(57)【要約】【課題】本発明は、排気ガス中の水蒸気のみを回収して吸気に混合することで、燃料の燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの発生を低減できる内燃機関の吸気成分制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】ＥＧＲ管１６に介装され排気ガスｇ中の所定の成分を分離する成分分離手段１８として、排気ガスｇ中の水蒸気ｆを透過して分離するゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体Ｈを設ける。基材はコージェライトを用いることが好ましい。【選択図】図１
2006226149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気管と排気管とに連結され該内燃機関の排気ガスの一部を吸気管へ環流する流路を構成するＥＧＲ管と、該ＥＧＲ管に介装され前記排気ガス中の所定の成分を分離する成分分離手段と、前記ＥＧＲ管に介装され前記排気ガスを前記成分分離手段に導入する差圧発生手段とを備え前記内燃機関の吸気成分を制御する吸気成分制御装置において、
前記成分分離手段は前記排気ガス中の水蒸気を透過して分離するゼオライト膜を備えることを特徴とする吸気成分制御装置。
【請求項２】
前記成分分離手段は、前記ゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体である請求項１に記載の吸気成分制御装置。
【請求項３】
前記ハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルの該開口部と該封止部とが交互に隣り合うように並列されている請求項２に記載の吸気成分制御装置。
【請求項４】
前記ハニカム構造体のセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ２（６２〜１４０個／ｃｍ２）である請求項２または３に記載の吸気成分制御装置。
【請求項５】
前記ゼオライト膜は孔径が０．２６〜０．５ｎｍの細孔を有する請求項１〜４のいずれかに記載の吸気成分制御装置。
【請求項６】
前記基材は径が０．１〜５０μｍの通孔を有する多孔質体である請求項２〜５のいずれかに記載の吸気成分制御装置。
【請求項７】
前記多孔質体はセラミックである請求項６に記載の吸気成分制御装置。
【請求項８】
前記セラミックはコージェライトである請求項７に記載の吸気成分制御装置。
【請求項９】
前記ＥＧＲ管は前記排気ガスが前記成分分離手段を介して前記吸気管へ環流する第１の流路と、前記成分分離手段を迂回して前記吸気管へ環流する第２の流路とを備える請求項１に記載の吸気成分制御装置。
【請求項１０】
前記ＥＧＲ管は前記排気ガスの流路を前記第１の流路と前記第２の流路とに切り替える切替手段を備える請求項９に記載の吸気成分制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はディーゼルエンジンなどの内燃機関の排気ガス循環装置において、吸気に帰還させる排気ガスの成分を制御する吸気成分制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、自動車や固定式内燃機関から排出される窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）、煤塵、炭化水素などは環境汚染物質として問題になっている。
【０００３】
ＮＯｘは濃度の不均質な混合気である燃料噴霧の中で、局所当量比が低い運転領域において急激な熱発生に伴って燃焼温度が１８００Ｋを越えると生成されるものである。従って、燃焼室の低温化でＮＯｘの低減を図ることができる。
【０００４】
このため、排気ガスを内燃機関の吸気に環流させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置において、環流する排気ガス中の有用成分のみを分離して環流させる排気ガス再循環装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に開示されている従来技術は、排気ガスの一部を吸気管へ環流する流路を構成するＥＧＲ管と、ＥＧＲ管に介装されガス分離膜を備えたガス分離部と、ＥＧＲ管に介装された排ガス環流手段とを有し、ガス分離膜が、炭酸ガス富化膜、水素富化膜、又は酸素富化膜である内燃機関の排気ガス再循環装置である。そして、ガス分離膜で排気ガス中の水蒸気・炭酸ガスや酸素などを富化し、この富化ガスを再循環することにより、酸素濃度の低下を抑え、燃料の完全な燃焼で煤塵や炭化水素の排出を防止したり、あるいは燃焼による発熱を富化ガスである比熱の大きい炭酸ガスや水蒸気で吸収して、燃焼室の低温化でＮＯｘの低減を図ることができるとしている。
【０００６】
しかし、ガス分離膜として例示されている、シリコーンゴム系、ポリ、ポリスルホン系、ポリアミド系などの材料で製造した非孔性高分子膜では排気ガス温度が高温であるために耐熱性に問題があり、長期間にわたって安定した成分分離特性を維持することができない。
【特許文献１】特開平６−２０７５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、排気ガス中の水蒸気のみを回収して吸気に混合することで、燃料の燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの発生を低減できる内燃機関の吸気成分制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の吸気成分制御装置は、内燃機関の吸気管と排気管とに連結され内燃機関の排気ガスの一部を吸気管へ環流する流路を構成するＥＧＲ管と、このＥＧＲ管に介装され排気ガス中の所定の成分を分離する成分分離手段と、ＥＧＲ管に介装され排気ガスを成分分離手段に導入する差圧発生手段とを備え内燃機関の吸気成分を制御する吸気成分制御装置において、成分分離手段は排気ガス中の水蒸気を透過して分離するゼオライト膜を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の吸気成分制御装置は、成分分離手段としてゼオライト膜を備えている。ゼオライト膜は、耐熱性が高いので高温の排気ガス中でも安定して排気ガス中の水蒸気を分離することができる。そして、内燃機関の吸気に水蒸気を混入させることで燃焼室における燃料の燃焼温度を低下させＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００１０】
本発明の吸気成分制御装置において、成分分離手段は、ゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることが望ましい。
【００１１】
成分分離手段をゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体とすることで水蒸気の分離面積を大きくすることができる。
【００１２】
また、このようなハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルの開口部と封止部とが交互に隣り合うように並列されていることが望ましい。このようなセルの構造とすることで、分離膜の面積を大きくすることができるとともに、排気ガスの自由な流通を阻止して、排気ガス中の水蒸気の分離効率を向上することができる。
【００１３】
上記のようなハニカム構造体のセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ２（６２〜１４０個／ｃｍ２）であることが好ましい。ハニカム構造体のセル密度を上記の範囲とすることで、成分分離手段をコンパクトで高効率のものとすることができる。
【００１４】
本発明の吸気成分制御装置において、成分分離手段のゼオライト膜は、孔径が０．２６〜０．５ｎｍの細孔を有することが望ましい。ゼオライト膜は分子ふるいであり、この範囲の細孔径を有する分子ふるいでは、排気ガス中の水蒸気のみを透過して、酸素分子や窒素分子は透過することができない。従って、排気中の水蒸気のみを効率よく分離することができる。
【００１５】
また、ハニカム構造体の基材は、径が０．１〜５０μｍの通孔を有する多孔質体であることが望ましい。基材の通孔径をこの範囲とすることで基材の強度を確保できるとともに、差圧手段の容量を大きくすることなく効果的に水蒸気を分離することができる。
【００１６】
ここで、多孔質体はセラミックであることが望ましい。セラミックは耐熱性や強度が高いので高温の排気ガス中でも安定してゼオライト膜を支持することができる。また、多孔質であるのでゼオライト膜で分離した水蒸気を容易に透過することができる。
【００１７】
また、上記のセラミックはコージェライトであることが望ましい。コージェライトは成形性や強度に優れるとともに、ゼオライト膜との親和性が良好であり、かつ廉価であるので、ゼオライト膜の基材としては好適である。
【００１８】
本発明の吸気成分制御装置において、ＥＧＲ管は、排気ガスが成分分離手段を介して吸気管へ環流する第１の流路と、成分分離手段を迂回して吸気管へ環流する第２の流路とを備えることが望ましい。
【００１９】
このような態様の吸気成分制御装置では、内燃機関の運転状態にあわせて排気ガスの流路を第１の流路または第２の流路に切り替えることにより、吸気に混入する排気ガス成分を調節することができるので、燃料の燃焼温度をより効果的に制御することができ、ＮＯｘの発生を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態であるディーゼルエンジンにおける吸気成分制御装置のシステム構成を示す。
【００２２】
吸気成分制御装置１は、エンジンＥの排気管１４と吸気管１２とを連通し、排気ガスＧの一部ｇを環流するＥＧＲ管１６を備えており、ＥＧＲ管１６には排気ガスｇの上流から順に排気ガス中の所定成分を分離する成分分離手段１８と排気ガスｇを成分分離手段１８へ導入して環流させる差圧発生手段としてのポンプ２０と、吸気ＡへのＥＧＲ量を制御する制御弁２２とを備えている。
【００２３】
本実施の形態においては、成分分離手段１８は、排気ガス中の水蒸気を透過して分離するゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体Ｈであり、ＥＧＲ管１６の排気ガス導入部から下流方向に向かってハニカム構造体Ｈ、ポンプ２０、制御弁２２の順に配置されている。なお、図中１１は吸気弁、１３は燃料インジェクタ、１５は排気弁、１７はシリンダ、１９はピストンである。
【００２４】
ハニカム構造体Ｈは、図２（ａ）に示すように外殻２４と多数のセル２６とを一体的に形成したものである。図２（ｂ）はハニカム構造体Ｈの軸方向の部分断面を模式的に示したものであり、ハニカム状に形成された各セル２６は、その一端側を封止し他端側は開口のままとして、ハニカム構造Ｈの端面Ｘ（図２（ａ））において、各セル２６の封止部２８（■）と開口部３０（□）とが千鳥状に交互に並列するように形成されている。つまり、ハニカム構造体Ｈは、各セル２６の封止部２８によってハニカム構造体Ｈの一端Ｘ側から他端Ｘ’側への排気ガスの自由な流通を阻止するように形成されている。
【００２５】
ハニカム構造体Ｈのセル２６は、図２（ｃ）に示すように、正方形（ア）、六角形（イ）、三角形（ウ）など適宜の形状とすることができるが、端面Ｘ、Ｘ’におけるセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ２（６２〜１４０個／ｃｍ２）であることが望ましい。セル密度が４００個／ｉｎｃｈ２未満では、水蒸気の分離面積が不十分であり、また、９００個／ｉｎｃｈ２を越えると排気ガスの圧力損失が大きくなるので好ましくない。より好ましくは４００〜６００個／ｉｎｃｈ２（６２〜９３個／ｃｍ２）である。
【００２６】
このようなハニカム構造体Ｈにおいて、各セル２６を隔てるセル隔壁３２の厚さは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。セル隔壁３２の厚さが０．０５ｍｍ未満では強度的に不十分であり、また１．０ｍｍを越えて厚い場合には駆動圧力が大きいポンプ２０を必要とするので適当ではない。より好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、ハニカム構造体Ｈの隔壁３２の表面には、排気ガスｇ中の水蒸気Ｈ２Ｏを選択的に透過して分離する分離膜３４が基材（以後、隔壁と称することもある）３２と一体的に形成されている。分離膜３４は排気ガスｇの流れに対して隔壁３２の上流側に形成されており、分離膜３４を透過した水蒸気Ｈ２Ｏは多孔質の基材からなる隔壁の通孔を通ってハニカム構造体Ｈの下流側に富化される。
【００２８】
分離膜３４は、高温の排気ガスから水蒸気を分離できるものであれば、特に限定はないが、ゼオライト系材料からなる分子ふるい膜が好適である。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる気体成分を選別することができる。
【００２９】
図３は、ゼオライトの分子ふるい膜３４で排気ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏを分離する様子を模式的に示したものである。排気ガス中には酸素Ｏ２、窒素Ｎ２、二酸化炭素ＣＯ２、水蒸気Ｈ２Ｏあるいは炭化水素ＣｎＨｍなど多くの気体成分が混在している。ところが、これらの各気体成分は分子レベルで大きさが異なり、周知のようにその分子径は、水蒸気＜二酸化炭素＜酸素＜窒素＜炭化水素の順に大きい。水蒸気の分子径は約０．２６ｎｍであり二酸化炭素のそれは０．３３ｎｍである。従って、分子ふるい膜３４の細孔径を水蒸気の分子径よりも大きく、かつ二酸化炭素の分子径よりも小さくすることにより、水蒸気のみを透過してその他の気体成分と分離することができる。水蒸気の透過効率などを考慮すると、具体的にはこの分子ふるい膜３４の細孔径（目開き）は０．２６〜０．５ｎｍであることが望ましく、より好ましくは０．２６〜０．３２ｎｍである。
【００３０】
このようなゼオライト膜３４の厚さは０．１〜１００μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍ未満では強度不足やピンホール等の欠陥が発生することがあり、また、１００μｍを越えると透過するための圧力差が大きくなって適当ではない。より好ましくは１〜５０μｍである。
【００３１】
上記のように多孔質の基材３２表面に一体的に形成した分離膜３４により、排気ガス中の水蒸気のみを分離して吸気に混合することができる。従って、基材３２は、分離膜３４の透過性を阻害しない程度の多孔質体であることが望ましい。
【００３２】
このような多孔質体の材質は特に限定はなく、金属、金属酸化物などのセラミックス、カーボンおよび有機ポリマなどを用いることができる。しかし、強度や剛直性の観点からは、金属及び金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などのセラミックスが好ましい。さらにゼオライト膜との熱膨張率の差が少ないこと、あるいは親和性が高いこと等を考慮すると、金属としては、ステンレス製の燒結金属、金属酸化物としてはアルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライト、チタニア、ゼオライトまたはゼオライト類似物等が好適である。中でも、多孔質のセラミックであるコージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性（通孔径や通孔密度など）や強度を得ることができるので好適である。このような多孔質体の平均通孔径は１００μｍ以下であることが強度的に好ましく、更に好ましくは０．１〜５０μｍである。
【００３３】
本実施の形態において差圧発生手段２０はハニカム構造体Ｈの下流側に配置されており、ＥＧＲ管内を減圧することで排気ガスをハニカム構造体Ｈに導入する。差圧発生手段としては特に限定はなく、通常の真空ポンプやブロアーなどを用いることができる。分離膜で分離される水蒸気量Ｖは、図４に示すように、差圧発生手段であるポンプの圧力Ｐに比例して増加する。従って、図１のハニカム構造体Ｈを有する吸気成分制御装置１０では、ポンプ２０の排気圧力を変化させることにより吸気へ混入させる水蒸気量を変化させることができる。つまり、ポンプ圧力を制御することで吸気成分を制御できるわけである。
【００３４】
本実施の形態において、制御弁２２は吸気への水蒸気の送給を選択する開閉弁であり、周知の電磁弁などを用いることができる。つまり、ＥＣＵなどの制御装置によって内燃機関の運転状態がＮＯｘ生成領域にあると判断された場合には、制御弁２２を「開」にして水蒸気を吸気中に混入させる。吸気への水蒸気の混入により燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、内燃機関の運転状態がＮＯｘ生成領域外の場合には、制御弁２２を「閉」として、排気ガスの環流（ＥＧＲ）を停止する。ＥＧＲを行わないことで内燃機関の燃料効率を高めるとともに、完全燃焼を促進して煤や炭化水素の発生を抑止することができる。
【００３５】
本発明の第２の実施の形態は、排気管から吸気管へ排気ガスの一部を環流させるＥＧＲ管が、成分分離手段を介装した第１の流路と、成分分離手段を迂回する第２の流路とを備えるものである。
【００３６】
図５に第２の実施形態のシステム概要を示す。なお、図１と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３７】
本実施の形態の吸気成分制御装置２では、第１の流路１６ａに排気ガスｇの上流から順に差圧発生手段（ポンプ）２０、成分分離手段（ハニカム構造体Ｈ）１８、第１の制御弁２２ａが配置されており、この第１の流路１６ａに平行に第２の流路１６ｂが連設されている。第２の流路１６ｂには第２の制御弁２２ｂが設けられており、第１の制御弁２２ａと同様に図示しない制御装置によって開閉することができる。
【００３８】
以上のように構成される吸気成分制御装置２では、ポンプ２０を駆動して排気ガスｇをＥＧＲ管１６に導入し、制御弁２２ａと制御弁２２ｂとの開閉を制御することで、排気ガスｇを第１の流路１６ａまたは第２の流路１６ｂのいずれに流入させるかを選択することができる。例えば、制御弁２２ｂを「閉」とすれば、図１と同様の吸気成分制御装置１として機能し、制御弁２２ａを「閉」、かつ制御弁２２ｂを「開」とすれば、排気ガスｇをそのまま環流させる通常のＥＧＲ装置として機能することができる。従って、ＥＣＵなどの制御装置によって内燃機関の運転状態に対応して排気ガスｇの流路を選択することで、ＮＯｘの発生をより効果的に抑制することができる。
【００３９】
次に、第２の実施の形態の吸気成分制御装置２における制御の概要を図６のフローチャートに沿って説明する。
【００４０】
まず、ステップＳ１で運転者がキーを回転してエンジンＥを起動する。制御手段（以後，ＥＣＵという）は各種センサや計器類によってエンジンの運転状態を測定する（ステップＳ２）。
【００４１】
ＥＣＵは、得られた測定値によりエンジンの運転状態がＮＯｘの発生する条件であるかを判断して（ステップＳ３）、ＮＯｘ発生条件と判断した場合は（ステップＳ３でＹＥＳ）次のステップＳ４に進む。一方、ＮＯｘ発生条件ではないと判断した場合には（ステップＳ３でＮＯ）、制御弁２２ａおよび制御弁２２ｂをいずれも「閉」として（ステップＳ６）、ステップＳ２に戻る。この間は排気ガスＧを吸気へ帰還させないでエンジンを運転する。
【００４２】
ＥＣＵはステップＳ４でエンジンの回転数や燃料の噴射量の値がＮＯｘ大量発生領域にあるかを判断する。ＥＣＵはエンジンの回転数や燃料の噴射量の値が所定のＮＯｘ大量発生領域にあると判断したら（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御弁２２ａを「開」、かつ制御弁２２ｂも「開」とする（ステップＳ５）。これにより排気ガスｇが第１の流路１６ａと第２の流路１６ｂに導入されるので、成分分離手段１８で分離された水蒸気ｆと、排気ガスｇの両方を吸気Ａに帰還（混合）させることができる。なお、帰還させる水蒸気量はポンプ２０の圧力によって制御する。
【００４３】
また、ＥＣＵは、ステップＳ４でＮＯｘ発生が少ない領域であると判断したら（ステップＳ４でＮＯ）、制御弁２２ａを「閉」、かつ制御弁２２ｂを「開」とする（ステップＳ７）。これにより排気ガスｇは成分分離手段１８を迂回して第２の流路１６ｂに導入されるので、そのまま吸気Ａに帰還（混合）させることができる。なお、帰還させる排気ガスｇ（ＥＧＲ）量はポンプ２０の圧力によって制御する。
【００４４】
以上のように、エンジンの運転状態に対応して、吸気に水蒸気と排気ガスとを混入させることができるので、ＮＯｘの発生をより効果的に低減することができる。
【００４５】
なお、本発明の吸気成分制御装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
【００４６】
例えば、図２（ｂ）で分離膜３４を基材３２の上流側表面に形成したが、下流側表面に一体的に形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の吸気成分制御装置は、自動車や固定式の内燃機関に好適に用いることができる。中でもディーゼル車のＮＯｘ対策として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１の実施の態様の概略構成を示す説明図である。
【図２】ハニカム構造体の概要を示す説明図である。（ａ）はハニカム構造体の全体形状を示す斜視図である。（ｂ）は縦断面の一部分を示す模式図である。（ｃ）セル形状を例示する平面模式図である。
【図３】ゼオライト膜による水蒸気分子の分離を説明する説明図である。
【図４】ポンプ圧力と水蒸気量との関係を概念的に示したグラフである。
【図５】第２の実施の態様の構成を示す概要図である。
【図６】第２の実施の態様の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１２：吸気管  １４：排気管  １６：ＥＧＲ管  １８：成分分離手段  ２０：差圧発生手段（ポンプ）  ２２：制御弁  ２６：セル  ２８：封止部  ３０：開口部  ３２：隔壁  ３４：分離膜（ゼオライト膜）
Ａ：吸気  Ｇ：排気ガス  ｆ：水蒸気  Ｈ：ハニカム構造体
【図１】
2006226149.tif 000003
【図２】
2006226149.tif 000004
【図３】
2006226149.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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