(57)【要約】【課題】内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物削減方法、並びに膜モジュール、それを用いる内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を削減する方法であって、加圧された空気を水蒸気透過膜（１１）の一方の面に接触させ、水を前記水蒸気透過膜（１１）のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿する工程と、加湿された空気を内燃機関に導入する工程と、を有する、窒素酸化物削減方法。
2010137628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を削減する方法であって、
加圧された空気を水蒸気透過膜の一方の面に接触させ、水を前記水蒸気透過膜のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿する工程と、
加湿された空気を内燃機関に導入する工程と、
を有する、窒素酸化物削減方法。
【請求項２】
前記水が、前記加圧された空気以上に高い圧力で加圧されている、請求項１に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項３】
前記空気が前記水蒸気透過膜の前記一方の表面を流れる方向と、前記水が前記水蒸気透過膜の前記もう一方の表面を流れる方向とが、対向する、請求項１又は２のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項４】
前記空気を、窒素富化膜を用いて窒素富化する工程を更に有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項５】
内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を削減する方法であって、
加圧された空気を加湿窒素富化膜の一方の面に接触させることで窒素富化し、水を前記加湿窒素富化膜のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿する工程と、
窒素富化及び加湿された空気を内燃機関に導入する工程と、
を有する、窒素酸化物削減方法。
【請求項６】
前記水の圧力が、前記加圧された空気の圧力以下である、請求項５に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項７】
前記水が流れる領域を減圧することにより、前記水を流す、請求項５又は６に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項８】
前記窒素富化及び加湿された空気の酸素濃度が２０ｍｏｌ％以下である、請求項４〜７のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項９】
前記加圧された空気が前記加湿窒素富化膜の前記一方の表面を流れる方向と、前記水が前記加湿窒素富化膜の前記もう一方の表面を流れる方向とが、対向する、請求項５〜８のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項１０】
前記水が、水蒸気である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の空気処理方法。
【請求項１１】
前記水が、電解質を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素酸化物削減方法。
【請求項１２】
前記水が、塩化ナトリウムを含む請求項１〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素酸化物削減方法。
【請求項１３】
前記水の温度が、前記加圧された空気の温度の−１０℃〜＋３０℃である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項１４】
前記水蒸気を、前記内燃機関から排出される排気ガスで流す、請求項１０に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項１５】
前記加湿された空気又は窒素富化加湿された空気中における水の含有量が１ｍｏｌ％以上であり、かつ加湿された空気の湿度が１００％ＲＨ未満である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項１６】
前記水を、循環させて使用する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
【請求項１７】
水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜を収納するケースと、を備える膜モジュールであって、
前記ケース内には、前記水蒸気透過膜で仕切られた第一の空間と第二の空間とが形成され、
前記ケースは、
前記第一の空間に空気を供給する空気供給口と、
前記第一の空間から前記空気を排出する空気排出口と、
前記第二の空間に水を供給する水供給口と、
前記第二の空間から前記水を排出する水排出口と、
を備える、膜モジュール。
【請求項１８】
前記水蒸気透過膜が、加湿窒素富化膜である、請求項１７に記載の膜モジュール。
【請求項１９】
前記膜モジュールが、中空糸膜型膜モジュール又は平膜型膜モジュールである、請求項１７又は１８に記載の膜モジュール。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の膜モジュールと、
前記膜モジュールの前記空気供給口に、加圧された空気を供給する給気部と、
前記膜モジュールの前記水供給口に、水を供給する給水部と、
を備え、
前記膜モジュールの前記空気排出口から排出される処理空気を内燃機関の燃焼室に供給する、内燃機関の窒素酸化物削減装置。
【請求項２１】
前記給水部は、前記膜モジュールの前記水排出口から排出される水を、再び前記膜モジュールの前記水供給口に供給する送液部を有する、請求項２０に記載の内燃機関の窒素酸化物削減装置。
【請求項２２】
前記水の温度を制御する温度制御部と、
前記水の流量を制御する流量制御部と、
を更に備える、請求項２０又は２１に記載の内燃機関の窒素酸化物削減装置。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素酸化物削減装置と、
前記窒素酸化物削減装置で処理された前記処理空気が供給される燃焼室と、
を備える、内燃機関装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の窒素酸化物削減方法、並びにその装置に関する。より詳しくは、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物削減方法、並びに、それに用いる膜モジュール、内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等に代表される内燃機関は、燃焼効率が高く、二酸化炭素の発生も少ないため、幅広い分野で使用されている。しかし、内燃機関の排気ガスには窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）が含まれており、近年の環境意識の高まりから、年々ＮＯｘ排出の規制は厳しくなっている。そのため、効率が高く、かつ安価なＮＯｘ除去技術の開発が求められており、ＮＯｘの削減に関する様々な検討がなされている（非特許文献１及び２参照）。【０００３】
ＮＯｘ除去技術の具体例として、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを選択的に触媒で還元する選択的触媒還元（ＳＣＲ）技術等が挙げられる。しかし、ＳＣＲ技術はＮＯｘを還元するために尿素やアンモニア等の化学薬品が必要であり、薬品の管理や過大なコストが問題であった。また、数百〜数千ｐｐｍの高いＮＯｘ濃度の排気ガスに適用した場合、ディーゼルエンジン本体に匹敵するほど巨大な装置が必要となることも問題であった。【０００４】
その他の例として、水を噴霧した給気を内燃機関に供給することによって、ＮＯｘを削減することが提案されている（特許文献１参照）。また、燃料中に水を添加し、Ｗ／Ｏ型（Ｗａｔｅｒ／Ｏｉｌ型）エマルションとしてエンジン等に供給する方法も提案されている。【０００５】
さらに、膜を用いたＮＯｘ削減方法が提案されている。例えば、特許文献２には、酸素選択透過膜を用いて空気の窒素濃度を富化し、その窒素富化空気を内燃機関に供給することによって、ＮＯｘが削減されることが記載されている。特許文献３には、水蒸気透過膜を用いて排気から水蒸気を透過させ、その水蒸気を給気に供給することによって、ＮＯｘが削減されていることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０３−２０２６６８号公報
【特許文献２】特表２００３−５２２６３４号公報
【特許文献３】特開平０３−６１６５８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】横村、「過給ディーゼルエンジンのＥＧＲについて」、三菱ふそうテクニカルレビュー、２００３、Ｎｏ．１５、ｐ１８〜ｐ２４
【非特許文献２】Ｊ．  Ｈｕｐｌｉ，  “Ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ＮＯｘ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ”，  ＣＩＭＡＣ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，  ２００４，  Ｎｏ．１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した、水を噴霧した給気を内燃機関に供給する方法は、加湿された給気中に水滴が残りやすく、水滴を除去した後も、飽和の水蒸気であるため僅かな温度変化で結露しやすいという問題がある。この空気を内燃機関への給気として用いると、水滴が内燃機関の燃焼室を腐食させてしまう恐れがある。【０００９】
また、燃料中に水を添加しＷ／Ｏ型エマルションとしてエンジン等に供給する方法は、水添加により燃料の粘度が上昇してしまうため、添加する水の量を制限しなければならないという問題がある。【００１０】
これらの問題を解決しようとするものとして、上記した膜を用いたＮＯｘ削減方法を用いることも考えられているが未だ十分ではない。特許文献１の方法では、ＮＯｘの削減が不十分であり、例えば、２０１６年から施行される国際海事機関（ＩＭＯ）によるＮＯｘ排出規制（ＴｉｅｒＩＩＩ）をクリアできないという問題がある。ＴｉｅｒＩＩＩでは、現行規制であるＴｉｅｒＩに対して、ＮＯｘを８０％削減する水準に強化される。特許文献２の方法では、空気の加湿が不十分であるためＮＯｘの削減効果が不十分であり、ＴｉｅｒＩＩＩをクリアできないという問題がある。また、空気の温度及び湿度の制御が困難であるという問題もある。【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物削減方法、並びに膜モジュール、それを用いる内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、加圧された空気を水蒸気透過膜の一方の面に接触させ、水を前記水蒸気透過膜のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿し、この加湿された空気を内燃機関に導入することで、従来に比して大幅なＮＯｘの削減が可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。【００１３】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
〔１〕
内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を削減する方法であって、
加圧された空気を水蒸気透過膜の一方の面に接触させ、水を前記水蒸気透過膜のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿する工程と、
加湿された空気を内燃機関に導入する工程と、
を有する、窒素酸化物削減方法。
〔２〕
前記水が、前記加圧された空気以上に高い圧力で加圧されている、〔１〕に記載の窒素酸化物削減方法。
〔３〕
前記空気が前記水蒸気透過膜の前記一方の表面を流れる方向と、前記水が前記水蒸気透過膜の前記もう一方の表面を流れる方向とが、対向する、〔１〕又は〔２〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔４〕
前記空気を、窒素富化膜を用いて窒素富化する工程を更に有する、〔１〕〜〔３〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔５〕
内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を削減する方法であって、
加圧された空気を加湿窒素富化膜の一方の面に接触させることで窒素富化し、水を前記加湿窒素富化膜のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿する工程と、
窒素富化及び加湿された空気を内燃機関に導入する工程と、
を有する、窒素酸化物削減方法。
〔６〕
前記水の圧力が、前記加圧された空気の圧力以下である、〔５〕に記載の窒素酸化物削減方法。
〔７〕
前記水が流れる領域を減圧することにより、前記水を流す、〔５〕又は〔６〕に記載の窒素酸化物削減方法。
〔８〕
前記窒素富化及び加湿された空気の酸素濃度が２０ｍｏｌ％以下である、〔４〕〜〔７〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔９〕
前記加圧された空気が前記加湿窒素富化膜の前記一方の表面を流れる方向と、前記水が前記加湿窒素富化膜の前記もう一方の表面を流れる方向とが、対向する、〔５〕〜〔８〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔１０〕
前記水が、水蒸気である、〔１〕〜〔９〕のいずれか一項に記載の空気処理方法。
〔１１〕
前記水が、電解質を含む、〔１〕〜〔１０〕のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素酸化物削減方法。
〔１２〕
前記水が、塩化ナトリウムを含む〔１〕〜〔１１〕のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素酸化物削減方法。
〔１３〕
前記水の温度が、前記加圧された空気の温度の−１０℃〜＋３０℃である、〔１〕〜〔１２〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔１４〕
前記水蒸気を、前記内燃機関から排出される排気ガスで流す、〔１０〕に記載の窒素酸化物削減方法。
〔１５〕
前記加湿された空気又は窒素富化加湿された空気中における水の含有量が１ｍｏｌ％以上であり、かつ加湿された空気の湿度が１００％ＲＨ未満である、〔１〕〜〔１４〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔１６〕
前記水を、循環させて使用する、〔１〕〜〔１５〕のいずれか一項に記載の窒素酸化物削減方法。
〔１７〕
水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜を収納するケースと、を備える膜モジュールであって、
前記ケース内には、前記水蒸気透過膜で仕切られた第一の空間と第二の空間とが形成され、
前記ケースは、
前記第一の空間に空気を供給する空気供給口と、
前記第一の空間から前記空気を排出する空気排出口と、
前記第二の空間に水を供給する水供給口と、
前記第二の空間から前記水を排出する水排出口と、
を備える、膜モジュール。
〔１８〕
前記水蒸気透過膜が、加湿窒素富化膜である、〔１７〕に記載の膜モジュール。
〔１９〕
前記膜モジュールが、中空糸膜型膜モジュール又は平膜型膜モジュールである、〔１７〕又は〔１８〕に記載の膜モジュール。
〔２０〕
〔１７〕〜〔１９〕のいずれか一項に記載の膜モジュールと、
前記膜モジュールの前記空気供給口に、加圧された空気を供給する給気部と、
前記膜モジュールの前記水供給口に、水を供給する給水部と、
を備え、
前記膜モジュールの前記空気排出口から排出される処理空気を内燃機関の燃焼室に供給する、内燃機関の窒素酸化物削減装置。
〔２１〕
前記給水部は、前記膜モジュールの前記水排出口から排出される水を、再び前記膜モジュールの前記水供給口に供給する送液部を有する、〔２０〕に記載の内燃機関の窒素酸化物削減装置。
〔２２〕
前記水の温度を制御する温度制御部と、
前記水の流量を制御する流量制御部と、
を更に備える、〔２０〕又は〔２１〕に記載の内燃機関の窒素酸化物削減装置。
〔２３〕
〔２０〕〜〔２２〕のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素酸化物削減装置と、
前記窒素酸化物削減装置で処理された前記処理空気が供給される燃焼室と、
を備える、内燃機関装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物削減方法、並びに膜モジュール、それを用いる内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置によれば、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の膜モジュールの一実施形態の斜視図である。
【図２】本実施形態の膜モジュールの別の一実施形態の斜視図である。
【図３】本実施形態の膜モジュールの別の一実施形態の斜視図である。
【図４】本実施形態で用いる中空糸型膜モジュールの一実施形態の概念図である。
【図５】本実施形態で用いる平膜型モジュールの一実施形態の概念図である。
【図６】本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置の一実施形態の概念図である。
【図７】本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置の別の一実施形態の概念図である。
【図８】本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置の別の一実施形態の一部を示す概念図である。
【図９】本実施形態で用いる中空糸型膜モジュールの別の一実施形態の概念図である。
【図１０】本実施形態の内燃機関装置の一実施形態の概念図である。
【図１１】実施例で用いた内燃機関装置の概念図である。
【図１２】実施例で用いた内燃機関の窒素酸化物削減装置の概念図である。
【図１３】実施例で用いた内燃機関の窒素酸化物削減装置の概念図である。
【図１４】実施例で用いた内燃機関装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について、必要に応じて図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。また、添付図面は実施形態の一例を示したものであり、形態はこれに限定して解釈されるものではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。なお、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとし、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１７】
本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減方法は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を削減する方法であって、
加圧された空気を水蒸気透過膜の一方の面に接触させ、水を前記水蒸気透過膜のもう一方の面に沿って流すことで、前記加圧された空気を加湿する工程と、
前記加湿された空気を内燃機関に導入する工程と、
を有する。内燃機関に導入される加圧された空気を加湿することにより、内燃機関での燃焼時に発生する窒素酸化物を削減することができる。具体的には、加圧された空気を水蒸気透過膜の一方の面に接触させ、水を水蒸気透過膜のもう一方の面に沿って流すことで、加圧された空気を加湿し、その加湿された空気を内燃機関に供給する方法である。
【００１８】
上記加湿された空気を内燃機関の給気として用いることで、ＮＯｘの発生を低減できる。その作用については定かではないが、下記（１）及び（２）によって、ＮＯｘの発生を低減できると推測される（但し、本実施形態の作用はこれに限定されない）。
（１）燃焼に用いられる空気中に水蒸気が含まれることにより、空気の酸素濃度が低下し、燃焼反応を抑制することで、燃焼温度を下げることができる。そのため、ＮＯｘが生成する副反応を抑制できる。
（２）三原子分子である水は、相対的に比熱が高く、燃焼時の発熱温度を下げることができる。そのため、ＮＯｘが生成する副反応を抑制できる。
【００１９】
使用する空気中の酸素、窒素、炭酸ガス、一酸化炭素等の成分の濃度は特に限定されず、例えば、大気に排気ガス等を混合して各成分調整した空気も使用可能である。加圧された空気は、後述する水蒸気透過膜の一方の面に接触させる。その際、水蒸気透過膜の反対側の面に通水されている水が水蒸気透過膜から浸透することにより、加圧された空気が加湿される。本実施形態では、加圧された空気を水蒸気透過膜に接触させることで、膜の水蒸気透過性能を高く維持しつつ空気を加湿できるので、効率的に加湿することができる。
【００２０】
本実施形態の窒素酸化物削減方法は、水蒸気透過膜を通して空気を加湿するので、加湿空気には水滴が含まれない。加湿された空気が僅かな温度変化で結露することを防ぐ観点から、湿度は１００％ＲＨ未満が好ましく、９５％ＲＨ以下がより好ましい。本実施形態の窒素酸化物削減方法では、流す水の温度と流量を制御することで、水蒸気透過膜を通して加湿する空気の湿度を高精度に制御できる。
【００２１】
従来から検討されてきた、水を噴霧することによって空気を加湿する方法では、加湿された空気中の水滴を除去することが難しく、また湿度を任意に制御することが困難であった。これに対して本実施形態の方法では、水滴が発生せず、また任意の湿度を容易に制御できるため、加湿された空気の僅かな温度変化によって起こる結露を防止することができる。したがって、本実施形態の方法は、非常に信頼性及び安定性の高い方法である。
【００２２】
また、本実施形態の窒素酸化物削減方法では、水蒸気透過膜を通して加湿するため、流す水又は水蒸気として、電解質、特に塩化ナトリウムを含むものも用いることもできる。従来、内燃機関の給気を加湿する方法として、ＳＡＭ法（Ｓｃａｖｅｎｇｅ  Ａｉｒ  Ｍｏｉｓｔｕｒｉｚｉｎｇ）が知られている。この方法は、主に、船舶用ディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物を削減するために用いられる方法であり、給気を海水で加湿した後に、淡水で処理して、給気中に含まれる海水ミストを除去する脱塩工程を経て、給気を加湿する方法である。脱塩が完全に行なわれない場合は、内燃機関に塩が入り、内燃機関の故障の原因となるため、脱塩を入念に行う必要があった。
【００２３】
それに対して、本実施形態の窒素酸化物削減方法は、水蒸気透過膜を用いて加湿を行うため、液体の水を透過せず、加湿される空気中に塩が移行しない方法である。従って加湿に用いる水としては、高度に脱塩された水以外に、低水準に脱塩された水や、海水も用いることが可能である。海水を用いた場合であっても、脱塩工程は不要であり、極めて簡易な装置構造で給気を加湿することができる。
【００２４】
本実施形態で用いる水蒸気透過膜とは、少なくとも空気を加湿するができる膜であればよい。具体的には、液体の水を透過させず、水蒸気を透過させる性質を少なくとも有する膜である。水蒸気透過膜の構造や材料については特に限定されず、用途や使用環境に応じて適宜好適なものを選択できる。水蒸気透過膜としては、上記した性質を有するものであればよく、その種類は限定されず、疎水性微多孔膜や、気体透過膜を用いたものが挙げられる。
【００２５】
疎水性微多孔膜とは、疎水性である微多孔膜であり、液体の水は透過しないが、水蒸気は透過する膜をいう。ここで、疎水性とは、ポリマーとしての吸水率が０．５質量％以下のものを指す。吸水率は０．１質量％以下が好ましく、０．０５質量％以下がより好ましく、０．０１質量％以下が更に好ましい。ここで、ポリマーとしての吸水率は、後述する実施例に記載の方法により測定できる。
【００２６】
また、疎水性微多孔膜の孔は、微多孔膜を構成する材料（例えば、樹脂等）が液体の水をはじくために液体の水は透過しないが、水蒸気は透過することができる程度であることが好ましい。特に、窒素透過速度に対する酸素透過速度の比（酸素透過速度／窒素透過速度）が１以下である細孔を有する疎水性の微多孔膜がより好ましい。
【００２７】
ここで、窒素透過速度に対する酸素透過速度の比とは、酸素（あるいは窒素）の単位時間での透過量を単位面積・単位圧力当たりに換算（例えば、ＧＰＵ＝１０−６ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ）し、その比をとったものである。
【００２８】
疎水性微多孔膜の種類は、特に限定されず、例えば、フッ素樹脂系微多孔膜等が挙げられ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）微多孔膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微多孔膜、ポリイミド微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、ポリスルホン微多孔膜、ポリエーテルスルホン微多孔膜等公知の様々な微多孔膜を用いることができる。さらには、限外ろ過膜（ＵＦ膜）として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜等も挙げられる。
【００２９】
気体透過膜とは、実質的に気体が透過することができる程度の孔が無く、膜中で気体が溶解又は拡散することにより透過する膜をいう。気体透過膜の種類としては、特に限定されず、有機系高分子又は無機系の気体透過膜が挙げられる。本実施形態において、気体透過膜としては、酸素透過速度／窒素透過速度が１より大きいことが好ましい。
【００３０】
有機系高分子の気体透過膜としては、特に、疎水性の有機系高分子の気体透過膜であることが好ましい。ここでいう疎水性は、上記で述べたとおりである。有機系高分子の気体透過膜としては、例えば、フッ素樹脂系気体透過膜、ポリイミド系気体透過膜、シリコン系気体透過膜等が挙げられる。それらの中でも、水蒸気が透過する速度が速いという観点から、フッ素樹脂系、ポリイミド系の気体透過膜が好ましく、フッ素樹脂系の気体透過膜がより好ましい。
【００３１】
フッ素樹脂系気体透過膜としては、非晶質の含フッ素重合体を用いたものが好ましい。このような非晶質の含フッ素重合体としては、例えば、主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体が挙げられる。主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体は、例えば、ペルフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）（ＰＤＤ）、ペルフルオロ（２−メチル−１，３−ジオキソール）、ペルフルオロ（２−エチル−２プロピル−１，３−ジオキソール）、ペルフルオロ（２，２−ジメチル−４メチル−１，３−ジオキソール）等のジオキソール環を有する単量体と、フッ素、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基等のフッ素置換アルキル基を有するペルフルオロジオキソール類、ペルフルオロ（４−メチル−２−メチレン−１，３−ジオキソラン）（ＭＭＤ）、ペルフルオロ（２−メチル−１，４−ジオキシン）等の含フッ素脂環構造を有する単量体と、を共重合させることにより得られる。
【００３２】
また、上記の単量体とＣ−Ｈ結合を含まない他のラジカル重合性単量体とを共重合させることにより得られる、主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体も用いることもできる。含フッ素重合体の気体の透過性を向上させる観点から、含フッ素重合体における含フッ素脂環構造を有する単量体の重合単位の割合が７０モル％以上であることが好ましい。これにより環状構造を多く有することとなり、分子間隙が大きくなり、気体の透過速度を一層上昇させることができる。
【００３３】
Ｃ−Ｈ結合を含まない他のラジカル重合性単量体としては、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロ（メチルビニルエーテル）等が挙げられる。実質的にＣ−Ｈ結合を有さない非晶質の含フッ素重合体としては、ペルフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール重合体等が挙げられる。これらは市販品を用いることもでき、例えば、商品名「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」（デュポン社製）、商品名「テフロン（登録商標）ＡＦ２４００」（デュポン社製）、商品名「ＨＹＦＬＯＮ  ＡＤ」（アウジモント社製）等が挙げられる。また、水蒸気透過膜及び後述する加湿窒素富化膜の表面の水接触角としては、９０°以上が好ましく、より好ましくは９５°以上、更に好ましくは１００°以上である。水接触角は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
【００３４】
無機系の気体透過膜としては、窒化ケイ素系、炭素系等の気体透過膜が挙げられる。
【００３５】
上記した水蒸気透過膜、後述する窒素富化膜及び加湿窒素富化膜（以下、単に「膜」と総称する場合がある。）は、支持層を有していてもよい。これによって、膜の機械的強度を向上させることができる。支持層の材質は、膜が加湿や窒素富化といった機能を発揮することができるものであれば特に限定されず、様々なものを用いることができる。例えば、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。支持層として用いられる微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ微多孔膜、ＰＴＦＥ微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、限外ろ過膜（ＵＦ膜）として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜等が挙げられる。平膜の場合、支持層の上に膜が形成された形態等が挙げられる。中空糸膜の場合、支持層である中空糸膜の内側の表面又は外側の表面に、膜が形成された形態等が挙げられる。
【００３６】
支持層を有する膜のその他の例としては、ポリイミド系の膜である場合、膜そのものを湿式で製膜した非対象構造の膜が挙げられる。さらに、無機系の気体透過膜である場合、支持層であるセラミック膜の上に気体透過膜を水熱合成で形成したものや、化学蒸着（ＣＶＤ）により薄膜形成したものが挙げられる。
【００３７】
本実施形態では、水（水蒸気も含む）を水蒸気透過膜に沿って流すことで、空気を加湿するため、上記した各水蒸気透過膜の性能に合わせて、水の流量及び温度を制御することにより、容易に空気の湿度を調整できる。
【００３８】
水蒸気透過膜を用いて加湿を行う場合、加湿に用いる水は、特に限定されず、純水、上水、中水等であってもよく、イオンや微粒子を夾雑物として含む水であってもよい。本実施形態で用いる水は、電解質を含むものであっても優れた加湿効果を得ることができ、例えば、塩化ナトリウムを含む水（例えば、海水等）であっても優れた加湿効果を得ることができる。特に、イオン性官能基を持たない有機系高分子を用いた水蒸気透過膜では、これらの夾雑物は空気供給側に漏れることを効果的に抑制できるので、よりクリーンな加湿が可能である。
【００３９】
本実施形態で用いる水の状態は特に限定されず、液体であってもよいし、気体（水蒸気）であってもよい。水蒸気を用いることにより、窒素富化膜及び加湿窒素富化膜の窒素富化能力を低下することなく加湿を行うことができる。
【００４０】
水が水蒸気である場合は、必要に応じて他の物質をキャリアーとして併用してもよい。特に、空気をキャリアーとして用いることが好ましい。キャリアーを用いることにより、水蒸気の流量や温度をより正確に制御できる。それらの中でも、内燃機関の排気をキャリアーとして用いることがより好ましい。内燃機関の排気をキャリアーとして用いることにより、内燃機関の排気を再利用でき、環境への影響も一層低減することができる。
【００４１】
水蒸気透過膜を通して加湿を行う際、空気が流れる方向と水が流れる方向は特に限定されないが、加圧された空気が流れる方向と、水又は水蒸気が流れる方向とが、膜を隔てて対向することが好ましい。両者が逆の方向で流れることによって、加湿を効率良く行うことができる。また、海水等ように塩や不純物を含んだ水を用いた場合であっても、水が水蒸気膜の表面を流れていることにより塩や不純物等が水蒸気透過膜の表面に滞留せず、長期に安定した運転を行うことができる。
【００４２】
空気の圧力（空気圧）と水の圧力（水圧）の関係は特に限定されないが、水が、加圧された空気以上に高い圧力で加圧されていることが好ましい。即ち、加湿される側の空気圧力と同じ、あるいはそれ以上の圧力を維持して水を流すことが好ましい。それによって、加圧された空気を加湿することが容易となる。また、水の圧力を加湿される側の圧力以上とすることで、加湿される側の空気が水蒸気透過膜を通して抜けるのを防ぎ、空気量及びエネルギーの損失を抑えることができる。
【００４３】
水を流すことで、加圧された空気に対して、常に一定の熱量を供給でき、空気の湿度及び温度の制御を容易にできる。流す水の温度は、供給される加圧された空気の温度に対して、−１０℃〜＋３０℃と設定することが好ましい。この温度範囲とすることで、空気を一層効率的に加湿することができ、ＮＯｘの削減に一層有効である。
【００４４】
本実施形態の窒素酸化物削減方法では、湿度５０％ＲＨ以上の加湿された空気を得ることができる。加湿された空気の湿度は、８０％ＲＨ以上であることがより好ましく、９０％ＲＨ以上であることが更に好ましい。かかる湿度の空気を内燃機関の運転に用いた場合、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘの含有量を大幅に削減できる。また、加湿された空気の湿度は、結露しない程度であることが好ましく、湿度は１００％ＲＨ未満であることが好ましく、９５％ＲＨ以下であることがより好ましい。これによって、僅かな温度変化で結露することを防ぐことができる。
【００４５】
本実施形態の窒素酸化物削減方法では、加湿された空気中における水の含有量が１ｍｏｌ％以上であることが好ましい。加湿された空気中の水分子の量が多いほど、内燃機関におけるＮＯｘ発生を抑制できるため好ましい。より好ましくは３ｍｏｌ％以上であり、更に好ましくは６ｍｏｌ％以上であり、より更に好ましくは９ｍｏｌ％以上であり、より一層好ましくは１０ｍｏｌ％以上である。
【００４６】
水の含有量の上限は、湿度が上記した上限を超えない程度の含有量であることが好ましい。ある温度において、水の含有量が増加すると、水の蒸気圧が増加し、飽和蒸気圧に対する蒸気圧の割合である湿度（％ＲＨ）も増加する。したがって、内燃機関の運転温度において、湿度が１００％ＲＨ未満となるような水の含有量に調整することが好ましい。そのため、加湿された空気の温度によって水の含有量の上限は異なるが、湿度が１００％ＲＨ未満である含有量が好ましい。
【００４７】
本実施形態では、水を循環させて使用することが好ましい。循環させる態様としては特に限定されないが、例えば、水蒸気透過膜の表面を流れた水を、再び水蒸気透過膜の表面に沿って流すことにより水を循環させることが好ましい。これによって、節水できるので経済性の観点からも好ましい。
【００４８】
本実施形態の窒素酸化物削減方法では、加湿に加えて、加圧された空気を窒素富化することが好ましい。この場合、窒素富化した空気を加湿する方法、加湿した空気を窒素富化する方法、及び加湿と同時に窒素富化する方法が挙げられる。
【００４９】
上記加湿及び窒素富化された空気を内燃機関の給気として用いることで、ＮＯｘの発生を一層効果的に低減できる。その作用については定かではないが、下記（１）〜（３）によって、ＮＯｘの発生を一層効果的に低減できると推測される（但し、本実施形態の作用はこれに限定されない）。
（１）燃焼に用いられる空気中に水蒸気が含まれることにより、空気の酸素濃度が低下し、燃焼反応を抑制することで、燃焼温度を下げることができる。そのため、ＮＯｘが生成する副反応を抑制できる。
（２）三原子分子である水は、相対的に比熱が高く、燃焼時の発熱温度を下げることができる。そのため、ＮＯｘが生成する副反応を抑制できる。
（３）酸素濃度の低い環境で燃焼反応を抑制することで燃焼温度を下げることができるので、ＮＯｘが生成する副反応を一層効果的に抑制できる。
【００５０】
窒素富化した空気を加湿する方法、又は加湿した空気を窒素富化する方法としては、上記した空気を加湿する工程に加えて、空気を窒素富化する工程を更に有する方法が挙げられる。窒素富化と加湿を別々に行う場合、空気の湿度及び酸素濃度を制御し易いという利点がある。空気を窒素富化する工程は、上記した空気を加湿する工程の前で行ってもよいし、後で行ってもよい。好ましくは、加圧された空気を窒素富化した後に加湿する方法である。窒素富化膜を用いる場合、膜を透過した酸素を系外へ排出する工程を含むことが好ましい。具体的には、加圧された空気を窒素富化膜に接触させ、掃気用の空気を前記窒素富化膜のもう一方の面に沿って、流す方法が挙げられる。
【００５１】
窒素富化を行う場合に用いられる窒素富化膜は、空気等の混合気体から酸素を優先的に透過させる性質を少なくとも有する選択透過膜である。窒素富化膜の構造や材料については特に限定されず、用途や使用環境に応じて適宜好適なものを選択できる。上記した水蒸気透過膜の中で、気体透過膜等が挙げることができ、酸素透過速度／窒素透過速度比が１以上である有機系高分子の気体透過膜が好ましい。
【００５２】
加湿（例えば、水蒸気透過膜を使用する。）と窒素富化（例えば、窒素富化膜を使用する。）を別々に行う場合、窒素富化を行う窒素富化膜の表面の圧力については、掃気用の空気の圧力が、加圧された空気の圧力以下であることが好ましい。それによって、酸素が窒素富化膜を透過し易くなる。
【００５３】
加湿と同時に窒素富化する方法としては、水蒸気透過膜として、加湿窒素富化膜を用いる方法が挙げられる。具体的には、加圧された空気を加湿窒素富化膜の一方の面に接触させることで窒素富化すると同時に、水を前記加湿窒素富化膜のもう一方の面に沿って流すことで前記加圧された空気を加湿する方法が挙げられる。
【００５４】
同時に行う場合、作業工程が少なく、かつ簡易な装置構造にて実施できるという利点がある。加湿窒素富化膜を用いる場合、膜を透過した酸素を系外へ排出する工程や、流した水から酸素を除去する工程を更に有することが好ましい。
【００５５】
ここで、加湿窒素富化膜とは、空気を加湿でき、かつ酸素を選択的に透過することができる膜をいう。この膜を用いることより加湿及び窒素富化を同時に行うことができる。加湿窒素富化膜としては、上記した水蒸気透過膜の中で、気体透過膜等が挙げられ、さらに、酸素透過速度／窒素透過速度比が１より大きい有機系高分子の気体透過膜が好ましい。加湿窒素富化膜のより好ましい具体例としては、上記した水蒸気透過膜の中で、フッ素樹脂系の気体透過膜が挙げられる。
【００５６】
加湿と窒素富化とを同時に行う場合、加湿窒素富化膜の圧力については特に限定されないが、水の圧力が、加圧された空気の圧力以下であることが好ましい。それによって、酸素が透過し易くなる。加湿窒素富化膜を隔てて、加湿窒素富化膜に沿って流れる水の圧力を、加湿窒素富化膜に接触する加圧された空気の圧力以下とする方法としては、特に限定されない。例えば、水が流れる領域を減圧することにより、水を流す方法等が挙げられる。
【００５７】
加湿と窒素富化を同時に行う場合、加圧された空気が流れる方向と、水が流れる方向とが対向することが好ましい。加圧された空気の流れと、水の流れとを対向させることで、加湿窒素富化膜の表面において、空気が流れる側と水が流れる側の酸素の分圧差が、膜全体に渡って生じる。その結果、より効率的に酸素を透過させることができる。
【００５８】
加湿及び窒素富化された空気の酸素濃度は、特に限定されないが、２０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。より好ましくは１９ｍｏｌ％以下、更に好ましくは１８．５ｍｏｌ％以下、より更に好ましくは１８ｍｏｌ％以下、より一層好ましくは１７．５ｍｏｌ％以下である。好ましい湿度の範囲に関しては、加湿方法において上記したとおりである。
【００５９】
その他、水又は水蒸気の温度や流量、循環等は、加湿することによる窒素酸化物削減方法において上記した事項が当てはまる。特に、加湿及び窒素富化を行う際であっても、水又は水蒸気を流すことによって、加圧された空気の温度及び湿度を容易に制御できる。
【００６０】
以下、本実施形態の膜モジュール、内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置について説明する。
【００６１】
本実施形態の膜モジュールは、水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜を収納するケースと、を有する膜モジュールであって、前記ケース内には、前記水蒸気透過膜で仕切られた第一の空間と第二の空間とが形成され、前記ケースは、前記第一の空間に空気を供給する空気供給口と、前記空気を排出する空気排出口と、前記第二の空間に水を供給する水供給口と、前記水を排出する水排出口とを備える。
【００６２】
本実施形態の膜モジュールは、水蒸気透過膜を組み込み、モジュール化したものである。膜モジュールの第一の空間は、空気を供給する開口部である空気供給口を有し、水蒸気透過膜により加湿された空気を取り出す開口部である空気排出口を有する。この第一の空間は上記した空気が流れる空間である。膜モジュールの第二の空間は、水又は水蒸気を流すための開口部である水供給口と水排出口を備えている。この第二の空間は上記した水が流れる空間である。上記した各開口部の数は、特に限定されず、膜モジュールの使用形態等を考慮して好適な数だけ設けることができる。
【００６３】
膜モジュールの形態としては、特に限定されず、中空糸型膜モジュール又は平膜型膜モジュール等が挙げられる。例えば、平膜を用いたプレート・アンド・フレーム型、プリーツ型、あるいは中空糸型、チューブラー型等の膜モジュールが挙げられる。プリーツ型には、箱型にプリーツを重ねた形状ものと、プリーツを円筒に巻きつけた形状もの等が挙げられる。
【００６４】
図１は、本実施形態の膜モジュールの一実施形態の斜視図である。膜モジュールαは、箱型にプリーツを重ねた形状の膜モジュールである。水蒸気透過膜α１は、蛇腹状に連続して折りたたまれ、山折りの部分と谷折りの部分が重なり合って形成された複数のひだ部（プリーツ）を有している。プリーツ加工によって、特定のピッチで山折り谷折りを繰り返す構造になっており、接触面積を向上させることができるので効率がよい。ここでは一例として水蒸気透過膜α１を用いる場合について説明したが、水蒸気透過膜として、後述する加湿窒素富化膜等を用いてもよい。
【００６５】
図２は、本実施形態の膜モジュールの別の一実施形態の斜視図である。膜モジュールβは、プリーツを円筒に巻きつけた形状の膜モジュールである。ここでは一例として水蒸気透過膜β１を用いる場合について説明したが、水蒸気透過膜として、後述する加湿窒素富化膜等を用いてもよい。
【００６６】
図３は、本実施形態の膜モジュールの別の一実施形態の斜視図である。膜モジュールγは、プリーツを円筒に巻きつけ、円筒の中心軸に対して側面しした状態で、反時計回りにプリーツを傾けた（ねじった）形状（スパイラル形状）の膜モジュールである。ここでは一例として水蒸気透過膜γ１を用いる場合について説明したが、水蒸気透過膜として、後述する加湿窒素富化膜等を用いてもよい。
【００６７】
上記膜モジュールの中でも、単位容積あたりの膜面積（比表面積）が大きいという観点から中空糸型膜モジュールや、圧力損失が小さいプリーツ型が好ましい。中空糸型膜モジュールは、中空糸の外面側からろ過する外圧式であってもよいし、中空糸の内面側からろ過する内圧式であってもよいが、供給空気を中空糸内面に供給する内圧式がより好ましい。
【００６８】
図４は、本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減方法で用いる中空糸型膜モジュールの一実施形態の概念図である。膜モジュール１は、水蒸気透過膜１１と、水蒸気透過膜１１を収容するケース１２とを備えている。膜モジュール１は、筒状の中空糸型膜モジュールであり、その内部に中空糸膜である水蒸気透過膜１１が組み込まれている。ケース１２は、空気供給口１２１と、空気排出口１２２と、水供給口１２３と、水排出口１２４とを備えている。ケース１２内では、水蒸気透過膜１１により仕切られた、第一の空間ａ１と、第二の空間ｂ１とが形成されている。中空糸型膜モジュールの場合、膜（水蒸気透過膜１１）の内径側に第一の空間ａ１が形成され、外形側に第二の空間ｂ１が形成されている。第一の空間ａ１は処理される空気が流れる空気領域であり、第二の空間ｂ１は水が流れる水領域である。
【００６９】
空気は、空気供給口１２１から水蒸気透過膜１１に送り込まれ（矢印Ｆ１参照）、加湿された空気は、空気排出口１２２から排出される（矢印Ｆ２参照）。その際、空気を加湿する水は、水供給口１２３からケース１２内へ供給され（矢印Ｆ３参照）、水排出口１２４からケース外へ排出される（矢印Ｆ４参照）。図４では、空気の流れと水の流れが対向している状態である。膜モジュール１は、空気供給口１２１、空気排出口１２２、水供給口１２３及び水排出口１２４を夫々１ずつ有する形態であるが、本実施形態では必要に応じてこれらの数を２以上とすることもできる。例えば、空気の流速や、空気の加湿（及び窒素富化）の効率の観点から、空気供給口１２１、空気排出口１２２、水供給口１２３及び水排出口１２４の夫々を２以上とすることもできる。
【００７０】
図５は、本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減方法で用いる平膜型モジュールの一実施形態の概念図である。ここでは、図４で説明した事項と共通する事項については説明を省略し、図４と相違する点を中心に説明する。膜モジュール２は、水蒸気透過膜２１と、水蒸気透過膜２１を収容するケース２２とを備えている。膜モジュール２は、箱型膜モジュールであり、その内部に平膜である水蒸気透過膜２１が組み込まれている。ケース２２は、空気供給口２２１と、空気排出口２２２と、水供給口２２３と、水排出口２２４とを備えている。ケース２２内では、水蒸気透過膜２１により仕切られた、第一の空間ａ２と、第二の空間ｂ２とが形成されている。箱型膜モジュールの場合、平膜（水蒸気透過膜２１）の一方の表面側（図５では上方）に第一の空間ａ２が形成され、平膜の他方の表面側（図５では下方）に第二の空間ｂ２が形成されている。第一の空間ａ２は処理される空気が流れる空気領域であり、第二の空間ｂ２は水が流れる水領域である。
【００７１】
空気は、空気供給口２２１から水蒸気透過膜２１に送り込まれ（矢印Ｆ１参照）、加湿された空気は、空気排出口２２２から排出される（矢印Ｆ２参照）。その際、空気を加湿する水は、水供給口２２３からケース２２内へ供給され（矢印Ｆ３参照）、水排出口２２４からケース外へ排出される（矢印Ｆ４参照）。図５では、空気の流れと水の流れが対向している状態である。
【００７２】
図４及び図５では、一例として、膜として水蒸気透過膜を有する膜モジュールについて説明したが、使用する形態に応じて膜の種類を選択することができる。例えば、水蒸気透過膜に換えて上記した窒素富化膜を用いることもできるし、上記した加湿窒素富化膜を用いることもできる。
【００７３】
本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置は、上記した膜モジュールと、前記膜モジュールの前記空気供給口に、加圧された空気を供給する給気部と、前記膜モジュールの前記水供給口に、水を供給する給水部と、を備え、前記膜モジュールの前記空気排出口から排出される処理空気を内燃機関の燃焼室に供給する、内燃機関の窒素酸化物削減装置である。本実施形態では、上記した膜モジュールにより処理（加湿、窒素富化）された空気を内燃機関の燃焼室に供給する。これにより、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘの含有量を大幅に削減できる。
【００７４】
内燃機関の種類は特に限定されず、例えば、ディーゼルエンジン等が挙げられる。ディーゼルエンジンとしては、その用途は特に限定されず、船舶、自動車、発電機、飛行機、各種重機、タービン等の動力源として用いられているものが挙げられる。内燃機関の中でも、ディーゼルエンジンは熱効率に優れ、軽油や重油等の一般的燃料の他にも、種々の液体燃料が使用可能であり、汎用性が高い。かかるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘの含有量を低減できることは、環境面において大きな意義がある。本実施形態では、上記したように加湿に使用する水は塩化ナトリウム等の塩やその他の不純物を含有するものであっても使用できる。この観点から、例えば、海水等を容易に入手できる船舶等のディーゼルエンジンにも用いることができる。ディーゼルエンジンの種類としては、２−ストロークエンジン、４−ストロークディーゼル、さらに、高速、中速、低速エンジン等が本実施形態の好適な例として挙げられる。
【００７５】
本実施形態では、給気部によって、膜モジュールの空気供給口に空気を供給する。給気部は、膜モジュールの空気供給口に空気を供給できるものであれば、特に限定されず、例えば、空気加圧装置を用いることができる。空気加圧装置により加圧された空気を膜モジュールに供給することができる。空気加圧装置としては、特に限定されず、公知の装置を用いることができる。自然吸気、過給機による給気、ブロアーによる給気を使用することができる。より具体的には、コンプレッサやタービンポンプ等が挙げられる。特に、内燃機関の過給機を用いることが好ましい。過給機とは、内燃機関に空気を圧縮して強制的に送り込む装置をいい、その種類は特に限定されない。例えば、ターボチェージャー、スーパーチャージャー、リショルム・コンプレッサ、プレッシャーウェーブ・スーパーチャージャー等が挙げられる。
【００７６】
本実施形態では、給水部によって、膜モジュールの水供給口に水を供給する。給水部は、膜モジュールの水供給口に水を供給できるものであれば、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、膜モジュールの水供給口に水槽から水を供給する方法が挙げられる。また、水を加圧することにより水供給口に水を供給することも可能であり、例えば、水を加圧し、水供給口に導入する方法としては、水供給口の手前に、又は水排出口の後ろに加圧ポンプを設置して、水又は水蒸気を導入する方法等が挙げられる。また、上記した膜モジュールの第二の空間（空気領域）を減圧することにより、水を水供給口から第二の空間に導入することが好ましい。その具体例としては、水排出口の後ろに自給式ポンプやエジェクターを設置して第二の空間に水を導入する方法等が挙げられる。
【００７７】
また、給水部は、膜モジュールの水排出口から排出される水を、再び膜モジュールの水供給口に供給する送液部を有することが好ましい。これにより、膜モジュールに供給する水を循環させることができ、節水できるので、好ましい。例えば、膜モジュールにおいて、第二の空間の少なくとも２個の開口部が水槽に接続され、その開口部のうちの１個が水供給装置を経由することにより、水又は水蒸気を循環させることができる。開口部が２個の場合、１個の開口部が水供給ポンプを経て水槽に接続され、もう１個の開口部が水槽に直接接続される構成が挙げられる。開口部が複数個の場合、複数個の開口部が水供給ポンプを経て水槽に接続され、それ以外の複数個の開口部が水槽に接続される構成が挙げられる。この構成によって、水槽から水供給装置を経由して、膜モジュールに水又は水蒸気が供給され、さらに水排出口から排出され、水槽に戻る経路が確保できるので、水又は水蒸気が循環することができる。水蒸気のときは、排気をキャリアーとしてもよく、内燃機関から排出される排気ガスを水蒸気が通る経路に連結してもよい。
【００７８】
本実施形態では、水の温度を制御する温度制御部、水の流量を制御する流量制御部、あるいはその両方を更に備えることが好ましい。水槽又は水供給装置に接続される水の温度制御部又は水の流量制御部により、水の温度や流量を好適な条件に制御できる。装置構成等は特に限定されず、例えば、水温モニターにより測定された水温に基づいて水を加熱又は冷却する水温制御部と、流量モニターにより測定された流量に基づいて水の流量を調節する流量制御部とを備える構成等が挙げられる。水温モニターと流量モニターを用いて、水をリアルタイムにモニタリングすることで、流す水の水温及び流量を自動制御することが好ましい。加えて、水を加熱する際に、内燃機関の排熱を利用することが好ましい。排熱は、内燃機関から排出される排気ガスやエンジンオイルから得ることができる。
【００７９】
本実施形態の窒素酸化物削減装置は、熱交換器を有していることが好ましい。空気加圧装置から送られる空気と、膜モジュールから排出される水とが熱交換することにより、温度調整をすることができ、廃熱を有効利用できることから好ましい。
【００８０】
本実施形態の装置では、前処理として、加圧された空気から塵埃を除去するためにプレフィルターを、膜モジュールの前に設けてもよい。
【００８１】
以下、図を用いて、本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置について説明する。
【００８２】
図６は、本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置の一実施形態の概念図である。窒素酸化物削減装置３は、上記した中空糸型の膜モジュール１を有している。膜モジュール１の空気供給口（図４参照）には、矢印Ｆ５から加圧された空気が送り込まれる。膜モジュール１の空気排出口（図４参照）には、温度計３１、圧力計３２、流量計３３、湿度計３４及び酸素濃度計３５が接続されている。さらに、温水バス３６と、循環水ポンプ３７と、循環水流量計３８と、循環水圧力計３９とが膜モジュール１の水供給口（図４参照）と水排出口（図４参照）の間に接続されている。
【００８３】
温水バス３６は、水の温度を制御する温度制御部として、温度計とヒータを備えるものを用いることが好ましい。このような温度制御部を有することで、水（循環水）の温度を制御することができる。さらに、水の流量を制御する流量制御部として、循環水ポンプ３７、循環水流量計３８及び循環水圧力計３９を備えることにより、膜モジュール１に通水する水量を制御することができる。その結果、ＮＯｘの低減効果を一層向上させることができる。
【００８４】
運転する内燃機関の負荷に応じて給気の最適な酸素濃度と湿度を制御する観点から、循環水の圧力及び流量をバルブＶ１及びＶ２で制御することが好ましい。あるいは、循環水ポンプ３７をインバータで制御することもできる。
【００８５】
加圧された空気は、上記矢印Ｆ５から膜モジュール１に供給され、加湿された空気として矢印Ｆ６から取り出すことができる。水は、循環水ポンプ３７によって、温水バス３６に貯蔵されている温水が矢印Ｆ７から膜モジュール１に送り込まれ、矢印Ｆ８に向けて循環している。膜モジュール１の表面を流れる空気の流れ（矢印Ｆ５及びＦ６参照）は、膜モジュール１の表面を流れる水の流れ（矢印Ｆ７及びＦ８参照）と対向している。
【００８６】
図７は、本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置の別の一実施形態の概念図である。窒素酸化物削減装置４は、上記した平膜型の膜モジュール２を有している（図５参照）。膜モジュール２の空気供給口（図５参照）には、矢印Ｆ５から加圧された空気が送り込まれる。膜モジュール２の空気排出口（図５参照）には、温度計４１と、圧力計４２と、流量計４３と、湿度計４４と、酸素濃度計４５とが接続されている。さらに、温水バス４６と、循環水ポンプ４７と、循環水流量計４８と、循環水圧力計４９とが膜モジュール２の水供給口（図５参照）と水排出口（図５参照）の間に接続されている。
【００８７】
加圧された空気は、上記矢印Ｆ５から膜モジュール２に供給され、加湿された空気として矢印Ｆ６から取り出すことができる。水は、循環水ポンプ４７によって、温水バス４６に貯蔵されている温水が矢印Ｆ７から膜モジュール２に送り込まれ、矢印Ｆ８に向けて循環している。膜モジュール２の表面を流れる空気の流れ（矢印Ｆ５及びＦ６参照）は、膜モジュール２の表面を流れる水の流れ（矢印Ｆ７及びＦ８参照）と対向している。
【００８８】
内燃機関の負荷に応じて吸気の最適な酸素濃度と湿度を制御するため、循環水の圧力及び流量をバルブＶ１及びＶ２で制御できる。あるいは循環水ポンプ４７をインバータで制御することもできる。循環水の温度は、温水バス４６にて制御することができる。
【００８９】
次に、加湿及び窒素富化された空気を得ることができる、内燃機関の窒素酸化物削減装置について説明する。上記したように、加湿及び窒素富化された空気を得るには、加湿と窒素富化を別工程で行う場合と、加湿と窒素富化を一工程で行う場合が挙げられる。加湿と窒素富化を別工程で行う場合としては、加湿を主に行う膜モジュールに、窒素富化を主に行う膜モジュールに接続した装置が挙げられる。
【００９０】
図８は、本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置の別の一実施形態の一部を示す概念図である。内燃機関の窒素酸化物削減装置５は、空気を窒素富化することを主に行う第一の膜モジュール５１と、空気を加湿することを主に行う第二の膜モジュール５２とを備えている。
【００９１】
第一の膜モジュール５１は、窒素富化膜５１１と、前記窒素富化膜５１１を収納するケース５１２とを備えている。処理すべき空気を空気供給口５１３から供給し、かつ掃気用の空気を掃気用空気供給口５１５から供給することによって、窒素富化空気を空気排出口５１４から得ることができる（Ｆ８参照）。掃気用空気供給口５１５に供給された空気（矢印Ｆ９参照）は、膜モジュール５１の透過領域（図示せず）を通過して、掃気用空気排出口５１６から外部へ排出される（矢印Ｆ１０参照）。
【００９２】
加圧された空気が流れる方向と、掃気用空気が流れる方向とは対向することが好ましい。そのため、膜モジュール５１であれば、空気供給口５１３から空気排出口５１４に向けて処理すべき空気が膜モジュール内を流れる方向（矢印Ｆ７及びＦ８参照）と、掃気用空気供給口５１５から掃気用空気排出口５１６に向けて掃気用空気が膜モジュール内を流れる方向（矢印Ｆ９及びＦ１０参照）とが対向するように流すことが好ましい。これにより、窒素富化膜５１１全体にわたって、空気が流れる側と掃気用空気が流れる側の酸素の分圧差が生じ、膜を均一に有効利用でき、窒素富化効率が高まるため好ましい。
【００９３】
窒素富化を主に行う膜モジュール５１は、上記した膜モジュール（図４及び図５参照）において、水蒸気透過膜（図４の水蒸気透過膜１１及び図５の水蒸気透過膜２１参照）を窒素富化膜に置き換え、水供給口（図４の水供給口１２３及び図５の水供給口２２３参照）を掃気用空気供給口とし、水排出口（図４の水排出口１２４及び図５の水排出口２２４参照）を掃気用空気排出口としたものを用いることができる。この場合、掃気用空気供給口及び掃気用空気排出口は、大気開放していてもよいし、空気掃気用装置に接続されていてもよい。この膜モジュール５１により、加圧された空気を空気供給口５１３から供給し、窒素富化膜５１１により窒素富化された空気（窒素富化空気）を空気排出口５１４から取り出すことができる。一方、窒素富化膜５１１を透過したものは酸素富化された空気（酸素富化空気）である。掃気用空気供給口５１５と掃気用空気排出口５１６を備えていることにより、膜モジュール５１内において分離された酸素富化空気を系外に排出することができる。ここで、透過領域とは、処理される空気が窒素富化膜を透過して酸素富化された空気（酸素富化空気）が存在する膜モジュール内の領域である。
【００９４】
空気掃気用装置によって、窒素富化膜５１１を透過した酸素富化空気が排出されることが好ましい。掃気は、空気を送り込むことによって実施しても、空気を吸い込むことによって実施してもよい。空気掃気用装置としては、酸素富化空気を掃気することができる装置であればよく、特に限定されず、公知の装置を採用することもできる。空気掃気用装置としては、例えば、ポンプやコンプレッサ等が挙げられる。
【００９５】
第二の膜モジュール５２は、水蒸気透過膜５２１と、前記水蒸気透過膜５２１を収納するケース５２２とを備えている。ケース５２２は、処理すべき空気を空気供給口５２３から供給し、かつ加湿するための水を膜モジュール５２の水供給口５２５から供給することによって、加湿及び窒素富化された空気を空気排出口５２４から得ることができる（Ｆ１１参照）。水供給口５２５に供給された水（矢印Ｆ１２参照）は、膜モジュール５２の水領域を通過して、水排出口５２６から外部へ排出される（矢印Ｆ１３参照）。この第二の膜モジュール５２は、図４や図５で示した膜モジュールを採用することができる。
【００９６】
加圧された空気が流れる方向と、水が流れる方向とは、対向する向きであることが好ましい。膜モジュール５２であれば、空気供給口５２３から空気排出口５２４に向けて空気が膜モジュール内を流れる方向（矢印Ｆ１２及びＦ１３参照）と、水供給口５２５から水排出口５２６に向けて水が膜モジュール内を流れる方向（矢印Ｆ１８及びＦ１９参照）とが対向するように、水を流すことが好ましい。
【００９７】
水供給装置としては、特に限定されず、例えば、自給式ポンプやエジェクター等が挙げられる。水供給装置は、水排出口の後ろに設置する、又は水供給口の手前に設置することができる。前者の場合、第二の空間の水排出口が減圧となることにより、水が導入される。後者の場合、水を加圧することにより、水が導入される。
【００９８】
図９は、本実施形態で用いる中空糸型膜モジュールの別の一実施形態の概念図である。膜モジュール６は、図４に示した膜モジュール１の水蒸気透過膜１１に換えて加湿窒素富化膜６１を備えている。膜モジュール６は、加湿窒素富化膜６１と、前記加湿窒素富化膜６１を収納するケース６２とを備えている。ケース６２は、空気供給口６２１と、空気排出口６２２と、水供給口６２３と、水排出口６２４とを備えている。
【００９９】
空気は、空気供給口６２１から加湿窒素富化膜６１に送り込まれ（矢印Ｆ１４参照）、加湿された空気は、空気排出口６２２から排出される（矢印Ｆ１５参照）。その際、空気を加湿する水は、水供給口６２３からケース６２内へ供給され（矢印Ｆ１６参照）、水排出口６２４からケース外へ排出される（矢印Ｆ１７参照）。図９では、空気の流れと水の流れが対向している状態である。膜モジュール６は、空気供給口６２１、空気排出口６２２、水供給口６２３及び水排出口６２４を夫々１ずつ有する形態であるが、本実施形態では必要に応じてこれらの数を２以上とすることもできる。例えば、空気及び空気の流速や、空気の加湿及び窒素富化の効率の観点から、空気供給口６２１、空気排出口６２２、水供給口６２３及び水排出口６２４のいずれかを２以上とすることもできる。
【０１００】
膜モジュール６では酸素富化空気は水供給口６２３及び水排出口６２４から排出してもよく、水供給口６２３及び水排出口６２４以外に、酸素富化空気の排出口（図示せず）を別途設け、そこから酸素富化空気を排出してもよい。あるいは、水供給口６２３及び水排出口６２４を複数設けることにより、そこから酸素富化空気を排出してもよい。酸素富化空気が排出される排出口を別途設けない場合は、水を導入する水供給口よりも、水を排出する水排出口から酸素富化空気を排出するほうが容易であるので好ましい。
【０１０１】
加湿窒素富化膜６１の形態は、上記した水蒸気透過膜と同様に、特に限定されず、使用する形態等に応じて適宜好適な形態を選択することができる。例えば、加湿窒素富化膜６１が中空糸膜である場合、加圧された空気を膜モジュール６の空気供給口６２１から加湿窒素富化膜６１の内径側である第一の領域ａ６（空気領域）に供給し、かつ水を膜モジュール６の水供給口６２３から加湿窒素富化膜６１の外径側である第二の領域ｂ６（水領域）に供給することによって、加湿された窒素富化空気（酸素の含有量が少ない空気）を空気排出口６２２から得ることができる（矢印Ｆ１５参照）。水供給口６２３に供給された水（矢印Ｆ１６参照）は、膜モジュール６の第二の領域ｂ６を通過して、水排出口６２４から外部へ排出される（矢印Ｆ１７参照）。なお、加湿窒素富化膜６１を透過した酸素富化空気は第二の領域ｂ６に排出され、水領域を流れる水とともに水排出口６２４から外部に排出される（矢印Ｆ１７参照）。
【０１０２】
窒素富化と加湿を同時に行う際には、水蒸気透過膜を加湿窒素富化膜に限定すること以外には、上記した加湿を主に行う装置でよい。しかし、水を循環させる場合には、透過した酸素を系外へ排出した方が、窒素富化を効率よく行うことができる。そのため、水と酸素富化空気を分離する気液分離室を有することが好ましい。気液分離室としては、公知のものが挙げられ、酸素富化空気が上部に抜ける構成とした気液分離室、フィルターを用いた気液分離室等が挙げられる。
【０１０３】
本実施形態の内燃機関の窒素酸化物削減装置は、内燃機関の燃焼室に接続することで、内燃機関装置とすることができる。本実施形態の内燃機関装置は、上記した内燃機関の窒素酸化物削減装置と、前記窒素酸化物削減装置で処理された処理空気が供給される燃焼室とを備えるものである。
【０１０４】
図１０は、本実施形態の内燃機関装置の一実施形態の概念図である。内燃機関装置７は、内燃機関の過給機と内燃機関の燃焼室との間に、上記した窒素酸化物削減装置を設置した構成である。内燃機関装置７は、上記した膜モジュール１を有しており、膜モジュール１の空気供給口（図示せず）には、ターボチャージャー７１が接続されている。膜モジュールの空気排出口（図示せず）には、吸気マニホールド７２と、内燃機関の燃焼室７３と、排気マニホールド７４と、が接続されている。矢印Ｆ１８からターボチャージャー７１に供給された空気は、加圧されて膜モジュール１に供給され、加湿された空気として膜モジュール１から送り出される（矢印Ｆ１９参照）。加湿された空気は、吸気マニホールド７２を経て、内燃機関の燃焼室７３に供給される。そして、排気マニホールド７４を経て、排気が矢印Ｆ２０から系外に排出される。加湿に用いられる水は、循環水ポンプ７６によって、温水バス７５の温水が膜モジュール１に供給され（矢印Ｆ２１参照）、系内を循環している（矢印Ｆ２２参照）。本実施形態の窒素酸化物削減装置の構成は、上記した構成を含むものであればよく、内燃機関の用途や使用環境等に応じて適宜に設計することができる。
【０１０５】
図１０では、膜モジュールの一例として、図１に示した膜モジュール１を用いているが、本実施形態の内燃機関はかかる膜モジュールを用いたものに限定されない。例えば、膜モジュール１に替えて、図８に示した膜モジュール５１，５２を用いたり、図９に示した膜モジュール６（加湿窒素富化膜を有する膜モジュール）等を用いたりすることにより、加湿だけでなく窒素富化された空気を内燃機関の燃焼室に給気することもできる。
【０１０６】
内燃機関の運転において使用する給気としては、給気バランスが高い方が好ましい。ここで、給気バランスとは、加湿又は窒素富化を行うことによる空気の流量（ｍ3／分）の増減のことであり、下記の式で求められる。
給気バランス（％）＝（加湿及び／又は窒素富化された空気の流量−供給された空気の流量）／供給された空気の流量
【０１０７】
つまり、加湿及び／又は窒素富化を行うことにより、空気の流量が増加すれば、給気バランスは正の値を示す。具体的には、本実施形態において、−４０％以上が好ましい。より好ましくは−１５％以上、更に好ましくは−１０％以上、より更に好ましくは０％以上、より一層好ましくは１０％以上、より更に一層好ましくは１５％以上である。加湿及び／又は窒素富化された空気の給気バランスを上記範囲とすることにより、エネルギー効率も一層向上させることができる。
【実施例】
【０１０８】
以下の実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。【０１０９】
［実施例１］
図１１に示す内燃機関装置８を運転し、その排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、給気した空気の加湿量とＮＯｘ発生量の関係を検討した。内燃機関装置８は、コンプレッサ８１、温度調節機８２、三方弁８３、温水循環ポンプ８４、温水発生機８５、膜モジュール１（図４参照）、サンプリング弁８６、ディーゼルエンジン８７が接続されている。【０１１０】
膜モジュール１は、加湿を行うことができる中空糸型膜モジュールである。膜モジュール１に装填した膜エレメントは、支持層である内径０．７ｍｍφ、外径１．０ｍｍφのポリエーテルスルホン製の中空糸限外ろ過膜（ＵＦ膜)の外側に、水蒸気透過膜としてフッ素樹脂である「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」(デュポン社製)をコーティングし、これを芯棒の周りに綾巻にすることで作製した。この膜エレメントは１本当たりの膜面積が１０ｍ２、外径１７５ｍｍφ、長さ４３０ｍｍの円筒形状であり、これを４本使用した。なお、水蒸気透過膜（テフロンＡＦ１６００）の吸水率は、０．０１％以下であり、水との接触角は１０４°であった。吸水率は、ＡＳＴＭ５７０に従って、サンプルを２３℃の水に２４時間浸漬した条件で測定した。水との接触角は、サンプルの表面に脱イオン水の水滴を乗せ、２３℃で１分間放置した後、接触角測定装置（協和界面科学製、ＣＡ−Ｘ１５０型接触角計）を用いて測定した。【０１１１】
ディーゼルエンジンの仕様は、定格２４００ｒｐｍ(１００％負荷時)、出力１０３ｋＷ、ボア１１０ｍｍ、ストローク１２５ｍｍ、Ｐｍａｘ１．０８Ｍｐａであり、軽油燃料を使用した。エンジンの運転は「舶用ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出規制に関するテクニカルコード（２００８）」（日本海事協会）に規定されているＥ３型テストサイクルに従って行った。【０１１２】
コンプレッサ８１により加圧された空気は膜モジュール１の内側（空気供給口）に供給され、膜モジュール１の外側には加湿用の水道水を循環させた。膜モジュール１の入り口の空気の圧力を１３６ｋＰａＧ（ゲージ圧）、温度を７７℃に維持した。膜モジュール１の入り口（空気供給口）の空気の酸素濃度は２０．９％であった。酸素濃度は、酸素濃度計（ジコー社製、ＪＫＯ−２５ＬＪＩＩ）を用いて測定した。【０１１３】
膜モジュール１の出口の空気の圧力を６５ｋＰａＧ（ゲージ圧）とし、温水の膜モジュール入り口の温度を７４℃、加湿の効果を検証するため、加圧された空気が膜を透過しないように、水入り口の圧力を１８３ｋＰａＧ（ゲージ圧）とした。膜モジュール１から排出される空気を、温度５９℃、酸素濃度１８．９ｍｏｌ％、水蒸気濃度９．７ｍｏｌ％に調整して、７５％負荷条件でディーゼルエンジンに供給した。【０１１４】
その結果、ＮＯｘの発生量は３．２４ｇ／ｋＷｈであった。下記の比較例１(加湿しない給気)と比較し、ＮＯｘ発生量は７６％削減した。本実験によるディーゼルエンジンの腐食は認められなかった。【０１１５】
［実施例２〜４］
実施例１と同様に、表１に示す条件で水の温度と流量を調節して運転を行った。その結果を表１に示す。【０１１６】
［比較例１］
実施例１と同じ装置を用い、コンプレッサ８１からの空気を、膜モジュール１を経由せずに７５％出力のディーゼルエンジンに供給したところＮＯｘ発生量は１３．２６ｇ／ｋＷｈとなった。【０１１７】
【表１】
2010137628.tif 000003
【０１１８】
表１において、給気バランスは、下記式に基づき算出した。空気バランスの測定に際しては、加湿された空気の流量として、膜モジュールを経た後の空気の流量とし、供給された空気の流量として、コンプレッサ８１で加圧された直後の空気の流量とした。
給気バランス（％）＝（加湿及び／又は窒素富化された空気の流量−供給された空気の流量）／供給された空気の流量
【０１１９】
エンジン負荷率とは、エンジンの回転数のことであり、最大回転数に対してどの程度エンジンの回転数を上げたのかを示している。給気圧力とは、エンジンに供給される加湿（及び／又は窒素富化）された空気の圧力のことである。酸素過剰率とは、燃料を燃焼するのに必要な酸素量に対して、供給した吸気中の酸素量の比率（倍率）である。水／燃料混合比とは、エンジンに供給した燃料供給速度（ｇ／ｓ）に対して、供給した吸気中の水分量の供給速度（ｇ／ｓ）である。給気温度とは、エンジンに供給される加湿（及び／又は窒素富化）された空気の温度である。【０１２０】
また、全ての実施例において、途中で水道水から海水槽８８の海水（人工海水使用：日本製薬社製、「ダイゴ人工海水ＳＰ」を水道水１０００に対し３６（質量比）の割合で混合）に切り替えて循環させ、空気を加湿してディーゼルエンジンに供給した（空気の湿度が、水道水における実施例の値と同じ値となるように海水の流量と温度を調整した。）。「ダイゴ人工海水ＳＰ」における塩化ナトリウムの含有量は、２０７４７ｍｇ／Ｌであった。水道水、海水いずれの場合も、実施後、エンジンには本実験による腐食は認められなかった。また、温海水を使用しても、加湿された空気を一部サンプリングし水蒸気を凝縮させて得られた水には塩化ナトリウムは検出されなかった。【０１２１】
［実施例５］
図１２に示す窒素酸化物削減装置９を運転し、加湿及び窒素富化された空気を生成した。窒素酸化物削減装置９は、膜モジュール６（図９参照）を有している。減圧弁９１と、バルブＶ３と、流量計９２と、圧力計９３と、供給空気の温度を制御するために３ｍｍφのステンレスチューブをループ状に巻いた熱交換器９０１とが膜モジュール６の空気供給口（図示せず）に接続されている。湿度計９７と、流量計９８と、酸素濃度計９９とが膜モジュール６の空気排出口６２２（図示せず）に接続されている。熱交換器９０１と、膜モジュール６と、湿度計９７とは、恒温槽９０中に設置されている。恒温槽９０中では、温度が一定となるように維持した。熱交換器９０１によって、膜モジュール６に供給される空気の温度が恒温槽９０の温度と等しくなるように制御した。循環水圧力計９４、循環水ポンプ９５及び温度制御可能な温水バス９６が、膜モジュール６の水供給口６２３と水排出口６２４の間に接続されている。加圧された空気は、矢印Ｆ２３から空気処理装置９に供給され、膜モジュール６を経て、加湿された窒素富化空気として矢印Ｆ２４から取り出される。加湿するための水は、循環水ポンプ９５によって、温水バス９６の温水が矢印Ｆ２５から膜モジュール６に送り込まれ、矢印Ｆ２５に向けて循環している。【０１２２】
膜モジュール６は、加湿窒素富化を行うことができる中空糸型膜モジュールである。膜モジュール６に装着した膜エレメントは、支持層である内径０．７ｍｍΦ、外径１ｍｍφのポリエーテルスルホン製の中空糸限外ろ過膜（ＵＦ膜）に、フッ素樹脂である「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」（デュポン社製）をコーティングしたものを使用した。膜モジュール６は、有効膜面積６．６ｃｍ２、酸素透過速度１，２８１ＧＰＵ、窒素透過速度５４３ＧＰＵであった。ここで、有効膜面積とは、膜の表面積のことである。酸素透過速度は、一定の圧力を加圧した酸素単独のガスを膜に供給した際に、膜を透過した酸素の単位時間あたりの流量（透過量）を測定し、その透過量を単位圧力及び膜の単位面積あたりに換算（例えば、ＧＰＵ＝１０−６ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ）することにより求められる。窒素透過速度も同様に、窒素単独のガスを膜に供給した際に、膜を透過した窒素の流量から求めた。【０１２３】
膜モジュール６の空気透過領域に４０℃の温水を流した状態で、供給空気の圧力、流量、循環水の流量を変化させた。得られた加湿及び窒素富化された空気の酸素濃度、温度及び湿度を測定した。酸素濃度計９９はジコー社製、ＪＫＯ−２５ＬＪＩＩを用い、湿度計９７は神栄テクノロジー社製、ＨＹＧＲＯＰＬＭ２を用いた。表２に、実施例５の運転条件とその結果を示す。【０１２４】
［実施例６〜１４］
膜モジュール６の空気透過領域に供給する循環水の条件と供給空気の条件を表２に示す温度としたこと以外は、実施例５と同様の条件で実験を行った。得られた加湿及び窒素富化空気の酸素濃度、温度及び湿度を測定した。表２に、各実施例の運転条件とその結果を示す。【０１２５】
【表２】
2010137628.tif 000004
【０１２６】
［実施例１５，１６］
図１３に示す窒素酸化物削減装置１０を運転し、加湿及び窒素富化された空気を生成した。窒素酸化物削減装置１０では、循環水系として水蒸気を用い、この水蒸気のキャリアーとして空気を用いた。窒素酸化物削減装置１０は、上記した膜モジュール６（図９参照）を有している。減圧弁１００１と、バルブＶ４と、流量計１００２と、圧力計１００３とが膜モジュール６の空気供給口（図示せず）に接続されている。湿度計１００６と、流量計１００７と、酸素濃度計１００８とが膜モジュール６の空気排出口（図示せず）に接続されている。バブラー付き温水バス１００４と、循環水圧力計１００５とが膜モジュール６の水供給口６２３と水排出口６２４の間に接続されている。加圧された空気を、矢印Ｆ２７から窒素酸化物削減装置１０に供給し、膜モジュール６を経て、加湿された窒素富化空気として矢印Ｆ２８から取り出した。水蒸気は、バブラー付き温水バス１００４にて水蒸気を発生させ、この水蒸気のキャリアーとして空気を送り込んだ（矢印Ｆ２９参照）。これにより、水蒸気は矢印Ｆ３０から膜モジュール６に送り込まれ、矢印Ｆ３１に向けて流れることにより系内を循環している。【０１２７】
窒素酸化物削減装置１０を用いて、膜モジュール６の循環側に、キャリアーとして空気を用いて水蒸気を流した点以外は実施例５と同様にして実験を行った。得られた加湿された窒素富化空気の酸素濃度、温度及び湿度を測定した。表３に、各実施例の運転条件とその結果を示す。【０１２８】
［比較例２，３］
膜モジュール６に水を供給せず、膜モジュール６の空気透過領域を室温の空気としたことと、空気透過領域に大気圧下で圧気を流したこと以外は、実施例５と同様に実験を行った。この空気処理装置により得られた窒素富化空気の酸素濃度、温度及び湿度を測定した。表３に、各比較例の運転条件とその結果を示す。【０１２９】
【表３】
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【０１３０】
表２，３より、循環側に温水又は水蒸気を循環させることで、高湿度かつ低酸素濃度（高窒素富化）な空気を得ることができることが確認された。温水の温度を制御することで、得られた窒素富化空気の湿度を制御できる。また、温水の循環流量が低く、温水の温度が高い方が、より高い加湿及び窒素富化能力を示すことが確認された。【０１３１】
［実施例１７〜３４］
図１４に示す内燃機関装置１１を運転し、加湿された窒素富化空気の生成及び評価を行った。窒素酸化物の削減に対する加湿及び窒素富化の寄与、加湿の寄与をそれぞれ評価するために、窒素富化を行う膜モジュールと加湿を行う膜モジュールとを別々に準備し、測定を行った。【０１３２】
内燃機関装置１１は、膜モジュール１１０１，１１０２，１１０３を有している。膜モジュール群を前段（膜モジュール１１０１，１１０２）、後段（モジュール１１０３）の２群に分離し、前段モジュール群で窒素富化を主に行い、後段モジュール群で加湿を主に行った。【０１３３】
吸気用のバルブＡを有するコンプレッサ１１０４は、バルブＢを経由して膜モジュール１１０１，１１０２に接続され、更にバルブＣ，Ｄを経由して吸気系温度調節機１１０６に接続されている。そこから、バルブＥを経由して膜モジュール１１０３に接続され、バルブＦを経由してエンジン１１０５に接続されている。また、膜モジュール１１０１，１１０２は、それぞれバルブＨを経由して空気スイープブロア１１０８に接続され、膜を透過した酸素富化空気はバルブＩを経由して外部に排出される。なお、空気スイープブロア１１０８はバルブＧを有している。温水バス１１０９にて温度調整された温水は、水ポンプ１１０７により、バルブＫを経由して膜モジュール１１０３に供給され、バルブＪを経由して温水バス１１０９に再び送液される。温水バス１１０９にはバルブＬを経由して水道水が供給されるとともに、必要に応じてバルブＭを経由して温水が外部へ排出される。コンプレッサ１１０４では加圧された空気が生成され、この酸素濃度は２０．９％であった。本実施例では、給気をエンジンとは別の外部コンプレッサで発生させたが、実際のシステムでは、過給機のコンプレッサ等を使用することもできる。【０１３４】
加圧された空気は、膜モジュール１１０１，１１０２にて主に窒素富化され、その後膜モジュール１１０３にて主に加湿される。膜モジュール１１０３では、水ポンプ１１０７により、膜の二次側に温水を供給することで空気の加湿を行う。二次側の圧力を一次側(空気供給側)の圧力と同等か若干高く設定し、加湿を行う膜モジュール１１０３で給気が二次側に透過しない条件で実験を実施した。また、加湿に用いられる水は水道水を用いており、温水バス１１０９と膜モジュール１１０３の間を循環させた。加湿モジュールでは加湿に必要な水の蒸発潜熱の供給が必要であり、これは主に循環水の顕熱から供給される。【０１３５】
膜モジュール１１０１，１１０２，１１０３で窒素富化・加湿された空気はエンジン１１０５へ供給される。エンジン１１０５は、４−ストロークエンジンである（当該エンジンの仕様は、三菱重工製Ｓ４Ｍ−ＭＴＫ型エンジン、軽油燃料使用、機関出力１０３ｋＷ、機関速度２４００ｒｐｍ、シリンダーボア１１０ｍｍ、ピストンストローク１２５ｍｍ、平均有効圧力１．０８ＭＰａである。）。バルブＮから燃料ｆをエンジン１１０５に供給し、バルブＯを経由してエンジン１１０５の排気ｇが外部に排出される。なお、バルブＰは調圧用のバルブである。エンジンの運転は「舶用ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出規制に関するテクニカルコード（２００８）」（日本海事協会）に規定されているＥ３型テストサイクルに従って行った。【０１３６】
膜モジュール１１０１，１１０２，１１０３に装填した膜エレメントは１０ｍ２の表面積を有する中空糸型とし、これを前段に各モジュール４本を２組、計８本、後段に４本使用した。用いた膜エレメントは、いずれも中空糸型膜エレメントである。中空糸型膜エレメントの窒素富化膜として、外径１ｍｍφのポリエーテルスルホン製の中空糸限外ろ過膜（ＵＦ膜）にフッ素樹脂である「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」（デュポン社製）をコーティングしたものを使用した。膜モジュール１１０１，１１０２，１１０３に用いた各膜エレメントは、有効膜面積１０ｃｍ２、酸素透過速度１，１００ＧＰＵ、窒素透過速度４５０ＧＰＵであった。【０１３７】
膜モジュール１１０１，１１０２により窒素富化された直後の空気の酸素濃度、膜モジュール１１０３により加湿されてエンジンに供給される給気の組成と圧力及びエンジン排気中の窒素酸化物の発生量を測定した。酸素濃度計はジコー社製、ＪＫＯ−２５ＬＪＩＩを用い、湿度計は神栄テクノロジー社製、ＨＹＧＲＯＰＬＭ２を用いた。表４に、各実施例の運転条件とその結果を示す。【０１３８】
［比較例４］
後段膜モジュール１１０３に水を供給せず、室温の空気としたことと、加圧された空気が膜を透過しないように、その室温の空気の圧力を、加圧された空気以上の圧力にしたこと以外は、実施例１７と同様に実験を行った。この窒素酸化物削減装置により得られた給気の酸素濃度、温度及び湿度を測定した。表４に、運転条件とその結果を示す。【０１３９】
【表４】
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【０１４０】
表４より、温水又は水蒸気を循環させることで、高湿度かつ低酸素濃度（高窒素富化）な空気を得ることができることが確認された。温水の温度を制御することで、得られた給気の湿度を制御できる。また、給気組成において、Ｈ２Ｏの含有量が高い給気である方がＮＯｘをより削減できたことが確認された。また、実施例５１，５２は、窒素削減の効果が高く、加えて給気バランスも高いことがわかる。各実施例において、途中で水道水から海水（人工海水使用：日本製薬社製、「ダイゴ人工海水ＳＰ」を水道水１０００に対し３６の割合（質量比）で混合した海水。）に切り替えて循環させ、空気を加湿してエンジンに供給した（加圧された空気の湿度は、水道水を用いた場合と同じ値となるように調整して運転した）。水道水及び海水いずれの場合も、エンジンに腐食は認められなかった。【０１４１】
［実施例３５］
前段モジュールを中空糸型膜モジュールに替えて、平膜モジュールを用いた他は、実施例１７と同様にして、運転した。さらに粒子状排出物の測定も行った。粒子状排出物の濃度（ＰＭ）はＪＩＳ  Ｂ  ８００３−１：２００９の前田他“希釈率がＰＭ計測値に及ぼす影響”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＪＩＭＥ  Ｖｏｌ．３８  Ｎｏ．８、Ｍａｅｄａ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ＰＭ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  Ｍａｒｉｎｅ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅｓ”記載の方法によった。その結果を表５に示す。【０１４２】
【表５】
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【０１４３】
表５に示すように、本実施例によれば、エンジン排気中のＮＯｘ発生量が低く、給気バランスが高く、加えて粒子状排出物（ＰＭ）濃度も低いことが確認された。【０１４４】
本出願は、２００９年５月２６日に日本国特許庁へ出願された日本特許出願（特願２００９−１２６７４５）、２０１０年３月２９日に日本国特許庁へ出願された日本特許出願（特願２０１０−０７６２６９）及び２０１０年３月３０日に日本国特許庁へ出願された日本特許出願（特願２０１０−０７９６８６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明の内燃機関の窒素酸化物の削減方法、膜モジュール、それを用いる内燃機関の窒素酸化物削減装置及び内燃機関装置はディーゼルエンジンをはじめとする幅広い分野で利用できる。
【符号の説明】
【０１４６】
α，β，γ，１，２，５１，５２，６，１１０１，１１０２，１１０３…膜モジュール、α１，β１，γ１，１１，２１，５２１…水蒸気透過膜、１２，２２，５１２，５２２，６２…ケース、１２１，２２１，５１３，５２３，６２１…空気供給口、１２２，２２２，５１４，５２４，６２２…空気排出口、１２３，２２３，５２５，６２３…水供給口、１２４，２２４，５２６，６２４…水排出口、３，４，５，９，１０…窒素酸化物削減装置、３１，４１，１００６…温度計、３２，４２，９３，１００３…圧力計、３３，４３，９２，９８，１００２，１００７…流量計、３４，４４，９７…湿度計、３５，４５，９９，１００８…酸素濃度計、３６，４６，７５，９６，１１０９…温水バス、３７，４７，７６，９５…循環水ポンプ、３８，４８…循環水流量計、３９，４９，９４，１００５…循環水圧力計、５１１…窒素富化膜，５１５・・・掃気用空気供給口、５１６…掃気用空気排出口、６１…加湿窒素富化膜、７，８，１１…内燃機関装置、７１…ターボチャージャー、７２…吸気マニホールド、７３…内燃機関の燃焼室、７４…排気マニホールド、８１，１１０４…コンプレッサ、８２…温度調節機、８３…三方弁、８４…温水循環ポンプ、８５…温水発生機、８６…サンプリング弁、８７…ディーゼルエンジン、８８…海水槽、９０…恒温槽、９０１…熱交換器、９１，１００１…減圧弁、１００４…バブラー付き温水バス、１１０５…エンジン、１１０６…吸気系温度調節機、１１０７…水ポンプ、１１０８…空気スイープブロア、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐ…バルブ、ａ１，ａ２，ａ６…第一の空間、ｂ１，ｂ２，ｂ６…第二の空間
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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