JP2021148054A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に燃焼温度を低下させつつ、ＮＯｘの排出を防ぐことができる内燃機関を提供する。【解決手段】エンジン１は、燃焼室７ａを有するエンジン本体２と、燃焼室７ａに酸素を供給する酸素分離器２０と、酸素分離器２０と燃焼室７ａとを接続し、酸素分離器２０からの酸素が流れる吸気管４と、燃焼室７ａに接続され、燃焼室７ａで発生した排気ガスが流れる排気管６と、排気管６と吸気管４とを接続し、排気ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気管４に向けて流れるＥＧＲ経路１６と、排気管６に配設され、排気ガスから凝縮水を分離する凝縮水分離器２７とを備え、凝縮水分離器２７により分離された凝縮水は、排気管６内を流れて排出される。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来の内燃機関としては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の内燃機関は、エンジン本体と、このエンジン本体の吸気ポートに接続された吸気管と、エンジン本体の排気ポートに接続された排気管と、吸気管に配設された酸素分離装置及び混合器と、排気管に配設された希ガス分離装置とを備えている。酸素分離装置は、空気から酸素を分離し、分離した酸素を混合器に供給する。希ガス分離装置は、エンジン本体の燃焼室より排出される排気ガスから希ガスを分離し、分離した希ガスを混合器に供給すると共に、希ガスが分離された排気ガス（二酸化炭素や水蒸気等）を排出する。混合器は、酸素分離装置から供給された酸素と希ガス分離装置から供給された希ガスとを混合し、その混合ガスを燃焼室に供給する。

特開２００８−２２８９号公報

上記従来技術においては、酸素分離装置により空気から酸素が分離され、酸素と希ガスとの混合ガスが吸気ガスとして燃焼室に供給される。従って、燃焼室に供給される吸気ガスには窒素が含まれないため、燃焼室において燃焼ガス中にＮＯｘが発生することがなく、燃焼室からＮＯｘが排出されない。しかし、空気から窒素が除去された状態の酸素雰囲気で燃焼を行うと、燃焼ガスが非常に高温となるため、エンジン本体のピストンやシリンダヘッド等の溶損が発生するおそれがある。そのような不具合を防ぐためには、燃焼室での燃焼温度を低下させる必要がある。このとき、酸素と希ガスとの混合ガスにより燃焼温度を下げるには、希ガス分離装置が必要となることに加え、燃焼に必要な酸素量の３倍以上の量の希ガスを与えなければならない。従って、内燃機関のコストアップにつながり、効率的（経済的）ではない。

本発明の目的は、効率的に燃焼温度を低下させつつ、ＮＯｘの排出を防ぐことができる内燃機関を提供することである。

本発明の一態様に係る内燃機関は、燃焼室を有する機関本体と、燃焼室に酸素を供給する酸素供給部と、酸素供給部と燃焼室とを接続し、酸素供給部からの酸素が流れる吸気管と、燃焼室に接続され、燃焼室で発生した排気ガスが流れる排気管と、排気管と吸気管とを接続し、排気ガスの一部が排気再循環ガスとして吸気管に向けて流れる排気再循環経路と、排気管または排気再循環経路に配設され、排気ガスから凝縮水を分離する凝縮水分離部とを備え、凝縮水分離部により分離された凝縮水は、排気管内を流れて排出される。

このような内燃機関においては、純酸素供給部からの酸素が吸気管を流れて機関本体の燃焼室に供給され、燃焼室において酸素雰囲気での燃焼が行われるため、燃焼室からＮＯｘが排出されにくい。また、燃焼室で発生した排気ガスの一部が排気再循環ガスとして排気再循環経路を流れて燃焼室に供給されるため、酸素雰囲気での燃焼が行われても、燃焼温度が低下する。このように既存の排気再循環経路を利用して、燃焼温度を低下させることにより、希ガスを使用しなく済む。これにより、効率的に燃焼温度を低下させつつ、ＮＯｘの排出を防ぐことができる。また、凝縮水分離部によって排気ガスから凝縮水が分離され、分離された凝縮水が排気管内を流れて排出される。このとき、排気管内を流れる排気ガス中にはＮＯｘが殆ど存在しないため、凝縮水がＮＯｘと混ざって硝酸水となることが防止され、硝酸水が排気管等に悪影響を与えることは殆ど無い。従って、凝縮水をそのまま流して排出することができる。

凝縮水分離部は、排気管における排気再循環経路との分岐部よりも上流側に配設されていてもよい。このような構成では、凝縮水分離部により分離された凝縮水は、排気管内を下流側に流れやすくなる。従って、凝縮水が排気再循環経路を流れにくくなるため、燃焼室に凝縮水が供給されにくくなる。これにより、凝縮水による機関本体の構成部品の腐食等を防ぐことができる。

内燃機関は、排気管における排気再循環経路との分岐部よりも下流側に配設され、排気再循環経路に大気が入らないように遮断する遮断弁を更に備えてもよい。このような構成では、内燃機関の停止時に遮断弁を閉じることで、排気再循環経路に大気中の窒素が入り込むことが確実に防止される。

内燃機関は、排気再循環経路を流れる排気再循環ガスを加熱するヒータを更に備えてもよい。このような構成では、凝縮水分離部により分離された凝縮水が排気再循環経路を多少流れても、ヒータにより凝縮水が加熱されるため、燃焼室に凝縮水が供給されにくくなる。

本発明によれば、効率的に燃焼温度を低下させつつ、ＮＯｘの排出を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関であるエンジンを概略的に示す構成図である。 図１に示された酸素分離器の一例を示す断面図である。 図１に示された排気管及び凝縮水分離器が傾斜して配置されている状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関であるエンジンを概略的に示す構成図である。 図１に示されたエンジンの変形例を概略的に示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関であるエンジンを概略的に示す構成図である。図１において、本実施形態の内燃機関であるエンジン１は、例えば４気筒ディーゼルエンジンであり、車両に搭載されている。

エンジン１は、機関本体であるエンジン本体２と、このエンジン本体２にインテークマニホールド３を介して接続された吸気管４と、エンジン本体２にエキゾーストマニホールド５を介して接続された排気管６とを備えている。

エンジン本体２は、燃焼室７ａを構成する４つのシリンダ７と、燃焼室７ａに燃料を噴射する４つのインジェクタ８（燃料噴射弁）とを有している。吸気管４は、各燃焼室７ａと接続され、各燃焼室７ａに供給される吸気ガスが流れる吸気通路を構成している。排気管６は、各燃焼室７ａと接続され、各燃焼室７ａで発生した排気ガスが流れる排気通路を構成している。

また、エンジン１は、空気（大気）を過給するターボ過給機１０を備えている。ターボ過給機１０は、排気管６に配設されたタービン１１と、吸気管４に配設されたコンプレッサ１２と、タービン１１とコンプレッサ１２とを連結するタービンシャフト１３とを有している。タービン１１は、排気ガスの流れを受けて回転する。コンプレッサ１２は、タービン１１のトルクを利用して空気を圧縮する。

また、エンジン１は、排気管６内を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガス（排気再循環ガス）として各燃焼室７ａに還流させるＥＧＲユニット１５を備えている。ＥＧＲユニット１５は、排気管６と吸気管４とを接続するＥＧＲ経路１６（排気再循環経路）と、このＥＧＲ経路１６を吸気管４に向けて流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ１７とを有している。ＥＧＲバルブ１７は、電磁式の流量調整弁である。ＥＧＲバルブ１７は、コントローラ（図示せず）により制御される。

また、エンジン１は、吸気管４に配設された酸素分離器２０を備えている。酸素分離器２０は、空気から酸素を分離し、分離した酸素を燃焼室７ａに供給する。酸素分離器２０は、燃焼室７ａに酸素を供給する酸素供給部を構成している。

酸素分離器２０は、例えば図２に示されるように、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属からなる容器２１と、この容器２１内に配置された複数のポリイミド中空糸膜２２とを有している。ポリイミド中空糸膜２２は、窒素よりも酸素が透過しやすい性質を利用して、酸素を選択的に透過させる。

酸素分離器２０の一端部には、空気導入口２０ａが設けられている。酸素分離器２０の他端部には、窒素導出口２０ｂが設けられている。酸素分離器２０の側部には、酸素導出口２０ｃが設けられている。

吸気管４は、酸素分離器２０の空気導入口２０ａと接続され、酸素分離器２０に供給される空気が流れる上流吸気管２３と、酸素分離器２０の酸素導出口２０ｃとインテークマニホールド３とを接続し、酸素分離器２０からの酸素が流れる下流吸気管２４とを有している。酸素分離器２０の窒素導出口２０ｂには、酸素分離器２０からの窒素が流れる窒素管２５が接続されている。

上流吸気管２３から酸素分離器２０内に導入された空気は、各ポリイミド中空糸膜２２の内部を流れる。このとき、空気中の酸素が各ポリイミド中空糸膜２２を透過する。そして、酸素分離器２０内から下流吸気管２４に純酸素が導出される。純酸素は、酸素が１００％のガスである。また、酸素分離器２０内から窒素管２５に窒素リッチガスが導出される。

また、エンジン１は、排気管６に配設された凝縮水分離器２７及び遮断弁２８を備えている。凝縮水分離器２７は、排気管６におけるＥＧＲ経路１６との分岐部Ｂよりも上流側に配設されている。凝縮水分離器２７は、排気ガスから凝縮水を分離する凝縮水分離部である。凝縮水分離器２７は、冷却水管路２９を流れる冷却水と排気ガスとの熱交換により排気ガスを冷却することで、排気ガスから凝縮水を分離させる。

排気管６は、例えば図３に示されるように、下流側が上流側よりも下側に位置するように斜めに延びる傾斜部６ａを有している。凝縮水分離器２７は、排気管６の傾斜部６ａに配設されている。このため、凝縮水分離器２７によって排気ガスから分離された凝縮水は、自重により排気管６内を下流側に流れて排出される。

ＥＧＲ経路１６は、例えば排気管６との分岐部Ｂから吸気管４に向かって上方に延びている。このため、凝縮水分離器２７によって排気ガスから分離された凝縮水がＥＧＲ経路１６に流れ込みにくくなり、排気ガス中のほぼ残存酸素及び二酸化炭素のみがＥＧＲ経路１６を流れて吸気管４に再循環される。

なお、凝縮水が自重により排気管６内を流れて排出されるのであれば、排気管６における水平方向に延びる部分に凝縮水分離器２７を配設してもよい。また、ＥＧＲ経路１６に流れ込む凝縮水の量が少ないのであれば、ＥＧＲ経路１６は分岐部Ｂから吸気管４に向かって水平方向に延びていてもよい。

遮断弁２８は、排気管６におけるＥＧＲ経路１６との分岐部Ｂよりも下流側に配設されている。遮断弁２８は、ＥＧＲ経路１６に大気が入らないように遮断するバルブである。遮断弁２８は、電磁式の開閉弁である。遮断弁２８は、図示しないイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）によってコントローラを介して制御される。ＩＧスイッチがＯＮされると遮断弁２８が開き、ＩＧスイッチがＯＦＦされると遮断弁２８が閉じる。

以上のようなエンジン１においては、酸素分離器２０によって空気から純酸素が分離され、その純酸素が吸気ガスとしてエンジン本体２の燃焼室７ａに供給される。このため、燃焼室７ａに供給される吸気ガスには、窒素が含まれない。そして、燃焼室７ａにおいて純酸素燃焼が行われる。このとき、ＮＯｘが発生しないため、燃焼室７ａからのＮＯｘの排出量はゼロとなる。ただし、純酸素燃焼では、燃焼温度が非常に高くなる。

純酸素に二酸化炭素を混ぜると、燃焼温度を下げることができる。このため、二酸化炭素を含む大量の排気ガスがＥＧＲガスとして吸気ガスに再循環される。このとき、ＥＧＲガスの再循環率は、例えば８０％〜９０％程度である。しかし、ＥＧＲガスには水分も多く含まれるため、大量のＥＧＲガスの再循環が行われると、吸気ガス中に多くの凝縮水が発生してしまう。

そこで、凝縮水分離器２７によって排気ガスから凝縮水が分離され、その凝縮水が排気管６内をそのまま流れて排出される。このため、凝縮水が除去された排気ガスがＥＧＲガスとしてＥＧＲ経路１６を流れて吸気ガスに再循環されることになる。このとき、ＥＧＲバルブ１７によりＥＧＲガスの再循環流量を制御することで、燃焼室７ａにおける燃焼温度が適正な温度に設定される。

以上のように本実施形態にあっては、酸素分離器２０からの酸素が吸気管４を流れてエンジン本体２の燃焼室７ａに供給され、燃焼室７ａにおいて酸素雰囲気での燃焼が行われるため、燃焼室７ａからＮＯｘが排出されにくい。また、燃焼室７ａで発生した排気ガスの一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲ経路１６を流れて燃焼室７ａに供給されるため、純酸素雰囲気での燃焼が行われても、燃焼温度が低下する。このように既存のＥＧＲ経路１６を利用して、燃焼温度を低下させることにより、希ガスを使用しなく済む。これにより、効率的に燃焼温度を低下させつつ、ＮＯｘの排出を防ぐことができる。また、凝縮水分離器２７によって排気ガスから凝縮水が分離され、分離された凝縮水が排気管６内を流れて排出される。このとき、排気管６内を流れる排気ガス中にはＮＯｘが殆ど存在しないため、凝縮水がＮＯｘと混ざって硝酸水となることが防止され、硝酸水が排気管６等に悪影響を与えることは殆ど無い。従って、凝縮水をそのまま流して排出することができる。

また、本実施形態では、凝縮水分離器２７は、排気管６におけるＥＧＲ経路１６との分岐部Ｂよりも上流側に配設されている。このため、凝縮水分離器２７により分離された凝縮水は、排気管６内の下流側に流れやすくなる。従って、凝縮水がＥＧＲ経路１６を流れにくくなるため、燃焼室７ａに凝縮水が供給されにくくなる。これにより、凝縮水によるインジェクタ８のノズルの腐食等を防ぐことができる。

また、本実施形態では、排気管６におけるＥＧＲ経路１６との分岐部Ｂよりも下流側には、ＥＧＲ経路１６に大気が入らないように遮断する遮断弁２８が配設されている。このため、エンジン１の停止時に遮断弁２８を閉じることで、ＥＧＲ経路１６に大気中の窒素が入り込むことが確実に防止される。従って、窒素がＥＧＲ経路１６を流れて燃焼室７ａに供給されることが確実に防止される。

図４は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関であるエンジンを概略的に示す構成図である。図４において、本実施形態のエンジン１は、上記の第１実施形態における構成に加え、ＥＧＲ経路１６に配設されたヒータ３０を更に備えている。

ヒータ３０は、例えばＥＧＲ経路１６におけるＥＧＲバルブ１７よりも下流側に配設されている。ヒータ３０は、ＥＧＲ経路１６を流れるＥＧＲガスを加熱する。ヒータ３０としては、例えば電気ヒータが使用される。

このような本実施形態では、凝縮水分離器２７により分離された凝縮水がＥＧＲ経路１６を多少流れても、ヒータ３０により凝縮水が加熱されるため、燃焼室７ａに凝縮水が更に供給されにくくなる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、凝縮水分離器２７は、排気管６におけるＥＧＲ経路１６との分岐部Ｂよりも上流側に配設されているが、特にそのような形態には限られない。

図５は、図１に示されたエンジン１の変形例を概略的に示す構成図である。図５において、本変形例のエンジン１では、凝縮水分離器２７は、ＥＧＲ経路１６に配設されている。この場合には、凝縮水分離器２７により分離された凝縮水がＥＧＲ経路１６を流れて吸気管４に入り込まないように、ポンプ等により凝縮水を排気管６に導く必要がある。

また、凝縮水分離器２７を、排気管６におけるＥＧＲ経路１６との分岐部Ｂよりも下流側に配設してもよい。

何れの場合にも、効率的に燃焼温度を低下させつつ、ＮＯｘの排出を防ぐことができる。また、凝縮水分離器２７により分離された凝縮水がＮＯｘと混ざって硝酸水となることが防止される。

また、上記実施形態では、酸素が１００％の純酸素がエンジン本体２の燃焼室７ａに供給されているが、特にその形態に限られず、酸素が９８％以上の吸気ガスが燃焼室７ａに供給されればよい。この場合には、燃焼室７ａにおいてＮＯｘが発生しにくくなる。

また、上記実施形態では、エンジン１はディーゼルエンジンであるが、本発明は、特にディーゼルエンジンには限られず、ガソリンエンジン等にも適用可能である。

また、上記実施形態では、エンジン１は車両に搭載されているが、本発明は、特に車両用には限られず、例えば定置用の内燃機関にも適用可能である。この場合には、上記の酸素分離器２０に代えて、酸素ボンベ等を使用してもよい。

１…エンジン（内燃機関）、２…エンジン本体（機関本体）、４…吸気管、６…排気管、７ａ…燃焼室、１６…ＥＧＲ経路（排気再循環経路）、２０…酸素分離器（酸素供給部）、２７…凝縮水分離器（凝縮水分離部）、２８…遮断弁、３０…ヒータ、Ｂ…分岐部。

Claims (4)

1. 燃焼室を有する機関本体と、
   前記燃焼室に酸素を供給する酸素供給部と、
   前記酸素供給部と前記燃焼室とを接続し、前記酸素供給部からの酸素が流れる吸気管と、
   前記燃焼室に接続され、前記燃焼室で発生した排気ガスが流れる排気管と、
   前記排気管と前記吸気管とを接続し、前記排気ガスの一部が排気再循環ガスとして前記吸気管に向けて流れる排気再循環経路と、
   前記排気管または前記排気再循環経路に配設され、前記排気ガスから凝縮水を分離する凝縮水分離部とを備え、
   前記凝縮水分離部により分離された凝縮水は、前記排気管内を流れて排出される内燃機関。
2. 前記凝縮水分離部は、前記排気管における前記排気再循環経路との分岐部よりも上流側に配設されている請求項１記載の内燃機関。
3. 前記排気管における前記排気再循環経路との分岐部よりも下流側に配設され、前記排気再循環経路に大気が入らないように遮断する遮断弁を更に備える請求項１または２記載の内燃機関。
4. 前記排気再循環経路を流れる前記排気再循環ガスを加熱するヒータを更に備える請求項１〜３の何れか一項記載の内燃機関。

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