボチャージャのコンプレッサ等を利用する場合と比較して、気体を加圧する加圧装置を小型化することができる。   Since the pump 32 for pressurizing the exhaust gas in the guide passage 31 and sending it to the nitrogen-enriched gas generating device 30 is provided, the pressurizing device for pressurizing the gas is downsized compared to the case of using a turbocharger compressor or the like. can do.

ポンプ32は排気の流量を調節可能な電動ポンプであり、ECU20は内燃機関10の運転状態に基づいてポンプ32により送出される排気の流量を制御するため、排気を加圧するためのポンプ32を利用して、窒素富化気体生成装置30に送出される排気の流量、ひいては内燃機関10の吸気通路11に供給される窒素富化排気の流量を、内燃機関10の運転状態に応じて制御することができる。   The pump 32 is an electric pump capable of adjusting the flow rate of exhaust gas, and the ECU 20 uses the pump 32 for pressurizing the exhaust gas in order to control the flow rate of exhaust gas delivered by the pump 32 based on the operating state of the internal combustion engine 10. Then, the flow rate of the exhaust gas sent to the nitrogen-enriched gas generation device 30 and the flow rate of the nitrogen-rich exhaust gas supplied to the intake passage 11 of the internal combustion engine 10 are controlled according to the operating state of the internal combustion engine 10. Can do.

二酸化炭素および水蒸気と窒素とでは、酸素と窒素とに比べて分離比の差(膜透過性の差)が大きいため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することで、大気からなる吸気(自然吸気)から酸素を分離する場合に比べて、分離精度を向上させることができ、その結果、窒素富化気体の窒素濃度を高めることができる。   Since carbon dioxide, water vapor, and nitrogen have a larger separation ratio difference (difference in membrane permeability) than oxygen and nitrogen, by separating carbon dioxide and water vapor from exhaust gas, air intake (natural intake) ), The separation accuracy can be improved, and as a result, the nitrogen concentration of the nitrogen-enriched gas can be increased.

上記実施形態に限定されず、例えば次のように実施することもできる。   It is not limited to the said embodiment, For example, it can also implement as follows.

・上記実施形態では、窒素富化排気バルブ37の開度をECU20によって制御するようにしたが、開度を調節することのできる窒素富化排気バルブ37に代えて開閉弁を採用し、ECU20によって開閉弁を開状態と閉状態とに切り換えることもできる。また、こうした窒素富化排気バルブ37や開閉バルブを省略することもできる。これらの場合であっても、ポンプ32により送出される排気の流量を制御することにより、吸気通路11に供給される窒素富化排気の流量を制御することができる。   In the above embodiment, the opening degree of the nitrogen-enriched exhaust valve 37 is controlled by the ECU 20, but an open / close valve is employed instead of the nitrogen-enriched exhaust valve 37 that can adjust the opening degree. The on-off valve can be switched between an open state and a closed state. Further, the nitrogen-rich exhaust valve 37 and the opening / closing valve can be omitted. Even in these cases, the flow rate of the nitrogen-rich exhaust gas supplied to the intake passage 11 can be controlled by controlling the flow rate of the exhaust gas sent out by the pump 32.

・上記実施形態では、ポンプ32として、排気の流量を調節可能な電動ポンプを採用したが、排気を所定流量で送出するポンプを採用することもできる。この場合であっても、吸気通路11に供給される排気の流量を調節する窒素富化排気バルブ37(流量調節弁)と、内燃機関10の運転状態に基づいて窒素富化排気バルブ37の開度を制御するECU20とを備えることにより、排気の流量を調節できない簡素なポンプを採用しつつ、内燃機関10の吸気通路11に供給される窒素富化排気の流量を、内燃機関10の運転状態に応じて制御することができる。   In the above embodiment, an electric pump capable of adjusting the flow rate of exhaust gas is adopted as the pump 32, but a pump that sends exhaust gas at a predetermined flow rate can also be adopted. Even in this case, the nitrogen-rich exhaust valve 37 (flow rate control valve) that adjusts the flow rate of the exhaust gas supplied to the intake passage 11 and the nitrogen-rich exhaust valve 37 are opened based on the operating state of the internal combustion engine 10. And the ECU 20 that controls the degree of exhaust gas, the flow rate of the nitrogen-enriched exhaust gas that is supplied to the intake passage 11 of the internal combustion engine 10 is determined as the operating state of the internal combustion engine 10 while adopting a simple pump that cannot adjust the flow rate of the exhaust gas. Can be controlled according to.

・上記実施形態では、ポンプ32により排気を加圧して送出するようにしたが、窒素富化気体生成装置30に導入される排気において窒素濃度を高めるために必要な圧力を確保することができれば、ポンプ32を省略することもできる。その場合には、排気通路16において誘導通路31の接続部分よりも排気の下流側に、排気の流量を調節する排気絞り弁を設けて、窒素富化気体生成装置30に導入される排気の圧力を上昇させるようにしてもよい。また、排気を窒素富化気体生成装置30に誘導する誘導通路を、排気通路16において浄化装置17よりも排気の上流側に接続することによっても、装置30に導入される排気の圧力を上昇させることができる。なお、反対に、窒素富化気体生成装置30に導入される排気の圧力をより高めたい場合には、ポンプ32よりも排気を加圧する能力の高いコンプレッサ等を採用することもできる。   In the above embodiment, the exhaust gas is pressurized and delivered by the pump 32. However, if the pressure necessary to increase the nitrogen concentration in the exhaust gas introduced into the nitrogen-enriched gas generation device 30 can be secured, The pump 32 can be omitted. In that case, an exhaust throttle valve for adjusting the flow rate of exhaust gas is provided in the exhaust passage 16 on the downstream side of the connection portion of the induction passage 31 so that the pressure of the exhaust gas introduced into the nitrogen-enriched gas generating device 30 You may make it raise. Further, the pressure of the exhaust gas introduced into the device 30 is also increased by connecting a guide passage for guiding the exhaust gas to the nitrogen-enriched gas generation device 30 on the upstream side of the exhaust gas from the purification device 17 in the exhaust passage 16. be able to. On the other hand, when it is desired to increase the pressure of the exhaust gas introduced into the nitrogen-enriched gas generation device 30, a compressor having a higher ability to pressurize the exhaust gas than the pump 32 can be adopted.

・上記実施形態の構成に加えて、窒素富化気体生成装置30(窒素富化手段)を迂回して内燃機関10の排気を吸気通路11に還流させる還流通路と、供給通路36から吸気通路11に窒素濃度の高められた排気が供給される状態、及び還流通路から吸気通路11に排気が供給される状態を切換える切換えバルブ(切換手段)とを備えるといった構成を採用することにより、内燃機関10の運転状態に応じて窒素富化排気が供給される状態と窒素濃度の高められていない排気が供給される状態とを切り換えるようにしてもよい。   In addition to the configuration of the above-described embodiment, a recirculation passage that bypasses the nitrogen-enriched gas generation device 30 (nitrogen-enriching means) and recirculates the exhaust gas of the internal combustion engine 10 to the intake passage 11, and the supply passage 36 to the intake passage 11 The internal combustion engine 10 is provided with a switching valve (switching means) that switches between a state in which exhaust gas having a high nitrogen concentration is supplied to the exhaust gas and a state in which exhaust gas is supplied from the recirculation passage to the intake passage 11. Depending on the operation state, the state in which the nitrogen-enriched exhaust gas is supplied and the state in which the exhaust gas whose nitrogen concentration is not increased may be switched.

・上記実施形態の構成に加えて、又は上記実施形態の窒素富化排気バルブ37に代えて、例えば図4に示すように、窒素富化気体生成装置30内、又は供給通路36において窒素富化気体生成装置30の下流側に、窒素富化排気の窒素濃度を調節するバルブ(濃度調節弁)39を設け、そのバルブ開度をECU20により制御することで、窒素富化気体生成装置30から送出される窒素富化排気の窒素濃度を制御する構成する。窒素濃度の調節機構として例えば、ECU20によりバルブ開度を調節することで、窒素富化気体生成装置30における排気の滞留時間を変更する。このとき、排気の滞留時間が長くなるほど、窒素の透過量に対して二酸化炭素や水蒸気の透過量が多くなり、結果として、窒素富化気体生成装置30から送出される窒素富化排気の窒素濃度が高くなると考えられる。したがって、吸気通路11に供給する窒素富化排気中の窒素濃度を高くするには、バルブ開度が小さくなるようバルブ39の駆動を制御する。   In addition to the configuration of the above embodiment or in place of the nitrogen enriched exhaust valve 37 of the above embodiment, for example, as shown in FIG. 4, the nitrogen enrichment in the nitrogen enriched gas generation device 30 or in the supply passage 36 A valve (concentration control valve) 39 for adjusting the nitrogen concentration of the nitrogen-enriched exhaust gas is provided on the downstream side of the gas generating device 30, and the valve opening degree is controlled by the ECU 20 so that the nitrogen-enriched gas generating device 30 delivers the valve. The nitrogen concentration of the nitrogen enriched exhaust is controlled. As a nitrogen concentration adjustment mechanism, for example, the valve opening is adjusted by the ECU 20 to change the exhaust residence time in the nitrogen-enriched gas generator 30. At this time, as the residence time of the exhaust gas becomes longer, the permeation amount of carbon dioxide and water vapor increases with respect to the permeation amount of nitrogen. As a result, the nitrogen concentration of the nitrogen-enriched exhaust gas sent from the nitrogen-enriched gas generation device 30 Will be higher. Therefore, in order to increase the nitrogen concentration in the nitrogen-enriched exhaust gas supplied to the intake passage 11, the drive of the valve 39 is controlled so that the valve opening is reduced.

・上記実施形態では、窒素富化気体生成装置30の分離部材30aを中空糸膜や酸素富化膜により構成し、気体分子間で膜透過速度が異なる性質を利用して排気の気体分離を実施する構成としたが、排気の気体分離方法はこれに限定しない。例えば、気体分子間で吸着能が異なる性質を利用して気体分離を実施するPSA(Pressure Swing Adsorption)方式を採用する。この場合、ゼオライトや活性炭といった微多孔物質により分離部材30aを構成する。なお、一般にゼオライトは、窒素分子や酸素分子よりも二酸化炭素を選択的に吸着しやすいことから、排気中の二酸化炭素と窒素とを容易にかつ高精度で分離することができる。   In the above embodiment, the separation member 30a of the nitrogen-enriched gas generating device 30 is configured by a hollow fiber membrane or an oxygen-enriched membrane, and exhaust gas separation is performed by utilizing the property that the membrane permeation speed differs between gas molecules. However, the exhaust gas separation method is not limited to this. For example, a PSA (Pressure Swing Adsorption) system is employed in which gas separation is performed using the property that the adsorption ability differs between gas molecules. In this case, the separation member 30a is made of a microporous material such as zeolite or activated carbon. In general, zeolite is capable of selectively adsorbing carbon dioxide more selectively than nitrogen molecules and oxygen molecules, so that carbon dioxide and nitrogen in the exhaust gas can be easily separated with high accuracy.

・上記実施形態では、内燃機関10としてガソリンエンジンを採用したが、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンを採用することもできる。その場合には、浄化装置17は、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)やNOx吸蔵還元触媒等により構成される。こうした構成によっても、排気中の二酸化炭素や水蒸気を分離して窒素濃度を高めた排気(窒素富化排気)を内燃機関10に供給することができる。   In the above embodiment, a gasoline engine is employed as the internal combustion engine 10, but not limited to a gasoline engine, a diesel engine may be employed. In that case, the purification device 17 is configured by a DPF (diesel particulate filter), a NOx storage reduction catalyst, or the like. Even with such a configuration, it is possible to supply the internal combustion engine 10 with exhaust gas (nitrogen-enriched exhaust gas) in which the nitrogen concentration is increased by separating carbon dioxide and water vapor in the exhaust gas.

10…内燃機関、11…吸気通路、16…排気通路、30…窒素富化手段としての窒素富化気体生成装置、30a…分離部材、31…誘導通路、36…供給通路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Internal combustion engine, 11 ... Intake passage, 16 ... Exhaust passage, 30 ... Nitrogen-rich gas production | generation apparatus as a nitrogen enrichment means, 30a ... Separation member, 31 ... Induction passage, 36 ... Supply passage

Claims (8)

気体の窒素濃度を高める窒素富化手段と、
内燃機関の排気通路から前記窒素富化手段に排気を誘導する誘導通路と、
前記窒素富化手段により窒素濃度の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する供給通路と
を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化気体供給装置。
Nitrogen enrichment means for increasing the nitrogen concentration of the gas;
An induction passage for inducing exhaust from the exhaust passage of the internal combustion engine to the nitrogen enriching means;
A nitrogen-enriched gas supply apparatus for an internal combustion engine, comprising: a supply passage for supplying the exhaust gas whose nitrogen concentration is increased by the nitrogen-enriching means to an intake passage of the engine.
前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。   2. The nitrogen-enriched gas supply device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the nitrogen-enriching means increases the nitrogen concentration of the exhaust gas by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas. 前記誘導通路内の前記排気を加圧して前記窒素富化手段に送出するポンプを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。   3. The nitrogen-enriched gas supply device for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising a pump that pressurizes the exhaust gas in the induction passage and sends the pressurized exhaust gas to the nitrogen-enriching unit. 前記ポンプは前記排気の流量を調節可能なポンプであり、
前記機関の運転状態に基づいて前記ポンプにより送出される前記排気の流量を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。
The pump is a pump capable of adjusting the flow rate of the exhaust,
4. The nitrogen-enriched gas supply device for an internal combustion engine according to claim 3, further comprising control means for controlling a flow rate of the exhaust gas sent by the pump based on an operating state of the engine.
前記吸気通路に供給される前記排気の流量を調節する流量調節弁を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。   The nitrogen-enriched gas supply device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, further comprising a flow rate adjusting valve that adjusts a flow rate of the exhaust gas supplied to the intake passage. 前記吸気通路に供給される前記排気の窒素濃度を調節する濃度調節弁を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。   The nitrogen-enriched gas supply device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, further comprising a concentration control valve that adjusts a nitrogen concentration of the exhaust gas supplied to the intake passage. 内燃機関の排気通路から窒素富化手段に排気を誘導する工程と、
前記窒素富化手段によって、前記排気の窒素濃度を高める工程と、
前記窒素富化手段によって窒素濃度の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する工程と
を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化気体供給方法。
Inducing exhaust from the exhaust passage of the internal combustion engine to the nitrogen enrichment means;
Increasing the nitrogen concentration of the exhaust by the nitrogen enrichment means;
And supplying the exhaust gas whose nitrogen concentration has been increased by the nitrogen enriching means to the intake passage of the engine.
前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めることを特徴とする請求項7に記載の内燃機関の窒素富化気体供給方法。   8. The nitrogen-enriched gas supply method for an internal combustion engine according to claim 7, wherein the nitrogen-enriching means increases the nitrogen concentration of the exhaust gas by separating carbon dioxide and water vapor from the exhaust gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019048259A (en) * 2017-09-08 2019-03-28 旭化成株式会社 Continuous control system of gas concentration
US10458347B2 (en) 2015-07-27 2019-10-29 Hitachi, Ltd. Power train system

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