KR20190131612A

KR20190131612A - 내연 기관의 운전 방법 및 공기 공급 장치

Info

Publication number: KR20190131612A
Application number: KR1020197034022A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 시미즈; 히로카즈 오노; 도모히로 니이하마; 마사히로 츠카모토
Original assignee: 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2019-11-26
Also published as: CN104685198B; KR20170040369A; KR20150045514A; WO2014050986A1; US20150285190A1; JP2022116074A; JP2020073803A; JPWO2014050986A1; JP7075953B2; EP2902612A1; US10107232B2; EP2902612A4; KR102330572B1; JP7273223B2; CN104685198A

Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기 중의 질소 산화물을 저감시키는 방법으로서, 배기를 포함하지 않는 저산소 농도 공기를 내연 기관에 도입하는 공정과, 탄화수소계 연료에 가습용 물을 혼합하여 에멀션 연료로서 내연 기관의 연소실에 분사하는 공정을 포함하는 내연 기관의 운전 방법을 제공한다.

Description

내연 기관의 운전 방법 및 공기 공급 장치{METHOD FOR DRIVING INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND AIR SUPPLY DEVICE}

본 발명은, 내연 기관의 운전 방법 및 공기 공급 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 내연 기관의 배기 중의 질소 산화물을 저감시킬 수 있는 내연 기관의 운전 방법 및 공기 공급 장치에 관한 것이다.

디젤 엔진 등으로 대표되는 내연 기관은, 연소 효율이 높고, 이산화탄소의 발생도 적기 때문에, 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 내연 기관의 배기에는 질소 산화물(이하, NOx라고 함)이 포함되어 있고, 최근 환경 의식이 높아짐에 따라, NOx 배출 규제가 강화되는 방향에 있다.

선박용 디젤 기관으로부터 배출되는 NOx는, 2016년부터 국제 해사 기관(IMO)에 의한 Tier Ⅲ 규제가 예정되어 있고, 이 규제에서는, 현행의 Tier Ⅱ 규제치로부터 75% 저감이 요구된다. 그 때문에, 효과가 높으며, 또한 저렴한 NOx 제거 기술의 개발이 요구되고 있고, NOx의 저감에 관한 여러가지 검토가 이루어지고 있다(비특허문헌 1 참조).

배기 후처리에 의한 NOx 저감 기술의 구체예로서, 디젤 엔진의 배기 중의 NOx를 선택적으로 촉매에 의해 환원하는 선택적 촉매 환원(SCR) 기술을 들 수 있다(비특허문헌 1 참조). 그러나, SCR 기술은 NOx를 환원하기 위해 요소나 암모니아 등의 화학 약품이 필요하고, 약품의 관리나 과대한 비용에 과제가 있다. 또한, 수백~수천 ppm의 높은 NOx 농도의 배기에 적용한 경우, 장치가 대형화될 것으로 예상되는 것도 과제이다.

연소 제어에 의한 NOx 저감 기술의 구체예로서, 물을 분무하여 가습한 급기를 내연 기관에 공급함으로써, NOx를 저감하는 방법(비특허문헌 2 참조)이 제안되어 있다. 이 방법에서는 수증기의 희석 효과를 이용하여, 급기 중의 산소 농도를 효율적으로 낮출 수 있다. 그러나 수증기 압력은 온도만의 함수이기 때문에, 동일 온도에서 과급압이 높아지면 상대적으로 가습량이 저하되는 것이 결점이다. 또한, 가습량을 많게 하기 위해, 급기의 온도를 지나치게 높이면 연비가 저하될 가능성이 있는 것이 과제이다.

수증기로 연소를 제어하는 그 밖의 방법으로서, 수증기 투과막을 이용하여 배기로부터 수증기를 급기측으로 이행시키는 방법(특허문헌 1 참조)이 제안되어 있다. 이 방법에서는, 이행하는 수증기량이 적기 때문에, NOx 저감 효과가 작다는 결점이 있다.

그 밖에, 막을 이용한 NOx 저감 방법이 제안되어 있다. 예컨대, 특허문헌 2에는, 산소 선택 투과막을 이용하여 공기의 질소 농도를 부화(富化)하고, 그 질소 부화 공기를 내연 기관에 공급함으로써, NOx가 저감되는 것이 기재되어 있다.

또한, 연료 중에 물을 첨가하여, 에멀션으로서 엔진 등에 공급하는 방법이나, 엔진 실린더에 직접 물을 분사하는 방법도 제안되어 있다(비특허문헌 1). 이 방법은, 단위 중량당의 물에 의한 NOx 저감 효과가 높은 이점이 있다. 그러나, 이 방법 단독으로 Tier Ⅲ 수준까지의 NOx 저감은 할 수 없다.

또한, 배기의 일부를 급기 중으로 순환시켜, 급기 중의 산소 농도를 저감시킴으로써 배기 중의 NOx를 저감시키는 기술(EGR)이 개발되어 있다(비특허문헌 1). 배기에는 연료 중의 황이 산화되어 생성되는 SOx가 포함된다. 이것은, 배기 중의 물에 흡수되면 황산이 된다. EGR에서는, 배기가 순환하는 부분의 기기 배관의 황산 부식을 피하기 위해 배기의 물 스크러버에 의한 탈황이나 스크러버 배수 처리 설비가 필요해진다. 이 때문에, 장치가 복잡해지고, 장치 초기 비용, 운전 비용, 유지 비용의 면에서 과제가 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평성03-061658호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평성04-231670호 공보

비특허문헌 1 : 마린 엔지니어링, Vol46, No.6, 2011, p1-54. 비특허문헌 2 : J. Hupli, "Humidification method for reduction of NOx emission", CIMAC Congress, 2004, No.11

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 내연 기관의 배기 중의 질소 산화물을 저감시킬 수 있는 내연 기관의 운전 방법 및 공기 공급 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 배기를 포함하지 않는 저산소 농도 공기를 내연 기관에 도입하고, 또한 탄화수소계 연료에 물을 혼합한 에멀션 연료를 내연 기관의 연소실에 분사함으로써, 종래에 비해 대폭적인 NOx의 저감이 가능한 것을 알아내고, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

즉, 본 발명은 이하와 같다.

[1]

탄화수소계 연료 및 공기를 연소실 내에서 연소시키는 내연 기관의 운전 방법으로서, 상기 공기는, 상기 내연 기관의 배기를 포함하지 않고, 상기 연소실에 도입하는 상기 공기의 산소 농도를 저감시키는 산소 농도 저감 공정과, 상기 탄화수소계 연료와 물을 상기 연소실에 분사하는 공정을 갖는 내연 기관의 운전 방법.

[2]

상기 탄화수소계 연료와 물을 상기 연소실에 분사하는 공정이, 상기 탄화수소계 연료에 물을 혼합하여 에멀션으로서 상기 연소실에 분사하는 공정인, [1]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[3]

상기 산소 농도 저감 공정에서, 상기 공기를 가압하여 가압 공기로 만드는 공기 가압 공정과, 기체 투과막의 한쪽의 면에 상기 가압 공기를 접촉시켜, 상기 가압 공기의 산소 농도를 저하시키는 공정을 포함하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[4]

상기 산소 농도 저감 공정에서, 상기 기체 투과막의 다른쪽의 면에 상기 가압 공기를 가습하는 가습용 물을 접촉시켜, 상기 가압 공기에 수증기를 첨가하는 수증기 첨가 공정을 포함하는 [3]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[5]

상기 산소 농도 저감 공정에서, 수증기를 상기 공기에 첨가하여, 상기 공기의 산소 농도를 저하시키는 수증기 첨가 공정을 포함하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[6]

상기 수증기 첨가 공정에서, 상기 공기를 가압하여, 가압 공기로 만드는 공기 가압 공정과, 수증기 투과막의 한쪽의 면에 상기 가압 공기를 접촉시키고, 상기 수증기 투과막의 다른쪽의 면에 가습용 물을 접촉시켜, 상기 가압 공기에 수증기를 첨가하는 공정을 포함하는 [5]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[7]

상기 기체 투과막이, 기체의 용해 확산에 의한 기체 분리 성능을 나타내는 기체 투과막인, [3] 또는 [4]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[8]

상기 수증기 투과막이, 기체의 용해 확산에 의한 기체 분리 성능을 나타내는 기체 투과막인, [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[9]

상기 수증기 투과막이, 소수성 미다공막인, [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[10]

상기 산소 농도 저감 공정에서, 상기 공기의 산소 농도가, 10 mol% 이상 20.5 mol% 이하인, [1]~[9] 중 어느 하나에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[11]

상기 가습용 물이, 전해질을 포함하는, [4] 또는 [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[12]

상기 가습용 물이, 염화나트륨을 포함하는, [4] 또는 [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[13]

상기 가습용 물의 온도가, 20℃ 이상 95℃ 이하인, [4] 또는 [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[14]

상기 가습용 물을, 순환시켜 사용하는, [4] 또는 [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[15]

가습된 상기 공기의 물의 함유량이 1 mol% 이상이며, 또한 가습된 상기 공기의 습도가 100% RH 미만인, [4] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[16]

상기 공기 가압 공정에서, 상기 공기는, 상기 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 가압되고, 또한 상기 과급기와 직렬로 배치된 압축기에 의해 가압되는, [3], [4] 또는 [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[17]

상기 공기 가압 공정에서, 상기 공기는, 상기 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 가압된 공기와, 상기 과급기와 병렬로 배치된 압축기에 의해 가압된 공기를 더한 공기인, [3], [4] 또는 [6]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[18]

탄화수소계 연료 및 공기를 연소실 내에서 연소시키는 내연 기관의 운전 방법으로서, 상기 공기를, 상기 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 가압하고, 상기 과급기에 의해 가압된 공기를 상기 과급기와 직렬로 배치된 압축기에 의해 압축하거나, 또는 상기 과급기에 의해 가압된 공기에 상기 과급기와 병렬로 배치된 압축기에 의해 가압된 공기를 더하고, 가압된 상기 공기를 기체 투과막의 한쪽의 면에 접촉시켜 상기 공기로부터 산소를 소정량 제거하여 얻어지는 저산소 농도 공기를 상기 내연 기관에 도입하는, 내연 기관의 운전 방법.

[19]

과급기와, 공기 압축기와, 산소 농도 저감 모듈을 구비하는 내연 기관의 공기 공급 장치에 있어서, 상기 산소 농도 저감 모듈은, 기체 투과막과, 상기 기체 투과막을 수납하는 케이스를 구비하고, 상기 과급기와 상기 공기 압축기와 상기 산소 농도 저감 모듈을 직렬로 접속하는 것을 특징으로 하는, 공기 공급 장치.

[20]

과급기와, 공기 압축기와, 산소 농도 저감 모듈을 구비하는 내연 기관의 공기 공급 장치에 있어서, 상기 산소 농도 저감 모듈은, 기체 투과막과, 상기 기체 투과막을 수납하는 케이스를 구비하고, 상기 과급기와 상기 산소 농도 저감 모듈을 직렬로 접속하고, 상기 공기 압축기를 상기 과급기와 상기 산소 농도 저감 모듈 사이에, 상기 과급기와 병렬로 접속하는 것을 특징으로 하는, 공기 공급 장치.

[21]

과급기와, 산소 농도 저감 모듈을 구비하는 내연 기관의 공기 공급 장치에 있어서, 상기 산소 농도 저감 모듈은, 기체 투과막과, 상기 기체 투과막을 수납하는 케이스를 구비하고, 상기 산소 농도 저감 모듈과 상기 과급기를 직렬로 접속하는 것을 특징으로 하는, 공기 공급 장치.

[22]

상기 기체 투과막이, 수증기 투과막인, [19] 내지 [21] 중 어느 하나에 기재된 공기 공급 장치.

[23]

상기 기체 투과막이, 중공사 또는 평막인, [19] 내지 [22] 중 어느 하나에 기재된 공기 공급 장치.

[24]

상기 산소 농도 저감 공정에 의해 산소 농도가 저감된 상기 공기를 상기 내연 기관의 과급기에 공급하는 것을 특징으로 하는, [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[25]

상기 산소 농도 저감 공정에서, 기체 투과막의 한쪽면측의 전압(全壓)이 다른쪽면측보다 저압이 되도록, 감압 수단에 의해 감압하는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[26]

상기 기체 투과막에 의해 산소 부화(富化)되는 측을, 기체를 흘려 스윕하는 것을 특징으로 하는 [3], [4], [7], [18] 또는 [25]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

[27]

상기 산소 농도 저감 모듈의 상류측에 승압 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 [21]에 기재된 공기 공급 장치.

[28]

상기 기체 투과막의 산소 부화측의 전압이 질소 부화측의 전압보다 저압이 되도록, 감압하는 감압 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 [19] 내지 [21] 중 어느 하나에 기재된 공기 공급 장치.

[29]

상기 기체 투과막의 산소 부화측을, 기체를 흘려 스윕하는 것을 특징으로 하는 [19] 내지 [21] 중 어느 하나에 기재된 공기 공급 장치.

[30]

상기 에멀션은 유화제를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 [2]에 기재된 내연 기관의 운전 방법.

본 발명에 관련된 내연 기관의 운전 방법에 의하면, 내연 기관의 배기 중의 NOx를 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 막모듈의 일 실시형태의 사시도이다.
도 2는 본 실시형태의 막모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다.
도 3은 본 실시형태의 막모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다.
도 4는 본 실시형태에서 이용하는 중공사형 막모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 5는 본 실시형태에서 이용하는 평막형 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 6은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 7은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 8은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 9는 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 10은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 11은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 12는 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 13은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 14는 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 15는 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 16은 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 간단히 「본 실시형태」라고 함)에 관해, 필요에 따라 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이하의 본 실시형태는, 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명을 이하의 내용에 한정하려는 취지는 아니다. 또한, 첨부 도면은 실시형태의 일례를 도시한 것으로, 형태는 이것에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 본 발명은, 그 요지의 범위 내에서 적절히 변형하여 실시할 수 있다. 또, 도면 중, 상하좌우 등의 위치 관계는, 특별히 언급하지 않는 한, 도면에 나타내는 위치 관계에 기초하는 것으로 하고, 도면의 치수 비율은 도시된 비율에 한정되지 않는다. 또한, 전도면 중, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하기로 한다.

본 실시형태는, 탄화수소계 연료 및 공기를 연소실 내에서 연소시키는 내연 기관의 운전 방법으로서, 상기 공기는, 상기 내연 기관의 배기를 포함하지 않고, 상기 연소실에 도입하는 상기 공기의 산소 농도를 저감시키는 산소 농도 저감 공정과, 상기 탄화수소계 연료와 물을 상기 연소실에 분사하는 공정을 갖는, 내연 기관의 운전 방법이다. 내연 기관의 종류는 특별히 한정되지 않고, 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 가스 엔진 등을 예시할 수 있다. 이들 중에서, 디젤 엔진은 열효율이 우수하고, 경유나 중유 등의 일반적인 연료 외에도, 여러가지 액체 연료가 사용 가능하여, 범용성이 높다. 디젤 엔진은 연료로부터 과잉의 산소를 연소실에 도입하기 때문에, 배기 중의 질소 산화물(NOx)이 많다. 이러한 디젤 엔진의 배기 중의 NOx의 함유량을 저감시킬 수 있는 것은, 환경면에서 큰 의의가 있다. 디젤 엔진으로는, 4-스트로크 고속 엔진, 4-스트로크 중속 엔진, 2-스트로크 저속 엔진을 예시할 수 있다. 디젤 엔진의 용도는 특별히 한정되지 않고, 선박, 자동차, 발전기, 비행기, 각종 중장비 등의 동력원으로서 이용되고 있는 것을 들 수 있다.

상기 탄화수소계 연료와 물을 상기 연소실에 분사하는 공정으로는, 상기 탄화수소계 연료에 물을 혼합하여 에멀션으로서 상기 연소실에 분사하는 방법, 상기 연소실에 연료 분사 수단과는 별도의 물 분사 수단을 설치하는 방법을 예시할 수 있다. 후자의 방법은, 연소실의 화염을 향해 물이 분사된다. 이들 중에서는 상기 탄화수소계 연료에 물을 혼합하여 에멀션으로서 상기 연소실에 분사하는 수단이 간편하여 바람직하다.

본 실시형태에 있어서 에멀션이란, 분산질이, 분산매 중에 액적형으로 미분산된 상태를 가리키는 것으로 하고, 유화제는 포함하지 않는 것이어도 좋고, 디스퍼전도 포함하는 것으로 한다. 예컨대, 물이 액적형으로 연료 중에 분산된 W/O형 에멀션 연료이고, 이 경우에는, 유화제를 포함하지 않는, W/O형 디스퍼전도 포함한다. 또, 유화제는 없는 것이 바람직하다. 특히, 내연 기관의 연소실에 도입하는 공기의 산소 농도를 저감시키는 산소 농도 저감 공정과 병용한 경우에는 연비 향상 효과가 확인된다.

이것은, 배기를 포함하는 경우와 달리, 특히 막에 의해 산소 농도를 저감시킨 경우에는, 연소실 안은 불순물이 적지만, 저산소 환경하에서 연소하기 어려운 조건에서는, 유화제와 같이 난연성의 물질의 혼입은 연소 악화에 대한 악영향이 커질 가능성이 있는데, 유화제를 이용하지 않게 되어, 물 에멀션 병용 등에서의 연비 개선 효과가 커지는 것으로 추찰된다.

에멀션 중의 물의 양은, 물/연료(중량)의 하한이 0.1 이상, 또한 0.2 이상, 또한 0.3 이상, 또한 0.4 이상, 또한 0.5 이상, 또한 0.6 이상, 또한 0.7 이상인 것이 바람직하고, 물/연료(중량)의 상한이 1.2 이하, 또한 1.0 이하인 것이 바람직하다.

상기 저산소 농도 공기를 내연 기관의 급기로서 이용함으로써, NOx의 발생을 저감시킬 수 있다. 그 작용에 관해서는 분명하지 않지만, 하기 (1)~(3)에 의해, NOx의 발생을 저감시킬 수 있는 것으로 추측된다(다만, 본 실시형태의 작용은 이것에 한정되지 않는다).

(1) 산소 농도가 저하된 공기를 이용함으로써, 연소 온도가 낮아져 NOx 생성을 억제할 수 있다.

(2) 3원자 분자인 물(수증기)은, 상대적으로 비열이 높고, 연소시의 발열 온도를 낮출 수 있다. 그 때문에, NOx 생성을 억제할 수 있다.

(3) 엔진 실린더 내에 분사된 에멀션 연료 중의 액체의 물, 혹은 직접 연소실에 분사된 액체의 물이 증발하는 과정에서 증발 잠열에 의해 주위의 온도를 낮춤으로써 연소 온도가 저하되어 NOx 생성을 억제할 수 있다.

본 실시형태에서의 에멀션 연료는, 물과 탄화수소계 연료를 교반 혼합함으로써 얻어진다. 내연 기관에는 연료 공급 장치가 부속되는데, 에멀션 연료는 이 연료 공급 장치의 직전에 제조된다. 디젤 기관의 경우, 에멀션 연료 제조 공정은 연료 분사 펌프의 상류에 설치된다. 탄화수소계 연료와 물의 교반은, 조형(槽型), 인라인형 등을 사용할 수 있다. 탄화수소계 연료의 성상이나, 유화제의 필요 여부, 그 종류 등에 의한 에멀션의 생성 용이성에 따라, 교반기의 종류는 적절히 선택되고, 그 전단력은 높은 것부터 낮은 것까지 적절히 선택된다. 에멀션은 수중유 에멀션이어도 유중수 에멀션이어도 사용 가능하다. 에멀션을 안정화시키기 위해 유화제를 사용해도 좋다. 물/탄화수소계 연료의 비(용량비)는 1/99~90/10이 통상 사용되는 범위이고, 바람직하게는 10/90~80/20이고, 보다 바람직하게는 20/80~70/30, 더욱 바람직하게는 20/80~50/50이다. 또, 본 명세서에 있어서 “~”의 표기는, 상한치 및 하한치를 포함하는 것이다.

본 실시형태에서는, 급기에 배기를 포함하지 않는다. 배기를 포함하지 않는다란, 내연 기관에 급기와 배기를 혼합하는 목적의 장치를 부속시켜, 급기 중에 배기를 혼합시켜 급기 중의 산소 농도를 저감시키는 방법을 실시하지 않는 것을 의미한다. 연료 중에 황이 포함되는 경우에는, 배기에는 연료 유래의 SOx가 함유된다. EGR에서는 급기에 배기를 혼합하기 때문에, 내연 기관의 부품류의 부식 원인이 될 가능성이 있어, 탈황 장치가 필요해지는 결점이 있다. 배기를 사용하지 않음으로써, 내연 기관의 급기가 매우 청정하여, 내연 기관 부품의 내구성 향상이나 취급이 용이해지는 이점이 있다.

저산소 농도 공기 중의 산소 농도는, 20.5 mol% 이하 10 mol% 이상인 것이 바람직하다. 20.5 mol%를 초과하면 NOx의 발생이 많고, 10 mol% 미만에서는 엔진 출력이 저하되고 연료 소비율이 악화된다. 보다 바람직하게는 15 mol% 이상, 보다 바람직하게는 16 mol% 이상, 보다 바람직하게는 17 mol% 이상, 보다 바람직하게는 18 mol% 이상, 보다 바람직하게는 18.5 mol% 이상, 보다 바람직하게는 19 mol% 이상, 더욱 바람직하게는 19.5 mol% 이상이다.

본 실시형태에서는, 산소 농도 저감 공정에서 저산소 농도 공기를 조정하기 위해 2종류의 방법이 있다. 제1 방법은, 가압된 공기를 기체 투과막의 한쪽의 면에 접촉시켜 공기로부터 소정량의 산소를 제거하여 저산소 농도 공기(질소 부화 공기)를 조정하는 방법이고, 공기를 가압하여 가압 공기로 만드는 공기 가압 공정과, 기체 투과막의 한쪽의 면에 가압 공기를 접촉시켜, 상기 가압 공기의 산소 농도를 저하시키는 공정을 포함하는 것이다. 제2 방법은, 공기에 수증기를 첨가(가습)함으로써 희석하는 방법으로, 수증기를 공기에 첨가하여, 상기 공기의 산소 농도를 저하시키는 수증기 첨가 공정을 포함하는 것이다. 본 실시형태에 있어서는, 이들 방법을 단독 또는 조합하여 저산소 농도 공기를 조정하고, 이것을 내연 기관에 도입한다. 사용하는 공기 중의 산소, 질소, 수증기, 탄산 가스, 일산화탄소 등의 성분의 농도는 특별히 한정되지 않는다.

제1 방법에서는, 가압된 공기를, 기체 투과막의 한쪽의 면(1차측)에 접촉시키고, 상기 기체 투과막의 다른 한쪽의 면(2차측)으로부터 산소 부화 공기를 배출시킴으로써, 1차측으로부터 질소 부화 공기가 얻어진다.

제1 방법에서 사용하는 기체 투과막은, 크누센 흐름(Knudsen Flow) 등의 기체가 투과할 수 있는 정도의 구멍이 실질적으로 없는 비다공질막이고, 막 중에서 기체가 용해·확산 기구에 의해 투과하는 막이다. 즉, 기체 투과막은, 기체의 용해 확산에 의한 기체 분리 성능을 나타내는 막이다. 기체 투과막의 종류로는, 특별히 한정되지 않고, 유기계 고분자 또는 무기계의 기체 투과막을 들 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 기체 투과막으로는, 산소 투과 속도/질소 투과 속도가 1보다 큰 것이 바람직하다.

제1 방법에서 사용하는 기체 투과막의 비투과측(1차측)에는 가압 공기가 도입된다. 이 때문에 1차측의 질소 분압과 산소 분압은, 투과측(2차측)의 질소 분압과 산소 분압보다 높아지고, 그 차압을 구동력으로 하여, 1차측에서 2차측으로 기체가 투과한다. 이때, 질소보다 산소의 투과 속도가 높기 때문에, 1차측은 질소 부화 공기가 되고 2차측은 산소 부화 공기가 된다. 1차측의 압력은 2차측의 압력보다 높은 것이, 산소의 투과 속도가 빨라지기 때문에 바람직하다. 또한 2차측을 공기로 소기(스윕)하면, 2차측의 산소 분압을 낮출 수 있고, 기체 분리막의 기체 분리 성능이 향상되기 때문에 바람직하다.

유기계 고분자의 기체 투과막 재료로는, 예컨대 불소 수지, 폴리이미드계 수지, 실리콘계 수지, TR 폴리머계 수지, PIMS계 수지, PPO계 수지를 들 수 있다. 이들 중에서도, 기체 투과 계수가 큰 불소 수지계 수지, 실리콘계 수지나, 기체 선택성이 높은 폴리이미드계 수지가 바람직하고, 불소 수지계 수지가 보다 바람직하다.

불소 수지계 수지로는, 비정질의 함불소 중합체를 이용한 것이 바람직하다. 이러한 비정질의 함불소 중합체로는, 예컨대 주쇄에 함불소 지환 구조를 갖는 중합체를 들 수 있다. 주쇄에 함불소 지환 구조를 갖는 중합체는, 예컨대 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) 등의 디옥솔 고리를 갖는 단량체와, 불소, 트리플루오로메틸기, 펜타플루오로에틸기, 헵타플루오로프로필기 등의 불소 치환 알킬기를 갖는 퍼플루오로디옥솔류, 퍼플루오로(4-메틸-2-메틸렌-1,3-디옥솔란)(MMD), 퍼플루오로(2-메틸-1,4-디옥신) 등의 함불소 지환 구조를 갖는 단량체와, 이들과 공중합 가능한 단량체 중에서 1종 이상을 중합시킴으로써 얻어진다.

상기 공중합 가능한 단량체로는, C-H 결합의 H가 전부 F로 치환된 화합물이 바람직하다. 함불소 중합체의 기체의 투과성을 향상시키는 관점에서, 함불소 중합체에서의 함불소 지환 구조를 갖는 단량체의 중합 단위의 비율은 30 몰% 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라 고리형 구조를 많이 갖게 되고, 분자 간극이 커져, 기체의 투과 속도를 한층 더 상승시킬 수 있다.

C-H 결합의 H가 전부 F로 치환된(C-H 결합을 포함하지 않는) 라디칼 중합성 단량체로는, 테트라플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로(메틸비닐에테르) 등을 들 수 있다.

C-H 결합을 포함하지 않는 비정질의 함불소 중합체로는, 퍼플루오로-2,2-디메틸-1,3-디옥솔과 테트라플루오로에틸렌의 공중합체 등을 들 수 있다. 이들은 시판품을 이용할 수도 있고, 예컨대 상품명 「테플론(등록 상표) AF1600」(듀퐁사 제조), 상품명 「테플론(등록 상표) AF2400」(듀퐁사 제조), 상품명 「HYFLON AD」(아우지몬트사 제조), Cytop(아사히 가라스사 제조) 등을 들 수 있다.

기체 투과막(이하, 간단히 「막」이라고 총칭하는 경우가 있음)은, 지지층 상에 기체 투과 성능을 갖는 박막이 형성된 구조여도 좋다. 막강도를 유지하는 기능과 기체 분리 기능을 분리함으로써, 막의 기계적 강도가 향상되고 기체 투과 속도를 향상시킬 수 있다. 지지층의 재질은, 미세한 관통 구멍을 갖는 재료이면 특별히 한정되지 않고, 유기계, 무기계의 미다공막이 사용 가능하다. 예컨대, 직포, 부직포, 미다공막 등을 이용할 수 있다. 이들 중에서는 미다공막이 바람직하다. 미다공막으로는, 폴리이미드 미다공막, PVDF 미다공막, PTFE 미다공막, 폴리올레핀 미다공막, 초여과막(UF 막)으로서 사용되는 폴리술폰 미다공막이나 폴리에테르술폰 미다공막, 폴리아크릴니트릴계 미다공막 등을 들 수 있다. 미다공막에는, 대칭 구조의 구멍을 갖는 경우와 비대칭 구조의 구멍을 갖는 경우가 있고, 양자가 사용 가능하다.

유기계 재료에서의 구멍 형성의 방법으로서, 습식 상분리법, 건식법(라멜라 개공법, 계면 박리법 등)에 의한 것이 예시된다.

기체 분리성 수지 박막은, 지지체의 한면 혹은 양면에 형성된다. 중공사막의 경우에는, 지지층인 중공사막의 내측의 표면 또는 외측의 표면에, 막이 형성된 형태 등도 사용 가능하다.

무기계의 기체 투과막으로는, 질화규소계, 탄소계 등의 기체 투과막을 들 수 있다. 지지층인 세라믹막 상에 기체 투과막을 수열(水熱) 합성으로 형성한 것이나, 화학 증착(CVD)에 의해 박막 형성한 것을 들 수 있다.

저산소 농도 공기를 얻기 위한 제2 방법인 공기에 수증기를 첨가(가습)하는 방법으로는, 물을 분무하는 방법, 스팀을 도입하는 방법, 막가습법을 예시할 수 있다. 이들 중에서는, 물의 증발 표면적이 넓어 효율적으로 가습을 할 수 있는 막가습이 바람직하다. 막가습법으로는, 물에 의해 습윤한 다공질막을 이용하는 방법, 수증기 투과막을 이용하는 방법, 기체 투과막을 이용하는 방법 등을 예시할 수 있다.

막가습에는, 액체의 가습용 물을 투과시키지 않고, 수증기를 투과시키는 성질을 갖는, 수증기 투과막을 사용할 수 있다. 막의 구조나 재료에 관해서는 특별히 한정되지 않고, 용도나 사용 환경에 따라 적절히 적합한 것을 선택할 수 있다. 수증기 투과막은, 크누센 흐름 등의 기체가 투과할 수 있는 정도의 구멍이 실질적으로 없는 비다공질막이고, 막 중에서 기체가 용해·확산 기구에 의해 투과하는 막, 친수성막, 소수성 미다공막이 사용 가능하다. 친수성막은, 막 중에 액체의 물이 존재하고, 이 물이 증발함으로써 가습을 할 수 있다. 소수성 미다공막에서는, 구멍 속을 기체의 물은 투과하지만, 액체의 물은 투과할 수 없다. 수증기 투과막의 종류로는, 특별히 한정되지 않고, 유기계 고분자 또는 무기계의 기체 투과막을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기한 제1 방법에서의 기체 투과막 재료가 사용 가능하고, 제1 방법에 있어서 기재한, 지지체 상에 상기 기체 투과막 재료가 박막으로 형성된 기체 투과막이 사용 가능하다. 또한 막 중에 물이 포함되는 막으로는, 이온기를 갖는 막도 사용할 수 있고, 이온 교환 수지막을 예시할 수 있다.

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

소수성 미다공막의 종류로는 특별히 한정되지 않고, 유기계, 무기계의 미다공막이 사용 가능하다. 소수성 미다공막의 종류는, 특별히 한정되지 않고, 예컨대 불소 수지계 미다공막 등을 들 수 있고, 폴리불화비닐리덴(PVDF) 미다공막, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 미다공막, 폴리이미드 미다공막, 폴리올레핀 미다공막, 폴리술폰 미다공막, 폴리에테르술폰 미다공막, 폴리아크릴로니트릴계 미다공막 등이 사용 가능하다. 또한 부직포, 직포 등도 사용할 수 있다. 불소계 미다공막은, 소수성이 강하기 때문에 바람직하다. 그 밖의 미다공막이더라도, 표면의 소수성을 높이는 가공을 하는 것이 바람직하다.

수증기 투과막에 의한 가습에 있어서는, 공기를 수증기 투과막의 한쪽의 면에 접촉시키고, 물(가습용 물)을 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽의 면을 따라 흘려, 상기 공기에 소정량의 수증기를 첨가함으로써 공기를 희석하여 저산소 농도 공기(가습 공기)가 얻어진다. 수증기 압력은 온도만의 함수이고, 계의 전압에 의존하지 않기 때문에, 계의 전압이 낮을수록 수증기에 의한 공기의 희석 효과는 높아지고, 공기의 온도가 높을수록 수증기에 의한 공기의 희석 효과는 높아진다. 수증기 투과막 및 후술하는 질소 부화와 가습을 동시에 실시하는 막의 표면의 물 접촉각으로는, 90° 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95°이상, 더욱 바람직하게는 100° 이상이다.

가습용 물은, 수증기 투과막의 피가습 기체와 막을 사이에 두고 대항측(2차측)으로 흐른다. 막을 개재시킴으로써, 피가습측(1차측)에는 수증기만이 첨가된다. 가습된 공기가 약간의 온도 변화로 결로되는 것을 방지하는 관점에서, 피가습측 공기의 습도는 100% RH 미만이 바람직하고, 95% RH 이하가 보다 바람직하다. 2차측으로 흘리는 가습용 물의 온도와 유량을 제어함으로써, 수증기 투과막을 통해 가습하는 공기의 습도를 고정밀도로 제어할 수 있다. 1차측의 공기의 흐름과 2차측의 공기의 흐름을 압출 흐름으로 하는 경우에는, 1차측 흐름과 2차측 흐름을 대향류로 하는 것이 바람직하다. 가습용 물 대신에, 수증기를 사용하는 것도 가능하다.

본 실시양태에서는, 가습용 물로는 특별히 한정되지 않고, 순수, 상수, 중수 등이어도 좋고, 이온이나 미립자를 협잡물로서 포함하는 가습용 물이어도 좋다. 본 실시형태에서 이용하는 가습용 물은, 전해질을 포함하는 것이어도 우수한 가습 효과를 얻을 수 있고, 예컨대 염화나트륨을 포함하는 가습용 물(예컨대, 해수 등)이어도 우수한 가습 효과를 얻을 수 있다. 특히, 이온성 관능기를 갖지 않는 유기계 고분자를 이용한 수증기 투과막에서는, 이들 협잡물은 공기 공급측으로 새는 것을 효과적으로 억제할 수 있기 때문에, 보다 청정한 가습이 가능하다.

종래, 내연 기관의 급기를 가습하는 방법으로서, SAM법(Scavenge Air Moisturizing)이 알려져 있다. 이 방법은, 선박용 디젤 엔진으로부터 배출되는 질소 산화물을 저감시키기 위해 이용되는 방법으로, 급기를 해수로 가습한 후에, 담수로 처리하여, 급기 중에 포함되는 해수 미스트를 제거하는 탈염 공정을 거쳐, 급기를 가습하는 방법이다. 탈염이 완전히 행해지지 않는 경우에는, 내연 기관에 염이 들어가, 내연 기관의 고장의 원인이 되기 때문에, 탈염을 철저히 행할 필요가 있다. 본 실시형태의 방법에서는, 수증기 투과막에 의해 수증기가 첨가됨으로써, 공기는 희석되어 산소 농도가 저하된다. 막가습에서는, 미스트 비산이 없기 때문에, 가습용 물 중에 포함되는 염류 등의 용해 성분에 상관없이, 매우 청정한 가습을 실시할 수 있는 것이 특징이다. 따라서, 가습 후의 공기의 탈염 공정은 불필요하다. 청정한 가습에 의해, 엔진의 신뢰성 향상과 트러블 방지를 도모할 수 있다.

본 실시형태에서는, 가습용 물(수증기도 포함함)을 수증기 투과막을 따라 흘림으로써, 공기를 가습하기 때문에, 상기한 각 수증기 투과막의 성능에 맞춰, 가습용 물의 유량 및 온도를 제어함으로써, 용이하게 공기의 습도를 조정할 수 있다.

본 실시형태에서 이용하는 가습용 물의 상태는 특별히 한정되지 않고, 액체여도 좋고, 기체(수증기)여도 좋다. 수증기를 이용함으로써, 질소 부화막 및 가습 질소 부화막의 질소 부화 능력을 저하시키지 않고 가습을 행할 수 있다.

가습용 물이 수증기인 경우에는, 필요에 따라 다른 물질을 캐리어로서 병용해도 좋다. 특히, 공기를 캐리어로서 이용하는 것이 바람직하다. 캐리어를 이용함으로써, 수증기의 유량이나 온도를 보다 정확히 제어할 수 있다. 내연 기관의 배기를 캐리어로서 이용하는 것도 가능하다. 또한, 공기와 가습용 물의 혼상류(混相流)를 막의 2차측으로 흘려도 좋다.

수증기 투과막을 통해 가습을 행할 때, 공기가 흐르는 방향과 가습용 물이 흐르는 방향은 특별히 한정되지 않지만, 피가습 공기가 흐르는 방향과, 가습용 물 또는 수증기가 흐르는 방향이, 막을 사이에 두고 대향하는 것이 바람직하다. 양자가 반대 방향으로 흐름으로써, 가습을 효율적으로 행할 수 있다.

막가습에 있어서, 공기의 압력(공기압)과 가습용 물의 압력(수압)의 관계는 특별히 한정되지 않는다. 가습만을 행하는 경우, 가습용 물이, 가압된 공기 이상으로 높은 압력으로 가압되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 가습되는 측의 공기 압력과 동일하거나 그 이상의 압력을 유지하여 가습용 물을 흘리는 것이 바람직하다. 그에 따라, 가압된 공기를 가습하는 것이 용이해진다. 또한, 가습용 물의 압력을 가습되는 측의 압력 이상으로 함으로써, 가습되는 측의 공기가 수증기 투과막을 통해 빠져 나가는 것을 방지하여, 공기량 및 에너지의 손실을 억제할 수 있다. 질소 부화와 가습을 동시에 행하는 경우에는, 2차측의 압력은 1차측의 압력보다 낮게 하는 것이 바람직하다.

가습에 있어서, 가습용 물의 증발 잠열을 공급하는 것이 필요한데, 막의 2차측(가습용 물측)으로 흘리는 가습용 물의 현열을 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 가습 장치의 입구와 출구의 온도차와 가습용 물의 순환량으로 공급되는 증발 잠열에 알맞은 현열이 결정된다. 또한, 이 온도차와 순환량으로 공기의 습도 및 온도를 용이하게 제어할 수 있다. 흘리는 가습용 물의 온도는, 20℃ 이상 95℃ 이하인 것이 바람직하다. 이 온도 범위로 함으로써, 공기를 한층 더 효율적으로 가습할 수 있고, NOx의 저감에 한층 더 유효하다. 또한 공급되는 가압된 공기의 온도에 대해서는, -10℃~+50℃로 설정하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서는, 습도 50% RH 이상의 가습된 공기를 얻을 수 있다. 가습된 공기의 습도는, 80% RH 이상인 것이 보다 바람직하고, 90% RH 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 습도의 공기를 내연 기관의 운전에 이용한 경우, 내연 기관의 배기 중의 NOx의 함유량을 대폭 저감시킬 수 있다. 또한, 가습된 공기의 습도는, 결로되지 않는 정도인 것이 바람직하고, 습도는 100% RH 미만인 것이 바람직하고, 95% RH 이하인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 약간의 온도 변화로 결로되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시형태의 내연 기관의 운전 방법에서는, 가습된 공기 중에서의 물의 함유량이 1 mol% 이상인 것이 바람직하다. 가습된 공기 중의 수분자의 양이 많을수록, 내연 기관에서의 NOx 발생을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 보다 바람직하게는 3 mol% 이상이고, 더욱 바람직하게는 6 mol% 이상이고, 보다 더 바람직하게는 9 mol% 이상이고, 한층 더 바람직하게는 10 mol% 이상이다.

본 실시형태에서는, 가습용 물을 순환시켜 사용하는 것이 바람직하다. 순환시키는 양태로는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 수증기 투과막의 표면을 흐른 가습용 물을 가열 후, 다시 수증기 투과막의 표면을 따라 흘림으로써 가습용 물을 순환시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 절수할 수 있기 때문에 경제성의 관점에서도 바람직하다.

본 실시형태의 방법에서는, 질소 부화 및/또는 가습에 의해 공기 중의 산소를 저하시킨다. 공기 중의 산소를 저하시키는 방법으로는, 질소 부화만을 사용하는 경우, 가습만을 사용하는 경우, 양자를 사용하는 경우가 있다. 양자를 사용하는 경우에는, 질소 부화한 공기를 가습하는 방법, 가습한 공기를 질소 부화하는 방법, 및 질소 부화와 동시에 가습하는 방법을 들 수 있다. 질소 부화와 가습을 동시에 실시하는 경우에는, 기체 투과막과 수증기 투과막을 동일한 막으로 함으로써 가능해진다. 기체 투과막의 1차측으로 피처리 공기를 흘리고, 막의 2차측으로 가온한 가습용 물이나 물-공기 혼상류를 흘림으로써, 질소 부화와 가습을 동시에 할 수 있다.

질소 부화와 가습을 동시에 행하는 경우, 작업 공정이 적으며, 또한 간이한 장치 구조로 실시할 수 있다는 이점이 있다. 이때에 사용하는 기체 투과막은, 산소를 선택적으로 투과하며, 또한 수증기 투과 속도가 높고, 기체의 투과가 용해·확산에 의해 행해지는 막이 사용된다. 이러한 기체 투과막으로는, 상기한 저산소 농도 공기를 조정하는 제1 방법에서 예시한, 기체의 용해 확산에 의한 기체 분리 성능을 나타내는 비다공질막이 사용 가능하다.

질소 부화와 가습을 동시에 행하는 경우, 1차측(피가습측)의 압력과 2차측(기체 투과측)의 압력에 관해서는 특별히 한정되지 않지만, 2차측의 압력은 1차측의 압력 이하인 것이 바람직하다. 그에 따라, 산소가 투과하기 쉬워진다. 2차측의 압력은 대기압에 가깝거나 혹은 대기압 이하인 것이 바람직하다.

질소 부화와 가습을 동시에 행하는 경우, 1차측의 공기의 흐름과, 2차측의 공기나 가습용 물의 흐름은 대향하는 것이, 질소 부화·가습을 효율적으로 실시할 수 있는 점에서 바람직하다.

바람직한 습도의 범위에 관해서는, 가습 방법에 있어서 상기한 바와 같다.

그 밖에, 가습용 물 또는 수증기의 온도나 유량, 순환 등은, 가습하는 것에 의한 내연 기관의 운전 방법에 있어서 상기한 사항이 적합하다. 특히, 가습 및 질소 부화를 행할 때에도, 가습용 물 또는 수증기를 흘림으로써, 가압된 공기의 온도 및 습도를 용이하게 제어할 수 있다.

본 실시형태에서는, 가압된 공기가, 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 압축된 후, 과급기와 직렬로 배치된 압축기에 의해 더 압축된 공기인 것이 바람직하다. 과급기는, 특히 디젤 엔진에서 다용되는 배기 가스의 에너지를 회수 사용하는 장치이다. 터빈과 컴프레서가 직결되어, 배기의 에너지로 터빈을 회전시키고, 컴프레서에 의해 급기를 압축하는 형식과, 엔진의 축동력을 이용하여 컴프레서를 작동시켜 급기를 압축하는 방법 등이 대표적이다. 기체 투과막에서는, 그 2차측으로부터 산소 부화 공기가 계 밖으로 배출되는데, 이만큼 급기량이 감소하기 때문에, 배기량도 감소한다. 과급기의 터빈을 돌리는 배기의 양을 유지하기 위해, 과급기와 직렬로 배치된 압축기에 의해 공기의 압력과 양을 증가시키는 것이, 열기관의 연비를 악화시키지 않는 점에서 바람직하다. 이 경우, 상기 압축기는 부스터의 역할을 담당한다. 상기 압축기의 동력으로는, 전기, 내연 기관의 배기, 내연 기관의 축동력을 사용할 수 있다. 전기의 경우는, 전동 모터의 사용을 예시할 수 있고, 내연 기관의 배기의 경우는, 과급기의 사용을 예시할 수 있고, 내연 기관의 축동력의 경우는, 기계적 방법을 예시할 수 있다.

과급기의 터빈을 돌리는 배기의 양을 유지하기 위한 다른 방법으로서, 가압된 공기가, 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 압축된 공기에, 과급기와 병렬로 배치된 압축기에 의해 압축된 공기를 더한 공기인 것도 열기관의 연비를 악화시키지 않는 점에서 바람직하다.

또 다른 방법으로서, 공기 가압 공정에서, 상기 공기는, 내연 기관에 부속되는 과급기의 축에 동력을 공급하는 기구를 갖는 과급기에 의해 압축된 공기인 것도 바람직하다. 이 기구로는, 과급기의 축에 전동 모터를 접속하여 동력을 공급하는 방법, 과급기의 축에 유압에 의해 상기 내연 기관의 축동력의 일부를 공급하는 방법, 과급기의 축에 기계적으로 상기 내연 기관의 축동력의 일부를 공급하는 방법 등을 예시할 수 있다. 이 방법에 의해 배기량이 부족한 경우에도 과급기의 압축 능력을 향상시키는 것이 가능하다.

본 실시형태에 있어서, 공기가 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 압축된 후, 과급기와 직렬로 배치된 압축기에 의해 더 압축되고, 이 2단계로 압축된 공기를 기체 투과막의 한쪽의 면에 접촉시켜 공기로부터 산소를 소정량 제거하여 얻어지는 저산소 농도 공기(질소 부화 공기)를 내연 기관에 도입함으로써도 질소 산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있다. 2단째의 압축기는 부스터로서의 역할을 담당하여, 질소 부화 공정에서 계 밖으로 배출된 산소 부화 공기의 양을 어느 정도 보상할 수 있기 때문에, 연비의 악화를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 공기를 내연 기관에 부속되는 과급기에 의해 압축하고, 상기 공기에 과급기와 병렬로 배치된 압축기에 의해 압축된 공기를 더한 공기를 기체 투과막의 한쪽의 면에 접촉시켜, 이 공기로부터 산소를 소정량 제거하여 얻어지는 저산소 농도 공기(질소 부화 공기)를 내연 기관에 도입함으로써도 질소 산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 기체 투과막에 의해 산소가 소정량 제거된 저산소 농도 공기를 과급기의 흡입측에 공급하도록 해도 좋다. 이 경우, 기체 투과막에 의해 저산소 농도로 되는 공기측(1차측)의 출구(질소 부화 공기 출구)를 과급기의 흡입측에 접속한다. 1차측의 입구(기체 투과막에의 급기측)는 대기 해방(대기압)이어도 좋고, 또한 압축기 등의 승압 수단을 구비하여도 좋다. 이 경우, 승압 수단의 배치는, 막모듈(산소 농도 저감 모듈)의 상류측이 된다.

기체 투과막을 과급기의 흡입측, 토출측 중의 어느 측에 설치한 경우라도, 기체 투과막으로서 질소 부화막을 이용하는 경우, 질소 부화막의 2차측은, 1차측보다 산소 분압이 낮아지도록 한다. 구체적으로는, 2차측의 전압이 1차측보다 저압이 되도록, 진공 펌프, 흡인 블로워 등의 감압 수단에 의해 감압해도 좋다. 또는, 공기나 저산소 농도의 혼합 기체를 2차측으로 흘려 스윕하는 방법이어도 좋다.

가습막을 이용하는 경우에는, 단독으로 이용해도 좋고, 질소 부화막과 병용해도 좋다. 질소 부화막과 병용하는 경우에는, 질소 부화막의 하류에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 다른 본 실시형태의 내연 기관의 질소 산화물의 삭감 방법은, 내연 기관의 배기 가스 중의 질소 산화물의 삭감 방법으로서, 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막의 한쪽의 면에 접촉시키고, 물을 상기 수증기 투과막의 다른 한쪽의 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 가습함으로써, 내연 기관에서의 연소시에 발생하는 질소 산화물을 삭감할 수 있다.

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

(1) 연소에 이용되는 공기 중에 수증기가 포함됨으로써, 공기의 산소 농도가 저하되어, 연소 반응을 억제함으로써, 연소 온도를 낮출 수 있다. 그 때문에, NOx가 생성되는 부반응을 억제할 수 있다.

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

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

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

본 실시형태에서는, 대기압 이하의 공기를 이용한다. 대기압 이하의 공기는, 후술하는 수증기 투과막의 한쪽의 면에 접촉시킨다. 이때, 수증기 투과막의 반대측의 면에서 통수되고 있는 물이 수증기 투과막으로부터 침투함으로써, 공기가 가습된다. 본 실시형태에서는, 대기압 이하의 공기를 수증기 투과막의 면을 따라 흘리면서, 물을 수증기 투과막의 다른 한쪽의 면을 따라 흘림으로써, 막의 수증기 투과 성능을 높게 유지하면서 공기를 효율적으로 충분히 가습할 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 가습하고자 하는 공기를 가압할 필요가 없고, 가습 공정 전에 과급기 등의 공기 가압 장치를 설치할 필요도 없다. 본 실시형태의 방법은, 간편한 방법이면서, NOx의 발생을 충분히 저감시킬 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 방지하기 위해서이다. 본 실시형태에서는, 공기가 가압되어 있지 않고 대기압 이하이기 때문에, 물(수증기)을 보다 저압으로 흘려 가습할 수 있다. 액체의 물의 경우, 흘리는 물의 압력을 낮게 억제할 수 있고, 가압에 드는 에너지나 비용을 억제할 수 있다. 또한, 가습용 물은 수증기여도 좋다.

또한, 본 실시형태에서는, 대기압 이하의 공기를 가습하여, 내연 기관에 도입하는 방법이기 때문에, 공기를 가압하지 않는 자연 흡기 엔진이나, 저부하에서 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, 이들의 구조를 간소하게 할 수 있다. 또한, 통상, 엔진의 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 확대된다는 이점도 있다.

공기의 압력은 대기압 이하이면 되지만, 급기에 요하는 에너지 손실을 적게 하는 관점에서, 바람직하게는 -50 ㎪G 이상, 대기압(0 ㎪G) 이하, 보다 바람직하게는 -20 ㎪G 이상, 대기압 이하, 더욱 바람직하게는 -10 ㎪G 이상, 대기압 이하이다.

사용하는 공기 중의 성분이나 그 농도에 관해서는, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 산소, 질소, 탄산 가스, 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 결로되는 것을 방지하는 관점에서, 가습된 공기의 습도는 100% RH 미만이 바람직하고, 95% RH 이하가 보다 바람직하다. 본 실시형태의 질소 산화물의 삭감 방법에서는, 흘리는 물의 온도와 유량을 제어함으로써, 수증기 투과막을 통해 가습하는 공기의 습도를 고정밀도로 제어할 수 있다.

산소 농도 저감 공정 혹은 탄화수소계 연료와 물을 연소실에 분사하는 공정을 단독으로 이용한 경우에는, NOx 저감과 동시에, 연비를 상승(악화)시키는 것과 같은 경우에도, 본 발명과 같이 산소 농도 저감 공정과 탄화수소계 연료와 물을 연소실에 분사하는 공정과 더불어 이용함으로써, 연비의 상승(악화) 없이, NOx 저감이 가능하다.

이하, 본 실시형태의 막모듈(산소 농도 저감 모듈), 내연 기관의 공기 공급 장치에 관해 설명한다.

본 실시형태의 막모듈은, 기체 투과막과, 상기 기체 투과막을 수납하는 케이스를 갖는 막모듈로서, 상기 케이스 내에는, 상기 기체 투과막으로 구획된 제1 공간과 제2 공간이 형성되고, 상기 케이스는, 상기 제1 공간에 공기를 공급하는 공기 공급구와, 상기 제1 공간으로부터 상기 공기를 배출하는 공기 배출구와, 상기 제2 공간에 공기 및/또는 가습용 물을 공급하는 공기/가습용 물 공급구와, 상기 제2 공간으로부터 상기 공기 및/또는 가습용 물을 배출하는 공기/가습용 물 배출구를 구비한다. 상기 가습용 물에는 수증기도 포함한다.

본 실시형태의 막모듈은, 기체 투과막을 삽입하고, 모듈화한 것이다. 막모듈의 제1 공간은, 공기를 공급하는 개구부인 공기 공급구와, 기체 투과막에 의해 저산소화된 공기를 추출하는 개구부인 공기 배출구를 갖는다. 이 제1 공간은 상기한 공기가 흐르는 공간이다. 막모듈의 제2 공간은, 공기 및/또는 가습용 물을 흘리기 위한 개구부인 공기/가습용 물 공급구와 공기/가습용 물 배출구를 구비한다. 이 제2 공간은 상기 공기 및/또는 가습용 물이 흐르는 공간이다. 상기한 각 개구부의 수는, 특별히 한정되지 않고, 막모듈의 사용 형태 등을 고려하여 적합한 수만큼 형성할 수 있다. 상기 가습용 물에는 수증기도 포함한다.

막모듈의 형태로는, 특별히 한정되지 않고, 중공사형 막모듈 또는 평막형 막모듈 등을 예시할 수 있다. 예컨대, 평막을 이용한 플레이트·앤드·프레임형, 플리츠형, 혹은 중공사형, 튜블러형 등의 막모듈을 들 수 있다. 플리츠형에는, 상자형에 플리츠를 겹친 형상의 것과, 플리츠를 원통에 둘러 감은 형상의 것 등을 들 수 있다. 또한, 막모듈로는, 복수의 막모듈을 연결하여 사용해도 좋다.

도 1은, 본 실시형태의 막모듈의 일 실시형태의 사시도이다. 막모듈(α)은, 상자형에 플리츠를 겹친 형상의 막모듈이다. 기체 투과막(α1)은, 주름상자형으로 연속하여 개켜져, 산 부분과 곡 부분이 중첩되어 형성된 복수의 주름부(플리츠)를 갖고 있다. 플리츠 가공에 의해, 특정한 피치로 산·곡을 반복하는 구조로 되어 있어, 접촉 면적을 향상시킬 수 있기 때문에 효율이 좋다. 여기서는 일례로서 기체 투과막(α1)을 이용하는 경우에 관해 설명했지만, α1로서 수증기 투과막, 질소 부화와 수증기 투과의 양자의 성질을 갖는 질소 부화·수증기 투과막을 이용해도 좋다.

도 2는, 본 실시형태의 막모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다. 막모듈(β)은, 플리츠를 원통에 둘러 감은 형상의 막모듈이다. 여기서는 일례로서 기체 투과막(β1)을 이용하는 경우에 관해 설명했지만, β1로서, 수증기 투과막, 질소 부화와 수증기 투과의 양자의 성질을 갖는 질소 부화·수증기 투과막을 이용해도 좋다.

도 3은, 본 실시형태의 막모듈의 다른 일 실시형태의 사시도이다. 막모듈(γ)은, 플리츠를 원통에 둘러 감고, 원통의 중심축에 대하여 측면에서 본 상태에서, 반시계 방향으로 플리츠를 기울인(비튼) 형상(스파이럴 형상)의 막모듈이다. 여기서는 일례로서 기체 투과막(γ1)을 이용하는 경우에 관해 설명했지만, γ1로서, 수증기 투과막, 질소 부화와 수증기 투과의 양자의 성질을 갖는 질소 부화·수증기 투과막을 이용해도 좋다.

상기 막모듈 중에서도, 단위 용적당 막면적(비표면적)이 크다는 관점에서 중공사형 막모듈이나, 압력 손실이 작은 플리츠형이 바람직하다. 중공사형 막모듈은, 중공사의 외면측으로부터 여과하는 외압식이어도 좋고, 중공사의 내면측으로부터 여과하는 내압식이어도 좋지만, 공급 공기를 중공사 내면에 공급하는 내압식이 보다 바람직하다.

도 4는, 본 실시형태의 내연 기관의 운전 방법에서 이용하는 중공사형 막모듈의 일 실시형태의 개념도이다. 막모듈(1)은, 기체 투과막(11)과, 기체 투과막(11)을 수용하는 케이스(12)를 구비한다. 막모듈(1)은, 통형상의 중공사형 막모듈이고, 그 내부에 중공사막인 기체 투과막(11)이 삽입되어 있다. 케이스(12)는, 공기 공급구(121)와, 공기 배출구(122)와, 공기 및/또는 가습용 물 공급구(123)와, 공기 및/또는 가습용 물 배출구(124)를 구비한다. 케이스(12) 내에서는, 기체 투과막(11)에 의해 구획된, 제1 공간(a1)과, 제2 공간(b1)이 형성되어 있다. 중공사형 막모듈의 경우, 막[기체 투과막(11)]의 내경측(내측)에 제1 공간(a1)이 형성되고, 외경측(외측)에 제2 공간(b1)이 형성되어 있다. 제1 공간(a1)은 처리되는 공기가 흐르는 공기 영역이고, 제2 공간(b1)은 공기 및/또는 가습용 물이 흐르는 영역이다. 상기 가습용 물에는 수증기도 포함된다. 중공사에는, 수증기 투과막, 질소 부화와 수증기 투과의 양자의 성질을 갖는 질소 부화·수증기 투과막을 이용해도 좋다.

공기는, 공기 공급구(121)로부터 기체 투과막(11)으로 보내지고(화살표 F1 참조), 저산소화된 공기는, 공기 배출구(122)로부터 배출된다(화살표 F2 참조). 산소 부화 공기는 배출구(124)로부터 배출된다. 이 경우, 공급구(123)를 산소 부화 공기 배출구로서 사용하는 것도 가능하다. 제2 공간(b1)을 소기하기 위해서는 공기 공급구(123)로부터 공기가 도입된다. 공기를 가습하는 경우, 가습용 물은, 가습용 물 공급구(123)로부터 제2 공간(b1)으로 공급되고(화살표 F3 참조), 가습용 물 배출구(124)로부터 케이스 밖으로 배출된다(화살표 F4 참조). 공기와 가습용 물의 양자를 동시에 공급구(123)로부터 도입하는 것도 가능하다. 도 4에서는, 제1 공간(a1) 내의 흐름과 제2 공간(b1) 내의 흐름은 대향하고 있는 상태이다. 막모듈(1)은, 공기 공급구(121), 공기 배출구(122), 공기 및/또는 가습용 물 공급구(123) 및 공기 및/또는 가습용 물 배출구(124)를 각각 1개씩 갖는 형태이지만, 본 실시형태에서는 필요에 따라 이들의 수를 2 이상으로 할 수도 있다. 예컨대, 공기의 유속이나, 공기의 가습(및 질소 부화)의 효율의 관점에서, 공기 공급구(121), 공기 배출구(122), 공기 및/또는 가습용 물 공급구(123) 및 가습용 물 배출구(124)의 각각을 2 이상으로 할 수도 있다. 상기 가습용 물에는 수증기도 포함된다. 도 4는 개념적으로 중공사 1개가 기재되어 있지만, 통상 중공사는 다수개 묶어 사용된다.

도 5는 본 실시형태의 내연 기관의 운전 방법에서 이용하는 평막형 모듈의 일 실시형태의 개념도이다. 여기서는, 도 4에서 설명한 사항과 공통되는 사항에 관해서는 설명을 생략하고, 도 4와 상이한 점을 중심으로 설명한다. 막모듈(2)은 기체 투과막(21)과, 기체 투과막(21)을 수용하는 케이스(22)를 구비한다. 막모듈(2)은 상자형 막모듈이고, 그 내부에 평막인 기체 투과막(21)이 삽입되어 있다. 케이스(22)는 공기 공급구(221)와, 공기 배출구(222)와, 공기 및/또는 가습용 물 공급구(223)와, 공기 및/또는 가습용 물 배출구(224)를 구비한다. 공급구(223)는 산소 부화 공기 배출구로서 사용하는 것도 가능하다. 케이스(22) 내에서는, 기체 투과막(21)에 의해 구획된, 제1 공간(a2)과, 제2 공간(b2)이 형성되어 있다. 상자형 막모듈의 경우, 평막[기체 투과막(21)]의 한쪽의 표면측(도 5에서는 상측)에 제1 공간(a2)이 형성되고, 평막의 다른쪽의 표면측(도 5에서는 하측)에 제2 공간(b2)이 형성되어 있다. 제1 공간(a2)은 처리되는 공기가 흐르는 공기 영역이고, 제2 공간(b2)은 공기 및/또는 가습용 물이 흐르는 가습용 물 영역이다. 평막에는 수증기 투과막, 질소 부화와 수증기 투과의 양자의 성질을 갖는 질소 부화·수증기 투과막을 이용해도 좋다.

공기는, 공기 공급구(221)로부터 기체 투과막(21)으로 보내지고(화살표 F1 참조), 저산소화된 공기는, 공기 배출구(222)로부터 배출된다(화살표 F2 참조). 산소 부화 공기는 배출구(224)로부터 배출된다. 이 경우, 공급구(223)를 산소 부화 공기 배출구로서 사용하는 것도 가능하다. 제2 공간(b2)을 소기하기 위해서는 공기 공급구(223)로부터 공기가 도입된다. 공기를 가습하는 경우, 가습용 물은, 가습용 물 공급구(223)로부터 제2 공간(b2)으로 공급되고(화살표 F3 참조), 가습용 물 배출구(224)로부터 케이스 밖으로 배출된다(화살표 F4 참조). 공기와 가습용 물의 양자를 동시에 공급구(223)로부터 도입하는 것도 가능하다. 도 5에서는, 제1 공간(a2) 내의 흐름과 제2 공간(b2) 내의 흐름은 대향하고 있는 상태이다.

본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치는, 상기한 막모듈과, 상기 막모듈의 상기 공기 공급구에, 공기를 공급하는 급기부와, 상기 막모듈의 상기 공기 및/또는 가습용 물 공급구를 구비하고, 상기 공기 공급구에는 압축기가 접속된다. 상기 막모듈의 상기 공기 배출구로부터 배출되는 저산소 농도 공기는 내연 기관의 연소실에 공급된다. 본 실시형태에서는, 상기한 막모듈에 의해 처리(질소 부화·가습)된 공기를 내연 기관의 연소실에 공급한다. 내연 기관에는, 탄화수소계 연료와 물로 이루어지는 에멀션 연료가 공급되고, 본 실시형태의 저산소 농도 공기 공급 장치와 병용함으로써, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 중의 NOx의 함유량을 대폭 저감시킬 수 있다. 가습용 물에는 수증기도 포함된다.

본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이 가습용 물은 염화나트륨 등의 염이나 그 밖의 불순물을 함유하는 것이라도 사용할 수 있다. 이 관점에서, 예컨대 해수 등을 용이하게 입수할 수 있는 선박 등의 디젤 엔진에도 이용할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 공기 공급구에 접속되는 공기 압축기는, 질소 부화 공정에서 계 밖으로 배출되는 산소 부화 공기에 의해, 저산소 농도 공기 압력의 저하된 양과 압력을 보충할 목적으로 사용된다. 이 공기 압축기의 동력으로는, 전기, 엔진의 축동력, 배기 등의 에너지를 사용할 수 있다. 또한 이 공기 압축기는 공기 압축의 능력이 적절히 선택되고, 저압의 블로워로부터 고압의 컴프레서까지 폭넓게 선택이 가능하다. 공기 압축기의 공기 흡입구는, 내연 기관의 과급기의 공기 토출구에 접속되는 경우와, 대기에 개방되어 있는 경우의 2가지 형태가 있다. 어느 형태라도, 질소 부화 공정에 의한 저산소 농도 공기 압력의 저하를 보충할 수 있기 때문에, 종래부터 사용되고 있는 내연 기관의 과급기를 사용할 수 있다. 공기 압축기가 있는 경우의 공기량의 증가량은, 공기 압축기가 없는 경우에 비해 30% 이하인 것이 바람직하다. 바람직하게는 20% 이하이고, 보다 바람직하게는 10% 이하이다. 다만, 경우에 따라서는 공기 압축기를 이용하지 않아도 좋다.

전자의 경우에는, 과급기와 공기 압축기가 직렬 접속되어 있는 상태이다. 후자의 방법에서는, 과급기의 토출구와 공기 압축기의 토출구는 질소 부화 공정에 동시에 접속되기 때문에, 과급기와 공기 압축기는 병렬 접속되어 있는 상태이다. 직렬 접속의 경우에는, 과급기로 압축된 공기는 일단 인터쿨러로 냉각시키고 나서 공기 압축기에 도입하는 것이 바람직하다. 공기 압축기로 압축된 공기는, 필요에 따라, 인터쿨러로 냉각되고 나서 질소 부화 공정에 도입된다. 병렬 접속의 경우에는, 과급기로부터의 압축 공기와 공기 압축기로부터의 압축 공기는 합류하여 질소 부화 공정에 도입된다. 과급기 및 공기 압축기로부터 토출하는 압축 공기는 필요에 따라 인터쿨러로 냉각된 후에 질소 부화 공정에 도입된다.

상기 내연 기관의 과급기로는, 터보 차저, 슈퍼 차저, 리숄름·컴프레서, 프레셔 웨이브·슈퍼 차저 등을 예시할 수 있다.

본 실시형태에서는, 공기를 가습하는 경우에는, 급수부에 의해, 막모듈의 가습용 물 공급구에 가습용 물을 공급한다. 급수부는, 막모듈의 가습용 물 공급구에 가습용 물을 공급할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않고, 공지된 것을 이용할 수 있다. 예컨대, 막모듈의 가습용 물 공급구에 수조로부터 가습용 물을 공급하는 방법을 들 수 있다. 또한, 가습용 물을 가압함으로써 가습용 물 공급구에 가습용 물을 공급하는 것도 가능하고, 예컨대 가습용 물을 가압하여, 가습용 물 공급구에 도입하는 방법으로는, 가습용 물 공급구의 앞에, 또는 가습용 물 배출구의 뒤에 가압 펌프를 설치하여, 가습용 물 또는 수증기를 도입하는 방법 등을 들 수 있다. 또한, 상기한 막모듈의 제2 공간(공기 영역)을 감압함으로써, 가습용 물을 가습용 물 공급구로부터 제2 공간에 도입하는 것이 바람직하다. 그 구체예로는, 가습용 물 배출구의 뒤에 자급식 펌프나 이젝터를 설치하여 제2 공간에 가습용 물을 도입하는 방법 등을 들 수 있다.

본 실시형태에서는, 막모듈의 제2 공간을 공기로 소기하는 것은, 막모듈의 질소 부화 능력을 향상시키기 위해 바람직한 방법이다. 상기 제2 공간을 공기와 가습용 물의 혼상으로서 도입하는 것도 가능하다. 이 방법에 의해, 질소 부화와 가습을 동일한 막으로 동시에 실시할 수 있다.

또한, 급수부는, 막모듈의 가습용 물 배출구로부터 배출되는 가습용 물을, 다시 막모듈의 가습용 물 공급구에 공급하는 송액부를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 막모듈에 공급하는 가습용 물을 순환시킬 수 있어, 절수할 수 있기 때문에, 바람직하다. 예컨대, 막모듈에 있어서, 제2 공간의 적어도 2개의 개구부가 수조에 접속되고, 그 개구부 중의 1개가 가습용 물 공급 장치를 경유함으로써, 가습용 물 또는 수증기를 순환시킬 수 있다. 개구부가 2개인 경우, 1개의 개구부가 가습용 물 공급 펌프를 거쳐 수조에 접속되고, 다른 1개의 개구부가 수조에 직접 접속되는 구성을 들 수 있다. 개구부가 복수개인 경우, 복수개의 개구부가 가습용 물 공급 펌프를 거쳐 수조에 접속되고, 그 이외의 복수개의 개구부가 수조에 접속되는 구성을 들 수 있다. 이 구성에 의해, 수조로부터 가습용 물 공급 장치를 경유하여, 막모듈에 가습용 물 또는 수증기가 공급되고, 또한 가습용 물 배출구로부터 배출되어, 수조로 되돌아가는 경로를 확보할 수 있기 때문에, 가습용 물 또는 수증기가 순환할 수 있다. 수증기일 때에는, 배기를 캐리어로 해도 좋고, 내연 기관으로부터 배출되는 배기를 수증기가 통과하는 경로에 연결해도 좋다.

본 실시형태에서는, 가습용 물의 온도를 제어하는 온도 제어부, 가습용 물의 유량을 제어하는 유량 제어부, 혹은 양자 모두를 더 구비하는 것이 바람직하다. 수조 또는 가습용 물 공급 장치에 접속되는 가습용 물의 온도 제어부 또는 가습용 물의 유량 제어부에 의해, 가습용 물의 온도나 유량을 적합한 조건으로 제어할 수 있다. 장치 구성 등은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 수온 모니터에 의해 측정된 수온에 기초하여 가습용 물을 가열 또는 냉각하는 가습용 물 온도 제어부와, 유량 모니터에 의해 측정된 유량에 기초하여 가습용 물의 유량을 조절하는 유량 제어부를 구비하는 구성 등을 들 수 있다. 수온 모니터와 유량 모니터를 이용하여, 가습용 물을 실시간으로 모니터링함으로써, 흘리는 가습용 물의 수온 및 유량을 자동 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 가습용 물을 가열할 때에, 내연 기관의 배열을 이용하는 것이 바람직하다. 배열은, 내연 기관으로부터 배출되는 배기나 엔진 오일로부터 얻을 수 있다.

본 실시형태의 공기 공급 장치는, 열교환기를 갖고 있는 것이 바람직하다. 공기 가압 장치로부터 보내지는 공기와, 막모듈로부터 배출되는 가습용 물이 열교환함으로써, 온도 조정을 할 수 있어, 폐열을 유효하게 이용할 수 있는 점에서 바람직하다.

본 실시형태의 장치에서는, 전처리로서, 가압된 공기로부터 먼지를 제거하기 위해 프리필터를, 막모듈의 앞에 설치해도 좋다.

이하, 도면를 이용하여, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치에 관해 설명한다.

도 6은, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(3)는, 막모듈(9)을 갖고 있다. 막모듈(9)은 중공사 막모듈 혹은 평막 모듈이 사용된다. 막모듈(9)은, 공기 압축기(36)로 압축된 공기가, 화살표 F5로부터 공기 공급구(도 4의 121, 도 5의 221 참조)로 보내지고, 공기 배출구(도 4의 122, 도 5의 222 참조)로부터 화살표 F25로 배출된다. 막모듈(9)의 2차측으로부터 화살표 F8로 배출되는 산소 부화 공기에 의해 화살표 F25의 압력과 유량은 저하된다. 공기 압축기(36)는, 화살표 F25의 압력과 유량을 증대시키기 위해 사용된다. 공기 압축기(36)로부터 유출하는 압축 공기는 필요에 따라 인터쿨러(51)로 냉각된다.

막모듈(9)의 공기 배출구(도 4의 122, 도 5의 222 참조)에는, 온도계(31), 압력계(32), 유량계(33), 습도계(34) 및 산소 농도계(35)가 접속되어 있다. 공기 공급 블로워(37)와, 막모듈(9) 사이에 유량계(38)와, 압력계(39)가 설치되어 있다. 화살표 F9로부터 도입된 공기는, 과급기(40)에 의해 압축되고, 공기 압축기(36)에 도입된다. 이 경우, 공기는, 내연 기관에 부속되는 과급기(40)에 의해 압축된 후, 과급기(40)와 직렬로 배치된 공기 압축기(36)에 의해 더 압축되게 된다.

F16으로부터 공기를 도입하면, 막모듈(9)의 2차측의 막 근방에 모인 산소 농도가 높은 공기를 몰아낼(소기할) 수 있기 때문에, 막모듈의 분리 성능이 향상된다. 이 경우, 막모듈(9)의 1차측의 흐름과 2차측의 흐름 방향은 대향하고 있는 것이 바람직하다. 화살표 F16으로부터 공기를 도입하지 않더라도 사용은 가능하다. 이 경우, 산소 부화 공기는 F8로부터 배출하는 것이 가능하지만, 화살표 F7과 역방향의 흐름으로 배출시키는 것도 가능하다. 38은 이 소기의 유량계이고, 39는 소기의 압력계이며, 소기량의 조정은 밸브(V1과 V2)로 제어된다.

화살표 F13으로 나타내는 연료는 화살표 F14로 나타내는 가습용 물과, 필요에 따라 화살표 F15로 나타내는 유화제와, 42의 에멀션 제조 장치에 의해 에멀션 연료를 조정하고 나서 디젤 엔진(41)에 도입된다. 디젤 엔진의 배기 가스 F11은 과급기(40)의 터빈을 돌려 압축기의 에너지가 되고, 화살표 F12로 배출된다. 과급기(40)로부터 유출하는 압축 공기는 필요에 따라 인터쿨러(50)로 냉각된다. 본 실시형태의 공기 공급 장치의 구성은, 상기한 구성을 포함하는 것이면 되고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다.

도 7은, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 다른 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(4)는, 막모듈(10)을 갖고 있다. 막모듈은 중공사 막모듈 혹은 평막 모듈이 사용된다. 막모듈(10)의 막은, 기체 분리막, 수증기 투과막이 사용된다. 기체 분리막을 사용한 경우에는, 질소 부화와 가습을 동시에 실시하는 것이 가능하다. 도 6과 장치 기호 및 화살표 기호가 동일한 것은 도 6의 설명과 동일하다. 온수 배스(46)의 가습용 물은 펌프(47)에 의해 막모듈(10)로 보내진다. 펌프(47)의 하류에는, 밸브(V4), 온도계(43), 유량계(44), 압력계(45)가 설치되어 있고, 막모듈(10)의 가습용 물 공급구(도 4의 123, 도 5의 223 참조)에는, 화살표 F18로부터 막모듈(10)에 가습용 물이 보내진다. 막모듈(10)의 가습용 물 공급구(도 4, 5 참조)의 상류에는, 온도계(43)와, 압력계(45)가 접속되어 있다. 가습용 물은 막모듈(10)의 2차측을 통과하여 일부가 증발하고 막모듈(10)의 1차측으로 이행하며 나머지 가습용 물은 온수 배스(46)로 되돌아간다. 막모듈(10)에서 증발한 만큼의 가습용 물은 화살표 F21로 공급된다. 가습용 물의 순환에 따라, 온수 배스(46)에는 가습용 물에 포함되는 불순물이 축적되기 때문에, 필요에 따라 화살표 F22로 가습용 물의 일부가 폐기된다. 막모듈(10)에서 질소 부화와 가습을 동시에 실시하는 것도 가능하다. 막모듈(10)의 2차측을 공기와 가습용 물의 혼상류로 하는 것도 가능하다. 이 경우 화살표 F17로 공기가 도입되고, 밸브(V4)의 상부에서 가습용 물과 공기가 혼합된다. 막모듈(10)로부터 되돌아간 공기는, 화살표 F20으로 계 밖으로 폐기된다.

막모듈(10)의 제1 공간(1차측)과 제2 공간(2차측)의 흐름은 대향하고 있는 것이 바람직하다.

내연 기관의 부하에 따라 흡기의 최적의 산소 농도와 습도를 제어하기 위해, 순환 가습용 물의 압력 및 유량을 밸브(V3 및 V4)로 제어할 수 있다. 혹은 펌프(47)를 인버터로 제어할 수도 있다. 순환 가습용 물의 온도는, 온수 배스(46)에서 제어할 수 있다.

다음으로, 공기를 질소 부화한 후에 가습하여 더욱 저산소화하기 위한 장치를 설명한다. 상기한 바와 같이, 질소 부화 및 가습된 저산소 농도 공기를 얻기 위해서는, 질소 부화와 가습을 별도 공정으로 행하는 경우와, 질소 부화와 가습을 하나의 공정으로 행하는 경우를 들 수 있다. 본 실시형태의 공기 공급 장치의 구성은, 상기한 구성을 포함하는 것이면 되고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다.

도 8은, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(5)는, 공기를 질소 부화하는 것을 주로 행하는 제1 막모듈(9)과, 공기를 가습하는 것을 주로 행하는 제2 막모듈(10)을 구비한다. 막모듈(9)에서는 기체 투과막이 사용되고, 막모듈(10)에서는, 기체 투과막, 수증기 투과막이 사용된다. 막모듈은 중공사 막모듈 혹은 평막 모듈이 사용된다. 도 6, 도 7과 장치 기호 및 화살표 기호가 동일한 것은 도 6, 도 7의 설명과 동일하다. 막모듈(9)에서 질소 부화된 공기는 막모듈(10)에서 가습되어 더욱 공기가 저산소화되어, 디젤 엔진(41)에 도입된다. 막모듈(9)로부터 유출하는 질소 부화 공기는 필요에 따라 열교환기(52)에 의해 가열되어 막모듈(10)에 도입된다. 본 실시형태의 공기 공급 장치의 구성은, 상기한 구성을 포함하는 것이면 되고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다. V5, V6은 막모듈(10)을 바이패스하는 밸브이다.

도 9는, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(6)는, 막모듈(9)을 갖고 있다. 막모듈(9)은 중공사 막모듈 혹은 평막 모듈이 사용된다. 도 6과 장치 기호 및 화살표 기호가 동일한 것은 도 6의 설명과 동일하다. 공기 압축기(49)로 압축된 공기 F23은, 과급기(40)로 압축된 공기 F24에 합류하여 막모듈(9)에 도입된다. 막모듈(9)의 2차측으로부터 화살표 F8로 배출되는 산소 부화 공기에 의해 화살표 F25의 압력과 유량은 저하된다. 공기 압축기(49)는, 화살표 F25의 압력과 유량을 증대시키기 위해 사용된다. 본 실시형태의 공기 공급 장치의 구성은, 상기한 구성을 포함하는 것이면 되고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다.

도 10은, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(7)는, 막모듈(10)을 갖고 있다. 막모듈(10)은 중공사 막모듈 혹은 평막 모듈이 사용된다. 도 7과 장치 기호 및 화살표 기호가 동일한 것은 도 7의 설명과 동일하다. 공기 압축기(49)로 압축된 공기 F23은, 과급기(40)로 압축된 공기 F24에 합류하여 막모듈(10)에 도입된다. 막모듈(10)의 2차측으로부터 화살표 F19로 배출되는 산소 부화 공기에 의해 화살표 F25의 압력과 유량은 저하된다. 공기 압축기(49)는, 화살표 F25의 압력과 유량을 증대시키기 위해 사용된다. 본 실시형태의 공기 공급 장치의 구성은, 상기한 구성을 포함하는 것이면 되고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다. 이 경우, 내연 기관에 부속되는 과급기(40)에 의해 압축된 공기에, 과급기(40)와 병렬로 배치된 공기 압축기(49)에 의해 압축된 공기를 더한 공기가 막모듈(10)에 공급된다.

도 11은, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(8)는, 공기를 질소 부화하는 것을 주로 행하는 제1 막모듈(9)과, 공기를 가습하는 것을 주로 행하는 제2 막모듈(10)을 구비한다. 막모듈은 중공사 막모듈 혹은 평막 모듈이 사용된다. 도 8과 장치 기호 및 화살표 기호가 동일한 것은 도 8의 설명과 동일하다. 막모듈(9)에서 질소 부화된 공기는 막모듈(10)에서 가습되어 더욱 공기가 저산소화되어, 디젤 엔진(41)에 도입된다. 본 실시형태의 공기 공급 장치의 구성은, 상기한 구성을 포함하는 것이면 되고, 내연 기관의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 설계할 수 있다.

도 12는, 본 실시형태의 내연 기관의 공기 공급 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 공기 공급 장치(8')는, 막모듈(9)로부터 배출되는 산소 부화 공기량을 보충하기 위해, 공기 압축기(36) 및 공기 압축기(49) 양자 모두를 사용한 예이다.

내연 기관의 운전에 있어서 사용하는 급기로는, 급기 밸런스가 높은 쪽이 바람직하다. 여기서, 급기 밸런스란, 가습 또는 질소 부화를 행하는 것에 의한 공기의 유량(m³/분)의 증감을 말하며, 하기의 식으로 구해진다.

급기 밸런스(%)=(가습 및/또는 질소 부화된 공기의 유량-공급된 공기의 유량)/공급된 공기의 유량

즉, 가습 및/또는 질소 부화를 행함으로써, 공기의 유량이 증가하면, 급기 밸런스는 양의 값을 나타낸다. 구체적으로는, 본 실시형태에 있어서, -40% 이상이 바람직하다. 보다 바람직하게는 -15% 이상, 더욱 바람직하게는 -10% 이상, 보다 더 바람직하게는 0% 이상, 한층 더 바람직하게는 10% 이상, 보다 더 바람직하게는 15% 이상이다. 가습 및/또는 질소 부화된 공기의 급기 밸런스를 상기 범위로 함으로써, 에너지 효율도 한층 더 향상시킬 수 있다.

실시예

이하의 실시예에 의해 본 실시형태를 더욱 상세히 설명하지만, 본 실시형태는 이하의 실시예에 의해 전혀 한정되지 않는다.

[실시예 1~37, 비교예 1~32]

도 8, 도 11, 도 12에 도시한 바와 같이 각 장치를 접속했다. 어느 장치에 접속했는지는 표에 기재했다. 또한, 도면 중의 각 구성 장치의 사용 유무를 표 중에서 ○(접속 있음), ×(접속 없음)로 나타냈다. 또한, 본 실시예에 있어서, 압력은 특별히 언급하지 않는 한, 게이지압으로 나타낸다.

즉, 도 8에서는, 공기 공급 장치(5)는, 공기를 질소 부화하는 것을 주로 행하는 제1 막모듈(9)과, 공기를 가습하는 것을 주로 행하는 제2 막모듈(10)을 구비한다. 제1 막모듈(9)에서 질소 부화된 공기는 제2 막모듈(10)에서 가습되어, 더욱 공기가 저산소화되어, 디젤 엔진(41)에 도입된다. 제1 막모듈(9)로부터 유출하는 질소 부화 공기는 필요에 따라 열교환기(52)에 의해 가열되어 제2 막모듈(10)에 도입된다.

도 11에서는, 공기 공급 장치(8)는, 공기를 질소 부화하는 것을 주로 행하는 제1 막모듈(9)과, 공기를 가습하는 것을 주로 행하는 제2 막모듈(10)을 구비한다. 도 8과 장치 기호 및 화살표 기호가 동일한 것은 도 8의 설명과 동일하다. 제1 막모듈(9)에서 질소 부화된 공기는 제2 막모듈(10)에서 가습되어 더욱 공기가 저산소화되어, 디젤 엔진(41)에 도입된다.

도 12에 관해서도 동일하다.

도 13에 있어서 101은 진공 펌프 또는 흡인 블로워이다. 그 밖에는, 도 6의 설명과 동일하다.

도 14에 있어서 101은 진공 펌프 또는 흡인 블로워이다. 102는 과급기의 흡입측에 설치한 막장치이다. F16은 공기이고, 필요에 따라 도입된다. F8은 배기, F101은 공기이다. F102는 질소 부화 공기이다. 그 밖에는, 도 6의 설명과 동일하다.

도 15에 있어서 101은 진공 펌프 또는 흡인 블로워이다. 그 밖에는, 도 8의 설명과 동일하다.

도 16에 있어서 101은 진공 펌프 또는 흡인 블로워이다. 102는 과급기의 흡입측에 설치한 막장치이다. F16은 공기이고, 필요에 따라 도입된다. F8은 배기, F101은 공기이다. F102는 질소 부화 공기이다. 그 밖에는, 도 8의 설명과 동일하다.

또, 어느 장치 접속의 경우에 있어서도, 실시예 1~17, 비교예 1~21에서는 에멀션 연료의 엔진에 대한 공급은, 엔진 직전에, 연료와 물을 각각 계량기를 통해 혼합기(세키에마 BF/DND-300HC-ST)에 주입하여 혼합, 에멀션화하여 행했다. 에멀션화에 있어서, 연료에 대하여, 유화제 세키에말 SA 0.3 용량%, 세키에말 LK 0.2 용량%를 첨가했다.

또한, 실시예 18~27, 비교예 22~28에 관해서는 동일하게 유화제를 이용하여 에멀션화한 연료를 이용했다.

또한, 실시예 28~37, 비교예 29~32에 관해서는, 유화제를 이용하지 않고, 나녹스사 제조의 스태틱 믹서[라몬드 나노믹서(등록 상표)]를 이용하여, 유화제 없이 경유와 물을 혼합하여 조정한 에멀션 연료를 이용했다.

각 실시예, 비교예의 도 8, 도 11, 도 12의 내연 기관 장치의 제1 막모듈, 제2 막모듈에는, 하기에 나타내는 평막형 막모듈, 중공사형 막모듈을 이용했다(어느 것을 이용했는지는 개수와 함께, 표에 나타냈다). 평막형 막모듈은 지지층으로서 폴리에틸렌 미다공막(수은 포로시미터에 의한 모드 직경은 90 ㎚)을 이용하고, 폴리에틸렌 미다공막을 폭 300 ㎜로 재단한 후, 폴리에틸렌 미다공막의 한쪽 표면에만, 「테플론(등록 상표) AF1600」(듀퐁사 제조)을, 마이크로 그라비아 도공기(야스이 세이키 제조)를 이용하여 두께 1 ㎛ 이하가 되도록 코팅하여, 기체 투과막을 얻었다.

다음으로, 스페이서를 2장 준비하고, 그 사이에 상기 기체 투과막을 끼우고, 플리츠기를 이용하여, 플리츠 높이 60 ㎜의 조건에서 플리츠 가공을 행한 후, 폭 120 ㎜로 재단하여 주름부의 장수 550장(길이 약 380 ㎜)의 플리츠 적층체를 얻었다. 이 단부를 에폭시 수지로 접착하여, 막 엘리먼트를 얻었다. 스페이서에는, 직경 약 126 ㎛의 복수의 실로 이루어지는 폴리에스테르제 연사로 제작한 평직물로서, 실의 교점이 열융착에 의해 고정된, 두께 : 183 ㎛, 오프닝(실간 거리) : 1 ㎜, 폭 300 ㎜의 평직물을 이용했다. 이 막 엘리먼트를 막의 한쪽(1차측)과 다른쪽(2차측)이 막의 투과 이외에 가스가 이동하지 않도록 기밀을 유지하여 장전하고, 평막형 막모듈로 했다. 1개당 막면적은 7.5 ㎡이다(평막 A라고 함). 동일하게 하여, 1개당 막면적은 15 ㎡인 평막형 막모듈도 작성했다(평막 B라고 함). 막모듈에 장전한 막 엘리먼트는, 내경 0.7 ㎜φ, 외경 1.0 ㎜φ의 폴리에테르술폰제의 중공사 초여과막(UF 막)을 지지층으로 하고, 그 외측에 기체 투과막으로서 불소계 수지인 「테플론(등록 상표) AF1600」(상품명, 듀퐁사 제조)을 두께 1 ㎛ 이하가 되도록 코팅하고, 이것을 코어 막대의 주위에 크로스 와인딩함으로써 제작했다. 이 막 엘리먼트는 1개당 막면적이 10 ㎡, 외경 175 ㎜φ, 길이 430 ㎜의 원통 형상이다. 동일하게, 이 막 엘리먼트를 장전하고, 중공사형 막모듈로 했다. 또, 상기 기체 투과막의 흡수율은, 0.01% 이하이고, 물과의 접촉각은 104°였다. 흡수율은, ASTM D570에 따라, 샘플을 23℃의 물에 24시간 침지한 조건에서 측정했다. 물과의 접촉각은, 샘플의 표면에 탈이온수의 물방울을 올리고, 23℃에서 1분간 방치한 후, 접촉각 측정 장치(교와 계면 과학사 제조, 「CA-X150형 접촉각계」)를 이용하여 측정했다.

실시예 1~17, 비교예 1~21에서는 2스트로크 저속 디젤 엔진을 사용하고, 그 사양은, 정격 177 rpm(100% 부하시), 출력 857 ㎾, 보어 400 ㎜, 스트로크 1360 ㎜, Pme 1.7 ㎫이고, 연료로는, A 중유를 사용했다. 엔진의 운전은 「선박용 디젤 엔진으로부터의 NOx 배출 규제에 관한 테크니컬 코드(2008)」(일본 해사 협회)에 규정되어 있는 E3형 테스트 사이클에 준하여 행했다.

분사 시기 조정은, 분사 펌프의 용량을 변화시킴으로써 행하고, 4° 지연시켰다.

실시예의 운전 조건 및 결과를 표 1에, 비교예의 운전 조건 및 결과를 표 2에 나타냈다. 물로는 수돗물을 이용했다. 산소 농도는, 요코가와 전기 제조의 지르코니아형 산소 농도계 YEW ZR202G+ZR20H를 이용하여 측정했다. 습도는 테스토 제조의 6681형 온습도계를 사용하여 측정했다.

실시예 18~27, 비교예 22~28에서는, 4-스트로크 고속 디젤 엔진을 사용하고, 그 사양은, 정격 2400 rpm(100% 부하시), 출력 103 ㎾, 보어 110 ㎜, 스트로크 125 ㎜, 정미 평균 유효 압력 Pme 1.08 ㎫이고, 연료로는 경유 연료를 사용했다(엔진 4A라고 함). 실시예 28~37, 비교예 29~32에서는, 별도의 4-스트로크 고속 디젤 엔진을 사용하고, 그 사양은, 정격 3101 rpm(100% 부하시), 출력 214 ㎾, 보어 100 ㎜, 스트로크 110 ㎜, Pme 1.59 ㎫이고, 연료로는 경유 연료를 사용했다(엔진 4B라고 함). 실시예, 비교예의 운전 조건 및 결과를 표 1~5에 나타냈다.

또, 공기 압축기(특히 공기 압축기(49))를 이용하는 경우에는, 과급기 및 공기 압축기로부터의 급기의 일부를 필요에 따라 배기하여 압력 조정, 서징 방지를 행했다.

이상으로부터, 각 실시예에 있어서 내연 기관의 배기 가스 중의 질소 산화물을 간편하고 또한 효과적으로 저감시킬 수 있었던 것이 확인되었다. 또한, 연료 소비율의 상승도 효과적으로 억제되는 것도 확인되었다. 또한, 공기 압축기의 병용이, 질소 산화물의 저하, 연료 소비율의 억제의 양쪽에 효과적인 것도 확인되었다.

1 : 막모듈, 2 : 막모듈, 3 : 공기 공급 장치, 4 : 공기 공급 장치, 5 : 공기 공급 장치, 6 : 공기 공급 장치, 7 : 공기 공급 장치, 8 : 공기 공급 장치, 8' : 공기 공급 장치, 9 : 막모듈, 10 : 막모듈, 11 : 기체 투과막, 12 : 케이스, 21 : 기체 투과막, 22 : 케이스, 31 : 온도계, 32 : 압력계, 33 : 유량계, 34 : 습도계, 35 : 산소 농도계, 36 : 공기 압축기, 37 : 공기 공급 블로워, 38 : 유량계, 39 : 압력계, 40 : 과급기, 41 : 디젤 엔진, 43 : 온도계, 44 : 유량계, 45 : 압력계, 46 : 온수 배스, 47 : 펌프, 49 : 공기 압축기, 50 : 인터쿨러, 51 : 인터쿨러, 52 : 열교환기, 121 : 공기 공급구, 122 : 공기 배출구, 123 : 공기 및/또는 가습용 물 공급구, 124 : 공기 및/또는 가습용 물 배출구, 221 : 공기 공급구, 222 : 공기 배출구, 223 : 공기 및/또는 가습용 물 공급구, 224 : 공기 및/또는 가습용 물 배출구, a1 : 제1 공간, a2 : 제1 공간, b1 : 제2 공간, b2 : 제2 공간, α : 막모듈, α1 : 기체 투과막, β : 막모듈, β1 : 기체 투과막, γ : 막모듈, γ1 : 기체 투과막.

Claims

탄화수소계 연료 및 공기를 연소실 내에서 연소시키는 내연 기관의 운전 방법으로서,
상기 공기는 상기 내연 기관의 배기를 포함하지 않고,
상기 연소실에 도입하는 상기 공기의 산소 농도를 저감시키는 산소 농도 저감 공정과,
상기 탄화수소계 연료와 물을 상기 연소실에 분사하는 공정
을 포함하며,
상기 산소 농도 저감 공정은,
기체 투과막의 한쪽의 면에 공기를 접촉시켜, 상기 공기의 산소 농도를 저하시키는 공정을 포함하고,
상기 기체 투과막에 의한 공기 가습은 행하지 않으며,
상기 탄화수소계 연료와 물을 상기 연소실에 분사하는 공정은, 상기 탄화수소계 연료에 물을 혼합하여 에멀션으로서 상기 연소실에 분사하는 공정인 것인 내연 기관의 운전 방법.