(57)【要約】【課題】排気を冷却して還流させるＥＧＲシステムにおいて、排気の冷却に伴う凝縮水の発生を抑える。【解決手段】水蒸気分離モジュール（ＳＳＭ）は、管状のハウジング５０を備えている。ハウジング５０は、中空糸膜５２を備えている。中空糸膜５２は、管状の中空糸５４の集合体である。中空糸５４は、その内壁によって形成される空間部ＳＰを有する。空間部ＳＰには、吸気または排気が流通する。ハウジング５０の内壁と、中空糸膜５２の外壁との間には、環状空間ＴＳが形成される。環状空間ＴＳには、乾燥ガスが流れる。中空糸５４の内壁には、高分子膜ＰＭが形成されている。高分子膜ＰＭは、高分子化イオン液体層と、当該イオン液体層を支持する支持膜と、を備えている。高分子化イオン液体層によれば、環状空間ＴＳと空間部ＳＰの間の水蒸気分圧の差を利用した除湿が促進される。【選択図】図３
2020081947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路を流れる排気の一部を冷却して吸気通路に還流させる内燃機関のＥＧＲシステムに適用される水蒸気分離モジュールであって、
前記吸気通路または前記排気通路の途中において、前記吸気通路または前記排気通路と連通する第１通路と、
前記第１通路の外壁を囲う第２通路と、
前記外壁と前記第２通路の内壁の間に乾燥ガスを通過させる乾燥ガス装置と、を備え、
前記第１通路の内壁に、下記式（１）で表される化合物から構成される水蒸気分離層が設けられる
ことを特徴とする水蒸気分離モジュール。
【化１】
2020081947.tif 000005
（式（１）において、Ｘ−は、Ｂｒ−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＨ３ＯＳＯ３−、またはＣ２Ｈ６ＯＳＯ３−である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムに適用される水蒸気分離モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１３−１０８４１３号公報は、内燃機関のＥＧＲシステムを開示する。ＥＧＲシステムは、ＥＧＲ管と、ＥＧＲクーラと、ＥＧＲバルブと、を備えている。ＥＧＲ管は、内燃機関の排気通路から分岐して同内燃機関の吸気通路に合流する。ＥＧＲクーラは、ＥＧＲ管を流れる排気（ＥＧＲガス）を冷却する。ＥＧＲバルブは、排気通路から吸気通路に還流させる排気の流量を調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１０８４１３号公報
【特許文献２】特開２０１６−０５２６１４号公報
【特許文献３】特開２０１７−１５４０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記ＥＧＲシステムによれば、ＥＧＲクーラで冷却した排気を内燃機関に供給できる。したがって、点火時期を遅角させることなくノッキングを回避することが可能となる。しかしながら、ＥＧＲクーラで排気を冷却すると、排気に含まれる水蒸気が凝縮することがある。また、排気には、酸性成分が含まれている。そのため、凝縮水が発生したときには、酸性成分によりこれが酸性化して吸気系の部品を腐食させる原因となる。
【０００５】
酸性成分は燃料に由来することから、凝縮水の酸性化を抑えるために、酸性成分の含有量が少ない燃料を検討することも可能である。しかしながら、どのような燃料を使用するかはユーザの自由である以上、燃料面からの技術的アプローチには限界がある。よって、凝縮水の発生そのものを抑える観点からの技術の開発が望まれる。
【０００６】
本発明の１つの目的は、排気を冷却して還流させるＥＧＲシステムにおいて、排気の冷却に伴う凝縮水の発生を抑えるための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水蒸気分離モジュールである。
前記水蒸気分離モジュールは、排気通路を流れる排気の一部を冷却して吸気通路に還流させる内燃機関のＥＧＲシステムに適用される。
前記水蒸気分離モジュールは、第１通路と、第２通路と、乾燥ガス装置と、を備える。
前記第１通路は、前記吸気通路または前記排気通路の途中において、前記吸気通路または前記排気通路と連通する。
前記第２通路は、前記第１通路の外壁を囲う。
前記乾燥ガス装置は、前記外壁と前記第２通路の内壁の間に乾燥ガスを通過させる。
前記第１通路の内壁に、下記式（１）で表される化合物から構成される水蒸気分離層が設けられる。
【０００８】
【化１】
2020081947.tif 000003
（式（１）において、Ｘ−は、Ｂｒ−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＨ３ＯＳＯ３−、またはＣ２Ｈ６ＯＳＯ３−である。）
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１通路の外壁と第２通路の内壁の間を乾燥ガスが通過する。吸気通路を流れる吸気中の水蒸気分圧、または排気通路を流れる排気の水蒸気分圧は、この乾燥ガス中の水蒸気分圧に比べて相対的に高くなる。そのため、第１通路内に吸気または排気が流れると、第１通路の内側と外側の間に水蒸気分圧の差が生じる。第１通路の内壁に設けられた水蒸気分離層は、この圧力差を利用して、第１通路の内側から外側に向けて水蒸気を運搬する。つまり、第１通路内を流れる吸気または排気が除湿される。よって、排気の冷却に伴う凝縮水の発生が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る水蒸気分離モジュール（ＳＳＭ）が適用されるＥＧＲシステムの構成例を説明する図である。
【図２】ＳＳＭの基本構成例を説明する図である。
【図３】中空糸の構成例を説明する図である。
【図４】中空糸による水蒸気分離のメカニズムを説明する図である。
【図５】中空糸膜サンプル（支持体：ＰＳｆ（Ａ））を用いた各種ガスの透過試験結果を示すデータである。
【図６】中空糸膜サンプル（支持体：ＰＳｆ（Ｂ））を用いた各種ガスの透過試験結果を示すデータである。
【図７】中空糸膜サンプル（支持体：ＰＥＳ／ＰＶＰ）を用いた各種ガスの透過試験結果を示すデータである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１２】
１．ＥＧＲシステムの説明
図１は、本発明の実施の形態に係る水蒸気分離モジュールが適用されるＥＧＲシステムの構成例を説明する図である。ＥＧＲシステムは、エンジンシステム１０の一部を構成する。エンジンシステム１０は、エンジン本体（ＥＮＧ）１２を備えている。ＥＮＧ１２の構成は特に限定されない。ＥＮＧ１２には、吸気通路１４および排気通路１６が接続されている。
【００１３】
吸気通路１４の入口付近には、エアクリーナ１８が設けられている。エアクリーナ１８の下流には、過給機２０のコンプレッサ２０ａが設けられている。コンプレッサ２０ａは、タービン２０ｂの回転エネルギにより駆動される。コンプレッサ２０ａの下流には、吸気を冷却するインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２２が設けられている。Ｉ／Ｃ２２の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。
【００１４】
排気通路１６には、タービン２０ｂが設けられている。タービン２０ｂの下流には、排気を浄化する触媒（一例として、三元触媒）を格納する触媒コンバータ２８が設けられている。触媒コンバータ２８の下流には、ＥＧＲ通路３０の入口３０ａが接続されている。ＥＧＲ通路３０の出口３０ｂは、エアクリーナ１８とコンプレッサ２０ａの間の吸気通路１４に接続されている。ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ（ＥＧＲ／Ｃ）３２が設けられている。ＥＧＲ／Ｃ３２の下流には、ＥＧＲバルブ３４が設けられている。
【００１５】
ＥＧＲシステムは、過給機２０、Ｉ／Ｃ２２、ＥＧＲ通路３０、ＥＧＲ／Ｃ３２およびＥＧＲバルブ３４から構成される。ＥＧＲシステムは、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムとも称される。ＥＧＲシステムによれば、排気通路１６を流れる排気の一部がＥＧＲ通路３０を経由して吸気通路１４に還流する。排気の還流量は、ＥＧＲバルブ３４の開度に応じて調整される。
【００１６】
本実施の形態に係る水蒸気分離モジュール（Steam Segregation Module）は、エンジンシステム１０のガス経路に合計５基設けられる。ＳＳＭ１は、エアクリーナ１８と出口３０ｂの間に設けられる。ＳＳＭ２は、出口３０ｂとコンプレッサ２０ａの間に設けられる。ＳＳＭ３は、コンプレッサ２０ａとＩ／Ｃ２２の間に設けられる。ＳＳＭ４は、触媒コンバータ２８と入口３０ａの間に設けられる。ＳＳＭ５は、入口３０ａとＥＧＲ／Ｃ３２の間に設けられる。
【００１７】
ＳＳＭ１〜ＳＳＭ３は、Ｉ／Ｃ２２の上流での除湿を目的として設置される。Ｉ／Ｃ２２の上流で除湿をすることで、Ｉ／Ｃ２２での吸気（すなわち、新気、または、新気と排気の混合気）の冷却によって凝縮水が発生することが抑えられる。ＳＳＭ４およびＳＳＭ５は、ＥＧＲ／Ｃ３２の上流での除湿を目的として設置される。ＥＧＲ／Ｃ３２の上流で除湿をすることで、ＥＧＲ／Ｃ３２での排気（すなわち、ＥＧＲガス）の冷却によって凝縮水が発生することが抑えられる。
【００１８】
なお、ＳＳＭの設置箇所は一例に過ぎない。すなわち、ＳＳＭ１またはＳＳＭ２が出口３０ｂに設けられていてもよいし、ＳＳＭ４がタービン２０ｂと触媒コンバータ２８の間に設けられていてもよい。また、ＳＳＭの総数も一例に過ぎない。すなわち、エンジンシステム１０の全体でＳＳＭ１のみが設けられていてもよいし、ＳＳＭ１およびＳＳＭ５の２基のみが設けられていてもよい。ＳＳＭ１〜ＳＳＭ５の他に、追加のＳＳＭが設けられていてもよい。
【００１９】
２  ＳＳＭの構成
２．１  ＳＳＭの基本構成
図２は、ＳＳＭの基本構成例を説明する図である。図２に示すように、ＳＳＭは、管状のハウジング５０を備えている。ハウジング５０は、例えば樹脂から構成される。ハウジング５０は、中空糸膜５２を備えている。中空糸膜５２は、ハウジング５０の入口側および出口側に設けた環状の固定部材５０ａおよび５０ｂを介して、ハウジング５０の内壁に取り付けられている。固定部材５０ａおよび５０ｂは、例えば、ハウジング５０と同一種類の樹脂から構成される。中空糸膜５２は、管状の中空糸５４の集合体である。中空糸５４は、その内壁によって形成される空間部ＳＰを有する。中空糸５４の管中心は、ハウジング５０の管中心と概ね平行に配置されている。
【００２０】
空間部ＳＰには、ガスが流通可能である。空間部ＳＰを流れるガスは、中空糸５４の管壁を通過することも可能である。ただし、本実施の形態では、中空糸５４の内壁にガスの通過を遮断する高分子膜ＰＭ（詳細は後述）が形成されている。そのため、中空糸５４の一端から空間部ＳＰに流入したガスは、同中空糸５４の他端から排出される。
【００２１】
ハウジング５０は、ガス流通経路（吸気通路１４、排気通路１６またはＥＧＲ通路３０を意味する。以下同じ。）の途中に取り付けられる。そのため、ガスの供給通路と空間部ＳＰは連通している。図２に示すように、中空糸膜５２の入口面５２ａから空間部ＳＰに流入したガス（ＦＥＥＤ  ＧＡＳ）は、中空糸膜５２の出口面５２ｂから排出される。
【００２２】
ハウジング５０には、乾燥ガスが流入する入口５６が取り付けられている。ハウジング５０には、乾燥ガスが流出する出口５８も取り付けられている。乾燥ガスとは、吸気または排気よりも含有水分量が相対的に少ないガスを意味する。乾燥ガスは、外気の除湿により準備される。入口５６および出口５８は、環状空間ＴＳと連通している。環状空間ＴＳは、ハウジング５０の内壁と、中空糸膜５２の外壁との間に形成されるものである。
【００２３】
環状空間ＴＳと空間部ＳＰの間には、中空糸５４の管壁および高分子膜ＰＭが存在する。そのため、環状空間ＴＳと空間部ＳＰは連通していない。また、固定部材５０ａの表面は入口面５２ａと連続し、固定部材５０ｂの表面は出口面５２ｂと連続している。つまり、固定部材５０ａおよび５０ｂは、環状空間ＴＳの側面を塞いでいる。そのため、環状空間ＴＳは、ガス流通経路とも連通していない。つまり、環状空間ＴＳは、入口５６および出口５８のみと連通している。
【００２４】
図２に示すように、出口５８の下流には、減圧ポンプ６０が設けられている。減圧ポンプ６０を駆動すると、乾燥ガス（ＳＷＥＥＰ  ＧＡＳ）が入口５６から流入し、環状空間ＴＳを流れて出口５８から排出される。ただし、乾燥ガスは、必ずしも環状空間ＴＳを流れるとは限らない。すなわち、隣り合う中空糸５４の外壁の間に空間が形成されているときは、この空間に乾燥ガスが流れてもよい。
【００２５】
２．２  中空糸５４の構成
図３は、中空糸５４の構成例を説明する図である。図３に示す中空糸５４は、内壁５４ａおよび外壁５４ｂを備えている。空間部ＳＰは、内壁５４ａによって囲まれる空間に相当する。内壁５４ａの全域には、高分子膜ＰＭが形成されている。高分子膜ＰＭは、高分子化イオン液体層と、当該イオン液体層を支持する支持膜と、を備えている。高分子膜ＰＭの詳細は後述する。高分子膜ＰＭが内壁５４ａの全域に形成されていることで、空間部ＳＰを流れるガス（ＦＥＥＤ  ＧＡＳ）に含まれる水蒸気が分離される。
【００２６】
２．３  水蒸気分離メカニズム
図４は、中空糸５４による水蒸気分離のメカニズムを説明する図である。図４には、高分子膜ＰＭが模式的に描かれている。高分子膜ＰＭの左方空間は、空間部ＳＰに相当する。ここには、空間部ＳＰに流入したガス（ＦＥＥＤ  ＧＡＳ）が流れる。高分子膜ＰＭの右方空間は、環状空間ＴＳに相当する。ここには、環状空間ＴＳに流入した乾燥ガス（ＳＷＥＥＰ  ＧＡＳ）が流れる。なお、高分子膜ＰＭは内壁５４ａに形成されているので、環状空間ＴＳと高分子膜ＰＭの間には中空糸５４の管壁が存在する。ただし、説明の便宜上、この図では中空糸５４の管壁を省略している。
【００２７】
環状空間ＴＳには乾燥ガスが流れるため、環状空間ＴＳにおける水蒸気分圧ＰＴＳは、空間部ＳＰにおける水蒸気分圧ＰＳＰよりも低い。つまり、高分子膜ＰＭの右方空間と左方空間との間に、水蒸気の濃度勾配が生じている。そのため、空間部ＳＰを流れる水蒸気は、高分子膜ＰＭに溶解する。高分子膜ＰＭに溶解した水蒸気は、高分子膜ＰＭの内部を拡散する。そして、環状空間ＴＳ側の表面に到達した水蒸気は、この表面から脱離する。
【００２８】
高分子膜ＰＭの環状空間ＴＳ側の表面から脱離した水蒸気は、中空糸５４の管壁を通過して中空糸５４の外側の空間に到達する。そして、この外側空間を流れる乾燥ガス、または、この外側空間の更に外側に位置する環状空間ＴＳを流れる乾燥ガスによって、ハウジング５０の外部へと搬出される。
【００２９】
３．高分子膜ＰＭ
３．１  高分子化イオン液体層
高分子化イオン液体層は、親水性且つ重合性のイオン液体のラジカル重合により得られる高分子の薄層である。親水性のイオン液体としては、Ｂｒ−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＨ３ＯＳＯ３−、またはＣ２Ｈ６ＯＳＯ３−をアニオンに有するイオン液体が例示される。重合性のイオン液体としては、カチオン分子内に反応性の二重結合を有するイオン液体が例示される。
【００３０】
高分子化イオン液体層は、下記式（１）で表される化合物から構成される。式（１）において、Ｘ−は、Ｂｒ−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＨ３ＯＳＯ３−、またはＣ２Ｈ６ＯＳＯ３−である。
【００３１】
【化２】
2020081947.tif 000004
【００３２】
高分子化イオン液体層は、水蒸気を選択的に分離する性質を有することが望ましい。水蒸気を選択的に分離する性質を高分子化イオン液体層が有することで、ＥＧＲシステムにおいて積極的に還流させる成分（例えば、二酸化炭素や窒素）が水蒸気と共にハウジング５０の外部へと搬出されるのを抑えることができる。
【００３３】
３．２  支持膜
支持膜は、高分子化イオン液体層を支持可能であり、且つ、耐熱性を有する高分子から構成される。このような高分子としては、ポリスルホン（ＰＳｆ）、ポリビニリデンフロライド（ＰＶｄＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）といった疎水性ポリマーが例示される。ただし、支持膜には、これらの疎水性ポリマーを親水化したコポリマーを用いることもできる。疎水性ポリマーの親水化は、疎水性ポリマーに親水性ポリマーを組み込むことにより得られる。コポリマーを構成する親水性ポリマーとしては、ポリアクリルアミド（ＰＡＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）が例示される。
【００３４】
４．実験結果
図５〜図７は、ポリ（１−ビニル−３−エチル−イミダゾリウムブロミド）の薄層が形成された中空糸膜サンプルにおける、各種ガスの透過試験結果を示すデータである。図５では、薄層の支持体としてＰＳｆ（Ａ）の膜が使用された。図６では、ＰＳｆ（Ａ）とは異なるＰＳｆ（Ｂ）の膜が薄層の支持体として使用された。図７では、ＰＥＳとＰＶＰのコポリマーの膜が薄層の支持体として使用された。
【００３５】
図５〜図７から分かるように、ポリ（１−ビニル−３−エチル−イミダゾリウムブロミド）の薄層が形成されたサンプルは、二酸化炭素や窒素よりも水蒸気を多く透過した。このことから、ポリ（１−ビニル−３−エチル−イミダゾリウムブロミド）の薄層を備える高分子膜ＰＭによれば、水蒸気を選択的に分離できることが分かる。
【００３６】
５．効果
以上説明した本実施の形態に係るＳＳＭによれば、環状空間ＴＳと空間部ＳＰの間の水蒸気分圧の差を利用した水蒸気分離（すなわち、除湿）を、高分子化イオン液体層によって促進することができる。したがって、ＥＧＲ／Ｃ３２やＩ／Ｃ２２でのガスの冷却時に凝縮水が発生するのを抑えることができる。これにより、排気を還流するエンジンの運転領域を拡大することが可能になる。よって、排気の還流による各種の効果（例えば、ノッキングの回避、燃費の向上、浄化を要する排気成分の削減）を一層高めることが可能になる。
【００３７】
なお、上記実施の形態においては、中空糸５４が本発明における「第１通路」に相当している。ハウジング５０が本発明における「第２通路」に相当している。減圧ポンプ６０が本発明における「乾燥ガス装置」に相当している。高分子化イオン液体層が本発明における「水蒸気分離層」に相当している。
【００３８】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００３９】
また、本発明の水蒸気分離モジュールの適用範囲は、ＥＧＲシステムに限られない。すなわち、本発明の水蒸気分離モジュールは、各種の除湿製品に適用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１４  吸気通路
１６  排気通路
３０  ＥＧＲ通路
３２  ＥＧＲクーラ
５０  ハウジング
５２  中空糸膜
５４  中空糸
５４ａ  内壁
５４ｂ  外壁
５６  入口
５８  出口
６０  減圧ポンプ
ＰＭ  高分子膜
ＳＰ  空間部
ＳＳＭ  水蒸気分離モジュール
ＴＳ  環状空間
【図１】
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【図２】
2020081947.tif 000007
【図３】
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【図４】
2020081947.tif 000009
【図５】
2020081947.tif 000010
【図６】
2020081947.tif 000011
【図７】
2020081947.tif 000012