KR101743336B1

KR101743336B1 - 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101743336B1
Application number: KR1020147026639A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 시미즈; 히로카즈 오노; 도모히로 니이하마; 마사히로 츠카모토
Original assignee: 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2017-06-15
Also published as: CN103080526A; EP2610472A4; JP2017115890A; EP2610472A1; KR20140120950A; TW201217633A; JP5778679B2; EP2610472B1; KR20130029819A; US20130145748A1; JP6539682B2; BR112013004161A2; KR20170029644A; BR112013004161B1; JPWO2012026472A1; JP2015158207A; WO2012026472A1

Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물을 간편하고 효과적으로 저감할 수 있는, 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법, 질소 산화물의 삭감 장치, 및 내연 기관 장치를 제공한다. 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법으로서, 대기압 이하인 공기를 수증기 투과막(11)의 한쪽 면에 접촉시키고, 물을 상기 수증기 투과막(11)의 다른 한쪽 면을 따라 흘림으로써, 상기 공기를 가습하는 공정과, 상기 가습된 공기를 내연 기관에 도입하는 공정을 포함하는 질소 산화물의 삭감 방법이 제공된다.

Description

내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법 및 그 장치{METHOD FOR REDUCING NITROGEN OXIDES IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은, 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법, 및 그 장치에 관한 것이다. 보다 자세히는, 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법, 질소 산화물의 삭감 장치, 및 내연 기관 장치에 관한 것이다.

디젤 엔진 등으로 대표되는 내연 기관은, 연소 효율이 높고, 이산화탄소의 발생도 적기 때문에, 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 내연 기관의 배기 가스에는 질소 산화물(이하, NOx라고 하는 경우가 있음.)이 포함되어 있고, 최근의 환경의식의 고조로부터, 해마다 NOx 배출의 규제는 엄격해지고 있다. 이 때문에 효율적이고, 저렴한 NOx 제거 기술의 개발이 요구되고 있고, NOx의 삭감에 관한 여러 가지 검토가 이루어지고 있다.

NOx 제거 기술의 구체예로서, 특허문헌 1에는, 물을 분무한 급기를 내연 기관에 공급하는 것에 의해, NOx를 삭감하는 것이 기재되어 있다. 그 외에, 연료중에 물을 첨가하고, W/O형(Water/Oil형) 에멀션으로서 엔진 등에 공급하는 방법을 들 수 있다.

또한, 막을 이용한 NOx 삭감 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2에는, 친수성의 막을 이용하여 급기를 가습하는 것에 의해, NOx가 삭감되는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평03-202668호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공표 제2003-506656호 공보

그러나, 상기한, 물을 분무한 급기를 내연 기관에 공급하는 방법은, 가습된 급기중에 물방울이 남기 쉽고, 물방울을 제거한 후에도, 포화된 수증기이기 때문에 약간의 온도 변화로 결로하기 쉽다고 하는 문제가 있다. 이 공기를 내연 기관에의 급기로서 이용하면, 물방울이 내연 기관의 연소실을 부식시켜 버릴 우려가 있다. 예컨대 선박용 디젤 기관의 경우는, 해수를 사용한 가습법이 개발되고 있지만, 급기중에 포함되는 염을 제거하기 위해 급기를 담수로 세정하는 공정이 필요하며, 장치 구성이 복잡해진다.

또한, 연료중에 물을 첨가하여 W/O형 에멀션으로서 엔진 등에 공급하는 방법은, 수첨가에 의해 연료의 점도가 상승해 버리기 때문에, 첨가하는 물의 양을 제한해야 한다고 하는 문제가 있다.

상기한 막을 이용한 NOx 삭감 방법을 이용하는 것도 생각되고 있지만, NOx의 삭감이 불충분하다. 추가로 특허문헌 2의 방법에서는, 액체의 물이 친수성의 막을 투과하기 때문에, 내연 기관의 연소실을 부식시켜 버릴 우려가 있다. 또한, 공기의 온도 및 습도의 제어가 곤란하다는 문제가 있다.

이상과 같이, 공기의 온도 및 습도를 제어할 수 있고, 간편히 NOx를 삭감할 수 있는 방법 및 장치는 아직 얻어지고 있지 않다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물을 간편하고 효과적으로 저감할 수 있는, 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법, 질소 산화물의 삭감 장치, 및 내연 기관 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명자 등은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 공기를 수증기 투과막의 한쪽 면에 접촉시키고, 물을 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽 면을 따라 흘림으로써, 상기 공기를 가습하고, 이 가습된 공기를 내연 기관에 도입함으로써, 간편하면서 종래에 비해 대폭적인 NOx의 삭감이 가능한 것을 발견하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

즉, 본 발명은 이하와 같다.

[1] 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법으로서,

대기압 이하인 공기를 수증기 투과막의 한쪽 면에 접촉시키고, 물을 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽 면을 따라 흘림으로써, 상기 공기를 가습하는 공정과,

상기 가습된 공기를 내연 기관에 도입하는 공정

을 포함하는 질소 산화물의 삭감 방법.

[2] 상기 가습된 공기를 상기 내연 기관에 도입하는 공정에서, 상기 가습된 공기를 가압함으로써, 상기 가습된 공기를 상기 내연 기관에 도입하는 [1]에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[3] 상기 공기를 가습하는 공정에서, 상기 물의 압력이, 상기 공기의 압력 이상인, [1] 또는 [2]에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[4] 상기 수증기 투과막이, 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막, 및 폴리테트라플루오로에틸렌계 미다공막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 미다공막이며, 상기 미다공막의 표면의 적어도 일부가 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)호모폴리머, 또는 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)과 테트라플루오로에틸렌과의 코폴리머를 포함하는, 두께 1 μm 이하의 층에 의해 피복된 막인, [1]∼[3] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[5] 상기 물이, 수증기인 [1]∼[4] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[6] 상기 물이, 전해질을 포함하는 [1]∼[5] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[7] 상기 공기를 가습하는 공정에서, 상기 물의 온도가, 상기 공기 온도의 -10℃∼+30℃인 [1]∼[6] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[8] 가습된 공기중에서의 물의 함유량이 1 ㏖% 이상이고, 상기 가습된 공기의 습도가 100% RH 미만인 [1]∼[7] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 방법.

[9] 수증기 투과막과, 상기 수증기 투과막을 수납하는 케이스를 구비하고, 상기 케이스 안에는, 상기 수증기 투과막으로 구획된 제1 공간과 제2 공간이 형성되며, 상기 케이스는, 상기 제1 공간에 대기압 이하의 공기를 공급하는 공기 공급구와, 상기 제1 공간으로부터 상기 공기를 배출하는 공기 배출구와, 상기 제2 공간에 물을 공급하는 물 공급구와, 상기 제2 공간으로부터 상기 물을 배출하는 물 배출구를 구비하는 막 모듈과,

상기 막 모듈의 상기 물 공급구에 접속되는 급수부

를 포함하는 질소 산화물의 삭감 장치.

[10] 상기 막 모듈의 상기 공기 배출구에 접속되는 공기 가압부를 더 포함하는 [9]에 기재된 질소 산화물의 삭감 장치.

[11] 상기 수증기 투과막이, 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막, 및 폴리테트라플루오로에틸렌계 미다공막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 미다공막이며, 상기 미다공막의 표면의 적어도 일부가, 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)과 테트라플루오로에틸렌과의 코폴리머를 포함하는, 두께 1 μm 이하의 층에 의해 피복된 막인 [9] 또는 [10]에 기재된 질소 산화물의 삭감 장치.

[12] 상기 급수부가, 상기 막 모듈의 상기 물 배출구로부터 배출되는 물을, 다시 상기 막 모듈의 상기 물 공급구에 공급하는 송액부를 더 포함하는 [9]∼[11] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 장치.

[13] 상기 물의 온도를 제어하는 온도 제어부와,

상기 물의 유량을 제어하는 유량 제어부

를 더 포함하는 [9]∼[12] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 장치.

[14] [10]∼[13] 중 어느 한 항에 기재된 질소 산화물의 삭감 장치와,

내연 기관을 포함하고,

상기 공기 가압부는, 상기 막 모듈의 상기 공기 배출구와, 상기 내연 기관 사이에 배치되어 있는 내연 기관 장치.

본 발명에 따른 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법, 질소 산화물의 삭감 장치, 및 내연 기관 장치에 의하면, 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물을 간편하고 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에서 이용하는 막 모듈의 일 실시형태의 사시도이다.
도 2는 본 실시형태에서 이용하는 막 모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다.
도 3은 본 실시형태에서 이용하는 막 모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다.
도 4는 본 실시형태에서 이용하는 중공사형 막 모듈의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다.
도 5는 본 실시형태에서 이용하는 평막형 장치의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 장치의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다.
도 7은 본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 장치의 다른 일 실시형태를 도시하는 개념도이다.
도 8은 본 실시형태의 내연 기관 장치의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다.
도 9는 본 실시형태의 내연 기관 장치의 다른 일 실시형태를 도시하는 개념도이다.
도 10은 실시예에서 이용한 내연 기관 장치를 도시하는 개념도이다.
도 11은 실시예 2 및 비교예 1의 실린더 안의 지압 선도에 열 발생 속도 곡선을 플롯한 그래프이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 단순히 「본 실시형태」라고 함)에 대해서, 필요에 따라 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이하의 본 실시형태는, 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명을 이하의 내용에 한정하는 취지가 아니다. 또한 첨부 도면은 실시형태의 일례를 나타낸 것이며, 이것에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 본 발명은, 그 요지의 범위 내에서 적절히 변형하여 실시할 수 있다. 또한 도면중, 상하 좌우 등의 위치 관계는, 특별히 문제가 없는 한, 도면에 도시하는 위치 관계에 기초하는 것으로 하고, 도면의 치수 비율은 도시한 비율에 한정되는 것이 아니다.

본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법은, 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법으로서, 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막의 한쪽 면에 접촉시키고, 물을 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽 면을 따라 흘림으로써, 상기 공기를 가습하는 공정(가습 공정)과, 상기 가습된 공기를 내연 기관에 도입하는 공정(도입 공정)을 갖는다. 내연 기관에 도입되는 공기를 가습하는 것에 의해, 내연 기관에서의 연소시에 발생하는 질소 산화물을 삭감할 수 있다.

상기 가습된 공기를 내연 기관의 급기로서 이용함으로써, NOx의 발생을 저감할 수 있다. 그 작용에 대해서는 분명하지 않지만, 하기 (1) 및 (2)에 의해, NOx의 발생을 저감할 수 있는 것으로 추측된다(단, 본 실시형태의 작용은 이것에 한정되지 않는다).

(1) 연소에 이용되는 공기중에 수증기가 포함되는 것에 의해, 공기의 산소 농도가 저하되고, 연소 반응을 억제함으로써, 연소 온도를 내릴 수 있다. 이 때문에 NOx가 생성되는 부반응을 억제할 수 있다.

(2) 3원자 분자인 물은, 상대적으로 비열이 크고, 연소시의 발열 온도를 내릴 수 있다. 이 때문에 NOx가 생성되는 부반응을 억제할 수 있다.

(3) 내연 기관에 이용되는 작동 유체의 비열이 커진 결과, 연소시의 온도가 저하되고, 압축시의 압력이 저하되지만, 착화 전의 압축 압력도 저하되기 때문에, 연료 소비는 증가하지 않아, 연비의 악화를 억제할 수 있다.

우선, 본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막의 한쪽 면에 접촉시키고, 물을 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽 면을 따라 흘림으로써, 상기 공기를 가습하는 공정(가습 공정)을 행한다.

본 실시형태에서는, 대기압 이하의 공기를 이용한다. 대기압 이하의 공기는, 후술하는 수증기 투과막의 한쪽 면에 접촉시킨다. 이 때, 수증기 투과막의 반대측의 면에서 통수되고 있는 물이 수증기 투과막으로부터 침투하는 것에 의해, 공기가 가습된다. 본 실시형태에서는, 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막의 면을 따라 흘리고, 물을 수증기 투과막의 다른 한쪽 면을 따라 흘림으로써, 막의 수증기 투과 성능을 높게 유지하면서 공기를 효율적으로 충분히 가습할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 가습하고자 하는 공기를 가압할 필요는 없고, 가습 공정 전에 과급기 등의 공기 가압 장치를 설치할 필요도 없다. 본 실시형태의 방법은, 간편한 방법이면서, NOx의 발생을 충분히 저감할 수 있다.

또한, 수증기 투과막을 이용하여 가습할 때, 물의 압력은 공기의 압력과 동등하거나 약간 높은 조건을 선택하는 것이 바람직하다. 이것은, 수증기 투과막으로부터 공기가 물측으로 투과하여 손실되는 것을 막기 때문이다. 본 실시형태에서는, 공기가 가압되어 있지 않고 대기압 이하이기 때문에, 물(수중기)을 보다 저압으로 흘려 가습할 수 있다. 액체의 물의 경우, 유수의 압력을 낮게 억제할 수 있어, 가압에 드는 에너지나 비용을 억제할 수 있다. 특히, 사용하는 물이 수증기인 경우, 압력은 온도에 의존하기 때문에, 보다 저온에서 가습할 수 있어, 가압에 드는 열에너지를 억제할 수 있다. 즉, 대기압 이하의 공기를 이용함으로써, 가습할 때에 드는 에너지나 비용을 억제할 수 있다고 하는 이점이 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 대기압 이하의 공기를 가습하여, 내연 기관에 도입하는 방법이기 때문에, 공기를 가압하지 않는 자연 흡기 엔진이나, 저부하로 과급기가 실질적으로 작동하지 않는 운전에 대해서도 유효하다. 또한 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막에 접촉시켜 가습을 행하기 때문에, 수증기 투과막이나 이것을 갖는 장치에 특별히 높은 내압성이나 내열성을 부여할 필요가 없기 때문에, 이들 구조를 간소하게 할 수 있다. 또한 통상, 엔진 주변은 스페이스가 한정되어 있는 경우가 많기 때문에, 수증기 투과막이나 이것을 갖는 장치를 콤팩트하게 할 수 있는 메리트는 매우 크다. 또한 수증기 투과막이나 이것을 갖는 장치에 사용하는 재료 등의 선택의 자유도가 넓어진다고 하는 이점도 있다.

공기의 압력은 대기압 이하이면 좋지만, 급기에 필요한 에너지 손실을 적게 하는 관점에서, 바람직하게는 -50 kPa 이상, 대기압(0 kPa) 이하, 보다 바람직하게는 -20 kPa 이상, 대기압 이하, 더 바람직하게는 -10 kPa 이상, 대기압 이하이다.

사용하는 공기중의 성분이나 그 농도에 대해서는, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 산소, 질소, 탄산가스, 일산화탄소 등의 성분의 농도는 특별히 한정되지 않고, 대기에 배기 가스 등을 혼합하여 성분 조정한 공기 등도 사용 가능하다.

본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법은, 수증기 투과막을 통해 공기를 가습하기 때문에, 가습된 공기에는 물방울이 포함되지 않도록 할 수 있다. 가습된 공기가 약간의 온도 변화로 결로하는 것을 막는 관점에서, 가습된 공기의 습도는 100% RH 미만이 바람직하고, 95% RH 이하가 보다 바람직하다. 본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 유수의 온도와 유량을 제어함으로써, 수증기 투과막을 통해 가습하는 공기의 습도를 고정밀도로 제어할 수 있다.

종래부터 검토되어 온, 물을 분무하는 것에 의해 공기를 가습하는 방법에서는, 가습된 공기중의 물방울을 제거하는 것이 어렵고, 또한 습도를 임의로 제어하는 것이 곤란했다. 이것에 대하여 본 실시형태의 방법에서는, 물방울의 발생을 방지할 수 있고, 임의의 습도가 되도록 용이하게 제어할 수 있기 때문에, 가습된 공기의 약간의 온도 변화에 의해 발생하는 결로를 방지할 수 있다. 또한, 일반적으로, 해수를 분무하는 등으로 가습하는 경우는, 가습 공기의 탈염을 위해 담수 세정이 필요하지만, 본 실시형태의 방법에서는, 해수에 의해 가습을 행하여도 수증기 투과막은 염을 투과시키지 않기 때문에, 가습된 공기의 탈염은 불필요하다. 따라서, 본 실시형태의 방법은, 신뢰성 및 안정성이 높다.

본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 수증기 투과막을 통해 가습하기 때문에, 유수 또는 수증기로서, 해수나, 전해질, 특히 염화나트륨을 포함하는 것도 이용할 수 있다. 종래, 내연 기관의 급기를 가습하는 방법으로서, SAM법(Scavenge Air Moisturizing)이 알려져 있다. 이 방법은, 주로 선박용 디젤 엔진으로부터 배출되는 질소 산화물을 삭감하기 위해 이용되는 방법이며, 급기인 가습하기 전의 공기를 해수로 가습한 후에, 담수로 처리하여, 기체중에 포함되는 해수 미스트를 제거하는 탈염 공정을 거쳐, 가습하는 방법이다. 탈염이 불충분한 경우는, 내연 기관에 염이 들어가, 내연 기관의 고장의 원인이 되기 때문에, 탈염을 정성껏 행해야 했다. 그것에 대하여, 본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법은, 수증기 투과막을 이용하여 가습을 행하기 때문에, 액체의 물이 투과하지 않고, 가습되는 공기중에 염이 이행(혼입)되지 않는 방법이다. 따라서, 가습에 이용하는 물로서는, 고도로 탈염된 물 이외에, 낮은 수준으로 탈염된 물이나, 해수도 이용하는 것이 가능하다. 해수를 이용한 경우라도, 탈염 공정은 불필요하며, 매우 간이한 장치 구조로, 내연 기관의 질소 산화물을 삭감할 수 있다.

본 실시형태에서 이용하는 수증기 투과막이란, 적어도 공기를 가습할 수 있는 막이면 된다. 구체적으로는, 액체의 물을 투과시키지 않고, 수증기를 투과시키는 성질을 적어도 갖는 막이다. 수증기 투과막의 구조나 재료에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 용도나 사용 환경에 따라 적절하게 적합한 것을 선택할 수 있다. 수증기 투과막으로서는, 상기한 성질을 갖는 것이면 좋고, 그 종류는 한정되지 않으며, 소수성 미다공막이나, 기체 투과막을 이용한 것을 들 수 있다.

소수성 미다공막이란, 소수성인 미다공막이며, 액체의 물은 투과하지 않지만, 수증기는 투과하는 막을 말한다. 여기서, 소수성이란, 폴리머로서의 흡수율이 0.5 질량% 이하의 것을 가리킨다. 흡수율은 0.1 질량% 이하가 바람직하고, 0.05 질량% 이하가 보다 바람직하며, 0.01 질량% 이하가 더 바람직하다. 여기서, 폴리머로서의 흡수율은, 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

소수성 미다공막의 구멍은, 미다공막을 구성하는 재료(예컨대 수지 등)가 액체의 물을 튀겨내기 때문에, 액체의 물은 투과하지 않지만, 수증기는 투과할 수 있을 정도인 것이 바람직하다. 특히, 질소 투과 속도에 대한 산소 투과 속도의 비(산소 투과 속도/질소 투과 속도)가 1 이하인 세공(細孔)을 갖는 소수성의 미다공막이 보다 바람직하다.

여기서, 질소 투과 속도에 대한 산소 투과 속도의 비란, 산소(또는 질소)의 단위 시간에서의 투과량을 단위 면적·단위 압력당으로 환산(예컨대 GPU=10^-6 ㎤(STP)/㎠/s/cmHg)하여, 그 비를 취한 것이다.

구체적인 측정 방법에 대해서 이하 진술한다. 막을 직경 47 ㎜의 원형으로 절취하고, 스테인리스제 홀더(어드밴테크사 제조, 「KS-47F 홀더」)에 고정한다. 홀더의 1차측으로부터 99.9% 이상의 산소, 또는 99.9% 이상의 질소를 소정의 압력으로 가압한다. 2차측의 분위기가 산소 99% 이상, 또는 질소 99% 이상으로 치환되어 있는 것을 산소 농도계로 확인한 후, 투과한 기체의 양을 비누막 유량계(soup film flow meter)로 측정한다. 투과한 기체량, 기온, 대기압으로부터 표준 상태에서의 기체 투과 속도(GPU: Gas permeation unit=10^-6㎤(STP)/㎠·sec·cmHg)를 계산하고, 산소와 질소의 기체 투과 속도의 비로부터 산소 투과 속도/질소 투과 속도를 구할 수 있다.

소수성 미다공막의 종류는, 특별히 한정되지 않고, 예컨대 불소 수지계 미다공막 등을 들 수 있고, 폴리불화비닐리덴(PVDF)계 미다공막, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 미다공막, 폴리이미드계 미다공막, 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막 등 공지의 여러 가지 미다공막을 이용할 수 있다. 더 나아가서는 한외 여과막(UF막)으로서 사용되는 폴리술폰계 미다공막이나 폴리에테르술폰계 미다공막 등도 들 수 있다.

기체 투과막이란, 실질적으로 기체가 투과할 수 있는 정도의 구멍이 없고, 막중에서 기체가 용해 또는 확산하는 것에 의해 투과하는 막을 말한다. 기체 투과막의 종류로서는, 특별히 한정되지 않고, 유기계 고분자 또는 무기계의 기체 투과막을 들 수 있다. 본 실시형태에서, 산소 투과 속도/질소 투과 속도가 1보다 큰 기체 투과막인 것이 바람직하다.

유기계 고분자의 기체 투과막으로서는, 특히 소수성의 유기계 고분자의 기체 투과막인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 소수성은, 상기에서 진술한 바와 같다. 유기계 고분자의 기체 투과막으로서는, 예컨대 불소 수지계 기체 투과막, 폴리이미드계 기체 투과막, 실리콘계 기체 투과막 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 수증기가 투과하는 속도가 빠르다는 관점에서, 불소 수지계, 폴리이미드계의 기체 투과막이 바람직하고, 불소 수지계의 기체 투과막이 보다 바람직하다.

불소 수지계 기체 투과막으로서는, 비정질의 함불소 중합체를 이용한 것이 바람직하다. 이러한 비정질의 함불소 중합체로서는, 예컨대 주쇄에 함불소 지환 구조를 갖는 중합체를 들 수 있다. 주쇄에 함불소 지환 구조를 갖는 중합체를 얻기 위한 단량체로서는, 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)(PDD), 퍼플루오로(2-메틸-1,3-디옥솔), 퍼플루오로(2-에틸-2프로필-1,3-디옥솔), 퍼플루오로(2,2-디메틸-4메틸-1,3-디옥솔), 퍼플루오로디옥솔류, 트리플루오로메틸기, 펜타플루오로에틸기, 헵타플루오로프로필기 등의 불소 치환 알킬기를 갖는 퍼플루오로디옥솔 화합물류, 퍼플루오로(4-메틸-2-메틸렌-1,3-디옥솔란)(MMD), 퍼플루오로(2-메틸-1,4-디옥신) 등의 함불소 지환 구조를 갖는 단량체를 예시할 수 있다.

다른 단량체로서는, 테트라플루오로에틸렌(TFE), 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로(메틸비닐에테르) 등을 들 수 있다. 주쇄에 함불소 지환 구조를 갖는 중합체도 이용할 수 있다. 이들의 단량체를 단독 또는 조합하여 중합하여, 기체 투과막으로서 사용할 수 있는 불소계 고분자 화합물이 얻어진다. 이들은 시판품을 이용할 수 있고, 예컨대 상품명 「테플론(등록 상표) AF1600」(듀폰사 제조), 상품명 「테플론(등록 상표) AF2400」(듀폰사 제조), 상품명 「HYFLON AD」(오지몬트사 제조) 등을 들 수 있다. 또한 수증기 투과막 표면의 물 접촉각으로서는, 90˚ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95˚ 이상, 더 바람직하게는 100˚ 이상이다. 물 접촉각은, 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

무기계의 기체 투과막으로서는, 질화규소계, 탄소계 등의 기체 투과막을 들 수 있다. 상기 수증기 투과막(이하 단순히 「막」으로 총칭하는 경우가 있음.)은, 지지층을 갖고 있어도 좋다. 이것에 의해, 막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 지지층의 재질은, 막이 가습 기능을 발휘할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 여러 가지의 것을 이용할 수 있다. 예컨대 직포, 부직포, 미다공막 등을 이용할 수 있다. 지지층으로서 이용되는 미다공막으로서는, 폴리이미드계 미다공막, PVDF계 미다공막, PTFE계 미다공막, 폴리올레핀계 미다공막, 한외여과막(UF막)으로서 사용되는 폴리술폰계 미다공막이나 폴리에테르술폰계 미다공막 등을 들 수 있다. 평막의 경우, 지지층 위에 막이 형성된 형태 등을 들 수 있다. 중공사막의 경우, 지지층인 중공사막의 내측 표면 또는 외측 표면에, 막이 형성된 형태 등을 들 수 있다.

지지층을 갖는 막 그 외의 예로서는, 폴리이미드계의 막인 경우, 막 그 자체를 습식으로 제막한 비대칭 구조의 막을 들 수 있다. 또한 무기계의 기체 투과막인 경우, 지지층인 세라믹막 위에 기체 투과막을 수열 합성으로 형성한 것이나, 화학 증착(CVD)에 의해 박막 형성한 것을 들 수 있다.

수증기 투과막은, 박막일수록 수증기 투과 성능이 높다. 실용상의 강도와 수증기 투과 성능을 겸비하는 관점에서 바람직한 수증기 투과막으로서는, 불소계 수지를 기본 골격으로 하는 미다공막; 이 미다공막 표면의 적어도 일부가, PDD 호모폴리머, 또는 PDD와 TFE의 코폴리머를 포함하는, 두께 1 μm 이하의 층에 의해 피복된 미다공막을 들 수 있다. 이들 중에서도, 특히 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막, 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 미다공막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 미다공막이며, 상기 미다공막 표면의 적어도 일부가, PDD와 TFE의 코폴리머를 포함하는 두께 1 μm 이하의 층에 의해 피복 형성된 막인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기한 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막, 폴리테트라플루오로에틸렌계 미다공막은, 그 표면의 적어도 일부가 PDD 폴리머나 PDD와 TFE의 코폴리머를 포함하는 층에 의해 피복되어 있으면 좋지만, 처리해야 하는 공기와 접촉하는 표면(공기와의 접촉면)이 상기 층에 의해 피복되어 있는 것이 바람직하다. 상기 미다공막은, 구멍의 크기가 작고, 구멍의 개수가 많은 미다공막이며, 미다공막을 투과하는 기체류는 크누센류(knudsen flow)가 되기 때문에, 산소 투과 속도/질소 투과 속도가 1 이하이고, 내구성이 높기 때문에, 지지층으로서 바람직하다.

또한, 상기 미다공막을 피복하는 층으로서 바람직한 것은, PDD의 호모폴리머, 또는 PDD와 TFE의 코폴리머를 포함하는 것이면 좋지만, PDD의 호모폴리머, 또는 PDD와 TFE의 코폴리머의 층인 것이 보다 바람직하다. PDD의 호모폴리머, 또는 PDD와 TFE의 코폴리머는, 기체 투과 속도가 크기 때문에 바람직하다. (코)폴리머에서의 PDD/TFE의 질량비는, 바람직하게는 100/0∼1/99이며, 보다 바람직하게는 100/0∼20/80이다. 추가로, 이 수증기 투과막에는 관통 구멍이 없기 때문에, 장기간 사용에 의해서도 액체의 물이 투과할 우려가 없다고 하는 이점도 갖는다.

본 실시형태에서는, 물(수증기도 포함)을 수증기 투과막을 따라 흘림으로써, 공기를 가습하기 때문에, 상기한 각 수증기 투과막의 성능에 맞춰, 물의 유량 및 온도를 제어하는 것에 의해, 가습된 공기의 습도를 용이하게 조정할 수 있다. 추가로, 물(수증기를 포함)이 흐르고 있는 것에 의해, 물자 교환과 열교환이 효율적으로 행해지기 때문에, 저에너지로 가습하거나, 공기를 가열할 수 있다.

수증기 투과막을 이용하여 가습을 행하는 경우, 가습에 이용하는 물은, 특별히 한정되지 않고, 순수, 상수, 중수 등이어도 좋고, 이온이나 미립자를 협잡물로서 포함하는 물이어도 좋다. 본 실시형태에서 이용하는 물은, 전해질을 포함하는 것이어도 우수한 가습 효과를 얻을 수 있고, 예컨대 염화나트륨을 포함하는 물(예컨대 해수 등)이어도 우수한 가습 효과를 얻을 수 있다. 특히 이온성 작용기를 갖지 않는 유기계 고분자를 이용한 수증기 투과막에서는, 이들 협잡물이 공기 공급측으로 새는 것을 효과적으로 억제할 수 있기 때문에, 보다 깨끗한 가습이 가능하다.

본 실시형태에서 이용하는 물의 상태는 특별히 한정되지 않고, 액체여도 좋고, 기체(수증기)여도 좋다. 물이 수증기인 경우는, 필요에 따라 다른 물질을 캐리어로서 병용하여도 좋다. 특히, 공기를 캐리어로서 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 캐리어를 이용하는 것에 의해, 수증기의 유량이나 온도를 보다 정확히 제어할 수 있다. 또한 내연 기관의 배기 가스를 캐리어로서 이용하여도 좋다. 또한 물이 흐르는 방향으로서는, 공기의 흐름과 대향시키는 방법과, 공기의 흐름과 병행시키는 방법이 있지만, 대향시키는 방법이, 물의 열에너지를 효율적으로 공기에 부여할 수 있는 관점에서 바람직하다.

공기의 압력(공기압)과 물의 압력(수압)의 관계에 대해서는, 물이 공기 이상으로 높은 압력인 것이 바람직하다. 공기와 물이 수증기 투과막에 의해 이격되어 있고, 물의 압력을 공기의 압력보다 높게 함으로써, 공기가, 수증기 투과막을 통해 빠져나가는 것을 막을 수 있어, 공기량 및 에너지의 손실을 억제할 수 있다. 또한 실제 운전에서는, 가습되는 쪽의 공기압과 동일, 또는 그 이상의 압력을 유지하면서 물을 흘리는 것이 바람직하다. 이 때문에 가습을 행하는 막 모듈의 앞뒤 어느 쪽에서 공급 또는 배출할 때의, 공기 및/또는 공기의 압력을 계측하고, 수압이 공기압(대기압 이하)보다 높아지도록, 압력을 조정하는 것이 바람직하다.

물을 흘림으로써, 공기에 대하여, 항상 일정한 열량을 공급할 수 있어, 공기의 습도 및 온도의 제어를 용이하게 할 수 있다. 유수의 온도는, 막 모듈에 공급되는 공기의 온도에 대하여, -10℃∼+30℃로 설정하는 것이 바람직하다. 이 온도 범위로 함으로써, 공기를 한층 더 효율적으로 가습할 수 있어, NOx의 삭감에 한층 더 유효하다.

본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 습도 50% RH 이상의 가습된 공기를 얻을 수 있다. 가습된 공기의 습도는, 70% RH 이상인 것이 바람직하고, 80% RH 이상인 것이 보다 바람직하며, 90% RH 이상인 것이 더 바람직하다. 이러한 습도의 공기를 내연 기관의 운전에 이용한 경우, 내연 기관의 배기 가스중의 NOx의 함유량을 대폭 삭감할 수 있다. 또한 가습된 공기의 습도는, 결로하지 않는 정도이면 좋고, 습도는 100% RH 미만인 것이 바람직하며, 95% RH 이하인 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 약간의 온도 변화로 결로하는 것을 막을 수 있다.

본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 가습된 공기중에서의 물의 함유량이 1 ㏖% 이상인 것이 바람직하다. 가습된 공기중의 물 분자의 양이 많을수록, 내연 기관에서의 NOx 발생을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 보다 바람직하게는 3 ㏖% 이상이고, 더 바람직하게는 6 ㏖% 이상이며, 보다 더 바람직하게는 9 ㏖% 이상이고, 한층 더 바람직하게는 10 ㏖% 이상이다.

물의 함유량의 상한은, 습도가 상기한 상한을 초과하지 않는 정도의 함유량인 것이 바람직하다. 어느 온도에서, 물의 함유량이 증가하면, 물의 증기압이 증가하고, 포화 증기압에 대한 증기압의 비율인 습도(% RH)도 증가한다. 따라서, 내연 기관의 운전 온도에서, 습도가 100% RH 미만이 되는 물의 함유량으로 조정하는 것이 바람직하다. 이 때문에 가습된 공기의 온도에 따라 물의 함유량의 상한은 상이하지만, 습도가 100% RH 미만인 함유량이 바람직하다.

본 실시형태에서는, 물을 순환시켜 사용하여도 좋다. 물 속에는 미량 또는 다량으로 염류가 포함되기 때문에, 수증기 투과막을 이용하여 가습을 행함으로써, 수분만이 증발하는 것에 의해, 이들의 염류가 농축된다. 물을 순환시키는 경우는, 농축된 염류를 포함하는 물을, 연속적 또는 정기적으로 계 외로 배출시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 후술하는 급수부(물탱크 등)에 배수구를 형성함으로써, 염류가 농축된 물을 배출하는 것에 의해, 순환시키고 있는 물에 포함되는 염류의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한 물을 순환시키지 않는 경우는, 막 모듈로부터 나온 물은, 열교환기에 의해 열을 회수한 후 계 외로 배출하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 전술한 가습 공정에서 얻어진, 가습된 공기를 내연 기관에 도입하는 공정(도입 공정)을 행한다.

일반적으로, 내연 기관은, 공기를 연소실에 도입하기 전에 가압시키는 것이 많다. 이 때문에 본 실시형태에서, 도입 공정에서, 가습된 공기를 가압하는 것이 바람직하다. 특히, 본 실시형태에서, 가습된 공기를 내연 기관에 접속된 과급기의 컴프레서로 가압하는 것이 바람직하다. 과급기의 컴프레서로 가압할 때, 공기를 받아들이게 되기 때문에, 과급기의 컴프레서로 들어가는 앞쪽에서, 효율적으로 대기압 이하의 압력으로 할 수 있다. 따라서, 과급기의 컴프레서로 가압하는 앞쪽에, 수증기 투과막을 적절하게 설치하는 것에 의해, 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막의 면에 한층 더 효율적으로 접촉시킬 수 있다. 또한, 가압하는 경우, 단열 압축에 의해 가습된 공기의 온도가 오름으로써, 급기중의 수증기가 응축되는 것을 막을 수 있다. 과급기의 컴프레서를 나온 공기는, 통상의 경우 충분히 온도가 오르고, 그 후의 인터쿨러로, 수증기가 응집하지 않는, 적절한 온도로 조정되어 엔진에 공급된다. 또한 가압은 내연 기관의 과급기를 이용하여, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스의 에너지를 터빈으로 회수하여 행하거나, 엔진의 축동력을 이용하여 기계적으로 행하는 것이 바람직하다. 가압할 때의 압력은, 내연 기관에 따라 적절히 설정된다.

다음에 본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 장치에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 장치는, 수증기 투과막과, 상기 수증기 투과막을 수납하는 케이스를 구비하고, 상기 케이스 안에는, 상기 수증기 투과막으로 구획된 제1 공간과 제2 공간이 형성되며, 상기 케이스는, 상기 제1 공간에 공기를 공급하는 공기 공급구와, 상기 제1 공간으로부터 상기 공기를 배출하는 공기 배출구와, 상기 제2 공간에 물을 공급하는 물 공급구와, 상기 제2 공간으로부터 상기 물을 배출하는 물 배출구를 구비하는 막 모듈과, 상기 막 모듈의 상기 물 공급구에 접속되는 급수부를 갖는다. 본 실시형태에서는, 상기 막 모듈에 의해 가습된 공기를, 내연 기관의 연소실에 공급한다. 이것에 의해, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스중의 NOx의 함유량을 대폭 삭감할 수 있다.

막 모듈로서는, 상기한 수증기 투과막을 이용하여 공기를 가습할 수 있는 것이면 좋고, 그 형태 등은 특별히 한정되지 않지만, 수증기 투과막과, 상기 수증기 투과막을 수납하는 케이스를 갖는 막 모듈로서, 상기 케이스 안에는, 상기 수증기 투과막으로 구획된 제1 공간과 제2 공간이 형성되고, 상기 케이스는, 상기 제1 공간에 공기를 공급하는 공기 공급구와, 상기 공기를 배출하는 공기 배출구와, 상기 제2 공간에 물을 공급하는 물 공급구와, 상기 물을 배출하는 물 배출구를 구비하는 것을 적합하게 이용할 수 있다. 이러한 구성의 막 모듈을 이용함으로써, 공기와 물이 막을 통해 직접 접촉하지 않기 때문에, 물에 포함되는 용해 성분, 분산 성분, 이온 성분 등의 불순물에 의한 공기의 오염을 한층 더 효과적으로 방지할 수 있다.

막 모듈은, 수증기 투과막을 내장하고, 장치화(모듈화)한 것이다. 막 모듈의 제1 공간은, 공기를 공급하는 개구부인 공기 공급구를 가지며, 수증기 투과막에 의해 가습된 공기를 취출하는 개구부인 공기 배출구를 갖는다. 이 제1 공간은 상기한 공기가 흐르는 공간이다. 막 모듈의 제2 공간은, 물을 흘리기 위한 개구부인 물 공급구와 물 배출구를 구비하고 있다. 이 제2 공간은 상기한 물이 흐르는 공간이다. 각 개구부의 수는, 특별히 한정되지 않고, 막 모듈의 사용 형태 등을 고려하여 적합한 수만큼 설치할 수 있다.

막 모듈의 형태로서는, 특별히 한정되지 않고, 중공사형 막 모듈 또는 평막형 막 모듈 등을 들 수 있다. 예컨대 평막을 이용한 플레이트 앤드 프레임형, 플리츠형, 또는 중공사형, 튜블러형 등의 막 모듈을 들 수 있다. 예컨대 플리츠형에는, 상자형에 플리츠를 중첩한 형상의 것이나, 플리츠를 원통으로 감은 형상의 것 등을 들 수 있다.

도 1은, 본 실시형태의 막 모듈의 일 실시형태의 사시도이다. 막 모듈(α)은, 상자형에 플리츠를 중첩한 형상의 막 모듈이다. 수증기 투과막(α1)은, 주름상자형으로 연속하여 접혀져, 산접기 부분과 골접기 부분이 중첩되어 형성된 복수의 주름부(플리츠)를 갖고 있다. 플리츠 가공에 의해, 특정 피치로 산접기, 골접기를 반복하는 구조로 되어 있기 때문에, 접촉 면적을 향상시킬 수 있어, 효율이 좋다.

도 2는, 본 실시형태의 막 모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다. 막 모듈(β)은, 플리츠를 원통으로 감은 형상의 막 모듈이다. 수증기 투과막(β1)은, 원통의 중심축에 대하여 측면에서 본 상태로, 중심으로부터 방사선형으로 연장되는 구조로 되어 있기 때문에, 접촉 면적을 향상시킬 수 있어, 효율이 좋다.

도 3은, 본 실시형태의 막 모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다. 막 모듈(γ)은, 플리츠를 원통으로 감은 형상의 막 모듈이지만, 수증기 투과막(γ1)은, 원통의 중심축에 대하여 측면에서 본 상태로, 반시계 방향으로 플리츠를 기울인(비튼) 구조로 되어 있기 때문에(스파이럴 형상), 접촉 면적을 향상시킬 수 있어, 효율이 좋다.

상기 막 모듈 중에서도, 특히 단위 용적당 막 면적(비표면적)이 크다고 하는 관점에서 중공사형 막 모듈이나, 압력 손실이 작은 플리츠형이 바람직하다. 중공사형 막 모듈은, 중공사의 외면측에 공기를 도입하고, 내면에 물을 도입하는 방식이어도 좋고, 중공사의 내면에 공기를 도입하고 외면에 물을 도입하는 방식이어도 좋다.

도 4는, 본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법에서 이용하는 중공사형 막 모듈의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다. 막 모듈(1)은, 수증기 투과막(11)과, 수증기 투과막(11)을 수용하는 케이스(12)를 구비하고 있다. 막 모듈(1)은, 통형의 중공사형 막 모듈이며, 그 내부에 중공사막인 수증기 투과막(11)이 내장되어 있다. 케이스(12)는, 공기 공급구(121)와, 공기 배출구(122)와, 물 공급구(123)와, 물 배출구(124)를 구비하고 있다. 케이스(12) 안에서는, 수증기 투과막(11)에 의해 구획된 제1 공간(a1)과, 제2 공간(b1)이 형성되어 있다. 중공사형 막 모듈의 경우, 막[수증기 투과막(11)]의 내경측에 제1 공간(a1)이 형성되고, 외경측에 제2 공간(b1)이 형성되어 있다. 제1 공간(a1)은 처리되는 공기가 흐르는 공기 영역이며, 제2 공간(b1)은 물이 흐르는 물 영역이다.

공기는, 공기 공급구(121)로부터 수증기 투과막(11)에 공급되고(화살표 F1 참조), 가습된 공기는, 공기 배출구(122)로부터 배출된다(화살표 F2 참조). 그 때, 공기를 가습하는 물은, 물 공급구(123)로부터 케이스(12) 안에 공급되고(화살표 F3 참조), 물 배출구(124)로부터 케이스 밖으로 배출된다(화살표 F4 참조). 도 4에서는, 공기의 흐름과 물의 흐름이 대향하도록, 공기 공급구(121), 공기 배출구(122), 물 공급구(123), 및 물 배출구(124)가 막 모듈(1)에 형성되어 있다. 막 모듈(1)은, 공기 공급구(121), 공기 배출구(122), 물 공급구(123) 및 물 배출구(124)를 각각 하나씩 갖는 형태이지만, 본 실시형태에서는 필요에 따라 이들의 수를 둘 이상으로 할 수도 있다. 예컨대 공기의 유속이나, 공기의 가습의 효율의 관점에서, 공기 공급구(121), 공기 배출구(122), 물 공급구(123) 및 물 배출구(124)를 각각 둘 이상으로 할 수도 있다.

도 5는, 본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법에서 이용하는 평막형 막 모듈의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다. 여기서는, 도 4에서 설명한 사항과 공통되는 사항에 대해서는 설명을 생략하고, 도 4와 상위하는 점을 중심으로 설명한다. 막 모듈(2)은, 수증기 투과막(21)과, 수증기 투과막(21)을 수용하는 케이스(22)를 구비하고 있다. 막 모듈(2)은, 상자형 막 모듈이며, 그 내부에 평막인 수증기 투과막(21)이 내장되어 있다. 케이스(22)는, 공기 공급구(221)와, 공기 배출구(222)와, 물 공급구(223)와, 물 배출구(224)를 구비하고 있다. 케이스(22) 안에서는, 수증기 투과막(21)에 의해 구획된, 제1 공간(a2)과, 제2 공간(b2)이 형성되어 있다. 상자형 막 모듈의 경우, 평막[수증기 투과막(21)]의 한쪽 표면측(도 5에서는 상측)에 제1 공간(a2)이 형성되고, 평막의 다른쪽 표면측(도 5에서는 하측)에 제2 공간(b2)이 형성되어 있다. 제1 공간(a2)은 처리되는 공기가 흐르는 공기 영역이며, 제2 공간(b2)은 물이 흐르는 물 영역이다.

공기는, 공기 공급구(221)로부터 수증기 투과막(21)에 보내지고(화살표 F1 참조), 가습된 공기는, 공기 배출구(222)로부터 배출된다(화살표 F2 참조). 그 때, 공기를 가습하는 물은, 물 공급구(223)로부터 케이스(22) 안으로 공급되고(화살표 F3 참조), 물 배출구(224)로부터 케이스 밖으로 배출된다(화살표 F4 참조). 도 5에서는 공기의 흐름과 물의 흐름이 대향하고 있는 상태이다.

도 4 및 도 5에서는, 일례로서, 막으로서 수증기 투과막을 갖는 막 모듈에 대해서 설명했지만, 본 실시형태에서는, 사용 조건이나 사용 환경 등에 따라 막의 종류나 구성을 선택할 수 있다.

본 실시형태에서는, 급수부에 의해, 막 모듈의 물 공급구에 물을 공급한다. 급수부는, 막 모듈의 물 공급구에 물을 공급할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않고, 공지의 것을 이용할 수 있다. 예컨대 막 모듈의 물 공급구에 수조로부터 물을 공급하는 방법을 들 수 있다. 물은 공기가 흐르는 측(공기측)보다 높은 압력으로 가압하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 공기가, 공기측으로부터 물이 흐르는 측(순환수측)으로 막을 투과하여 빠져, 급기량이 감소하는 것을 방지할 수 있다. 예컨대 물을 가압하고, 물 공급구에 도입하는 방법으로서는, 물 공급구의 앞쪽에, 또는 물 배출구 뒤에 가압 펌프를 설치하여, 물 또는 수증기를 도입하는 방법 등을 들 수 있다. 또한 상기한 막 모듈의 제2 공간(공기 영역)을 감압하는 것에 의해, 물을 물 공급구로부터 제2 공간에 도입하는 것이 가능하다. 그 구체예로서는, 물 배출구 뒤에 자급식 펌프나 이젝터를 설치하여 제2 공간에 물을 도입하는 방법 등을 들 수 있다.

급수부는, 막 모듈의 물 배출구로부터 배출되는 물을, 다시 막 모듈의 물 공급구에 공급하는 송액부를 갖는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 막 모듈에 공급하는 물을 순환시킬 수 있어, 절수할 수 있다. 예컨대 막 모듈에서, 제2 공간의 2개 이상의 개구부가 수조에 접속되고, 그 개구부 중 1개가 물 공급 장치를 경유하는 것에 의해, 물 또는 수증기를 순환시킬 수 있다. 개구부가 2개인 경우, 1개의 개구부가 물 공급 펌프를 경유하여 수조에 접속되고, 다른 1개의 개구부가 수조에 직접 접속되는 구성을 들 수 있다. 개구부가 복수개인 경우, 복수개의 개구부가 물 공급 펌프를 경유하여 수조에 접속되고, 그 이외의 복수개의 개구부가 수조에 접속되는 구성을 들 수 있다. 이 구성에 의해, 수조로부터 물 공급 장치를 경유하여, 막 모듈에 물 또는 수증기가 공급되고, 또한 물 배출구로부터 배출되어, 수조에 되돌아가는 경로를 확보할 수 있기 때문에, 물 또는 수증기를 순환시킬 수 있다. 수증기일 때는, 배기를 캐리어로 하여도 좋고, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스를 수증기가 지나는 경로에 연결하여도 좋다.

물을 순환시키는 경우는, 가습에 의해 순환수중에 염류가 축적되기 때문에, 간헐적 또는 연속적으로 순환수를 배출(블로우다운)하여 염 농도를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 물을 순환시키지 않는 경우는, 막 모듈로부터 배출되는 물에 취출할 수 있는 열에너지가 있는 경우는, 열교환기에 의해 그 열에너지를 회수하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서는, 공기 가압부에 의해, 막 모듈로 가습된 공기를 가압하여, 내연 기관의 연소실에 공급하는 것이 바람직하다. 공기 가압부는, 내연 기관의 연소실에 공기를 공급할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않고, 과급기에 의한 가압, 블로어에 의한 가압을 행할 수 있다. 공기 가압부의 구체예로서는, 컴프레서나 터빈 펌프 등을 들 수 있다. 특히, 내연 기관의 과급기를 이용하는 것이 바람직하다. 과급기란, 내연 기관에 공기를 압축하여 강제적으로 보내는 장치를 말하고, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 터보 차저, 슈퍼 차저, 리숄므 컴프레서, 프레셔 웨이브 수퍼 차저 등을 들 수 있다. 막 모듈에 의해, 가습된 공기가 과급기의 공기 취입구에 접속됨으로써, 가습된 공기가 가압되어, 내연 기관에 공급되게 된다. 또한 막 모듈로 가습된 공기를, 온도 조정을 행한 후, 상기 방법으로 가압할 수도 있다. 이 가습된 공기를, 온도 조정에 의해 가열함으로써, 결로를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

본 실시형태에서는, 물의 온도를 제어하는 온도 제어부, 물의 유량을 제어하는 유량 제어부, 또는 그 양쪽 모두를 더 구비하는 것이 바람직하다. 수조 또는 물 공급 장치에 접속되는 물의 온도 제어부 또는 물의 유량 제어부에 의해, 물의 온도나 유량을 적합한 조건으로 제어할 수 있다. 장치 구성 등은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 수온 모니터에 의해 측정된 수온에 기초하여 물을 가열 또는 냉각하는 수온 제어부와, 유량 모니터에 의해 측정된 유량에 기초하여 물의 유량을 조절하는 유량 제어부를 구비하는 구성 등을 들 수 있다. 수온 모니터와 유량 모니터를 이용하여, 물을 실시간으로 모니터링함으로써, 유수의 수온 및 유량을 자동 제어하는 것이 바람직하다. 추가로, 물을 가열할 때에, 내연 기관의 배열(排熱)을 이용하는 것이 바람직하다. 배열은, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스나 엔진 오일로부터 얻을 수 있다.

본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 장치에 공급하는 물을 가열하는 경우는, 열교환기에 의해 내연 기관의 폐열을 모아 이 열을 유효하게 이용하는 것이 바람직하다. 본 실시형태의 장치에서는, 전처리로서, 공기로부터 먼지를 제거하기 위해 프리 필터를, 막 모듈 앞에 설치하여도 좋다.

도 6은, 본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 장치의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다. 질소 산화물의 삭감 장치(3)는, 상기 중공사형의 막 모듈(1)을 갖고 있다. 막 모듈(1)의 공기 공급구(도 4 참조)에는, 화살표 F5로부터 대기압 이하의 공기가 공급된다. 막 모듈(1)의 공기 배출구(도 4 참조)에는, 온도계(31), 압력계(32), 유량계(33), 습도계(34) 및 산소 농도계(35)가 접속되어 있다. 또한 온수 바스(36)와, 순환수 펌프(37)와, 순환수 유량계(38)와, 순환수 압력계(39)가 막 모듈(1)의 물 공급구(도 4 참조)와 물 배출구(도 4 참조) 사이에 접속되어 있다.

온수 바스(36)는, 물의 온도를 제어하는 온도 제어부로서, 온도계와 히터를 구비하는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 온도 제어부를 가짐으로써, 물(순환수)의 온도를 제어할 수 있다. 또한 물의 유량을 제어하는 유량 제어부로서, 순환수 펌프(37), 순환수 유량계(38) 및 순환수 압력계(39)를 구비하는 것에 의해, 막 모듈(1)에 통수하는 수량을 제어할 수 있다. 그 결과, NOx의 저감 효과를 한층 더 향상시킬 수 있다. 온수 바스에는, 물 공급 배관(361)과 물 배출 배관(362)이 접속되어 있다. 물 공급 배관(361)에 의해, 가습된 수량분 정도의 물이 공급된다. 물 속에는 통상 염류나 그 외 수용성 성분·분산성 성분 등의 불순물이 포함되어 있고, 가습을 하면서 물을 공급하면 순환수중에 이들의 염류나 그 외 수용성 성분·분산성 성분이 농축된다. 이들 성분의 농도를 일정하게 유지하기 위해서는, 물 배출 배관(362)으로부터 연속적으로 또는 정기적으로 순환수를 배출(블로우다운)하는 것이 바람직하다.

또한, 운전하는 내연 기관의 부하에 따라 내연 기관에 공급하는 급기의 최적의 산소 농도와 습도를 제어하는 관점에서, 순환수의 압력 및 유량을 밸브 V1 및 V2로 제어하는 것이 바람직하다. 또는 순환수 펌프(37)를 인버터 등으로 제어할 수도 있다.

대기압 이하의 공기는, 상기 화살표 F5로부터 막 모듈(1)에 공급되고, 가습된 공기로서 화살표 F6으로부터 취출할 수 있다. 물은, 순환수 펌프(37)에 의해, 온수 바스(36)에 저장되어 있는 온수가 화살표 F7로부터 막 모듈(1)에 보내져, 화살표 F8을 향해 순환하고 있다.

도 7은, 본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 장치의 다른 일 실시형태를 도시하는 개념도이다. 질소 산화물의 삭감 장치(4)는, 상기 평막형의 막 모듈(2)을 갖고 있다(도 5 참조). 막 모듈(2)의 공기 공급구(도 5 참조)에는, 화살표 F5로부터 공기가 공급된다. 막 모듈(2)의 공기 배출구(도 5 참조)에는, 온도계(41)와, 압력계(42)와, 유량계(43)와, 습도계(44)와, 산소 농도계(45)가 접속되어 있다. 또한 온수 바스(46)와, 순환수 펌프(47)와, 순환수 유량계(48)와, 순환수 압력계(49)가 막 모듈(2)의 물 공급구(도 5 참조)와 물 배출구(도 5 참조) 사이에 접속되어 있다.

대기압 이하의 공기는, 상기 화살표 F5로부터 막 모듈(2)에 공급되고, 가습된 공기로서 화살표 F6으로부터 취출할 수 있다. 물은, 순환수 펌프(47)에 의해, 온수 바스(46)에 저장되어 있는 온수가 화살표 F7로부터 막 모듈(2)에 보내져, 화살표 F8을 향해 순환하고 있다. 온수 바스에는, 물 공급 배관(461)과 물 배출 배관(462)이 접속되어 있고, 도 6에서의 설명과 마찬가지이다.

내연 기관의 부하에 따라 흡기의 최적의 습도를 제어하기 때문에, 순환수의 압력 및 유량을 밸브 V1 및 V2로 제어할 수 있다. 또는 순환수 펌프(47)를 인버터로 제어할 수도 있다. 순환수의 온도는, 온수 바스(46)에서 제어할 수 있다.

또한, 내연 기관에 공급되는 공기의 양은 내연 기관에 공급되는 연료의 양에 대하여 적절하게 적합한 비율이 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 연료에 대한 급기중의 물(수증기)의 비(물/연료비)는, 적절하게 적합한 비율이 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 물/연료비란, 엔진에 공급한 연료 공급 속도(g/s)에 대하는, 공급한 흡기중의 수분량의 공급 속도(g/s)의 비를 의미한다. 구체적으로는, 물/연료비는 1 이상인 것이 바람직하고, 1.1 이상인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태의 내연 기관 장치는, 상기 질소 산화물의 삭감 장치와, 내연 기관 장치를 가지며, 상기 질소 산화물의 삭감 장치의 공기 가압부는, 막 모듈의 공기 배출구와, 내연 기관 사이에 배치되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 질소 산화물의 삭감 장치에 의해 얻어지는 가습된 공기를 가압하여 내연 기관에 보낼 수 있다.

내연 기관의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 디젤 엔진 등을 들 수 있다. 디젤 엔진으로서는, 그 용도는 특별히 한정되지 않고, 선박, 자동차, 발전기, 비행기, 열차, 각종 중장비, 터빈 등의 동력원으로서 이용되고 있는 것을 들 수 있다. 내연 기관 중에서도, 디젤 엔진은 열효율이 우수하고, 경유나 중유 등의 일반적 연료 외에도, 여러 가지의 액체 연료가 사용 가능하며, 범용성이 높다. 이러한 디젤 엔진의 배기 가스중의 NOx의 함유량을 저감할 수 있는 것은, 환경면에서 큰 의의가 있다. 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이 가습에 사용하는 물은 염화나트륨 등의 염이나 그 외 불순물을 함유하는 것이어도 사용할 수 있다. 이 관점에서, 예컨대 해수 등을 용이하게 입수할 수 있는 선박 등의 디젤 엔진에도 이용할 수 있다. 디젤 엔진의 종류로서는, 2스트로크 저속 기관, 4스트로크 중속 기관, 4스트로크 고속 기관을 본 실시형태의 적합한 예로서 들 수 있다.

도 8은, 본 실시형태의 내연 기관 장치의 일 실시형태를 도시하는 개념도이다. 내연 기관 장치(5)는, 내연 기관의 과급기와 내연 기관의 연소실을 가지며, 과급기 앞(상류)에 상기 질소 산화물의 삭감 장치를 설치한 구성이다. 내연 기관 장치(5)는, 상기 막 모듈(1)을 갖고 있고, 과급기(터보 차저)(51)에 공기를 받아들이는 것에 의해, 대기압 이하의 공기를, 막 모듈(1)의 공기 공급구(121)에 한층 더 효율적으로 공급할 수 있다. 대기압 이하의 공기는, 막 모듈(1)을 통과하고, 공기 배출구(122)로부터 가습된 공기로서 얻어진다. 가습된 공기의 배출구인 공기 배출구(122)는, 과급기(51)에 접속되어 있다. 과급기(51)의 공기 배출구에는, 인터쿨러(도시 생략)와, 흡기 매니폴드(52)와, 배기 매니폴드(54)를 갖는 내연 기관의 연소실(53)이 접속되어 있다. 화살표 F18로부터 과급기(51)에 공급된 공기는 압축된 후, 인터쿨러로 정해진 온도로 조정(통상 냉각)되어, 흡기 매니폴드(52)를 경유하여, 내연 기관의 연소실(53)에 공급된다. 그리고, 배기 매니폴드(54)를 경유하여, 배기가 계 외로 배출된다(화살표 F20 참조). 가습에 이용되는 물은, 순환수 펌프(56)에 의해, 온수 바스(55)의 온수가 막 모듈(1)에 공급되고(화살표 F21 참조), 계 내를 순환하고 있다(화살표 F22 참조). 이러한 장치 구성으로 하는 것에 의해, 가습 전에 공기를 가압할 필요 없이, 충분히 가습된 공기를 내연 기관에 보낼 수 있다. 본 실시형태의 내연 기관 장치의 구성은, 상기 구성을 포함하는 것이면 좋고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다.

온수 바스에는, 물 공급 배관(551)과 물 배출 배관(552)이 접속되어 있다. 물 공급 배관(551)에 의해, 가습된 수량분의 물이 공급된다. 물 속에는 통상 염류나 그 외 수용성 성분·분산성 성분이 포함되어 있고, 가습을 하면서 물을 공급하면, 순환수중에 이들의 염류나 그 외 수용성 성분·분산성 성분이 농축된다. 이들 성분의 농도를 일정하게 유지하기 위해, 물 배출 배관(552)으로부터 연속적으로 또는 정기적으로 순환수가 배출(블로우다운)된다.

도 8에서는, 막 모듈의 일례로서, 도 4에 도시한 중공사형 막 모듈(1)을 이용하고 있지만, 본 실시형태의 내연 기관은 이러한 막 모듈을 이용한 것에 한정되지 않는다. 예컨대 막 모듈(1) 대신에, 도 5에 도시한 평막형 막 모듈(2) 등을 이용하는 것도 가능하다. 또한, 공기 공급구(121)로부터 공급되는 공기는, 통상 산소 농도의 공기뿐만 아니라, 산소 농도가 대기보다 높은 공기나 낮은 공기도 사용 가능하다.

도 9는, 본 실시형태의 내연 기관 장치의 다른 일 실시형태를 도시하는 개념도이다. 도 8과 상이한 부분을 중심으로 설명한다. 내연 기관 장치(6)는, 상기 막 모듈(1)을 갖고 있고, 과급기(61)에 공기를 받아들이는 것에 의해, 대기압 이하의 공기를, 막 모듈(1)의 공기 공급구(121)에 한층 더 효율적으로 공급할 수 있다. 대기압 이하의 공기는 막 모듈(1)을 통과하고, 공기 배출구(122)로부터 가습된 공기로서 얻어진다. 가습된 공기의 배출구인 공기 배출구(122)는, 과급기(61)에 접속되어 있다. 과급기(61)의 공기 배출구에는, 인터쿨러(도시 생략)와, 흡기 매니폴드(62)와, 내연 기관의 연소실(63)과, 배기 매니폴드(64)가 접속되어 있다. 화살표 F18로부터 과급기(61)에 공급된 공기는, 압축되어 내연 기관의 연소실(63)에 공급된다. 그리고, 배기 매니폴드(64)를 경유하여, 배기가 계 외로 배출된다(화살표 F20 참조).

도 9에서는, 물은 물 공급 배관(651)으로부터 공급되고, 열교환기(67, 68)에서 정해진 온도로 승온된 후, 순환수 펌프(66)에 의해, 가습용의 물로서 막 모듈에 공급된다(화살표 F21 참조). 막 모듈(1)로부터 배출된 물(화살표 F22 참조)은, 열교환기(67)에서, 물 공급 배관(651)으로부터 공급된 물과 열교환하여, 물 배출 배관(652)으로부터 계 외로 배출된다. 이 형식의 물 공급 방법은, 해수 등의 염 농도가 높은 물을 가습용 물로서 사용할 때에 채용하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 방법은, 본 실시형태의 효과의 범위 내에서, 다른 가습 방법을 병용, 또는 적절하게 변형하여, 실시할 수 있다. 예컨대 물을 분무한 급기를 공급하는 방법, 연료중에 물을 첨가하고, W/O형(Water/Oil형) 에멀션으로서 엔진에 공급하는 방법, 실린더 안에 물을 분사하는 방법 등과 병용하는 것도 가능하다. 더 나아가서는, 본 실시형태의 효과의 범위 내에서, 다른 NOx 삭감 방법, 예컨대 배기 가스를 급기로 순환하는 방법[배기의 순환 위치는 본 장치의 상류(급기)측, 하류(가습 공기 급기측) 모두 가능함], 배기를 후처리하는 방법 등과 병용하는 것이 가능하다. 본 실시형태의 방법은, 공기중의 수증기의 양이나, 공기의 온도를 제어하기 쉽기 때문에, 여러 가지 방법과 조합하여 이용할 수도 있는 것이다.

실시예

이하의 실시예에 의해 본 실시형태를 더 자세히 설명하지만, 본 실시형태는 이하의 실시예에 의해 전혀 한정되는 것이 아니다.

[실시예 1]

도 10에 도시하는 내연 기관 장치(7)를 운전하고, 그 배기 가스중의 NOx 농도를 측정하며, 내연 기관에 급기한 공기의 가습량과 NOx 발생량의 관계를 검토하였다. 내연 기관 장치(7)는, 공기 공급 배관(71), 삼방향 밸브(721, 722), 컴프레서(과급기)(73), 인터쿨러(도시 생략), 순환수 펌프(74), 온수 발생기(75), 막 모듈(1)(도 4 참조), 샘플링 밸브(76), 디젤 엔진(77)이 접속되어 있다.

막 모듈(1)은, 중공사형 막 모듈이다. 막 모듈(1)에 장전한 막 엘리먼트는, 내경 0.7 ㎜φ, 외경 1.0 ㎜φ의 폴리에테르술폰제의 중공사 환외여과막(UF막)을 지지층으로 하여, 그 외측에 수증기 투과막으로서 불소계 수지인 「테플론(등록상표) AF1600」(상품명, 듀폰사제)을 두께 1 μm 이하가 되도록 코팅하고, 이것을 심봉 둘레로 크로스 와인딩함으로써 제작하였다. 이 막 엘리먼트는 하나당 막 면적이 10 ㎡, 외경 175 ㎜φ, 길이 430 ㎜인 원통 형상이며, 이것을 4개 사용하였다. 또한 상기 수증기 투과막의 흡수율은 0.01% 이하이며, 물과의 접촉각은 104˚였다. 흡수율은, ASTM D570에 따라, 샘플을 23℃의 물에 24시간 침지한 조건으로 측정하였다. 물과의 접촉각은, 샘플 표면에 탈이온수의 물방울을 얹어, 23℃에서 1분간 방치한 후, 접촉각 측정 장치(교와카이멘카가쿠사 제조, 「CA-X150형 접촉각계」)를 이용하여 측정하였다.

디젤 엔진의 사양은, 정격 2400 rpm(100% 부하시), 출력 103 kW, 보어 110 ㎜, 스트로크 125 ㎜, Pme 1.08 Mpa이며, 경유 연료를 사용하였다. 엔진의 운전은 「선박용 디젤 엔진으로부터의 NOx 배출 규제에 관한 테크니컬 코드(2008)」(니혼카이지 협회)에 규정되어 있는 E3형 테스트 사이클에 준하여 행하였다. 엔진의 운전은, 엔진 부하율 75%로 행하고, 급기 압력을 65 kPaG로 하였다.

공기는, 공기 공급 배관(71)으로부터 삼방향 밸브(721)를 경유하여 막 모듈(1)의 내측(공기 공급구)에 공급되어, 가습된다. 그 후, 가습된 공기는, 삼방향 밸브(722)를 경유하여, 컴프레서(과급기)(73)로 가압되고, 디젤 엔진(77)에 공급된다. 또한 수원(78)으로부터 온수 발생기(75)에 물이 공급되어 온수로 하고, 순환수 펌프(74)를 경유하여 막 모듈(1)의 외측(물 공급구)에 공급되며, 수증기 투과막을 통해 공기를 가습한다. 나머지 물은, 밸브(791)를 경유하여 다시 온수 발생기(75)에 되돌아간다. 수중의 불순물이나 염류의 농도가 높아진 경우, 온수 발생기(75)에 접속되는 물 배출 배관(751)으로부터 계 외로 배출된다. 또한 밸브(792)는, 공기나 물이 과잉 압력이 되었을 때의 안전 밸브의 역할을 한다.

실시예 1에서는, 물로서 수도물을 순환시켰다. 막 모듈(1)의 공기 공급구에서의 공기의 압력은 0 kPaG(게이지압), 온도는 25℃, 산소 농도는 20.9%였다. 산소 농도는 산소 농도계(직코사 제조, 「JKO-25LJII」)를 이용하여 측정하였다.

막 모듈(1)의 공기 공급구에서의 공기의 압력을 대기압으로 하고, 공기 배출구에서의 공기의 압력을 -2 kPaG(게이지압)으로 하며, 막 모듈(1)의 물 공급구에서의 물의 온도를 51℃로 설정하였다. 또한, 공기가 수증기 투과막으로부터 투과하지 않도록, 막 모듈(1)의 물 공급구에서의 물의 압력을 20 kPaG(게이지압)로 하였다. 막 모듈(1)로부터 배출되는 가습된 공기의 온도는 46.5℃, 상대 습도 85%였다. 실험 결과, NOx의 발생량은 3.72 g/kWh였다. 또한, 본 실험에 의한 디젤 엔진의 부식은 확인되지 않았다.

[실시예 2]

사용하는 급기의 습도 및 상대 습도를 표 1의 조건으로 변경하고, 급기 압력을 80 kPaG로 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실험을 행하여, 표 1에 나타내는 결과를 얻었다.

[실시예 3]

실시예 1의 내연 기관 장치의 막 모듈(1)을 하기에 나타내는 평막형 막 모듈로 바꾼 내연 기관 장치를 운전시켰다. 지지층으로서 폴리에틸렌 미다공막[수은 포로시미터(porosimeter)에 의한 모드 직경은 90 ㎚]을 이용하여, 폴리에틸렌 미다공막을 폭 300 ㎜로 재단한 후, 폴리에틸렌 미다공막의 한쪽 표면에만, 「테플론(등록상표) AF1600」(듀폰사 제조)을, 마이크로그라비아 도공기(야스이세이키 제조)를 이용하여 두께 1 μm 이하가 되도록 코팅하고, 수증기 투과막을 얻었다.

다음에, 스페이서를 2장 준비하고, 그 사이에 상기 수증기 투과막을 끼우며, 플리츠기를 이용하여, 플리츠 높이 40 ㎜의 조건으로 플리츠 가공을 행한 후, 폭 120 ㎜로 재단하여 주름부의 매수 450장(길이 약 380 ㎜)의 플리츠 적층체를 얻었다. 이 단부를 에폭시 수지로 접착하고, 막 엘리먼트를 얻었다. 스페이서에는, 직경 약 126 μm의 복수의 실로 이루어지는 폴리에스테르제 연사(撚絲)로 제작한 평직물로서, 실의 교점이 열융착에 의해 고정된 두께: 183 μm, 오프닝(실간 거리): 1 ㎜, 폭 300 ㎜의 평직물을 이용하였다. 이 막 엘리먼트를 장전하여, 평막형 막 모듈로 하였다. 이 평막형 막 모듈을 이용하여, 막 모듈(1)의 물 공급구에서의 물의 온도를 51℃로 설정하고, 내연 기관 장치의 운전을 행하였다. 그 외는, 실시예 1과 마찬가지로, 표 1에 나타내는 조건으로 물의 온도와 유량을 조절하여 운전을 행하였다.

[실시예 4]

급기의 온도 및 상대 습도를 표 1의 조건으로 변경하고, 급기 압력을 80 kPaG로 변경한 것 이외는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 실험을 행하여, 표 1에 나타내는 결과를 얻었다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일한 내연 기관 장치를 운전하였다. 이 때, 삼방향 밸브(721, 722)를 조정하는 것에 의해, 막 모듈(1)을 경유하지 않고, 컴프레서(73)로부터의 공기를 디젤 엔진(77)에 직접 공급하였다. 실험 결과, NOx 발생량은 13.26 g/kWh가 되었다.

[비교예 2]

막 모듈(1)을 컴프레서(73)와 디젤 엔진(77) 사이에 설치하였다. 컴프레서(73)를 막 모듈(1)의 공기 공급구에 접속하고, 막 모듈(1)의 공기 배출구를 디젤 엔진(77)에 접속한 것 이외는, 실시예 1과 같은 내연 기관 장치를 이용하였다. 비교예 2에서는, 막 모듈(1)의 공기 공급구의 압력은 65 kPaG이며, 대기압을 초과하는 압력으로 가압한 공기를 가습하여, 내연 기관에 도입하는 실험을 행하였다. 실시예 1과 동일 조건으로 물을 흘린 바, 가습이 불충분했다.

[비교예 3]

막 모듈(1)을 컴프레서(73)와 디젤 엔진(77) 사이에 설치하였다. 컴프레서(73)를 막 모듈(1)의 공기 공급구에 접속하고, 막 모듈(1)의 공기 배출구를 디젤 엔진(77)에 접속한 것 이외는, 실시예 3과 같은 내연 기관 장치를 이용하였다. 비교예 3에서는, 막 모듈(1)의 공기 공급구의 압력은 65 kPaG이며, 대기압을 초과하는 압력으로 가압한 공기를 가습하여, 내연 기관에 도입하는 실험을 행하였다. 실시예 2와 동일 조건으로 물을 흘린 바, 가습이 불충분했다.

실시예 1∼4 및 비교예 1의 결과를 표 1에 나타낸다. 또한 표 중, 산소 과잉률이란, 연료를 연소하는 데 필요한 산소량에 대하여, 공급한 흡기중의 산소량의 비율(배율)이다. 물/연료비란, 엔진에 공급한 연료 공급 속도(g/s)에 대하는, 공급한 흡기중의 수분량의 공급 속도(g/s)의 비이다. 급기 온도란, 엔진에 공급되는 가습된 공기의 온도이다.

계속해서, 내연 기관 안에서의 연소 경과를 자세히 검토하기 위해, 실시예 2와 비교예 1의 실린더 안의 거동에 대해서 더 검토하였다. 도 11은, 실시예 2와 비교예 1의 실린더 안의 지압 선도와 열발생률 곡선을 플롯한 그래프이다. 열발생률은, 각각의 실험 조건에서 150 사이클의 지압 선도의 평균을 크랭크 각도로 0.1˚ 간격으로, 산출한 결과이다. 연소 해석에는 오노속키사 제조, 「DS-200 series 연소 해석 시스템」(「DS-0228 정상 연소 해석 소프트웨어」사용)을 사용하였다.

가습을 행하지 않은 비교예 1의 경우, 압축 압력(실린더 내압)의 평균값은 약 6.8 MPa이며, 압축 압력의 최대값이 9.9 MPa였다. 가습을 행하고 있는 실시예 2인 경우, 압축 압력(실린더 내압)의 평균값은 약 6.5 MPa이며, 압축 압력의 최대값은 약 9.5 MPa였다. 한편, 착화 지연의 차이는 작았다. 실시예 2의 압축 압력과 최고 압력이, 비교예 1보다 낮은 것은, 실시예 2의 작동 유체의 비열이 가습에 의해 증대했기 때문으로 생각된다. 작동 유체의 비열이 커지면, 압축 온도가 저하되고, 압축 압력도 낮아진다. 또한, 착화 후의 최고 압력이 감소한다는 것은, 착화 후의 열의 상승이 억제되어 있기 때문이며, 그 결과 NOx의 발생이 크게 억제된 것이라고 할 수 있다. 이것에 의해 1 사이클당 팽창일(포지티브 일량)은, 최고 압력의 저하분만큼 감소하지만, 압축 압력의 저하에 의해 압축일(네거티브 일량)이 감소하기 때문에, 연료의 소비량은 그다지 증가하지 않는다. 이것에 의해, 실시예 2의 결과를 잘 활용하는 것에 의해, 연비의 악화를 초래하지 않고 NOx의 저감을 달성할 수 있다.

즉, 작동 유체의 가습에 의해 그 비열이 상승했기 때문에, 연소에 의한 온도 상승이 억제되고 최고 압력이 저하되어 팽창일(포지티브 일)은 감소했지만, 압축에 의한 온도 상승도 억제되었기 때문에 압축일(네거티브 일)도 감소했으므로, 양자 상쇄되어, 연비에 그다지 큰 변화가 없었다고 생각된다. 작동 유체의 가습에 의한 비열 상승은, 엔진의 압축일(네거티브 일)을 경감시키는 데 유효하고, 착화 후의 팽창일(포지티브 일)을 어떻게 효율적으로 취출할지는, 분무 연소 기술에 의해 개선할 수 있을 가능성이 있다. 일반적으로는, 최고 연소 온도를 저하시키는 연소 제어에서의 NOx 저감 방법(EGR, NEM, 물 분사 등)에서는, 연비와 NOx 발생이 트레이드오프의 관계에 있다고 하지만, 가습에 의해 작동 유체의 비열을 올림으로써 이 트레이드오프 곡선을 개선할 수 있다.

이상으로부터, 각 실시예에서 내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물을 간편하고 효과적으로 저감할 수 있던 것이 확인되었다.

본 출원은, 2010년 8월 24일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원(특허출원2010-187671)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 받아들인다.

본 발명의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법, 삭감 장치 및 내연 기관 장치는, 선박이나 자동차 등의 디젤 엔진을 비롯한 폭넓은 분야에서 사용할 수 있다.

α, β, γ, 1, 2: 막 모듈, α1, β1, γ1, 11, 21: 수증기 투과막, 12, 22: 케이스, 121, 221: 공기 공급구, 122, 222: 공기 배출구, 123, 223: 물 공급구, 124, 224: 물 배출구, 3, 4: 질소 산화물의 삭감 장치, 31, 41: 온도계, 32, 42: 압력계, 33, 43: 유량계, 34, 44: 습도계, 35, 45: 산소 농도계, 36, 46, 55: 온수 바스, 361, 461, 551, 651: 물 공급 배관, 362, 462, 552, 652, 751: 물 배출 배관, 37, 47, 56, 66, 74: 순환수 펌프, 38, 48: 순환수 유량계, 39, 49: 순환수 압력계, 5, 6, 7: 내연 기관 장치, 51, 61: 과급기, 52, 62: 흡기 매니폴드, 53, 63: 내연 기관의 연소실, 54, 64: 배기 매니폴드, 71: 공기 공급 배관, 721, 722: 삼방향 밸브, 73, 81: 컴프레서, 75: 온수 발생기, 76: 샘플링 밸브, 77: 디젤 엔진, 78: 수원, 67, 68: 열교환기, V1, V2, 791, 792: 밸브, a1, a2: 제1 공간, b1, b2: 제2 공간

Claims

내연 기관의 배기 가스중의 질소 산화물의 삭감 방법으로서,
대기압 이하인 공기를 소수성인 수증기 투과막의 한쪽 면에 접촉시키고, 액체 상태의 물을 상기 공기의 압력 이상의 압력으로 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽 면을 따라, 상기 공기의 흐름과 대항하는 방향으로 흘림으로써, 상기 공기를 가습하는 공정과,
상기 가습된 공기를 내연 기관에 도입하는 공정
을 포함하고,
상기 수증기 투과막이, 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막, 및 폴리테트라플루오로에틸렌계 미다공막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 미다공막이며, 상기 미다공막의 표면의 일부 또는 전부가, 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)호모폴리머, 또는 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)과 테트라플루오로에틸렌의 코폴리머를 포함하는, 두께 1 ㎛ 이하의 층에 의해 피복된 막이고,
상기 공기를 가습하는 공정에서, 상기 물의 온도가, 상기 공기의 온도의 -10℃∼+30℃이며, 또한 상기 가습된 공기의 습도가 78.2% RH 이상 90.0% RH 이하인,
질소 산화물의 삭감 방법.
제1항에 있어서, 상기 가습된 공기를 상기 내연 기관에 도입하는 공정에서, 상기 가습된 공기를 가압함으로써, 상기 가습된 공기를 상기 내연 기관에 도입하는 것인 질소 산화물의 삭감 방법.
삭제
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 물이 전해질을 포함하는 것인 질소 산화물의 삭감 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 가습된 공기중에서의 물의 함유량이 1 ㏖% 이상인 질소 산화물의 삭감 방법.
소수성인 수증기 투과막과, 상기 수증기 투과막을 수납하는 케이스를 구비하고, 상기 케이스 안에는, 상기 수증기 투과막으로 구획된 제1 공간과 제2 공간이 형성되며, 상기 케이스는, 상기 제1 공간에 대기압 이하의 공기를 공급하는 공기 공급구와, 상기 제1 공간으로부터 상기 공기를 배출하는 공기 배출구와, 상기 제2 공간에 액체 상태의 물을 상기 공기의 압력 이상의 압력으로 공급하는 물 공급구와, 상기 제2 공간으로부터 상기 물을 배출하는 물 배출구를 구비하는 막 모듈과,
상기 막 모듈의 상기 물 공급구에 접속되는 급수부와,
상기 공기의 온도에 대하여 -10℃∼+30℃가 되도록 상기 물의 온도를 제어하는 온도 제어부
를 포함하고,
상기 수증기 투과막이, 폴리올레핀계 미다공막, 폴리술폰계 미다공막, 폴리에테르술폰계 미다공막, 및 폴리테트라플루오로에틸렌계 미다공막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 미다공막이며, 상기 미다공막의 표면의 일부 또는 전부가, 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)호모폴리머, 또는 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)과 테트라플루오로에틸렌의 코폴리머를 포함하는, 두께 1 ㎛ 이하의 층에 의해 피복된 막이고,
상기 막 모듈에 있어서, 상기 제1 공간에 흐르는 공기의 흐름과 상기 제2 공간에 흐르는 물의 흐름이 대항하도록, 상기 공기 공급구와 상기 공기 배출구와 상기 물 공급구와 상기 물 배출구가 배치되어 있고, 또한, 가습된 공기의 습도가 78.2% RH 이상 90.0% RH 이하가 되도록 제어하는, 질소 산화물의 삭감 장치.
제9항에 있어서, 상기 막 모듈의 상기 공기 배출구에 접속되는 공기 가압부를 더 포함하는 것인 질소 산화물의 삭감 장치.
삭제
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 급수부가, 상기 막 모듈의 상기 물 배출구로부터 배출되는 물을, 다시 상기 막 모듈의 상기 물 공급구에 공급하는 송액부를 더 포함하는 것인 질소 산화물의 삭감 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 물의 유량을 제어하는 유량 제어부
를 더 포함하는 것인 질소 산화물의 삭감 장치.
제10항에 기재된 질소 산화물의 삭감 장치와,
내연 기관을 포함하고,
상기 공기 가압부는, 상기 막 모듈의 상기 공기 배출구와, 상기 내연 기관 사이에 배치되어 있는 것인 내연 기관 장치.