JP2011047376A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ以外の手法でエンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制する。
【解決手段】吸気が流れる吸気通路の一部１５を酸素分離膜Ｍで形成し、吸気通路内の吸気に含まれる酸素の一部を酸素分離膜Ｍを透過させて吸気通路の外側に排出する。吸気の酸素濃度を低下させることができ、ＥＧＲ以外の手法で、エンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関に係り、特に、エンジン本体の燃焼室からのＮＯｘ排出量の抑制に好適な内燃機関に関する。

空燃比がリーンな状態で燃焼が行われる内燃機関、主にディーゼルエンジンにあって、その排ガス浄化技術の一つとして、排気ガスの一部を吸気に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）がある。不活性ガスの多い排気ガスを吸気に還流することで、エンジン本体の燃焼室に吸入されるガスの酸素濃度を低下させ、燃焼時の筒内温度の上昇を抑制し、高温度場で生成される窒素酸化物ＮＯｘの生成を抑制できる。

ディーゼルエンジンに対する排出ガス規制や燃費規制は年々厳しくなっており、排気通路に設置した後処理装置による排気の浄化のみならず、燃焼室からの排気ガスの改善が必要となっている。

特開２００５−２９１００１号公報

燃焼室からのＮＯｘ排出量を抑制するため、上述のＥＧＲは好適である。また、年々厳しくなる排出ガス規制等に対応して、エンジンの低負荷および中負荷領域のみならず、高負荷領域においても高いＥＧＲ率でＥＧＲを行うことが好適である。

しかし、高負荷領域における高ＥＧＲ率化には次のような問題がある。すなわち、この際には高温の排気ガスを吸気側へ多量に還流するが、筒内への吸入空気（吸気）の充填効率悪化を回避すべく、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラにて十分に冷却する必要がある。ところで低中負荷領域に比べ過給圧が高い高負荷領域においては、ＥＧＲ率としては低中負荷時よりも低いものの、ＥＧＲガス量としては低中負荷時よりも増加し、ＥＧＲクーラにて多大なＥＧＲガスの除熱を行わなければならない。ＥＧＲクーラがエンジン冷却水を用いてＥＧＲガスの冷却を行う水冷式であると、除熱量が増した分、冷却水温度が上昇し、エンジン全体として熱効率が低下する虞がある。

このように、ＥＧＲのみでエンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制しようとしても、それには自ずと限界があり、ＥＧＲとは別の手法が待ち望まれているのが現状である。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＥＧＲ以外の手法でエンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制可能な内燃機関を提供することにある。

本発明の一形態によれば、吸気が流れる吸気通路の一部を酸素分離膜で形成し、前記吸気通路内の吸気に含まれる酸素の一部を前記酸素分離膜を透過させて前記吸気通路の外側に排出するようにしたことを特徴とする内燃機関が提供される。

これによれば、酸素分離膜によって吸気中の酸素の一部を吸気通路から排出することで、吸気の酸素濃度を低下させることができる。よってＥＧＲ以外の手法で、エンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。

好ましくは、前記酸素分離膜の外側に排気通路の一部を形成し、前記酸素分離膜を透過した酸素を前記排気通路内に流入させるようにする。

これによれば、酸素分離膜の内外の酸素分圧差を増大し、酸素分離性能を向上することができる。

好ましくは、前記吸気通路の一部を、前記酸素分離膜で形成された内管により形成し、前記排気通路の一部を、前記内管の径方向外側に位置して前記内管と共に二重管をなす外管により形成する。

これによれば、構成がコンパクトとなると共に酸素分離を効率的に行うことができる。

好ましくは、排気ガスの一部を吸気側に還流するためのＥＧＲ装置と、排気ガスにより駆動されるタービンおよび吸気を過給するコンプレッサを有するターボチャージャとを備え、前記酸素分離膜で形成された前記吸気通路の一部が前記コンプレッサの下流側に位置される。

これによれば、酸素分離膜の内側に、過給された吸気が供給されるようになるため、酸素分離膜の内外の圧力差を増大し、酸素分離性能を向上することができる。

本発明は、ＥＧＲ以外の手法でエンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制することができるという、優れた効果を発揮する。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。 酸素分離管を示す部分斜視図である。 酸素分離膜での酸素透過の様子を示す概略断面図である。 新気、酸素富化空気および低酸素濃度空気の酸素濃度と過給圧との関係を模式的に示すグラフである。 第１実施形態と第２実施形態における酸素分離効果の比較を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。

図１に、本発明の第１実施形態に係る内燃機関（エンジン）を示す。本実施形態のエンジン１は、自動車用且つ多気筒の圧縮着火式内燃機関、即ちディーゼルエンジンである。エンジン１は、複数のシリンダ、ピストン、シリンダブロックおよびクランクシャフト等を含むエンジン本体２を有し、エンジン本体２には吸気マニホールド３および排気マニホールド４が取り付けられている。吸気マニホールド３は、吸気が流れる吸気通路５の下流端部を形成する。同様に排気マニホールド４は、排気ガスが流れる排気通路６の上流端部を形成する。吸気と排気ガスの流れをそれぞれ白矢印および黒矢印で図中に示す。

吸気を過給するためのターボチャージャ７が設けられる。ターボチャージャ７は、排気通路６に設けられて排気ガスにより駆動されるタービン８と、吸気通路５に設けられてタービン８により駆動され、吸気を過給するコンプレッサ９とを有する。吸気通路５におけるコンプレッサ９の下流側には、コンプレッサ９により過給された吸気を冷却するインタークーラ１０が設けられている。

排気ガスの一部すなわちＥＧＲガスを吸気側に還流するためのＥＧＲ装置１１も設けられている。ＥＧＲ装置１１は、排気通路６内（特に排気マニホールド４内）の排気ガスの一部を吸気通路５内（特に吸気マニホールド３内）に還流させるためのＥＧＲ通路１２と、ＥＧＲ通路１２を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１３と、ＥＧＲ通路１２の下流端部に設けられ、ＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲ弁１４とを備える。ＥＧＲガスの流れを破線矢印で図中に示す。ＥＧＲクーラ１３はエンジン冷却水を用いてＥＧＲガスの冷却を行う水冷式である。

特に、本実施形態のエンジン１では、吸気通路５の一部を酸素分離膜で形成し、吸気通路５内の吸気に含まれる酸素の一部を酸素分離膜を透過させて吸気通路５の外側に排出するようにしている。

この点について詳細に述べると、吸気通路５におけるインタークーラ１０の下流側で且つ吸気マニホールド３の上流側には、吸気通路５の一部をなす酸素分離管１５が設けられている。酸素分離管１５は、その一部または全部が酸素分離膜で形成されている。図３には、酸素分離管１５（管壁）の長手方向の中間部が、部分的に、管状の酸素分離膜Ｍで形成されている例を示す。しかしながら、酸素分離管１５のうちどの部分をどのように酸素分離膜Ｍで形成するかについては、特に限定はない。酸素分離管１５の全体を酸素分離膜Ｍで形成してもよい。図３には円筒状の酸素分離管１５および酸素分離膜Ｍを示すが、これらの形状についても特に限定はない。

酸素分離膜Ｍは、その内表面を酸素分離管１５の内部に露出させており、その外表面を大気（外気）に露出させている。そして透過させた酸素を大気に排出するようになっている。

図２には本発明の第２実施形態に係るエンジン１Ａを示す。このエンジン１Ａは第１実施形態のエンジン１とほぼ同様であり、異なるのは酸素分離管１５の部分だけである。よって同様の要素については図中同一符号を付して説明を省略し、相違点を中心に説明を行う。

第２実施形態において、酸素分離管１５は、排気通路６の一部をなす外側排気管１６の中に収容され、外側排気管１６によって全体が覆われている。そして酸素分離管１５を内管とし、外側排気管１６を外管とする二重管が構成されている。特に、図３に示したような酸素分離膜Ｍで形成された管を内管とし、外側排気管１６を外管とする二重管が構成されている。酸素分離管１５と外側排気管１６との間の環状通路を排気ガスが流れる。この場合、酸素分離膜Ｍを透過した酸素は、大気に排出されるのではなく、外側排気管１６内の排気ガスに流入させられる。

図示例において、酸素分離管１５内の吸気の流れ方向と外側排気管１６内の排気ガスの流れ方向とは同一である。しかしながら、これら流れ方向は異なっていても、また互いに逆方向であっても構わない。必ずしも酸素分離管１５と外側排気管１６とで二重管を構成する必要もない。酸素分離膜Ｍを透過した酸素が排気通路６内に流入すればよいのであり、例えば外側排気管１６に代えて箱状のチャンバを採用しても良い。

以下、図１に示した第１実施形態を中心に説明すると、図３に示すように、酸素分離管１５内に流入する吸気すなわち新気は、大気と同じ酸素濃度を有し、その値は約２１％である。この新気が、酸素分離膜Ｍでできた管内を流れる過程で、新気に含まれる酸素の一部が選択的に酸素分離膜Ｍを透過し、大気に排出される。この酸素透過の様子を図４に示す。なお酸素以外の窒素も酸素分離膜Ｍを透過するが、酸素の透過速度が窒素の透過速度よりも早いため、あたかも酸素のみが選択的に透過するような状態となる。酸素透過の結果、吸気の酸素濃度は低下し、吸気は低酸素濃度空気となる。他方、酸素分離膜Ｍの外側表面付近では、透過酸素の混入による酸素富化空気が生成される。低酸素濃度空気は例えば１９％の酸素濃度を有し、酸素富化空気は例えば３０％の酸素濃度を有する。この場合吸気の酸素濃度は２％減少される。

このように本実施形態によれば、酸素分離膜Ｍの無い通常のエンジンと比較して、吸気の酸素濃度を低下させることができる。よってエンジン本体２の燃焼室に吸入される吸気の酸素濃度を低下させ、このこと自体によって、すなわちＥＧＲとは別の手法で、エンジン本体２からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。

そしてＥＧＲを併用する場合、特に高負荷領域において、吸気の酸素濃度が低下した分、ＥＧＲガス量を減少することができる。よって大量ＥＧＲを行うに際しても、通常のエンジンと比較してＥＧＲクーラ１３におけるＥＧＲガスの除熱量を減少し、冷却水温度の上昇ひいてはエンジン全体の熱効率低下を抑制することが可能である。このように本実施形態は、ＥＧＲを補助することができるという利点も有する。

ところで、エンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制するには、次のような所謂予混合燃焼を実行するのも効果的であり、本実施形態のエンジンもこの予混合燃焼を実行するように構成されることができる。予混合燃焼を実行する場合、燃料の噴射時期は圧縮上死点よりも早期の圧縮行程早期とされ、燃料の噴射終了時から着火までの間の予混合期間に、燃料と空気が十分に混合され、希薄・均一化される。そしてこの混合気は、燃料の噴射終了後、ある程度の期間を経て着火する。このため局所的な燃焼温度が下がりＮＯｘ排出量が低減する。

しかし、予混合燃焼は中高負荷領域での適用が困難であり、中高負荷領域でＮＯｘ排出量を抑制しようとした場合、ＥＧＲに頼らざるを得ないのが現状である。本実施形態ではこうした予混合燃焼が困難な運転領域でＥＧＲを行う場合であっても、ＥＧＲを補助することができる。

次に、酸素分離膜Ｍについて説明する。酸素分離膜Ｍは、高分子材料からなる膜であり、酸素と窒素の選択性および透過速度の差を利用して吸気の酸素濃度を低下させる。高分子材料はその種類に応じて気体選択透過性に違いがある。酸素分離膜Ｍに適用可能な高分子材料と、その気体選択透過性（ＰＯ₂／ＰＮ₂）を表１に示す。ＰＮ₂、ＰＯ₂はそれぞれ窒素および酸素の気体透過率である。

酸素分離膜Ｍとしては、気体選択透過性（ＰＯ₂／ＰＮ₂）の高い高分子材料を含むのが好ましい。表１に鑑みれば、酸素分離膜Ｍは、ポリイミド、ニトロセルロース、ポリ酢酸ビニル、ポリエーテルスルホン、ポリスルホンのうちの少なくとも一つを含むのが好ましい。

また、気体透過の基本式を式（１）に示す。

Ｆ＝（Ｐ／Ｌ）×ΔＰ×Ｓ ・・・（１）
ここでＦは膜からの流出流量（cm³/s）、Ｐは気体透過率（Barrer=10^-10cm³(STP)・cm/s・cm²・cmHg）、Ｌは膜厚（cm）、ΔＰは膜内外差圧（分圧差）（cmHg）、Ｓは膜面積（cm²）である。

本分離膜機構においては、高分子材料における酸素／窒素の気体選択透過性、および膜内外の差圧により、酸素が膜表面に染み出るような構造となる。このため、気体分離による圧力損失は、例えば公知の中空糸フィルタと比較して１／１０程度に抑制可能と考えられる。

式（１）から分かるように、酸素分離膜Ｍによる気体分離性能を確保するためには、膜内外に圧力差がなければならない。この点、本実施形態では、酸素分離膜Ｍがコンプレッサ９の下流側、特にインタークーラ１０の下流側に位置されている。このため、コンプレッサ９で大気圧よりも高圧とされた吸気を酸素分離膜Ｍの内側に供給することができ、膜内外の圧力差を容易かつ確実に得ることができる。

図５には、図３に示した新気、酸素富化空気および低酸素濃度空気の酸素濃度と、過給圧との関係を模式的に示す。新気の酸素濃度は過給圧に拘わらず一定である。他方、過給圧の上昇に伴い酸素富化空気の酸素濃度は次第に増大し、低酸素濃度空気の酸素濃度は次第に減少する。これは、酸素分離膜Ｍの内圧が上昇して膜内外の圧力差が大きくなると、膜中の酸素透過量が増大し、酸素分離性能が向上することを意味する。ＥＧＲ実行中の場合だと、過給圧の上昇はＥＧＲ率の増加と同義となる。過渡運転時（特に急加速時等）にあっては、ＥＧＲ弁１４の応答遅れによりＮＯｘが瞬間的或いはスパイク的に悪化することがあるが、本実施形態によれば過渡運転時の過給圧上昇と同時に酸素透過量を増大し、吸気の酸素濃度をより低減できる。よってそのようなＮＯｘ悪化を抑制することができる。

ところで、上述の膜内外の差圧とは、各気体分子の分圧差であるといえる。よって酸素分離膜Ｍの内外における酸素分圧差が大きいほど、酸素分離膜Ｍを透過する酸素の流量は多くなり、吸気酸素濃度低減効果が増大する。

酸素分離膜Ｍの内側の酸素分圧を外側の酸素分圧より高くする手法として、前述の如く過給圧を上昇させることは有効である。こうすると大気条件である酸素分離膜Ｍの外側より、内側の酸素密度ひいては酸素濃度が増大するからである。

そしてさらに、図２に示した第２実施形態の如く、酸素分離膜Ｍの外側を排ガス雰囲気とすることはさらに有効である。こうすると、酸素分離膜Ｍの外側の酸素濃度を大気より低くし、酸素分離膜Ｍの内側の酸素分圧を外側の酸素分圧より一層高くできるからである。従って、第２実施形態は第１実施形態よりも、吸気酸素濃度低減効果を増大しＮＯｘ抑制に寄与し得る点で有利である。

図６には、第１実施形態と第２実施形態における酸素分離効果の比較を示す。（Ａ）が第１実施形態であり、酸素を大気に排出するため「大気パージ」と称している。（Ｂ）が第２実施形態であり、酸素を排気ガス中に排出するため「排気パージ」と称している。

図から分かるように、酸素分離膜Ｍの下側に描かれている内側領域の新気の条件は同一である。しかしながら、酸素分離膜Ｍの上側に描かれている外側領域では、雰囲気ガスの酸素分圧ＰＯ₂および酸素濃度に関し、第１実施形態（大気）の方が第２実施形態（排気）より高い。このため、酸素分圧差は第２実施形態の方が第１実施形態より高く、式（１）により第２実施形態の方が第１実施形態より多くの酸素を透過、排出することができる。

また、第２実施形態によれば、酸素分離膜Ｍから排出した酸素により排気ガスの酸素濃度を増大することができる。このため、排気通路６において外側排気管１６の下流側に設けられた図示しない後処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ触媒、触媒付きＤＰＦ等）の発熱反応を促進し、その活性化を促進できるメリットがある。

さらに、第２実施形態によれば、酸素分離管１５と外側排気管１６とで二重管を構成するため、構成がコンパクトとなると共に酸素分離を効率的に行うことができる。

ところで、式（１）によれば、膜面積Ｓが大きいほど酸素分離膜Ｍから流出する酸素の流量Ｆは多くなる。よって酸素の流出流量を多くしたい場合には酸素分離膜Ｍの膜面積Ｓを大きくするのが好ましい。この場合、例えば酸素分離管１５の長手方向両端面を除いた周面部全体を、酸素分離膜Ｍで形成するのがよい。

また、酸素分離膜Ｍは、上記実施形態の如く、ＥＧＲガスと吸気とが混合する混合部（吸気マニホールド３）よりも上流側の吸気通路５に設けるのが好ましい。混合部よりも下流側に設けると、ＥＧＲガスが混入して酸素濃度が低下した吸気からさらに酸素を排出するようになるため、膜内外の大きな酸素分圧差を得るのに不利だからである。

以上述べたように、本実施形態によれば、酸素分離膜によって吸気中の酸素を吸気通路から排出し、吸気の酸素濃度を低下させることができる。よってＥＧＲとは別の手法で、エンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。

またＥＧＲを併用する場合にあっては、ＥＧＲを補助することができ、特に高負荷領域においてＥＧＲガス量を減少することができる。よってＥＧＲクーラにおけるＥＧＲガスの除熱量を減少し、エンジン全体の熱効率低下を抑制することができる。

加えて、第２実施形態のように、酸素分離膜の外側に排気通路の一部を形成すれば、酸素分離膜の内外の酸素分圧差を増大して酸素分離効果を向上することができる。よって、ＮＯｘ排出量の抑制等に一層効果的である。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態を採用することも可能である。例えば、第１実施形態と第２実施形態の構成を組み合わせ、酸素分離膜の一部を大気に、残部を排気通路内に露出させるようにしてもよい。また、酸素分離膜は吸気通路ないし酸素分離管の周方向の全体に設ける必要は必ずしも無く、周方向の一部にのみ設けてもよい。また、酸素分離膜は吸気通路ないし酸素分離管の長手方向および周方向の少なくとも一方に複数設けてもよい。

１ 内燃機関
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ ターボチャージャ
８ タービン
９ コンプレッサ
１１ ＥＧＲ装置
１５ 酸素分離管
１６ 外側排気管
Ｍ 酸素分離膜

Claims (4)

1. 吸気が流れる吸気通路の一部を酸素分離膜で形成し、前記吸気通路内の吸気に含まれる酸素の一部を前記酸素分離膜を透過させて前記吸気通路の外側に排出するようにしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記酸素分離膜の外側に排気通路の一部を形成し、前記酸素分離膜を透過した酸素を前記排気通路内に流入させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記吸気通路の一部を、前記酸素分離膜で形成された内管により形成し、前記排気通路の一部を、前記内管の径方向外側に位置して前記内管と共に二重管をなす外管により形成したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 排気ガスの一部を吸気側に還流するためのＥＧＲ装置と、排気ガスにより駆動されるタービンおよび吸気を過給するコンプレッサを有するターボチャージャとを備え、前記酸素分離膜で形成された前記吸気通路の一部が前記コンプレッサの下流側に位置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。

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