JP6646504B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気の酸素濃度を上昇させるエンジンの吸気装置に関する。

エンジンの燃焼室から排気された排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）等が含まれているため、排気流路には、三元触媒（Three-Way Catalyst）や、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（Lean NOx Trap）等の触媒が設けられている。しかし、触媒の活性温度は、常温（例えば、２５℃）より高いため、エンジンが始動して排気ガスの温度が活性温度に達するまで、触媒の機能が十分に発揮されないおそれがある。

そこで、ゼオライトで構成された酸素富化デバイスを用いたり（例えば、特許文献１）、ポリエステル、ポリアミドセルロース、セルロースアセテートで構成された酸素富化デバイスを用いたりして（例えば、特許文献２）、吸気中の酸素濃度を上昇させ、燃焼室に供給する技術が開発されている。このような酸素富化デバイスを用いた吸気装置では、吸気中の酸素濃度を上昇させることで、排気ガスの温度を上昇させることができるので、触媒の暖機を早期に行うことが可能となる。

特開昭６２−２６７５５７号公報 実開昭６３−１１８３７３号公報

しかし、特許文献１、２の酸素富化デバイスでは、酸素濃度を最大でも３０％程度にまでしか上昇させることができない。ＮＯｘ生成量は、窒素酸化反応の化学量論比で決まり、空気中の酸素濃度が８０％に達するまでは酸素量が反応の支配要因となるために酸素濃度の上昇（窒素に対する酸素の比）に伴って反応が促進され、排気ガス中のＮＯｘが増加してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、ＮＯｘの増加を抑制しつつ、吸気中の酸素濃度を上昇させることが可能なエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエンジンの吸気装置は、エンジンの燃焼室に空気を導く吸気流路から分岐されるとともに、該吸気流路における分岐箇所の下流側に再接続されるバイパス路と、前記バイパス路に設けられた酸素富化ユニットと、前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気流路と、前記酸素富化ユニットとを接続する窒素排出路と、前記窒素排出路に設けられる可変バルブと、を備え、前記酸素富化ユニットは、中空糸状のポリイミド樹脂で構成され、空気から酸素を分離する酸素富化膜を含んで構成されることを特徴とする。

また、前記酸素富化ユニットは、空気を加熱するエアウォーマをさらに備え、前記酸素富化膜は、前記エアウォーマによって加熱された空気から酸素を分離するとしてもよい。

また、前記バイパス路は、前記吸気流路に設けられたスロットル弁の上流側から分岐されるとともに、該スロットル弁の下流側に再接続されるとしてもよい。

また、前記吸気流路における前記スロットル弁の上流側は、エアクリーナが設けられており、前記バイパス路は、前記吸気流路における前記エアクリーナと前記スロットル弁との間から分岐されるとしてもよい。

また、前記バイパス路は、前記吸気流路における、前記エンジンのクランクケース内のブローバイガスを該吸気流路に還流させるブローバイガス流路の上流側に再接続されるとしてもよい。

また、前記バイパス路は、前記吸気流路における、前記燃焼室から排出された排気ガスを該吸気流路に還流させるＥＧＲ流路の上流側に再接続されるとしてもよい。

また、少なくとも前記酸素富化膜から外部への熱の流出を抑制する断熱部を備えるとしてもよい。

本発明によれば、ＮＯｘの増加を抑制しつつ、吸気中の酸素濃度を上昇させることができる。

実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す概略図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１００の構成を示す概略図である。図１に示すように、エンジンシステム１００を構成するエンジンＥは、シリンダブロック１０２と、クランクケース１０４と、シリンダヘッド１０６と、ヘッドカバー１０８と、オイルパン１１０とを含んで構成される。クランクケース１０４は、シリンダブロック１０２と一体形成されている。シリンダヘッド１０６は、シリンダブロック１０２におけるクランクケース１０４とは反対側に接合される。ヘッドカバー１０８は、シリンダヘッド１０６におけるシリンダブロック１０２とは反対側に接合される。オイルパン１１０は、クランクケース１０４におけるシリンダブロック１０２とは反対側に接合される。

シリンダブロック１０２には、複数のシリンダボア１１２が形成されており、複数のシリンダボア１１２には、それぞれピストン１１４が摺動可能にピストンロッド１１６に支持されている。そして、エンジンＥでは、シリンダボア１１２と、シリンダヘッド１０６と、シリンダボア１１２内で摺動可能に支持されているピストン１１４の冠面とによって囲まれた空間が燃焼室１１８として形成される。

また、エンジンＥでは、クランクケース１０４およびオイルパン１１０に囲まれた空間がクランク室１２０として形成される。クランク室１２０内には、クランクシャフト１２２が回転可能に支持されており、ピストン１１４がピストンロッド１１６を介してクランクシャフト１２２に連結される。

シリンダヘッド１０６には、吸気ポート１２４および排気ポート１２６が燃焼室１１８に連通するように設けられる。吸気ポート１２４と燃焼室１１８との間には、吸気弁１２８の先端が位置し、排気ポート１２６と燃焼室１１８との間には、排気弁１３０の先端が位置している。

また、エンジンＥでは、シリンダヘッド１０６およびヘッドカバー１０８に囲まれた空間がカム室１３２として形成されており、カム室１３２内には、吸気弁用カム１３４および排気弁用カム１３６が設けられる。吸気弁用カム１３４は、吸気弁１２８の他端に当接されており、回転することで吸気弁１２８を吸気ポート１２４のバルブシートに対して当接および離隔させる。これにより、吸気弁１２８は、吸気ポート１２４と燃焼室１１８との間を開閉する。排気弁用カム１３６は、排気弁１３０の他端に当接されており、回転することで排気弁１３０を排気ポート１２６のバルブシートに対して当接および離隔させる。これにより、排気弁１３０は、排気ポート１２６と燃焼室１１８との間を開閉する。

吸気ポート１２４の上流側には、吸気マニホールドを含む吸気流路１４０が連通される。吸気流路１４０内には、スロットル弁１４２、および、スロットル弁１４２より上流側にエアクリーナ１４４が設けられる。スロットル弁１４２は、アクセル（図示せず）の開度に応じてアクチュエータにより開閉駆動される。エアクリーナ１４４にて浄化された空気は、吸気流路１４０、吸気ポート１２４を通じて燃焼室１１８に吸入される。

シリンダヘッド１０６には、燃料噴射口が燃焼室１１８に開口するようにインジェクタ１４６が設けられるとともに、先端が燃焼室１１８内に位置するように点火プラグ１４８が設けられる。インジェクタ１４６から燃焼室１１８に噴射された燃料は、吸気ポート１２４から燃焼室１１８に供給された空気と混ざり混合気となる。そして、所定のタイミングで点火プラグ１４８が点火され、燃焼室１１８内で生成された混合気に含まれる燃料が燃焼される。かかる燃焼により、ピストン１１４が往復運動を行い、その往復運動が、ピストンロッド１１６を通じてクランクシャフト１２２の回転運動に変換される。

排気ポート１２６の下流側には、排気マニホールドを含む排気流路１５０が連通され、排気流路１５０内に触媒１５２が設けられる。燃焼室１１８で生じた燃焼後の排気ガスは、排気ポート１２６、排気流路１５０を通じて外部へ排出される。

ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）流路１６０は、排気流路１５０における触媒１５２の上流側の流路と、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側の流路とを連通させる流路であって、排気流路１５０を流通する排気ガスの一部を吸気流路１４０に還流させる（還流させた排気ガスをＥＧＲガスという）。

ＥＧＲ流路１６０には、ＥＧＲクーラ１６２が設けられており、ＥＧＲクーラ１６２で冷却されたＥＧＲガスは、吸気流路１４０、吸気ポート１２４を通じて燃焼室１１８に還流する。ＥＧＲバルブ１６４は、ＥＧＲ流路１６０におけるＥＧＲクーラ１６２の下流側に設けられ、ＥＧＲ流路１６０の流路幅を調整することで、ＥＧＲ流路１６０を流れるＥＧＲガスの流量を制御する。

また、クランクケース１０４には、クランク室１２０に連通するオイルセパレータ１７０が設けられる。オイルセパレータ１７０は、シリンダボア１１２およびピストン１１４の隙間を介してクランク室１２０に流出したブローバイガスから、混入したオイルを分離する。

また、エンジンシステム１００には、オイルセパレータ１７０と、吸気流路１４０における吸気ポート１２４およびスロットル弁１４２間とを連通するブローバイガス流路１７２が設けられる。ブローバイガス流路１７２は、ブローバイガスを吸気流路１４０へ還流させる。

ブローバイガス流路１７２には、ブローバイガス流量を調整するためのブローバイガス流路バルブ１７４が設けられ、ブローバイガス流路バルブ１７４の開閉に応じて、ブローバイガス流路１７２が開閉される。

また、エンジンシステム１００には、カム室１３２と、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４４およびスロットル弁１４２間とを連通する掃気流路１７６が設けられる。さらに、シリンダブロック１０２およびシリンダヘッド１０６には、クランク室１２０とカム室１３２とを連通する通気孔１７８が形成される。掃気流路１７６に流入した空気は、カム室１３２および通気孔１７８を介してクランク室１２０に導かれ、クランク室１２０に溜まったブローバイガスを掃気する。

また、本実施形態のエンジンシステム１００には、バイパス路１８０と、酸素富化ユニット２００と、窒素排出路２４０とを含んで構成される吸気装置が設けられている。バイパス路１８０は、吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側の接続箇所Ｂに再接続される流路である。そして、バイパス路１８０には、酸素富化空気および窒素富化空気を生成する酸素富化ユニット２００が設けられている。

酸素富化ユニット２００は、エアウォーマ２１０と、酸素富化デバイス２２０と、断熱部２３０とを含んで構成される。エアウォーマ２１０は、エアクリーナ１４４で浄化された空気を加熱するとともに、空気から水（水蒸気）を除去する。本実施形態において、エアウォーマ２１０は、酸素富化デバイス２２０を構成する酸素富化膜の適用温度範囲（酸素と窒素との分離を効率的に行うことができる温度範囲）内となるように空気を加熱するとともに、適用湿度範囲（酸素と窒素との分離を効率的に行うことができる湿度範囲）内となるように空気から水を除去する。エアウォーマ２１０を備える構成により、酸素富化デバイス２２０において効率よく酸素富化空気を生成することができる。

酸素富化デバイス２２０は、中空糸状のポリイミド樹脂で構成され、空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜と、酸素富化膜に空気を導入する空気導入部２２２と、酸素富化膜から酸素富化空気を送出する酸素送出部２２４と、酸素富化膜から窒素富化空気を送出する窒素送出部２２６とを含んで構成される。酸素富化デバイス２２０の空気導入部２２２はバイパス路１８０の上流側（分岐箇所Ａ側）に接続され、酸素送出部２２４はバイパス路１８０の下流側（接続箇所Ｂ側）に接続される。また、酸素富化ユニット２００の窒素送出部２２６は後述する窒素排出路２４０に接続される。したがって、酸素富化空気は、酸素送出部２２４からバイパス路１８０（吸気流路１４０、燃焼室１１８）に導かれ、窒素富化空気は、窒素送出部２２６から窒素排出路２４０（排気流路１５０）に導かれることとなる。

酸素富化膜をポリイミド樹脂で構成することにより、空気中の酸素濃度を９９％以上とすることができる。このように、酸素富化デバイス２２０によって分離された酸素富化空気（酸素濃度９９％以上）は、バイパス路１８０を通じて吸気流路１４０に供給される。

したがって、酸素濃度が高い空気が燃焼室１１８に供給されることとなるため、燃焼効率が向上して、燃焼室１１８における燃焼温度を上昇させることができる。これにより、触媒１５２の暖機を早期に行うことができ、触媒１５２の活性温度への到達時間を短縮することが可能となる。また、燃焼室１１８における燃焼温度を上昇させることができるため、同一の温度の排気ガスを得るために必要な燃料を削減することが可能となる。したがって、燃費を向上させることができる。さらに、酸素富化デバイス２２０が、酸素濃度が９９％以上の酸素富化空気を生成することができる。酸素濃度が８０％を超えると、空気中の窒素量が酸化反応の支配要因となり、ＮＯｘ生成反応が抑制されるため、燃焼室１１８におけるＮＯｘの増加を抑制することが可能となる。

断熱部２３０は、酸素富化デバイス２２０を囲繞するとともに、少なくとも酸素富化デバイス２２０から外部への熱の流出を抑制する。断熱部２３０を備える構成により、外部への放熱による温度低下を抑制し、酸素富化デバイス２２０を適用温度範囲に維持することが可能となる。

また、本実施形態において、バイパス路１８０は、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４４の下流側であってスロットル弁１４２の上流側から分岐される。つまり分岐箇所Ａはエアクリーナ１４４とスロットル弁１４２との間に配される。また、バイパス路１８０は、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側であってＥＧＲ流路１６０、ブローバイガス流路１７２の上流側に再接続される。つまり、接続箇所Ｂは、スロットル弁１４２とＥＧＲ流路１６０との間に配される。

このように、バイパス路１８０が、スロットル弁１４２の上流側から分岐されるとともに、スロットル弁１４２の下流側に再接続される構成により、分岐箇所Ａと接続箇所Ｂとの間に差圧を生じさせることができる。具体的に説明すると、アイドル時または低負荷時は、スロットル弁１４２の下流側が負圧になる。このため、分岐箇所Ａをスロットル弁１４２の上流側とし、接続箇所Ｂをスロットル弁１４２の下流側とすることにより、ポンプ等の吸引装置を備えずとも、酸素富化デバイス２２０の空気導入部２２２（バイパス路１８０）に空気を導くとともに、酸素送出部２２４を通じて酸素富化空気を吸引することができる。

さらに、バイパス路１８０が、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４４とスロットル弁１４２との間から分岐される構成により、酸素富化ユニット２００にダストが混入する事態を回避することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を防止することが可能となる。

また、バイパス路１８０が、ブローバイガス流路１７２の上流側に再接続される構成により、酸素富化ユニット２００にオイルやダストが混入する事態を回避することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を防止することが可能となる。

さらに、バイパス路１８０は、ＥＧＲ流路１６０の上流側に再接続される。これにより、酸素富化ユニット２００にオイルやダストが混入する事態を回避することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を防止することが可能となる。

窒素排出路２４０は、酸素富化ユニット２００の窒素送出部２２６に接続されるとともに、排気流路１５０における触媒１５２の下流側に接続される。これにより、分岐箇所Ａと接続箇所Ｃ（窒素排出路２４０における排気流路１５０との接続箇所）との間に差圧を生じさせることができる。具体的に説明すると、排気流路１５０は、排気動圧により負圧が発生する環境下にある。また、負圧が発生しない環境下であっても、排気流動による吸引力が生じる。このため、分岐箇所Ａをスロットル弁１４２の上流側とし、接続箇所Ｃを排気流路１５０とすることにより、ポンプ等の吸引装置を備えずとも、酸素富化デバイス２２０の空気導入部２２２（バイパス路１８０）に空気を導くとともに、窒素送出部２２６を通じて窒素富化空気を吸引することができる。

また、窒素排出路２４０には、可変バルブ２４２が設けられている。これにより、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側が排気流路１５０よりも負圧となる場合に、排気ガスが酸素富化デバイス２２０に逆流してしまう事態を回避することができる。また、排気流路１５０が、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側よりも負圧となる場合に、吸気が酸素富化デバイス２２０に逆流してしまう事態を回避することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、酸素富化ユニット２００がエアウォーマ２１０を備える構成を例に挙げて説明したが、エアウォーマ２１０は必須の構成ではない。例えば、エアウォーマ２１０に代えて、水除去装置と、酸素富化デバイス２２０を加熱するヒータを備えてもよい。

また、上記実施形態において、バイパス路１８０が、スロットル弁１４２の上流側であってエアクリーナ１４４の下流側から分岐されるとともに、スロットル弁１４２の下流側であってブローバイガス流路１７２およびＥＧＲ流路１６０の上流側に再接続される構成を例に挙げて説明した。しかし、バイパス路１８０は、吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側に再接続されれば、分岐箇所および接続箇所に限定はない。例えば、空気導入部２２２に空気を送り込む装置や、酸素送出部２２４から酸素富化空気を吸引する装置、窒素送出部２２６から窒素富化空気を吸引する装置を備える場合、バイパス路１８０は、少なくとも吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側に再接続されればよい。また、この場合、空気導入部２２２は大気開放されていてもよい。

また、例えば、空気導入部２２２の上流側、酸素送出部２２４、窒素送出部２２６の下流側にフィルタを備える場合、バイパス路１８０の分岐箇所Ａおよび接続箇所Ｂに限定はなく、バイパス路１８０は、少なくとも吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側に再接続されればよい。

また、上記実施形態において、酸素富化ユニット２００が断熱部２３０を備える構成を例に挙げて説明したが、断熱部２３０は必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、窒素送出部２２６に窒素排出路２４０が接続される構成を例に挙げて説明したが、窒素送出部２２６は大気開放されていてもよい。

本発明は、吸気の酸素濃度を上昇させるエンジンの吸気装置に利用できる。

Ａ 分岐箇所
Ｅ エンジン
１０４ クランクケース
１１８ 燃焼室
１４０ 吸気流路
１４２ スロットル弁
１４４ エアクリーナ
１５０ 排気流路
１６０ ＥＧＲ流路
１７２ ブローバイガス流路
１８０ バイパス路
２００ 酸素富化ユニット
２１０ エアウォーマ
２２０ 酸素富化デバイス
２２２ 空気導入部
２２４ 酸素送出部
２３０ 断熱部
２４０ 窒素排出路

Claims (7)

1. エンジンの燃焼室に空気を導く吸気流路から分岐されるとともに、該吸気流路における分岐箇所の下流側に再接続されるバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられた酸素富化ユニットと、
   前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気流路と、前記酸素富化ユニットとを接続する窒素排出路と、
   前記窒素排出路に設けられる可変バルブと、
   を備え、
   前記酸素富化ユニットは、中空糸状のポリイミド樹脂で構成され、空気から酸素を分離する酸素富化膜を含んで構成されることを特徴とするエンジンの吸気装置。
2. 前記酸素富化ユニットは、空気を加熱するエアウォーマをさらに備え、
   前記酸素富化膜は、前記エアウォーマによって加熱された空気から酸素を分離することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気装置。
3. 前記バイパス路は、前記吸気流路に設けられたスロットル弁の上流側から分岐されるとともに、該スロットル弁の下流側に再接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの吸気装置。
4. 前記吸気流路における前記スロットル弁の上流側は、エアクリーナが設けられており、
   前記バイパス路は、前記吸気流路における前記エアクリーナと前記スロットル弁との間から分岐されることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの吸気装置。
5. 前記バイパス路は、
   前記吸気流路における、前記エンジンのクランクケース内のブローバイガスを該吸気流路に還流させるブローバイガス流路の上流側に再接続されることを特徴とする請求項３または４に記載のエンジンの吸気装置。
6. 前記バイパス路は、
   前記吸気流路における、前記燃焼室から排出された排気ガスを該吸気流路に還流させるＥＧＲ流路の上流側に再接続されることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のエンジンの吸気装置。
7. 少なくとも前記酸素富化膜から外部への熱の流出を抑制する断熱部を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエンジンの吸気装置。

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