(57)【要約】燃焼装置用の吸気システムが提供される。該吸気システムは、空気を取り込む吸気口と、燃焼装置の吸気口に連結される排気口とを有するエアセパレータ（16, 116, 216, 316）を備え、該エアセパレータが、その中に取り込まれた空気から窒素の一部を吸収するゼオライト物質を備える。一実施態様において、該燃焼装置は内燃機関（14, 114, 214, 314）である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を取り入れる吸気口と、燃焼装置の吸気口に連結される排気口とを有するエアセパレータを備え、該エアセパレータは、その中に取り込まれた空気から窒素の一部を吸収するゼオライト物質を含む、燃焼装置用の吸気システム。
【請求項２】
前記燃焼装置がエンジンであり、前記吸気システムの排気口が該エンジンの吸気口へ接続するように構成されている、請求項１に記載の吸気システム。
【請求項３】
前記エンジンが内燃エンジンである、請求項２に記載の吸気システム。
【請求項４】
前記燃焼装置が炉である、請求項１に記載の吸気システム。
【請求項５】
前記エアセパレータは、前記ゼオライト物質を含むキャニスタを備え、該キャニスタは、空気を取り入れる流体吸入口と、処理された空気を排出する第１の流体排出口とを形成している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項６】
前記キャニスタは、該キャニスタを通じて空気が流れるように、前記流体吸入口と前記第１の流体排出口との間に差圧を受ける、請求項５に記載の吸気システム。
【請求項７】
前記ゼオライト物質は、該キャニスタが差圧を受けているときに、該キャニスタ内に取り入れられた空気から窒素を吸収する、請求項６に記載の吸気システム。
【請求項８】
前記キャニスタは、正の差圧を受ける請求項６または７に記載の吸気システム。
【請求項９】
前記キャニスタは、負の差圧を受ける請求項６または７に記載の吸気システム。
【請求項１０】
前記エアセパレータに圧縮された空気を供給するための圧力手段をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項１１】
前記圧力手段が、前記エアセパレータの上流に配置され、該エアセパレータの流体吸入口に連結されている、請求項１０に記載の吸気システム。
【請求項１２】
前記圧力手段が、前記エアセパレータの下流に配置され、該エアセパレータの流体排出口に連結されている、請求項１０に記載の吸気システム。
【請求項１３】
前記圧力手段が、前記エアセパレータの一部を形成する、請求項１０に記載の吸気システム。
【請求項１４】
前記圧力手段が、空気から窒素を吸収するゼオライト物質を内蔵する作動部品を少なくとも１つ備える、請求項１３に記載の吸気システム。
【請求項１５】
前記圧力手段が、前記空気が前記エアセパレータにより処理された後、前記燃焼装置の吸気口に圧縮された空気を供給するようになっている、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載された吸気システム。
【請求項１６】
前記圧力手段がコンプレッサである、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項１７】
前記圧力手段がスーパーチャージャである、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項１８】
前記スーパーチャージャが、その中で圧縮される空気から窒素を吸収するゼオライト物質を備える、請求項１７に記載の吸気システム。
【請求項１９】
前記圧力手段がターボチャージャである、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項２０】
前記ターボチャージャの少なくとも一部がゼオライト物質を内蔵する、請求項１９に記載の吸気システム。
【請求項２１】
前記燃焼装置に導入される前に空気を冷却する手段をさらに備える請求項１〜２０のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項２２】
前記空気冷却手段が、前記エアセパレータの下流側に配置され、前記エアセパレータの排出口に連結される、請求項２１に記載の吸気システム。
【請求項２３】
前記空気冷却手段がインタークーラである、請求項２１または２２に記載の吸気システム。
【請求項２４】
前記エアセパレータを周期的に加圧および減圧する手段をさらに備える、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項２５】
前記エアセパレータが、前記キャニスタを大気に通気させることにより減圧される、請求項５〜９のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項２６】
前記キャニスタが、該キャニスタを大気に通気させる第２の流体排出口を形成している、請求項２５に記載の吸気システム。
【請求項２７】
前記エアセパレータを周期的に加圧および減圧する弁手段を備える、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項２８】
前記弁手段を作動する制御手段をさらに備える、請求項２７に記載の吸気システム。
【請求項２９】
前記エアセパレータの下流に配置される酸素センサをさらに備える、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項３０】
前記エアセパレータの下流に配置される酸素センサをさらに備え、該酸素センサは、前記弁手段と連通し、前記エアセパレータから排出される空気中の酸素レベルに応じて、該弁手段が、該エアセパレータの加圧および減圧を制御する、請求項２７または２８に記載の吸気システム。
【請求項３１】
前記エアセパレータは、少なくとも２つのキャニスタを備え、各キャニスタがゼオライト物質を内蔵する、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項３２】
前記キャニスタのそれぞれが、空気を取り入れる流体吸入口と、前記燃焼装置の吸気口に向けて空気を通気させる第１の流体排出口とを形成している、請求項３１に記載の吸気システム。
【請求項３３】
前記キャニスタのそれぞれが、該キャニスタのそれぞれを大気に通気させる第２の流体排出口を形成している、請求項３２に記載の吸気システム。
【請求項３４】
使用時に、前記少なくとも２つのキャニスタの１つが加圧されて、該キャニスタ内のゼオライト物質が空気から窒素を吸収し、その間、前記少なくとも２つのキャニスタの残りが減圧されて、該キャニスタ内に含まれるゼオライト物質が吸収した窒素を放出する、請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項３５】
エアフィルタをさらに備える、請求項１〜３４のいずれか一項に記載の吸気システム。
【請求項３６】
前記エアフィルタが、前記エアセパレータの上流に配置される、請求項３５に記載の吸気システム。
【請求項３７】
空気を取り入れる吸気口と、燃焼装置の吸気口に連結される排気口とを有するエアセパレータを備える吸気システムを含み、該エアセパレータが、その中に取り込まれた空気から窒素の一部を吸収するゼオライト物質を備える、燃焼装置。
【請求項３８】
ゼオライト物質を備えるコンプレッサであって、該コンプレッサにより流体が圧縮されるときに、前記ゼオライト物質が該流体より窒素を吸収する、コンプレッサ。
【請求項３９】
少なくとも部分的にゼオライト物質により形成されている圧縮素子を備える、請求項３８に記載のコンプレッサ。
【請求項４０】
前記コンプレッサがスクリュコンプレッサであり、該スクリュコンプレッサが、一対のスクリュ圧縮素子を備え、該スクリュ圧縮素子の一方の少なくとも一部が、ゼオライト物質により形成されている、請求項３９に記載のコンプレッサ。
【請求項４１】
前記コンプレッサが、燃焼装置に導入される空気を圧縮する、請求項３８〜４０のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のような燃焼装置用の吸気システムに関し、特に、燃焼装置へ向けて送られる前に空気から窒素を除去するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の使用増加に関しては環境面から大きく懸念されており、たとえば、内燃機関においては、燃料効率と機関性能を最大限に高めると同時に、有害な排出ガスを削減する取組みが行われている。自動車産業では、未燃焼炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などの環境有害物質の含有率を削減することによって、車両から排出される排気ガスの品質を改善する開発が進められている。たとえば、触媒材料および機関管理システムの開発では、かかる排出をさらに削減する試みがなされている。しかしながら、内燃機関からの排出ガスを削減する取組みは、機関性能に悪影響を及ぼし、大きな費用の増大を招くことがしばしばある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、従来の技術における、これらおよびその他の問題を解消または軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、燃焼装置用の吸気システムであって、空気を取り込む吸気口と、燃焼装置の吸気口に連結される排気口とを有するエアセパレータを備え、前記エアセパレータが、その中に取り込まれた空気から窒素の一部を吸収するゼオライト物質を備えることを特徴とする、吸気システムが提供される。
【０００５】
従って、使用時には、大部分の窒素がゼオライト物質によって除去され、燃焼装置の吸気口へ向けて送られる高酸素濃度の処理済み空気の流れが生成される。この構成により、燃焼装置における燃料のより完全なまたはほぼ化学量論的な燃焼が可能となり、用途によっては、効率と性能を向上させ、燃料消費量を削減し、一酸化炭素の発生量を低減することができる。さらに、燃焼装置に送られた吸気中の窒素レベルを有意に低下させることによって、窒素酸化物の生成レベルも低減される。
【０００６】
好ましくは、吸気システムは、エンジンを備える燃焼装置と共に使用され、この場合、該吸気システムの排気口が該エンジンの吸気口に連結される。かかるエンジンとして、たとえば航空機において使用される、あるいは、発電用の発電機を駆動するために使用される、ピストンエンジン、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジンがあげられる。あるいは、かかるエンジンは、予混合圧縮着火エンジンであってもよい。
【０００７】
あるいは、前記燃焼装置は、鉱石を製錬ないしは精製することや、焼却などのために使用される、蒸気発生のために水を加熱したり、空気を加熱したりするための炉などを備えるものでもよい。
【０００８】
特に、前記燃焼装置が、炭化水素燃料などの可燃性燃料を使用する場合に、本発明は好適に適用されうる。
【０００９】
好ましくは、前記エアセパレータは、前記ゼオライト物質を内蔵するキャニスタを備え、該キャニスタが、空気を取り込む流体吸入口とキャニスタから処理済み空気を放出する第１の流体排出口を形成するようにする。特に、前記キャニスタは、前記キャニスタを通じて空気を推進させるように、前記流体吸入口と前記第１の流体排出口との間の差圧を受ける構成とすることが好ましい。前記ゼオライト物質は、前記キャニスタが前記差圧を受けると、該キャニスタ内に取り込んだ空気から窒素を吸収するように構成することが好ましい。前記キャニスタは、正の差圧を受けるように構成することが好ましい。この場合、空気は、大気圧よりも高い圧力でキャニスタを通じて推進させられる。あるいは、前記キャニスタは、負の差圧を受けるように構成して、空気が大気圧よりも低い圧力でキャニスタを通じて引き込まれるようにしてもよい。この場合、前記キャニスタは減圧される。なお、正または負の差圧が利用されるいずれの場合においても、空気が「圧力をかけられた」ものとして定義される。また、本明細書における、エアセパレータ、またはキャニスタのような前記エアセパレータの構成部品に圧力をかけるとの言及は、前記エアセパレータに圧力をかけられた空気（すなわち、大気圧よりも高圧または低圧の空気）を充填するという意味も含むものとする。
【００１０】
さらに、吸気システムは、前記エアセパレータに圧力をかけられた空気を供給する圧力手段を備えるのが好ましい。本発明の一実施形態において、前記圧力手段は、前記エアセパレータの上流に配置され、前記エアセパレータの流体吸入口に連結される。この構成では、正の差圧によって空気はエアセパレータに供給される。別の実施形態においては、前記圧力手段は、前記エアセパレータの下流に配置され、前記エアセパレータの排出口に連結され、この構成では、空気は負の差圧によってエアセパレータに引き込まれる。
【００１１】
さらに、別の実施形態において、前記圧力手段が、前記エアセパレータの一部を形成する場合がある。たとえば、前記圧力手段は、前記エアセパレータと一体的なものでもよい。ある構成において、前記圧力手段は、空気から窒素を吸収するためのゼオライト物質を内蔵する少なくとも一つの作動部品を備える。この構成では、エアセパレータと圧力手段とが単一のユニットに組み込まれるので、吸気システム内の個別の構成部品の数を減らすことができ有利である。
【００１２】
前記圧力手段は、加圧された空気または圧縮された空気を、エアセパレータによって処理された後に、前記燃焼装置の前記吸気口に供給するようになっていることが好ましい。あるいは、圧縮空気を燃焼装置に供給するために別個の圧力手段を設けてもよい。圧縮空気を燃焼装置に供給することで、強制空気導入手段が提供され、前記装置を効率よく作動させ、性能を最大限に高めることができる。前記圧力手段が、たとえば５：１から１２：１までの間の空気圧縮率を提供できるようにすることが好ましい。
【００１３】
前記圧力手段がコンプレッサを備えることが好ましい。一実施形態において、前記圧力手段はスーパーチャージャユニットを備える。前記スーパーチャージャユニットは、ルーツ式、遠心式などのものがある。前記スーパーチャージャユニットは、スクリュ式であることが好ましい。
【００１４】
前記スーパーチャージャユニットは、エンジンなどの燃焼装置から、たとえばファンベルトまたはファンベルトエクステンションを介して直接駆動されるように構成される。あるいは、前記スーパーチャージャユニットは、電気モータなどの別個の駆動手段によって駆動されるようにすることもできる。この構成では、たとえばエンジンの速度とは独立して、スーパーチャージャを作動および制御でき、必要に応じて、より正確かつ制御された空気圧縮の提供が可能となる。
【００１５】
一実施形態において、前記スーパーチャージャは、その中で圧縮される空気から窒素を吸収するためのゼオライト物質を備える。たとえば、コンプレッサブレードや噛み合いスクリュなどの圧縮部材が、少なくとも部分的にゼオライト物質により形成され、使用時に、圧縮される空気中の窒素を吸収して、高酸素濃度の高圧空気の流れを生成する。
【００１６】
別の実施形態において、前記圧力手段は、作動時に燃焼装置によって生成される排気ガスによって駆動されるターボチャージャを備える。ある構成においては、ターボチャージャの少なくとも一部が、ゼオライト物質を内蔵する。
【００１７】
吸気システムは、燃焼装置へ向けて送られる前に空気を冷却する手段を備えることが好ましい。好ましい実施形態において、この空気冷却手段は、前記エアセパレータの下流に配置され、該エアセパレータの排気口に連結される。最も好ましくは、前記空気冷却手段が、エアセパレータおよび圧力手段の両方の下流に配置され、使用時に、高酸素濃度の圧縮空気を冷却するように作動させる。このように、前記空気冷却手段は、圧力手段による圧縮により加熱された空気を冷却するように作動し、これにより燃焼装置の吸気口に導かれる前に該空気の密度を増加させることができる。別の実施形態においては、前記空気冷却手段は、エアセパレータの上流に配置される。
【００１８】
前記空気冷却手段は、空冷式インタークーラや液冷式インタークーラのようなインタークーラを備えることが好ましい。
【００１９】
さらに、吸気システムは、エアセパレータ、具体的にはゼオライト物質を含むキャニスタを周期的に加圧および減圧する手段を備えることが好ましい。使用時に、エアセパレータを加圧すると、ゼオライト物質は空気から窒素を吸収するようになり、逆にエアセパレータを減圧すると、ゼオライト物質は吸収した窒素を放出するようになる。これによりゼオライト物質が再生され、このサイクルが繰り返される。好ましくは、前記エアセパレータは、キャニスタを大気に通気することによって減圧され、これによって吸収された窒素が廃棄されるようにする。前記キャニスタは、該キャニスタを大気に通気するための第２の流体排出口を形成して、これにより該キャニスタを減圧し、ゼオライト物質を再生できるようにすることが好ましい。また、該エアセパレータは、大気圧よりも圧力を高めることにより、あるいは大気圧よりも圧力を減ずることにより、圧力をかけられるようにすることが好ましい。
【００２０】
吸気システムは、エアセパレータを周期的に加圧および減圧するための弁手段を備えることが好ましい。また、前記弁手段は、たとえば第２の流体排出口を介してキャニスタを大気に対して周期的に開閉させるように構成することが好ましい。さらに、前記弁手段は、空気供給源からエアセパレータを周期的に隔離するように構成することが好ましい。この構成において、前記弁手段が、前記キャニスタを前記空気供給源から隔離した状態で、前記第２の流体排出口を介して前記キャニスタを大気に対して開放した後、前記キャニスタを大気から閉鎖して、前記空気供給源との連通させるようにすることが好ましい。この構成により、この吸気システムが連続的に作動して、燃焼装置で使用する高酸素濃度の空気を供給することが可能となる。
【００２１】
前記弁手段は、ピンチ弁、ソレノイド弁、バタフライ弁など、あるいはこれらの組合せを備えることができる。
【００２２】
さらに、吸気システムは、前記弁手段を作動させる制御手段も備えることが好ましい。該制御手段は、中継システムなどのスイッチングシステムを内蔵してもよい。代替的にあるいは追加的に、前記制御手段は、プログラマブルコントローラを備えてもよい。
【００２３】
好ましい実施形態において、吸気システムは、酸素センサを備え、該酸素センサは、エアセパレータの下流に配置される。該酸素センサは、前記エアセパレータの排気口から放出される空気中の酸素レベルを検出するように構成される。酸素センサは、前記弁手段と連通して、エアセパレータから放出される空気中の酸素レベルに基づいて、前記弁手段がエアセパレータの加圧および減圧を制御可能とする。好ましくは、この酸素センサにより、酸素レベルが所定量よりも低下したことが検出された場合に、エアセパレータを減圧するように、前記弁手段を作動させて、エアセパレータ内のゼオライト物質を再生させるようにすることが好ましい。この酸素センサは、適切な制御手段を介して弁手段と連通することが好ましい。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態において、エアセパレータは、それぞれがゼオライト物質を内蔵する、少なくとも２つのキャニスタを備える。それぞれのキャニスタが、空気を取り込む流体吸入口と、燃焼装置の吸気口に空気を通気する第１の流体排気口を形成していることが好ましい。また、それぞれのキャニスタが、第２の流体排出口を形成して、キャニスタを大気に通気して減圧させ、キャニスタ内のゼオライト物質を再生できるようにすることが好ましい。
【００２５】
使用時には、前記少なくとも２つのキャニスタのうち一方が加圧されて、キャニスタ内のゼオライト物質が空気から窒素を吸収し、一方、前記少なくとも２つのキャニスタのうち他方が減圧されて、キャニスタ内に含まれるゼオライト物質が吸収された窒素を放出できるようにすることが好ましい。
【００２６】
前記弁手段が、キャニスタを選択的かつ交互に加圧および減圧できる構成であることが好ましい。たとえば、前記弁手段は、一方のキャニスタを加圧すると同時に他方のキャニスタを減圧できるようにする。この構成により、一方のキャニスタ内でゼオライト物質が空気から窒素を吸収すると同時に、他方のキャニスタから吸収された窒素を放出して、該キャニスタ内のゼオライト物質を再生できるようにすることが好ましい。これにより、実質的に連続運転が可能となり、高酸素濃度の空気を燃焼装置の吸気口に連続的に供給することが可能となる。
【００２７】
吸気システムは、燃焼装置の吸気口に供給する空気から微粒子物質をろ過するように構成されたエアフィルタをさらに備えることが好ましい。好ましい実施形態において、前記エアフィルタは、エアセパレータの上流に配置されるので、該エアセパレータ内にあるゼオライト物質の汚損が防止されるか、最小限まで低減される。前記エアフィルタは、エアセパレータの下流に配置してもよい。
【００２８】
吸気システムは、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの一方または両方との使用に適合していることが好ましい。また、吸気システムは、燃料噴射式エンジンとの使用に適合していることが好ましい。この構成において、エンジンへの燃料の噴射を監視および制御して、エアセパレータから出力される空気の品質に適合させることが好ましい。エンジンの燃料噴射システムは、吸気システムと関係づけられた制御手段によって制御されることが好ましい。
【００２９】
本発明の吸気システムにおいて、天然のゼオライト物質が用いられるが、合成のゼオライト物質も用いることができる。
【００３０】
本発明の第２の態様によれば、吸気システムを有する燃焼装置であって、前記吸気システムが、空気を取り込む吸気口と前記燃焼装置の吸気口に連結される排気口とを有するエアセパレータを備え、該エアセパレータが、その中に取り込まれた空気から窒素の一部を吸収するオライト物質を備える、燃焼装置が提供される。
【００３１】
前記燃焼装置は、内燃機関または炉などを備える。
【００３２】
前記吸気システムは、第１の態様における吸気システムであることが好ましい。
【００３３】
本発明の第３の態様によれば、ゼオライト物質を備えるコンプレッサであって、流体が前記コンプレッサによって圧縮される時に、前記ゼオライト物質が該流体から窒素を吸収することを特徴とする、コンプレッサが提供される。
【００３４】
前記コンプレッサは、少なくとも部分的にゼオライト物質から形成される圧縮部材を備えることが好ましい。一実施形態において、前記コンプレッサは、一対のスクリュ圧縮部材を備え、一方のスクリュ部材の少なくとも一部がゼオライト物質から形成される、スクリュコンプレッサである。代替的に、前記コンプレッサは、遠心コンプレッサ、スクロールコンプレッサ、ピストンコンプレッサなどでもよい。
【００３５】
第３の態様におけるコンプレッサにより、使用時に、実質的に窒素が除去された圧縮流体の流れが提供されることが好ましい。
【００３６】
前記コンプレッサは、内燃機関のような燃焼装置に導かれる空気を圧縮する、スーパーチャージャ、ターボチャージャなどであることが好ましい。
【００３７】
以下、本発明の実施態様について、添付の図面を参照しつつ、例示のみを目的として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態における吸気システムの概略を示す。吸気システムは参照番号１０によって概略的に示される。該吸気システムは、内燃機関（エンジン）１４の吸気口１２に供給される前に空気を処理するために使用される。前記エンジン１４には、たとえば発電機などの駆動用の固定エンジンや、自動車エンジンなどがある。
【００３９】
吸気システム１０は、破線で示されるエアセパレータ１６を内蔵しており、後述の通り、エンジン１４に向けて放出される前に、空気から窒素を吸収するのに使用されるゼオライト物質を含む。これにより、使用時に、窒素の大部分はゼオライト物質によって除去され、エンジン１４の吸気口１２に導かれる高酸素濃度の処理済み空気の流れが生成される。この構成により、エンジン１４における燃料のより完全な、またはほぼ化学量論的な燃焼が可能となり、エンジン効率と性能を向上させ、燃料消費量を削減し、一酸化炭素の生成量を低減することができる。さらに、エンジンに送られる吸気中の窒素レベルを有意に低下させることにより、窒素酸化物の生成レベルも低減される。
【００４０】
図示の実施形態において、エアセパレータ１６は、それぞれがゼオライト物質を含む２つのキャニスタ１８、２０を備える。第１のキャニスタ１８は、流体吸入口２２、第１の流体排出口２４、および第２の流体排出口２６を形成している。同様に、第２のキャニスタ２０は、流体吸入口２８、第１の流体排出口３０、および第２の流体排出口３２を形成している。使用時に、空気はそれぞれ流体吸入口２２、２８を介して各キャニスタ１８、２０に送られた後、処理済み空気がそれぞれ第１の流体排出口２４、３０を介して各キャニスタ１８、２０から放出され、次いでエンジン１４の吸気口１２へ送られる。キャニスタ１８、２０内のゼオライト物質によって吸収された窒素は、後述の通り、それぞれ第２の流体排出口２６、３２を介して放出される。
【００４１】
吸気システム１０は、エアセパレータ１６の上流に配置されるスーパーチャージャユニット３４をさらに備える。図示していないが、スーパーチャージャ３４は、エンジンの電気システムによって作動される電気モータにより直接駆動されるか、ファンベルトなどを介して駆動される。使用時に、スーパーチャージャ３４は、空気を圧縮し、該空気が、正の差圧により、エアセパレータ１６を通じて送り出されるようにする。これにより、加圧状態でゼオライト物質が窒素を吸収できるように、空気は、強制的に圧力下で各キャニスタ１８、２０を通ずるようにされる。使用時に、スーパーチャージャユニット３４およびエアセパレータ１６により、エンジン１４へ供給される高酸素濃度の圧縮空気の流れが提供される。
【００４２】
また、システム１０は、エアセパレータ１６の下流に配置されるインタークーラユニット３６も備える。この構成により、スーパーチャージャ３４内における圧縮中の加熱により、密度が低下した空気を、再度冷却して空気密度を増加させて、エンジンで使用される空気をより高容量とすることが好ましい。詳細には示していないが、インタークーラ３６として、当該技術分野で公知の空冷式あるいは液冷式のものが採用できる。
【００４３】
また、図示の実施形態における吸気システム１０は、制御システムをさらに備える。この制御システムは、後述の通り、使用時に、要求される品質の処理済み空気をほぼ一定に提供するように、エアセパレータ１６を機能させる。該制御システムは、参照番号３８によって示される、プログラマブルマイクロコントローラなどのコントローラと、３つの個別の三方弁４０、４２、４４を備える弁配置と、エアセパレータ１６の下流に配置される酸素センサ４６とを備える。使用時に、弁４０は、最初に、空気が第２のキャニスタ２０に向かって流れることを防止した状態で、圧縮空気がスーパーチャージャ３４から流体吸入口２２を介して第１のキャニスタ１８に流れるようにする。弁４４は、第２のキャニスタ２０とエンジン１４との間の流体連通を防止した状態で、処理済みの圧縮空気が第１のキャニスタ１８の第１の流体排出口２４からエンジン１４へ向かって放出されるようにする。弁４２は、第１のキャニスタ１８の第２の流体排出口を閉止するが、第２のキャニスタ２０の第２の流体排出口３２を開口させて、第２のキャニスタ２０を大気に通気させる。
【００４４】
上記のように弁が配置されたシステム１０では、作動時に、酸素センサ４６が、セパレータ１６からエンジン１４へ向かって放出される空気中の酸素含有量を連続的に監視する。所定の最小レベルを下回る酸素レベルが検出され、第１のキャニスタ１８内のゼオライト物質が窒素で飽和していることが示されると、コントローラ３８は、信号を生成して、弁４０、４２、４４を以下のように再構成する。すなわち、弁４０は、第１のキャニスタ１８への空気の流れを防止した状態で、圧縮空気がスーパーチャージャ３４から第２のキャニスタ２０へ向かって流れるように設定される。弁４４は、第１のキャニスタ１８とエンジン１４との間の流体連通を防止した状態で、処理済み空気が第２のキャニスタ２０の第１の流体排出口３０からエンジン１４へ向かって流れるように設定される。そして弁４２は、第１のキャニスタ１８の第２の流体排出口２６を開口することで、第１のキャニスタ１８を大気に対して開放した状態で、第２のキャニスタ２０の第２の流体排出口３２を閉止するように設定される。第２のキャニスタ２０が高酸素濃度の圧縮空気をエンジン１４へ向けて供給し続けるように機能させた状態で、第１のキャニスタ１８を大気に開放することにより、第１のキャニスタが減圧されて、該キャニスタ内に含まれるゼオライト物質が吸収した窒素を放出することにより、再生される。
【００４５】
酸素レベルが最小レベルを下回ったことが再び検出されると、弁４０、４２、４４は再度、作動を維持するように再度設定される。なお、図１に示す実施形態におけるエアセパレータ１０の作動は、正の差圧によって空気がそれぞれのキャニスタに周期的に通じさせられることから、「圧力スイング吸着」と呼ばれる。
【００４６】
システム１０は、エアセパレータ１６の上流にエアフィルタ４８をさらに備える。該エアフィルタ４８は、スーパーチャージャ３４によって圧縮され、セパレータ１６に向けて送られる前に空気から微粒子物質を除去して、セパレータ１６に含まれるゼオライト物質の汚損を防止または少なくとも最小限まで低減する。
【００４７】
図２は、本発明に係る吸気システムの代替の態様を示し、該吸気システムは、参照番号１１０によって概略的に示される。図２のシステム１１０は、図１のシステム１０と類似しており、同種の機構について１００を加えた類似の参照番号を付する。簡略化のため、２つのシステム１０および１１０における相違点についてのみ、本明細書では言及する。唯一の大きな相違点は、図１のシステム１０のスーパーチャージャユニット３４が、図２のシステム１１０では、破線の概略線で示され、参照番号５０が付されたターボチャージャユニットに置換されている点である。ターボチャージャ５０は、従来の設計のものでよく、エンジン１１４からの排気ガスによって駆動されるタービン５２を内蔵する。該タービン５２は、エアセパレータ１１６に流入する前に空気を圧縮するエアコンプレッサ５４を駆動する。
【００４８】
図３に、本発明に係る吸気システムの代替の態様を示すが、該吸気システムは、内燃機関と共に使用される。該吸気システムは、参照番号２１０によって概略的に示されるが、スーパーチャージャ２３４がエアセパレータ２１６の下流に配置され、エアセパレータ２１６に空気を引き込む負の差圧を提供することを除き、図１のシステム１０と同様である。
【００４９】
図４に、本発明に係る吸気システムの代替の態様を示す。該吸気システムは、参照番号３１０によって示される。このシステム３１０は、ターボチャージャ３５０がエアセパレータ３１６の下流に配置されていることを除けば、図２に示すシステム１１０と同様である。
【００５０】
図３および図４にそれぞれ示す両システム２１０、３１０において、エアセパレータ２１６、３１６は、空気が負の差圧によってエアセパレータ２１６、３１６を通じて流れるようにしていることから、「真空スイング吸着」によって作動するものと考えられる。
【００５１】
図５は、本発明の別の実施形態における吸気システムを示す。該吸気システムは、参照番号４１０によって概略的に示され、単一のユニット６０内に一体的に形成されるエアセパレータとスーパーチャージャとを備える。図６は、このエアセパレータ・スーパーチャージャ一体型ユニット６０を示す。ユニット６０は、スクリュ式のスーパーチャージャを内蔵しており、該スーパーチャージャは、噛み合いローブ６６を有する第１および第２のスクリュ素子６２、６４を備え、各スクリュ素子６２、６４は、圧縮空気から窒素を吸収するゼオライト物質により形成されている。前記スーパーチャージャは、従来と同様に作動し、スクリュ素子６２、６４が反対方向に回転することで、空気が吸気口６８を介してスーパーチャージャに引き込まれ、噛み合いローブ６６の間で圧縮され、高圧で排気口７０から排出される。このようにして圧縮空気内の窒素は、スクリュ６２、６４を形成するゼオライト物質によって吸収される。回転時に、圧縮空気と接触していないスクリュ６２、６４の部分は、吸収された窒素を放出することで、該スクリュ６２、６４は再生される。
【００５２】
図５に示す通り、システム４１０は、ユニット６０の上流に配置されるエアフィルタ４４８と、ユニット６０の下流に配置されるインタークーラ４３６とをさらに備える。
【００５３】
図７は、本発明に係る吸気システムのさらなる実施形態を示す。該吸気システムは、参照番号５１０によって概略的に示され、エアセパレータ・スーパーチャージャ一体型ユニット６０（図５）が、エンジン５１４からの排気ガスによって駆動されるエアセパレータ・ターボチャージャ一体型ユニット７４に置換されていることを除き、図５に示すシステムと同様である。図８に、ユニット７４を示す。
【００５４】
ユニット７４内のターボチャージャは、エンジン５１４から放出される排気ガス７８によって駆動されるタービン７６を備え、該タービン７６は、使用時に空気を圧縮するように作動する２つのコンプレッサインペラ８２、８４にシャフト８０を介して回転可能に連結される。インペラ８２、８４は、少なくとも部分的に、圧縮空気から窒素を吸収するゼオライト物質により形成されている。三方弁８６は、コンプレッサ８２、８４とエンジン５１４との間に備えられる。なお、インタークーラ５３６（図７）は、図８において省略されている。弁８６は、各インペラ８２、８４とエンジン５１４とを交互に流体連通させて、通常作動時には、単一のインペラから圧縮空気をエンジン５１４に供給させる。
【００５５】
各コンプレッサインペラ８２、８４は、圧縮空気を大気へ通気するために付属される廃棄ゲート（図示なし）を備える。
【００５６】
使用時に、タービン７６は、各インペラ８２、８４を駆動し、弁８６は、インペラ８４に付属の廃棄ゲートが大気に開放された状態で、インペラ８２からの圧縮空気のみをエンジン５１４に向けて送出するように設定される。エンジン５１４へ供給される圧縮空気中の酸素レベルが所定のレベルよりも低下すると、弁８６は、インペラ８４のみが圧縮空気をエンジン５１４へ供給するように設定される。この段階で、インペラ８２に付属の廃棄ゲートが開放されて大気に通気され、インペラ８２を形成するゼオライト物質に吸収された窒素を放出させ、ゼオライト物質が再生される。このサイクルが繰り返されることで、高酸素濃度の圧縮空気の流れが連続的に供給される。
【００５７】
以上、本明細書で説明した実施形態は例示であり、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて、前述の実施形態に変更を加えることは可能である。たとえば、このシステムは、スーパーチャージャやターボチャージャのようなコンプレッサの使用を必要とせず、使用時にエンジンによって生成される負の差圧に基づいてもよい。さらに、酸素センサは、タイマ機構や、設定された時間間隔に基づいてシステムを周期的に作動させる装置に置換されうる。実施形態によっては、インタークーラを使用しないことが好ましい場合もある。さらに、ゼオライト物質を含むキャニスタを３個以上使用してもよい。
【００５８】
さらに、吸気システムは、ロータリーエンジンやガスタービンエンジンなど、その他のタイプのエンジンと組み合わせて使用してもよい。さらにまた、この吸気システムは、炉などその他の形態の燃焼装置と共に使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態に係る吸気システムの概略図である。
【図２】本発明の代替態様に係る吸気システムの概略図である。
【図３】本発明の他の代替態様に係る吸気システムの概略図である。
【図４】本発明のさらに他の代替態様に係る吸気システムの概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係る吸気システムの概略図である。
【図６】図５の吸気システムの一部を形成する、コンプレッサの概略図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る吸気システムの概略図である。
【図８】図７の吸気システムの一部を形成する、コンプレッサの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年8月19日(2008.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気システムを備える予混合圧縮着火燃焼装置であって、該システムは、空気を取り入れる吸気口と、該燃焼装置の吸気口に連結される排気口とを有するエアセパレータを備え、該エアセパレータは、その中に取り込まれた空気から窒素の一部を吸収するゼオライト物質を含む、燃焼装置。
【請求項２】
前記燃焼装置は、前記エアセパレータからの空気を、高酸素濃度の状態で受け入れる、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼装置がエンジンであり、前記吸気システムの排気口が該エンジンの吸気口へ接続するように構成されている、請求項１または２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記エアセパレータは、前記ゼオライト物質を含むキャニスタを備え、該キャニスタは、空気を取り入れる流体吸入口と、処理された空気を排出する第１の流体排出口とを形成している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記キャニスタは、該キャニスタを通じて空気が流れるように、前記流体吸入口と前記第１の流体排出口との間に差圧を受ける、請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記ゼオライト物質は、該キャニスタが差圧を受けているときに、該キャニスタ内に取り入れられた空気から窒素を吸収する、請求項５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記キャニスタは、正の差圧を受ける請求項５または６に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記キャニスタは、負の差圧を受ける請求項５または６に記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記エアセパレータに圧縮された空気を供給するための圧力手段をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記圧力手段が、前記エアセパレータの上流に配置され、該エアセパレータの流体吸入口に連結されている、請求項９に記載の燃焼装置。
【請求項１１】
前記圧力手段が、前記エアセパレータの下流に配置され、該エアセパレータの流体排出口に連結されている、請求項９に記載の燃焼装置。
【請求項１２】
前記圧力手段が、前記エアセパレータの一部を形成する、請求項９に記載の燃焼装置。
【請求項１３】
前記圧力手段が、空気から窒素を吸収するゼオライト物質を内蔵する作動部品を少なくとも１つ備える、請求項１２に記載の燃焼装置。
【請求項１４】
前記圧力手段が、前記空気が前記エアセパレータにより処理された後、前記燃焼装置の吸気口に圧縮された空気を供給するようになっている、請求項９〜１３のいずれか一項に記載された燃焼装置。
【請求項１５】
前記圧力手段がコンプレッサである、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項１６】
前記圧力手段がスーパーチャージャである、請求項９〜１５のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項１７】
前記スーパーチャージャが、その中で圧縮される空気から窒素を吸収するゼオライト物質を備える、請求項１６に記載の燃焼装置。
【請求項１８】
前記圧力手段がターボチャージャである、請求項９〜１５のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項１９】
前記ターボチャージャの少なくとも一部がゼオライト物質を内蔵する、請求項１８に記載の燃焼装置。
【請求項２０】
前記燃焼装置に導入される前に空気を冷却する手段をさらに備える請求項１〜１９のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項２１】
前記空気冷却手段が、前記エアセパレータの下流側に配置され、前記エアセパレータの排出口に連結される、請求項２０に記載の燃焼装置。
【請求項２２】
前記空気冷却手段がインタークーラである、請求項２０または２１に記載の燃焼装置。
【請求項２３】
前記エアセパレータを周期的に加圧および減圧する手段をさらに備える、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項２４】
前記エアセパレータが、前記キャニスタを大気に通気させることにより減圧される、請求項４〜８のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項２５】
前記キャニスタが、該キャニスタを大気に通気させる第２の流体排出口を形成している、請求項２４に記載の燃焼装置。
【請求項２６】
前記エアセパレータを周期的に加圧および減圧する弁手段を備える、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項２７】
前記弁手段を作動する制御手段をさらに備える、請求項２６に記載の燃焼装置。
【請求項２８】
前記エアセパレータの下流に配置される酸素センサをさらに備える、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項２９】
前記エアセパレータの下流に配置される酸素センサをさらに備え、該酸素センサは、前記弁手段と連通し、前記エアセパレータから排出される空気中の酸素レベルに応じて、該弁手段が、該エアセパレータの加圧および減圧を制御する、請求項２６または２７に記載の燃焼装置。
【請求項３０】
前記エアセパレータは、少なくとも２つのキャニスタを備え、各キャニスタがゼオライト物質を内蔵する、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項３１】
前記キャニスタのそれぞれが、空気を取り入れる流体吸入口と、前記燃焼装置の吸気口に向けて空気を通気させる第１の流体排出口とを形成している、請求項３０に記載の燃焼装置。
【請求項３２】
前記キャニスタのそれぞれが、該キャニスタのそれぞれを大気に通気させる第２の流体排出口を形成している、請求項３１に記載の燃焼装置。
【請求項３３】
使用時に、前記少なくとも２つのキャニスタの１つが加圧されて、該キャニスタ内のゼオライト物質が空気から窒素を吸収し、その間、前記少なくとも２つのキャニスタの残りが減圧されて、該キャニスタ内に含まれるゼオライト物質が吸収した窒素を放出する、請求項３０〜３２のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項３４】
エアフィルタをさらに備える、請求項１〜３３のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項３５】
前記エアフィルタが、前記エアセパレータの上流に配置される、請求項３４に記載の燃焼装置。
【請求項３６】
ゼオライト物質を備えるコンプレッサであって、該コンプレッサにより流体が圧縮されるときに、前記ゼオライト物質が該流体より窒素を吸収する、コンプレッサ。
【請求項３７】
少なくとも部分的にゼオライト物質により形成されている圧縮素子を備える、請求項３６に記載のコンプレッサ。
【請求項３８】
前記コンプレッサがスクリュコンプレッサであり、該スクリュコンプレッサが、一対のスクリュ圧縮素子を備え、該スクリュ圧縮素子の一方の少なくとも一部が、ゼオライト物質により形成されている、請求項３７に記載のコンプレッサ。
【請求項３９】
前記コンプレッサが、燃焼装置に導入される空気を圧縮する、請求項３６〜３８のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
【国際調査報告】
2009509093.tif 000011
2009509093.tif 000012
2009509093.tif 000013
2009509093.tif 000014
2009509093.tif 000015