JP6957752B2 - 内燃機関および窒素富化装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃焼用空気として窒素富化空気を用い、酸素と燃料との混合比が理論混合比となるようにして燃焼を行う内燃機関、および、この種の内燃機関に好適な窒素富化装置に関する。

特許文献１には、車両用の内燃機関として、空気中の酸素を一部除去して窒素富化空気を生成し、この窒素富化空気を内燃機関の燃焼室に供給して、理論空燃比よりも大きな空燃比でもって燃焼を行うようにした内燃機関が開示されている。この特許文献１では、多数のポリイミド樹脂製中空糸を束状にまとめた窒素富化エア発生ユニットを用い、加熱加圧した空気を中空糸の中心孔に導入して、中空糸の壁を酸素分子が通過することによって、窒素富化空気を得る構成となっている。

上記特許文献１においては、酸素が排出される側の空間の構成について特には開示がなく、酸素が透過する中空糸の外側は大気つまり通常の酸素濃度の空気が存在するものと考えられる。従って、中空糸の壁の内側と外側との間で本質的に酸素分圧差が得られない。そのため、酸素を除去して窒素富化するためには、必然的に空気を高圧に加圧して中空糸に導入する必要があるが、このように空気を加圧したとしても、所望の窒素富化レベルを実現できない可能性がある。

特開２００４−１９０５７０号公報

この発明においては、燃焼に供される窒素富化空気を得るための窒素富化装置に、酸素の除去を助成するスイープガスとして内燃機関の排気ガスを導入する。

内燃機関から排出される排気ガスは、酸素濃度が低いガスであるため、この排気ガスをスイープガスとして窒素富化装置に導入することによって、空気からの酸素除去の効率が向上する。

この発明によれば、窒素富化装置に導入されるスイープガスとして内燃機関自体が排出する排気ガスを利用することで酸素除去の効率が向上する。従って、窒素富化レベルを高く得ることが容易となる。

この発明に係る内燃機関の吸排気系の構成を模式的に示した説明図。 シート状の気体分離膜の例を示す説明図。 気体分離膜として中空状膜の例を示す説明図。 気体分離膜エレメントの一例を一部を切り開いた形で示す斜視図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用された一実施例の車両用内燃機関の吸排気系の構成を模式的に示した構成説明図である。内燃機関１は、主に理論混合比（ここで混合比とは酸素と燃料との混合比をいう）近傍での燃焼を行う内燃機関であり、例えば、ガソリンを燃料とする４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関からなる。内燃機関１の各々の気筒には、筒内へ向けて燃料の供給を行う燃料噴射弁２と、筒内に形成された混合気への点火を行う点火プラグ３と、がそれぞれ設けられている。各気筒の燃焼室４には、吸気弁５によって開閉される吸気ポート６と、排気弁７によって開閉される排気ポート８と、がそれぞれ接続されている。なお、燃料噴射弁２を、吸気弁５上流の吸気ポート６へ向けて燃料を噴射するように配置した、いわゆる吸気ポート噴射形式の構成であってもよい。燃料噴射弁２による燃料の噴射量（換言すれば噴射期間）ならびに噴射時期、および点火プラグ３による点火時期は、エンジンコントローラ１０によってそれぞれ制御される。

内燃機関１は、吸気の過給を行う過給機として例えばターボ過給機１１を備えている。このターボ過給機１１は、タービン１２とコンプレッサ１３とを含んで構成されている。

内燃機関１の吸気ポート６に至る吸気通路１５の通路途中には、外部から取り込んだ空気から酸素を一部除去して窒素富化空気を生成する窒素富化装置１６が配置されている。吸気通路１５における窒素富化装置１６の出口と吸気ポート６との間には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１７が配置されている。吸気通路１５における窒素富化装置１６の上流側には、ターボ過給機１１のコンプレッサ１３が位置し、さらに該コンプレッサ１３の上流側に、外部から取り込まれる空気の流量（例えば質量流量）を計測するエアフロメータ１８が設けられている。エアフロメータ１８の上流側には、図示しないエアクリーナが配置されている。また、コンプレッサ１３と窒素富化装置１６との間には、コンプレッサ１３により圧縮されて高温となった空気流を冷却する例えば水冷式あるいは空冷式のインタクーラ１９が設けられている。

排気ポート８に接続された排気通路２１の通路途中には、排気の浄化を行う三元触媒を用いた触媒コンバータ２２が配置されている。この触媒コンバータ２２は、タービン１２の下流側に位置している。触媒コンバータ２２の上流側つまりタービン１２と触媒コンバータ２２との間には、いわゆる排気空燃比を検出する空燃比センサ２３が配置されている。空燃比センサ２３としては、排気空燃比に応じた出力が得られるいわゆるリニア空燃比センサであってもよく、あるいは、理論空燃比相当よりもリーンであるかリッチであるかを示す出力が得られるいわゆるＯ２センサであってもよい。触媒コンバータ２２の下流側には図示しない消音器が設けられており、排気通路２１の先端は、この消音器を介して大気に開放されている。

また、触媒コンバータ２２の下流側において、排気通路２１から排気分岐通路２５が分岐している。この排気分岐通路２５の先端は、窒素富化装置１６に接続されており、窒素富化装置１６での酸素の除去を助成するスイープガスとして排気ガスを窒素富化装置１６に導いている。排気分岐通路２５の通路途中には、窒素富化装置１６に導入される前に排気流を冷却する例えば水冷式あるいは空冷式の排気ガスクーラ２６が設けられている。窒素富化装置１６からさらに延びる排気分岐通路２５の先端側は、そのまま大気に開放されていてもよく、あるいは図示しない消音器の上流側もしくは下流側かつ触媒コンバータ２２の下流側で排気通路２１と合流するように構成してもよい。

なお、エンジンコントローラ１０には、上記のエアフロメータ１８および空燃比センサ２３のほかに、機関回転速度を示す図示せぬクランク角センサや、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出する図示せぬアクセル開度センサ、等の種々のセンサ類が接続されている。

窒素富化装置１６は、図示しないエアクリーナを通して外部から取り込まれた空気が吸気通路１５を介して導入される吸気室３１と、排気分岐通路２５を介して排気ガスが導入される排気室３２と、これらの吸気室３１と排気室３２とを互いに隔てるとともに酸素が選択的に透過可能な気体分離膜３３と、を備えている。従って、吸気室３１を流れる空気の一部の酸素は、気体分離膜３３を通して排気室３２側へ移動する。吸気室３１の入口側となる吸気通路１５を吸気入口通路１５Ａとし吸気室３１の出口側となる吸気通路１５を吸気出口通路１５Ｂと呼ぶこととすると、吸気入口通路１５Ａには大気と同様の組成（窒素約７９％、酸素約２１％）を有する空気が流れ、吸気出口通路１５Ｂからは酸素の一部が除去されて相対的に窒素をより多く含む窒素富化空気が流れ出ることとなる。また、排気室３２の入口側となる排気分岐通路２５を排気入口通路２５Ａとし排気室３２の出口側となる排気分岐通路２５を排気出口通路２５Ｂと呼ぶこととすると、排気入口通路２５Ａには本質的に酸素を殆ど含まない排気ガスが流れ、排気出口通路２５Ｂからは気体分離膜３３を透過した酸素が同伴した排気ガスが流れ出る。

気体分離膜３３は、例えば公知の高分子膜からなり、図２に示すようなシート状膜であってもよく、図３に示すような中空状膜であってもよい。

すなわち、図２の例では、気体分離膜３３が吸気室３１と排気室３２とを隔てるシート状膜３３として構成される。シート状膜３３は、それ自体で取り扱いが可能な自立膜であってもよく、あるいは、酸素を選択的に透過させる分離機能層とこれを支持する支持層とが積層された複合膜であってもよい。シート状膜３３を挟んで吸気室３１となる一方の側を矢印Ａで示すように空気が流れ、排気室３２となる他方の側を矢印Ｇで示すようにスイープガスとなる排気ガスが流れる。そして、空気流Ａ中の酸素が矢印Ｏ２で示すようにシート状膜３３を透過し、スイープガスとなる排気ガス流Ｇ中に排出される。なお、図では、空気流Ａと排気ガス流Ｇとが同じ方向に流れるが、空気流Ａと排気ガス流Ｇとが互いに反対方向に流れる構成であってもよい。

図３の例では、気体分離膜３３が中空状膜３３として構成される。すなわち、比較的に径が大きな管状あるいは比較的に径が細いいわゆる中空糸状に構成される。中空状膜３３は、それ自体で取り扱いが可能な自立膜であってもよく、あるいは、酸素を選択的に透過させる分離機能層とこれを支持する支持層とが積層された複合膜であってもよい。複合膜の例では、例えば、中空状の支持層の外周表面に分離機能層が設けられる。一つの例では、中空状膜３３の外側を矢印Ａで示すように空気が流れ、中空状膜３３の内側を矢印Ｇで示すようにスイープガスとなる排気ガスが流れる。なお、図では、空気流Ａと排気ガス流Ｇとが同じ方向に流れるが、空気流Ａと排気ガス流Ｇとが互いに反対方向に流れる構成であってもよい。

好ましい一つの実施例では、窒素富化装置１６において、気体分離膜３３として、上記シート状膜３３が集積・一体化されたスパイラル型またはプリーツ型の気体分離膜エレメントが用いられる。そして、この気体分離膜エレメントが、排気室３２の側に排気ガスの流れを導く流路を備えている。

図４は、スパイラル型の気体分離膜エレメント４１の一構成例を示している。この気体分離膜エレメント４１は、複数のガス通過孔（図示せず）が開口した集ガス管４６を中心として、シート状をなす複数のリーフ４２を空気側流路部材４３とともにスパイラル状に巻回したものであり、この気体分離膜エレメント４１を円筒状をなすケーシング（図示せず）の中に収容することで窒素富化装置１６が構成される。

各々のリーフ４２は、一部を展開かつ切り開いて示すように、シート状膜３３ａとシート状膜３３ｂとを重ね合わせ、周縁部４２ａにおいて接着剤により互いに接着したものである。シート状膜３３ａとシート状膜３３ｂとの間には、両者の対向面間でガスが通流し得るように連通する空隙を有するガス側流路部材４５が挟み込まれている。連通する空隙を有するガス側流路部材４５の構造としては、例えばネット、メッシュ、編み物が挙げられる。また、周縁部４２ａに加えて、仕切り部４２ｂにおいてもシート状膜３３ａとシート状膜３３ｂとが互いに接着されている。なお、周縁部４２ａおよび仕切り部４２ｂは、ガス側流路部材４５を介して、シート状膜３３ａとシート状膜３３ｂとが互いに接着されていてもよい。これにより、リーフ４２の内部（つまりシート状膜３３とシート状膜３３ｂとの間）に、矢印Ｇで示すように排気ガスがＵターンする形に流れる流路４７が形成されている。なお、仕切り部４２ｂは、図４に図示される形状に限らず、リーフ４２の内部に排気ガス流れの滞留を抑制し、シート状膜の全面に排気ガスが行き渡るように設けられることが好ましい。このリーフ４２内の排気ガスの流路４７は、一端が集ガス管４６の入口部４６ａに連通し、他端が出口部に連通している。つまり、集ガス管４６の入口部４６ａから矢印Ｇ１で示すように導入された排気ガスは、各リーフ４２の内部のＵターン形状の流路４７を流れ、かつ集ガス管４６の他端の出口部から矢印Ｇ２で示すように排出される。

また、各リーフ４２の間に介在する空気側流路部材４３は、隣接する２つのリーフ４２の間に空気用の流路を確保するように、連通する空隙を有する構造が好ましく、例えばネット、メッシュ、編み物が挙げられる。空気は、円筒状をなすケーシングにおいて該ケーシングの一端部から他端部へと軸方向に沿って流れるように案内される。つまり、各リーフ４２のシート状膜３３の表面に沿って矢印Ａで示すように空気が流れる。このように空気が流れる際に、シート状膜３３を通して一部の酸素が排気ガス側へ通過する。そのため、矢印Ａのように流れる空気は、窒素富化空気となって気体分離膜エレメント４１から流れ出る。

なお、上述のスパイラル型の気体分離膜エレメント４１に類似した構成は、国際公開ＷＯ２０１６／０２４５２３に記載されている。また、プリーツ型の気体分離膜エレメントの一構成例は、特開２００７−２２２８４１号公報に記載されている。本発明においては、これらの公知の気体分離膜エレメントを用いることができる。

上記のように構成された内燃機関１においては、窒素富化装置１６において空気から酸素を一部除去することによって窒素富化空気が生成され、この窒素富化空気が内燃機関１の燃焼室４に供給されて燃焼に供される。燃料噴射弁２から供給される燃料の噴射量およびスロットルバルブ１７を介して燃焼室４に導入される窒素富化空気の流量は、空燃比センサ２３を用いた公知のフィードバック制御によって、排気空燃比が理論空燃比相当のものとなるように、換言すれば燃焼室４における酸素と燃料との混合比が理論混合比となるように、それぞれ制御される。例えば、内燃機関１の発生トルクを何らかの形で検出ないし推定し、運転者の要求に応じたトルクが得られるようにスロットルバルブ１７の開度を制御した上で、理論混合比となるように燃料噴射量をフィードバック制御することが可能である。これにより、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが触媒コンバータ２２の三元触媒によって同時に浄化される。

また、図示しない筒内圧センサによって筒内圧を検出することによって燃焼室４内の酸素濃度を推定することも可能であり、エアフロメータ１８が検出する空気量と併せて燃焼室４内の酸素量を求めるようにしてもよい。

燃焼用の空気として酸素濃度が大気よりも低い窒素富化空気を用いることにより、理論混合比とするのに必要な空気量が増大する。つまり、見かけ上の空燃比が大となる。この結果、一般的なリーンバーンエンジンと同様に、燃焼温度が低くなり、燃焼効率が向上する。またポンピングロスも低減するため、燃焼効率の向上と併せて、燃料消費率が改善される。他方、一般的なリーンバーンエンジンとは異なり、燃料量に対し過剰となる酸素が存在しないので、燃焼温度が低いことによってＮＯｘの発生が本質的に少なくなる上に、触媒下での還元処理が可能となる。従って、一般的な三元触媒でもって排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に浄化することが可能である。

ここで、上記実施例のように窒素富化装置１６にスイープガスとして内燃機関１の排気ガスを導入する構成にあっては、排気ガス中の酸素濃度が低いことから、気体分離膜３３を介した酸素除去の効率が高くなる。つまり、気体分離膜３３における酸素の透過量は、気体分離膜３３を挟んで一方の側と他方の側とでの酸素分圧の差に依存する。燃焼により酸素が消費された排気ガスは、本質的に酸素濃度が非常に低いので、これをスイープガスとして利用することで、気体分離膜３３を通した酸素の除去を効果的に助成することができる。従って、比較的小型の窒素富化装置１６でもって窒素富化レベルを高く得ることが可能となる。換言すれば、吸気室３１側と排気室３２側とでの絶対圧の差が小さくても、酸素の除去を効率よく行うことができる。なお、窒素富化レベルは、スイープガスの流量で調整できる。スイープガスの流量の調整方法としては、例えば図１の排気分岐通路２５に分配される排気ガスの分配比で行うことができ、分配比の調整手段としては、排気分岐通路２５よりも下流の排気通路２１に備わる流量調整バルブ（図示せず）が挙げられる。この流量調整バルブは、エンジンコントローラ１０によって制御されてもよい。

例えば、理論空燃比が１４．７であるとすると、見かけ上の空燃比を３０前後まで高めるためには、大気中の約２１％である酸素濃度を半減し、酸素１０％、窒素９０％程度の高い窒素富化レベルの窒素富化空気を生成する必要がある。仮に従来のように酸素の移動先が大気であると、本質的に酸素分圧差がないことから、過給機により絶対圧を高くしても酸素除去の効率は低く、従って、このような窒素富化レベルの高い窒素富化空気を得るのは一般に困難である。あるいは、車両への搭載が困難となるような非常に大型の窒素富化装置が必要となる。

これに対し、上記実施例によれば、車両に搭載可能な比較的小型の窒素富化装置１６でもって高いレベルの窒素富化空気を容易に生成できる。特に、上記実施例では、三元触媒通過後の排気ガスが窒素富化装置１６にスイープガスとして導入される。このように三元触媒を通過することで排気ガス中に残存していた酸素も消費されるため、窒素富化装置１６に導入される排気ガスは酸素を殆ど含まないものとなる。従って、三元触媒を通過する前の排気ガスを導入した場合に比較して、酸素除去の効率がさらに高く得られるとともに、排気ガスによる酸素除去の助成作用がより安定したものとなる。

さらに上記実施例では、吸気室３１へ導入される空気は、ターボ過給機１１によって加圧されていることから、排気室３２内の排気ガスよりも高い絶対圧とすることができる。このように空気を加圧することで、酸素除去がより効率的となる。

一実施例においては、上述した例のように、酸素１０％、窒素９０％程度の高い窒素富化レベルの窒素富化空気を生成することが可能であり、これにより、理論混合比での燃焼を見かけ上の空燃比が３０程度のものとして実現することができる。

また、酸素除去を助成するスイープガスとなる排気ガスは、内燃機関１の運転ないし燃焼によって単純に生成されるガスであるので、スイープガスを生成するための付加的な装置が不要である。しかも、スイープガスの生成に伴って生じる追加的なエネルギ消費もない。従って、見かけ上の空燃比が高くなることで得られる燃料消費性能の向上がスイープガスの生成のために相殺されてしまうようなことがない。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、窒素富化装置としては上記実施例の高分子膜を利用したものに限らず、除去した酸素がスイープガスへと移動するものであれば、いかなる形式の窒素富化装置であってもよい。

Claims (7)

1. 酸素と燃料との混合比が理論混合比近傍で運転する火花点火式内燃機関であって、
   外部の空気から酸素を一部除去して燃焼に供される窒素富化空気を得る窒素富化装置と、
   排気通路に設けられた三元触媒と、
   内燃機関の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘが上記三元触媒において同時に浄化されるように空燃比センサを用いて上記混合比を理論混合比近傍にフィードバック制御する手段と、
   を備え、
   上記窒素富化装置は、上記のフィードバック制御中に、酸素の除去を助成するスイープガスとして上記三元触媒を通過した排気ガスが導入され、
   このスイープガスにより酸素が一部除去されて得られた窒素富化空気が当該内燃機関の燃焼室に供給される、内燃機関。
2. 上記スイープガスは、上記排気ガスが上記三元触媒を通過することで酸素を殆ど含まないガスとなっており、
   上記窒素富化装置に導入された外部の空気中の酸素の一部が上記スイープガスへ移動することで窒素富化空気が得られる、請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記窒素富化装置は、
   外部の空気が導入される吸気室と、
   上記排気ガスが導入される排気室と、
   酸素が選択的に通過する気体分離膜と、
   を備え、
   上記気体分離膜が上記吸気室と上記排気室とを隔成するように配置されている、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 外部から取り込んだ空気を加圧する過給機をさらに備え、
   上記窒素富化装置に、上記過給機で加圧された空気が導入される、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 酸素と燃料との混合比が空燃比センサを用いたフィードバック制御により理論混合比近傍で運転する火花点火式内燃機関に備わる窒素富化装置であって、
   この窒素富化装置は、
   外部の空気が導入され、窒素富化空気が排出される吸気室と、
   上記空気から酸素を一部除去する気体分離膜と、
   酸素の除去を助成するスイープガスとして、上記のフィードバック制御中の三元触媒によって浄化された内燃機関の排気ガスが導入される排気室と、
   を備え、
   上記吸気室から排出された窒素富化空気が上記内燃機関の燃焼室に供給されるように構成されるとともに、
   上記気体分離膜が上記吸気室と上記排気室とを隔成するように配置されている、窒素富化装置。
6. 上記気体分離膜が、シート状膜または中空状膜である、請求項５に記載の窒素富化装置。
7. 上記気体分離膜が、上記シート状膜が集積・一体化されたスパイラル型またはプリーツ型の気体分離膜エレメントであり、
   上記気体分離膜エレメントは、上記排気室の側にガスの流れを導く流路を備えている、請求項６に記載の窒素富化装置。

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