(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気が流れる吸気通路に設けられ、吸気に含まれる酸素の一部を酸素分離膜を透過させて前記吸気通路の外側に取り出して吸気を低酸素化する酸素分離装置と、該酸素分離装置により取り出された酸素を該酸素分離装置よりも上流の吸気通路に導入するか又は大気に放出するための切替弁と、前記酸素分離装置よりも下流の吸気通路に設けられ、吸気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、該酸素濃度センサにより検出された吸気中の酸素濃度が所定値以上のときは前記切替弁を大気放出側に開き、所定値未満のときは前記切替弁を吸気通路導入側に開くように制御する制御装置とを備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記酸素分離装置は、前記吸気通路の一部を前記酸素分離膜で形成した酸素分離管路と、該酸素分離管路を収容するように設けられ、該酸素分離管路を介して分離された酸素を取り出すためのケーシングとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
排気ガスの一部を吸気側に還流するためのＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、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過給機とを備え、前記酸素分離装置は前記コンプレッサよりも下流側の吸気通路に設けられ、前記制御装置は、前記酸素濃度センサにより検出された吸気中の酸素濃度が所定値以上のときは前記切替弁を大気放出側に開くと共に前記ＥＧＲ弁を開き、所定値未満のときは前記切替弁を吸気通路導入側に開くと共に前記ＥＧＲ弁を閉じるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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おいては、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）が知られている（例えば、特許文献1参照）。これは、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吸気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の生成を抑制することが可能となる。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、ＥＧＲ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。
【０００６】
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。
【０００７】
そこで、本発明者は、排気ガスを多量に還流することなく、エンジン本体への吸入空気の酸素濃度を低下させる手段として酸素分離膜を適用し、新気自体を低酸素濃度化することができるようにした内燃機関を先に発明した（特願２０００−１９８６３７号、未公開）。この発明によれば、熱効率の悪化を伴うことなく、ＮＯｘの低減を図ることが可能となる。
【０００８】
酸素分離膜における気体分離は、下記に示す気体透過の基本式（１）に基いている。下記式（１）中の気体透過率Ｐ、膜厚Ｌ、膜面積Ｓは、エンジンの運転状態によらず、酸素分離膜のモジュールによって決定される。
Ｆ＝（Ｐ／Ｌ）×ΔＰ×Ｓ  ・・・（１）
【０００９】
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。
【００１０】
従って、前記式（１）より酸素分離膜からの流出流量は、膜内外差圧（分圧差）ΔＰに依存することになるため、酸素分離膜を適用したエンジンとしては、吸気行程中に過給機から吸気マニホールドまでの間に酸素分離膜を設置することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２９１００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、前記エンジンにおいては、酸素分離膜から流出する酸素富化空気量が膜内外の差圧に依存するため、高過給化が高ＥＧＲ化と同義になる。しかしながら、過度に高過給化を進めた場合、目標とする吸気酸素濃度を下回り、スモークの排出の悪化が懸念される。
【００１３】
そこで、本発明はかかる事情を考慮してなされたものであり、酸素分離膜を用いてエンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制できると共に吸気酸素濃度の過度の低下を抑制できる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明は、吸気が流れる吸気通路に設けられ、吸気に含まれる酸素の一部を酸素分離膜を透過させて前記吸気通路の外側に取り出して吸気を低酸素化する酸素分離装置と、該酸素分離装置により取り出された酸素を該酸素分離装置よりも上流の吸気通路に導入するか又は大気に放出するための切替弁と、前記酸素分離装置よりも下流の吸気通路に設けられ、吸気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、該酸素濃度センサにより検出された吸気中の酸素濃度が所定値以上のときは前記切替弁を大気放出側に開き、所定値未満のときは前記切替弁を吸気通路導入側に開くように制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
前記酸素分離装置は、前記吸気通路の一部を前記酸素分離膜で形成した酸素分離管路と、該酸素分離管路を収容するように設けられ、該酸素分離管路を介して分離された酸素を取り出すためのケーシングとを備えたことが好ましい。
【００１６】
排気ガスの一部を吸気側に還流するためのＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、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過給機とを備え、前記酸素分装置は前記コンプレッサよりも下流側の吸気通路に設けられ、前記制御装置は、前記酸素濃度センサにより検出された吸気中の酸素濃度が所定値以上のときは前記切替弁を大気放出側に開くと共に前記ＥＧＲ弁を開き、所定値を下回るときは前記切替弁を吸気通路導入側に開くと共に前記ＥＧＲ弁を閉じるように制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、酸素分離膜を用いてエンジン本体からのＮＯｘ排出量を抑制できると共に吸気酸素濃度の過度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】酸素分離管路を示す部分斜視図である。
【図３】制御装置による制御方法を示すフローチャートである。
【図４】酸素分離膜通過後のＯ2濃度と酸素富化空気還流割合の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。
【００２０】
図１に、本発明の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、自動車用の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、このエンジン本体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。図１において、吸気の流れを白矢印で示し、排気の流れを黒矢印で示す。
【００２１】
前記エンジン１は、吸気を過給するための過給機７を備えている。この過給機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。
【００２２】
一方、エンジン本体２には、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が設けられている。この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、この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の下流側に設けられ、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、エンジン本体２の冷却水を用いてＥＧＲガスの冷却を行うものであり、水冷式である。
【００２３】
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Ｍで形成し、吸気通路５内の吸気に含まれる酸素Ｏ2の一部を酸素分離膜Ｍを透過させて吸気通路５の外側に取り出して吸気を低酸素化する酸素分離装置１５と、該酸素分離装置１５により取り出された酸素を該酸素分離装置１５よりも上流の吸気通路５に導入するか又は大気に放出するための３方電磁弁からなる切替弁１９と、前記酸素分離装置１５よりも下流の吸気通路５例えば吸気マニホールド３に設けられ、吸気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２０と、該酸素濃度センサ２０により検出された吸気中の酸素濃度が所定値Ｃ以上のときは前記切替弁１９を大気放出側（好ましくは大気放出通路）２１に開き、所定値Ｃ未満のときは前記切替弁１９を吸気通路導入側（好ましくはコンプレッサ９の上流側の新気通路）５ａに開くように制御する制御装置（ＥＣＵ）２２とを備えている。
【００２４】
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路１６を有する酸素分離装置１５が設けられている。この酸素分離装置１５は、空気通路の一部を酸素分離膜Ｍで形成した酸素分離管路１６と、この酸素分離管路１６を収容するよう設けられ、酸素分離管路１６を介して分離された酸素を取り出すためのケーシング１７とを備えている。
【００２５】
図２は、酸素分離管路１６（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している。ここで、酸素分離管路１６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。酸素分離管路１６の全体を酸素分離膜Ｍで形成してもよい。図２には円筒状の酸素分離管路１６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。また、図１には酸素分離管路１６はＵ字状に形成されているが、直線状であってもよい。
【００２６】
酸素分離膜Ｍは、その内表面を酸素分離管路１６の内部に露出させており、その外表面をケーシング１７内に露出させている。そして透過させた酸素がそのまま大気に放出されることなくケーシング１７内に一旦収容されるようになっている。前記ケーシング１７には内部に溜まった酸素を排出するための排出管１８が設けられ、この排出管１８の端部が切替弁１９を介して前記吸気通路５の導入側（コンプレッサ９の上流側の新気通路）５ａまたは大気に開放された大気放出側（大気放出通路）２１に切換可能に接続されている。なお、前記切替弁１９は、新気通路５ａ側又は大気放出通路２１側に排出される酸素の流量を調節することも可能である。
【００２７】
前記酸素分離管路１６内に流入する吸気である新気は、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でできた酸素分離管路１６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を透過する。なお、酸素以外の窒素Ｎ2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。従って、吸気の酸素濃度は２１％から１９％に２％減少されることになる。
【００２８】
このように酸素分離膜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ることができ、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。
【００２９】
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できる。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。
【００３０】
ところで、エンジン本体２からのＮＯｘ排出量を抑制するには、次のような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１もこの予混合燃焼を実行するように構成することができる。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。
【００３１】
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、吸気の酸素濃度を低下させることでＥＧＲを補助することができる。
【００３２】
前記酸素分離膜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。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。
【００３３】
この酸素分離膜Ｍ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。
【００３４】
前記式（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を有する酸素分離管路１６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。また、前記酸素分離管路１６を収容したケーシング１７の排気通路１８が切替弁１９を介してコンプレッサ９の吸気通路５ａ側又は大気開放通路２１側に開放されるため、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、吸気酸素濃度の低減効果が増大する。従って、吸気酸素濃度の低減効果を増大し、ＮＯｘ抑制に寄与し得る点で有利である。
【００３７】
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。また、酸素分離装置１５は、酸素分離管路１６とケーシング１６とで構成されるため、構造が簡単でコンパクトになると共に酸素分離を効率的に行うことができる。
【００３８】
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、例えば酸素分離管路１６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。
【００３９】
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。
【００４０】
以上述べたように、本実施形態によれば、酸素分離膜Ｍによって吸気中の酸素を吸気通路５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。
【００４１】
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１３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の低下を抑制することができる。
【００４２】
さらに、酸素分離膜Ｍの外側に酸素を収容するケーシング１７を設け、このケーシング１７の排出通路１８を切替弁１９を介して新気通路５ａ側又は大気放出通路２１側に接続するため、酸素分離膜Ｍ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。
【００４３】
特に、本制御においては、図３に示すように、吸気マニホールド３に設けられた酸素濃度センサ２０により酸素濃度を検出し（Ｓ１）、その検出値を目標酸素濃度Ｃと比較し、検出値が目標酸素濃度Ｃ以上である場合には、切替弁１９を大気開放通路２１側（新気通路５ａ側は全閉）にすると共にＥＧＲ弁１４を開き（Ｓ３）、酸素分離膜ＭとＥＧＲの併用により目標酸素濃度Ｃを達成することができる。また、検出値が目標酸素濃度Ｃよりも低い場合には、ＥＧＲ弁１４を閉じる共に切替弁１９を新気通路５ａ側に開き（Ｓ４）、その開度を調節することにより目標酸素濃度Ｃを達成することができる。酸素富化空気を過給機７前の新気通路５ａへ戻した際の酸素分離膜Ｍ通過後の吸気酸素濃度の変化の一例は図４に示す通りである。
【００４４】
本実施形態によれば、過度の低酸素濃度化を回避でき、運転領域全域で目標酸素濃度を達成することができ、スモーク及びＮＯｘの排出の低減が可能となる。
【００４５】
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、本発明は、ＥＧＲ装置を備えていない内燃機関にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  エンジン（内燃機関）
５  吸気通路
５ａ  新気通路（吸気通路導入側）
６  排気通路
７  過給機
８  タービン
９  コンプレッサ
１１  ＥＧＲ装置
１４  ＥＧＲ弁
１５  酸素分離装置
１６  酸素分離管路
１７  ケーシング
Ｍ  酸素分離膜
１９  切替弁
２０  酸素濃度センサ
２１  大気放出通路（大気放出側）
２２  制御装置
【図１】
0005447009.tif 000002
【図２】
0005447009.tif 000003
【図３】
0005447009.tif 000004
【図４】
0005447009.tif 000005