(57)【要約】【課題】排気ガス再循環量を増大させてもデポジットの発生を抑制することが可能な排気ガス再循環装置を提供すること。【解決手段】制御装置１００は、切換バルブ４１、４２、４３を切り換え、第１吸着器１１内へ排気ガスを流通して排気ガス中の二酸化炭素を吸着材に吸着するとともに第２吸着器１２内の吸着材から脱離した二酸化炭素を吸気配管３内へ還流する第１モードと、第１吸着器１１内の吸着材から脱離した二酸化炭素を吸気配管３内へ還流するとともに第２吸着器１２内へ排気ガスを流通して排気ガス中の二酸化炭素を吸着材に吸着する第２モードとを繰り返し行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路を流通する排気ガスから二酸化炭素を選択的に分離して、分離した二酸化炭素を前記内燃機関の吸気通路に還流する分離還流手段を具備することを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項２】
前記分離還流手段は、
前記排気通路に設けられ、排気ガス中の二酸化炭素を選択的に透過して分離する二酸化炭素分離膜を内蔵した二酸化炭素分離器を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項３】
前記二酸化炭素分離膜は、カルド型ポリイミド高分子膜からなることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項４】
前記二酸化炭素分離膜は、中空糸膜であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項５】
前記分離還流手段は、
前記排気通路に設けられ、雰囲気が所定圧力以上の場合に二酸化炭素を吸着し前記所定圧力未満の場合に二酸化炭素を脱離する第１吸着材を内蔵する第１吸着器と、
前記排気通路に設けられ、雰囲気が前記所定圧力以上の場合に二酸化炭素を吸着し前記所定圧力未満の場合に二酸化炭素を脱離する第２吸着材を内蔵する第２吸着器と、
前記第１吸着器への排気ガスの流通を許可するとともに前記第２吸着器への排気ガスの流通を禁止する第１モードと、前記第１吸着器への排気ガスの流通を禁止するとともに前記第２吸着器への排気ガスの流通を許可する第２モードとを切り換えるモード切換手段と、を備え、
前記モード切換手段は、
前記第１モードの場合には、前記第１吸着器の内部を前記所定圧力以上として、前記第１吸着器を通過した排気ガスを前記排気通路を介して外部へ排出するとともに、前記第２吸着器の内部を前記所定圧力未満として、前記第２吸着材から脱離した二酸化炭素を前記吸気通路へ還流し、
前記第２モードの場合には、前記第１吸着器の内部を前記所定圧力未満として、前記第１吸着材から脱離した二酸化炭素を前記吸気通路へ還流するとともに、前記第２吸着器の内部を前記所定圧力以上として、前記第２吸着器を通過した排気ガスを前記排気通路を介して外部へ排出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項６】
前記第１吸着材および前記第２吸着材は、ともに、イモゴライト構造を有する非晶質アルミニウムケイ酸塩からなることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項７】
前記モード切換手段は、モード切り替え後の前記内燃機関の運転状態に関わる物理量の累積値が所定値以上となった場合に、次のモード切り換えを行うことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項８】
前記モード切換手段は、前記排気通路の前記第１吸着器および前記第２吸着器よりも下流側に、前記排気通路を絞る可変絞り手段を有し、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記可変絞り手段の絞り状態を変更し、前記第１吸着器もしくは前記第２吸着器の内部を前記所定圧力以上とすることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項９】
前記吸気通路には、吸気圧力を上昇させる過給器が設けられており、
前記分離還流手段は、排気ガスから分離した二酸化炭素を、前記吸気通路の前記過給器よりも上流側に還流することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項１０】
前記吸気通路には、前記過給器よりも下流側に吸気を冷却するためのインタクーラが設けられていることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【請求項１１】
前記分離還流手段は、前記内燃機関の空燃比が略理論空燃比となる空気が流通する前記吸気通路に、排気ガスから分離した二酸化炭素を還流し、
前記排気通路には、三元触媒が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気ガスの一部を排気系から吸気系に再循環させる排気ガス再循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンの排気ガスの一部を排気通路から取り出して再度吸気通路へ還流し、混合気中の不活性成分濃度を増加させ酸素濃度を減少させて燃焼温度を下げることで、窒素酸化物の生成を抑制する排気ガス再循環装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７８３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術の排気ガス再循環装置では、窒素酸化物生成の十分な抑制効果を得ようと排気ガスの再循環量を増大させていくと、排気ガス中に含まれるすすや未燃成分も吸気側に大量に戻されるため、吸気通路内にデポジットが大量に発生してしまうという問題がある。吸気通路においてデポジットの堆積量が増大していくと、所望の吸気量が得難くなり、排気ガス中の有害物質が増大する等の不具合を発生してしまう。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、排気ガス再循環量を増大させてもデポジットの発生を抑制することが可能な排気ガス再循環装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
内燃機関の排気通路を流通する排気ガスから二酸化炭素を選択的に分離して、分離した二酸化炭素を内燃機関の吸気通路に還流する分離還流手段を具備することを特徴としている。
【０００７】
これによると、分離還流手段により排気ガス中の二酸化炭素を選択的に吸気通路に還流することができる。したがって、排気ガス再循環量を増大させてもデポジットの発生を抑制することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、分離還流手段は、排気通路に設けられ、排気ガス中の二酸化炭素を選択的に透過して分離する二酸化炭素分離膜を内蔵した二酸化炭素分離器を備えることを特徴としている。
【０００９】
これによると、排気通路に設けた二酸化炭素分離器内の二酸化炭素分離膜で排気ガス中の二酸化炭素を容易に分離して、吸気通路に還流することができる。したがって、排気ガス再循環量を増大させてもデポジットの発生を容易に抑制することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、二酸化炭素分離膜は、カルド型ポリイミド高分子膜からなることを特徴としている。これによると、排気ガス中から二酸化炭素を分離することが容易である。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、二酸化炭素分離膜は、中空糸膜であることを特徴としている。これによると、中空糸膜の内側に排気ガスを流通することで、中空糸膜の外側に二酸化炭素を分離することができる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、
分離還流手段は、
内燃機関の排気通路に設けられ、雰囲気が所定圧力以上の場合に二酸化炭素を吸着し所定圧力未満の場合に二酸化炭素を脱離する第１吸着材を内蔵する第１吸着器と、
排気通路に設けられ、雰囲気が所定圧力以上の場合に二酸化炭素を吸着し所定圧力未満の場合に二酸化炭素を脱離する第２吸着材を内蔵する第２吸着器と、
第１吸着器への排気ガスの流通を許可するとともに第２吸着器への排気ガスの流通を禁止する第１モードと、第１吸着器への排気ガスの流通を禁止するとともに第２吸着器への排気ガスの流通を許可する第２モードとを切り換えるモード切換手段と、を備え、
モード切換手段は、
第１モードの場合には、第１吸着器の内部を所定圧力以上として、第１吸着器を通過した排気ガスを排気通路を介して外部へ排出するとともに、第２吸着器の内部を所定圧力未満として、第２吸着材から脱離した二酸化炭素を内燃機関の吸気通路へ還流し、
第２モードの場合には、第１吸着器の内部を所定圧力未満として、第１吸着材から脱離した二酸化炭素を吸気通路へ還流するとともに、第２吸着器の内部を所定圧力以上として、第２吸着器を通過した排気ガスを排気通路を介して外部へ排出することを特徴としている。
【００１３】
これによると、モード切換手段が第１モードと第２モードとを切り換えることで、第１吸着器および第２吸着器のうち、内部圧力を所定圧力以上とした一方の吸着器の吸着材で排気ガスから二酸化炭素を吸着し、内部圧力を所定圧力未満とした他方の吸着器の吸着材から二酸化炭素を脱離して吸気通路へ還流することができる。したがって、排気ガス中の二酸化炭素を選択的に吸気通路に還流することができる。このようにして、排気ガス再循環量を増大させてもデポジットの発生を抑制することができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明では、第１吸着材および第２吸着材は、ともに、イモゴライト構造を有する非晶質アルミニウムケイ酸塩からなることを特徴としている。これによると、吸着材への二酸化炭素の吸着と吸着材からの二酸化炭素の脱離との切り換えを行う所定圧力を、大気圧近傍とすることができるので、第１モードと第２モードとを切り換えることが容易である。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明では、モード切換手段は、モード切り替え後の内燃機関の運転状態に関わる物理量の累積値が所定値以上となった場合に、次のモード切り換えを行うことを特徴としている。これによって、内燃機関の運転状態に関わる物理量からモード切り替え後の二酸化炭素還流量を推定して、二酸化炭素の還流元となる吸着器を切り換えることができ、二酸化炭素を安定して継続的に吸気通路へ還流することが可能である。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明では、モード切換手段は、排気通路の第１吸着器および第２吸着器よりも下流側に、排気通路を絞る可変絞り手段を有し、内燃機関の運転状態に基づいて可変絞り手段の絞り状態を変更し、第１吸着器もしくは第２吸着器の内部を所定圧力以上とすることを特徴としている。これによると、第１吸着器および第２吸着器のうち、二酸化炭素の吸着を行う方の吸着器の内部を所定圧力以上に確実に上昇させることができる。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明では、吸気通路には、吸気圧力を上昇させる過給器が設けられており、第１吸着材および前記第２吸着材から脱離された二酸化炭素を、吸気通路の過給器よりも上流側に還流することを特徴としている。このように、二酸化炭素を選択的に吸気通路へ還流し過給器に悪影響を与え難いので、過給器よりも上流側への還流が可能となり、過給圧や内燃機関の運転負荷状態等に係わらず吸気通路への還流が可能となる。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明では、吸気通路には、過給器よりも下流側に吸気を冷却するためのインタクーラが設けられていることを特徴としている。このように、二酸化炭素を選択的に吸気通路へ還流しインタクーラにも悪影響を与え難いので、還流した二酸化炭素が混合した吸気をインタクーラで冷却することが可能である。
【００１９】
また、請求項１１に記載の発明のように、内燃機関の空燃比が略理論空燃比となる空気が流通する吸気通路に、分離還流手段が排気ガスから分離した二酸化炭素を還流することができ、これに伴い、排気通路に三元触媒を配置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態における排気ガス再循環装置１を装着した内燃機関であるエンジン２を示す概略構成図である。
【図２】排気ガス再循環装置１の概略構成図である。
【図３】排気ガス再循環装置１の作動説明図であり、第１モードを示している。
【図４】排気ガス再循環装置１の作動説明図であり、第２モードを示している。
【図５】第２の実施形態における排気ガス再循環装置１を装着した内燃機関であるエンジン２を示す概略構成図である。
【図６】第３の実施形態における排気ガス再循環装置２０１を装着した内燃機関であるエンジン２を示す概略構成図である。
【図７】排気ガス再循環装置２０１の概略構成図である。
【図８】第４の実施形態における排気ガス再循環装置２０１を装着した内燃機関であるエンジン２を示す概略構成図である。
【図９】他の実施形態における排気ガス再循環装置１を装着した内燃機関の概略構成図である。
【図１０】比較例の排気ガス再循環装置を装着した内燃機関の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施形態における排気ガス再循環装置１を装着した内燃機関であるエンジン２を示す概略構成図であり、図２は、排気ガス再循環装置１の概略構成図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の排気ガス再循環装置１は、例えば、車両用のディーゼルエンジン２に装着されるものであり、吸脱着ユニット１０、ＥＧＲ配管３０、およびＥＧＲバルブ３３を有している。
【００２４】
吸脱着ユニット１０は、エンジン２の排気配管４に設けられており、排気配管４内の排気通路を流通するエンジン２の排気ガスから二酸化炭素を選択的に吸着し、吸着した二酸化炭素を脱離することができるようになっている。ＥＧＲ配管（排気ガス還流通路配管）３０は、吸脱着ユニット１０が脱離した二酸化炭素をエンジン２の吸気配管３内の吸気通路の吸気フィルタ（エアクリーナ）５よりも下流側部に還流するようになっており、ＥＧＲ配管３０の下流端部に設けられたＥＧＲバルブ３３が、吸気配管３内への排気ガス（本実施形態では二酸化炭素）の還流量を調整するようになっている。
【００２５】
図２に示すように、吸脱着ユニット１０は、エンジン２の排気配管４の経路途中に介装されており、上流端が排気配管４に接続する上流側排気配管２０、上流側排気配管２０の下流側で２つに分岐した第１排気配管２１および第２排気配管２２、第１、第２排気配管２１、２２の下流側で１つに合流して下流端が排気配管４に再度接続する下流側排気配管２３を有している。
【００２６】
第１排気配管２１には、第１吸着器１１が設けられており、第１排気配管２１内を流通する排気ガスを第１吸着器１１内に流通させることができるようになっている。一方、第２排気配管２２には、第２吸着器１２が設けられており、第２排気配管２２内を流通する排気ガスを第２吸着器１２内に流通させることができるようになっている。
【００２７】
上流側排気配管２０から第１排気配管２１および第２排気配管２２への分岐点には、上流側排気配管２０内を流通した排気ガスの経路を第１排気配管２１側と第２排気配管２２側との間で選択的に切り換える流路切換手段である、例えば電磁式の切換バルブ４１が設けられている。
【００２８】
また、下流側排気配管２３への第１排気配管２１および第２排気配管２２からの合流点には、下流側排気配管２３内に流入する排気ガスの経路を第１排気配管２１側と第２排気配管２２側との間で選択的に切り換える流路切換手段である、例えば電磁式の切換バルブ４２が設けられている。合流後の下流側排気配管２３には、下流側排気配管２３内の排気通路を絞る可変絞り手段である、例えば電動式の可変絞りバルブ４４が配設されている。
【００２９】
第１吸着器１１には、内部が第１吸着器１１内と連通する第１ＥＧＲ配管３１が接続し、第２吸着器１２には、内部が第２吸着器１２内と連通する第２ＥＧＲ配管３２が接続している。第１ＥＧＲ配管３１の下流端と第２ＥＧＲ配管３２の下流端とが合流する合流点には、ＥＧＲ配管３０内に流入する排気ガスの経路を第１ＥＧＲ配管３１側と第２ＥＧＲ配管３２側との間で選択的に切り換える流路切換手段である、例えば電磁式の切換バルブ４３が設けられている。
【００３０】
第１吸着器１１および第２吸着器１２は、いずれも良好な耐食性を有する例えばステンレス材等からなり、第１吸着器１１の内部には第１吸着材が、第２吸着器１２の内部には第２吸着材が内蔵されている。本実施形態では、第１、第２吸着材としてイモゴライト構造を有する非晶質アルミニウムケイ酸塩（ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３・２Ｈ２Ｏ）からなる比較的安価で比較的高い（約３００℃の）耐熱性を有する無機質系二酸化炭素吸着材を用いている。
【００３１】
この吸着材は、部分的にチューブ状をなすアルミニウムシリケイトであり、外径が約２．５ｎｍ、内径約１ｎｍ、長さ数ｎｍ〜数十ｎｍの所謂ナノチューブ状の形態を有しており、雰囲気圧力を大気圧よりも若干高い圧力に上昇することで二酸化炭素を吸着し、雰囲気圧力を大気圧に戻すことで二酸化炭素を脱離することができる。すなわち、大気圧近傍の所定圧力の高低両側圧力をスイングする所謂圧力スイング吸着法により二酸化炭素の吸着および脱離が繰り返し可能である。
【００３２】
排気ガス再循環装置１は制御手段である制御装置１００を備えている。制御装置１００は、エンジン２の運転状態に関する情報を入力し、この情報に基づいて吸脱着ユニット１０の切換バルブ４１、４２、４３および可変絞りバルブ４４を作動制御するようになっている。なお、制御装置１００に入力する情報は、エンジン２やエンジン２周辺機器に設けられた図示しないセンサ等からの情報であってもよいし、エンジン２を制御するエンジン制御装置からの情報であってもよい。また、制御装置１００は、排気ガス再循環装置１専用の制御装置であってもよいし、エンジン制御装置等の他の制御装置の一部であってもかまわない。
【００３３】
ここで、吸脱着ユニット１０、吸脱着ユニット１０から延びるＥＧＲ配管３０、ＥＧＲバルブ３３、および制御装置１００が、本実施形態における排気ガス再循環装置１を構成しており、切換バルブ４１、４２、４３、可変絞りバルブ４４、および制御装置１００からなる構成が、本発明で言うところのモード切換手段に相当する。排気ガス再循環装置１は、排気配管４内の排気通路を流通する排気ガスから二酸化炭素を選択的に分離して、分離した二酸化炭素を吸気配管３内の吸気通路に還流する、実質的な分離還流手段に相当する。
【００３４】
次に、上記構成に基づき排気ガス再循環装置１の作動について説明する。
【００３５】
制御装置１００は、切換バルブ４１、４２、４３および可変絞りバルブ４４を作動制御して、図３に示す第１モードと、図４に示す第２モードとを切り換える。
【００３６】
図３に示すように、第１モードでは、制御装置１００は、切換バルブ４１の流路を第１排気配管２１側とし、切換バルブ４２の流路も第１排気配管２１側とする。また、切換バルブ４３の流路を第２ＥＧＲ配管３２側とする。また、制御装置１００は、エンジン２の運転状態に応じて、可変絞りバルブ４４の絞り状態を、第１吸着器１１の内部が吸着材の吸脱着平衡特性に基づいて定まる所定圧力以上（吸着材が二酸化炭素を吸着する圧力値）となるように調節する。
【００３７】
これにより、エンジン２の排気ガスは、上流側排気配管２０内、第１排気配管２１内、下流側排気配管２３内を順次流れて、排気配管４内の排気通路を介して外部に排出される。エンジン２の排気ガスのうち、不活性成分である二酸化炭素は、内部を二酸化炭素吸着圧力である所定圧力以上とされた第１吸着器１１内を通過する際に、内蔵された第１吸着材に吸着され、不活性成分以外の排気ガスが外部に排出される。
【００３８】
一方、切換バルブ４１により第２排気配管２２の上流端を閉塞されるとともに、第２ＥＧＲ配管３２およびＥＧＲ配管３０を介して吸気配管３内と連通した第２吸着器１２は、吸気配管３内の負圧である吸気圧力によって内部を二酸化炭素脱離圧力である所定圧力未満とされる。これに伴い、内蔵された第２吸着材から二酸化炭素が脱離し、脱離した二酸化炭素は、第２ＥＧＲ配管３２およびＥＧＲ配管３０を介して吸気配管３内に還流される。
【００３９】
制御装置１００が第１モードを設定してから、第２吸着材からの脱離が進行して二酸化炭素が安定的に還流できる限界に達したと推定した場合には、図３に示す第１モードから図４に示す第２モードへモード切り換えを行う。二酸化炭素が安定的に還流できる限界に達したか否かの推定は、例えば、第１モードを設定してからのエンジン２への燃料噴射量の累積値、エンジン２の回転数の累積値、アクセル開度の累積値等のいずれかが所定値に到達したか否かで行う。
【００４０】
すなわち、モード切り替え後のエンジン２の運転状態に関わる物理量の累積値が所定値以上となった場合に、次のモード切り換えを行う。これによって、エンジン２の運転状態に関わる物理量からモード切り替え後の二酸化炭素還流量を推定して、二酸化炭素の還流元である吸着器を切り換えることができ、二酸化炭素を安定して継続的に吸気配管３内の吸気通路へ還流することができる。
【００４１】
図４に示すように、第２モードでは、制御装置１００は、切換バルブ４１の流路を第２排気配管２２側とし、切換バルブ４２の流路も第２排気配管２２側とする。また、切換バルブ４３の流路を第１ＥＧＲ配管３１側とする。また、制御装置１００は、エンジン２の運転状態に応じて、可変絞りバルブ４４の絞り状態を、第２吸着器１２の内部が所定圧力以上（吸着材が二酸化炭素を吸着する圧力値）となるように調節する。
【００４２】
これにより、エンジン２の排気ガスは、上流側排気配管２０内、第２排気配管２２内、下流側排気配管２３内を順次流れて、排気配管４内の排気通路を介して外部に排出される。エンジン２の排気ガスのうち、不活性成分である二酸化炭素は、内部を二酸化炭素吸着圧力である所定圧力以上とされた第２吸着器１２内を通過する際に、内蔵された第２吸着材に吸着され、不活性成分以外の排気ガスが外部に排出される。
【００４３】
一方、切換バルブ４１により第１排気配管２１の上流端を閉塞されるとともに、第１ＥＧＲ配管３１およびＥＧＲ配管３０を介して吸気配管３内と連通した第１吸着器１１は、吸気配管３内の負圧である吸気圧力によって内部を二酸化炭素脱離圧力である所定圧力未満とされる。これに伴い、内蔵された第１吸着材から二酸化炭素が脱離し、脱離した二酸化炭素は、第１ＥＧＲ配管３１およびＥＧＲ配管３０を介して吸気配管３内に還流される。
【００４４】
制御装置１００が第２モードを設定してから、第１吸着器１１内の第１吸着材からの脱離が進行して二酸化炭素が安定的に還流できる限界に達したと推定した場合には、図４に示す第２モードから図３に示す第１モードへ再度モード切り換えを行う。二酸化炭素が安定的に還流できる限界に達したか否かの推定は、上記した第１モードから第２モードへのモード切り換え時と同様に行う。そして、第１モードと第２モードとの切り換えを順次繰り返すことにより、二酸化炭素を継続的に吸気配管３内の吸気通路へ還流する。
【００４５】
なお、第１モードと第２モードとのモード切り換えタイミングの判断は、モード切り替え後のエンジン２の運転状態に関わる物理量の累積値が所定値以上となる間接的な推定によらず、吸着材への二酸化炭素の吸着重量等の直接的な検知に基づいて行ってもかまわない。
【００４６】
上述の構成および作動によれば、制御装置１００は、切換バルブ４１、４２、４３を切り換え、第１吸着器１１内へ排気ガスを流通するとともに第２吸着器１２内へは排気ガスの流通を禁止する第１モードと、第１吸着器１１内へは排気ガスの流通を禁止するとともに第２吸着器１２内へ排気ガスを流通する第２モードとを繰り返し行う。
【００４７】
第１モードの場合には、第１吸着器１１の内部を可変絞りバルブ４４で調節して二酸化炭素吸着圧力である所定圧力以上として、第１吸着器１１を通過する排気ガスから二酸化炭素を選択的に第１吸着材に吸着し、二酸化炭素以外の成分を排気通路を介して外部へ排出する。さらに、第２吸着器１２の内部を二酸化炭素脱離圧力である所定圧力未満として、第２吸着材から脱離した二酸化炭素を吸気配管３内の吸気通路へ還流する。
【００４８】
第２モードの場合には、第１吸着器１１の内部を二酸化炭素脱離圧力である所定圧力未満として、第１吸着材から脱離した二酸化炭素を吸気配管３内の吸気通路へ還流する。さらに、第２吸着器１２の内部を可変絞りバルブ４４で調節して二酸化炭素吸着圧力である所定圧力以上として、第２吸着器１２を通過する排気ガスから二酸化炭素を選択的に第２吸着材に吸着し、二酸化炭素以外の成分を排気通路を介して外部へ排出する。
【００４９】
このように、第１モードと第２モードとを繰り返し切り換えることで、第１吸着器１１および第２吸着器１２のうち、内部圧力を二酸化炭素吸着圧力である所定圧力以上とした方の吸着器の吸着材で常に排気ガスから二酸化炭素を吸着し、内部圧力を二酸化炭素脱離圧力である所定圧力未満とした方の吸着器の吸着材から二酸化炭素を脱離して常に吸気通路へ還流することができる。したがって、排気ガス中の二酸化炭素を選択的に回収して常時吸気通路に還流することができる。吸気配管３内に還流される排気ガスは二酸化炭素だけとなり、吸気通路に排気ガス中のすすや未燃成分が還流されないので、エンジン２の運転状態に応じて排気ガス再循環量が増大したとしてもデポジットの発生を抑制することができる。
【００５０】
また、第１吸着器１１に内蔵する第１吸着材および第２吸着器１２に内蔵する第２吸着材として、いずれもイモゴライト構造を有する非晶質アルミニウムケイ酸塩を採用している。したがって、二酸化炭素の吸着および脱離を圧力スイング吸着法で行う際の圧力（二酸化炭素吸着圧力および二酸化炭素脱離圧力）を大気圧近傍に設定でき、排気ガス再循環装置１の構成を極めて簡素化することができる。
【００５１】
また、下流側排気通路２３に可変絞りバルブ４４を設け、エンジン２の運転状態に基づいて可変絞りバルブ４４の絞り開度を調節することで、排気ガスを通過させる方の吸着器の内部を二酸化炭素を吸着可能な所定圧力以上としている。したがって、第１吸着器１１および第２吸着器１２の内部を容易かつ安定的に二酸化炭素吸着圧力である所定圧力以上に上昇させることができる。
【００５２】
なお、エンジン２の性能への影響が許容できるのであれば、可変絞りバルブ４４によらず排気通路に固定絞りを設けるものであってもよい。また、排気の正圧により排気ガスを通過させる方の吸着器の内部を二酸化炭素を吸着可能な所定圧力以上とすることができるのであれば、可変絞りバルブ４４を廃止することも可能である。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図５に基づいて説明する。
【００５４】
本第２の実施形態は、本発明を適用した排気ガス再循環装置１を、過給器およびインタクーラを備えるエンジンに装着した例である。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５５】
図５に示すように、本実施形態では、吸気配管３に、吸気を昇圧する過給器６と、昇圧され温度上昇した吸気を熱交換により冷却するインタクーラ７とが配設されている。本例では、過給器６として、排気配管４内を流通する排気ガスのエネルギーにより排気タービンを回転させ、同軸上の圧縮機を駆動することにより吸気を圧縮して昇圧するターボチャージャを用いている。過給器として機械式過給器（所謂スーパチャージャ）を採用するものであってもよい。
【００５６】
このような過給器付のエンジン２に、第１の実施形態と同様の排気ガス再循環装置１を装着している。図５に示すように、吸脱着ユニット１０は、排気配管４の過給器６排気タービンより下流側に設けられ、ＥＧＲ配管３０を介して、排気ガス中の二酸化炭素を、過給器６の圧縮機より上流側の吸気配管３内に還流するようになっている。
【００５７】
このような構成であっても、排気ガス中の不活性成分である二酸化炭素を選択的に吸気配管３内の吸気通路に還流するので、過給器６の圧縮機やインタクーラ７内の吸気通路にデポジットが堆積することを抑制することができる。
【００５８】
従来の過給器付エンジンに排気ガス再循環装置を装着する場合には、過給器の圧縮機より下流側の吸気通路でなければ排気ガスを還流し難かった。このような構成の場合には、過給圧が排気圧より低いエンジン低負荷時には排気ガスを還流することができるものの、燃焼温度が上昇してＮＯＸが大量に発生し易い過給圧が排気圧より高くなるエンジン高負荷時には排気ガスを還流できないという問題があった。
【００５９】
ところが、本実施形態によれば、排気ガス中の二酸化炭素を昇圧前の吸気配管３内の吸気通路に還流できるので、エンジン２の運転負荷状態に係わらず常時還流を行うことが可能である。
【００６０】
また、従来、インタクーラ７がアルミニウム製の場合には、高温の排気ガスを流通すると腐食を発生するため、耐食性を有する材料を用いて構成されたＥＧＲクーラを設置しなければならなかった。ところが、本実施形態によれば、排気ガス中の不活性成分である二酸化炭素だけを還流するため、インタクーラ７をアルミニウム製としても、腐食の発生を抑止することができ、ＥＧＲクーラを配設する必要がない。
【００６１】
なお、吸脱着ユニット１０の配設位置は、過給器６排気タービン下流側に限らず、排気タービンより上流側であってもかまわない。
【００６２】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図６および図７に基づいて説明する。
【００６３】
図６は、本発明を適用した第３の実施形態における排気ガス再循環装置２０１を装着した内燃機関であるエンジン２を示す概略構成図であり、図７は、排気ガス再循環装置２０１の概略構成図である。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００６４】
図６に示すように、本実施形態の排気ガス再循環装置２０１は、例えば、車両用のディーゼルエンジン２に装着されるものであり、二酸化炭素分離器に相当する分離装置２１０、ＥＧＲ配管３０、およびＥＧＲバルブ３３を有している。
【００６５】
分離装置２１０は、エンジン２の排気配管４に設けられており、排気配管４内の排気通路を流通するエンジン２の排気ガスから二酸化炭素を選択的に分離することができるようになっている。ＥＧＲ配管（排気ガス還流通路配管）３０は、分離装置２１０が分離した二酸化炭素をエンジン２の吸気配管３内の吸気通路の吸気フィルタ（エアクリーナ）５よりも下流側部に還流するようになっており、ＥＧＲ配管３０の下流端部に設けられたＥＧＲバルブ３３が、吸気配管３内への排気ガス（本実施形態では二酸化炭素）の還流量を調整するようになっている。
【００６６】
図７に示すように、分離装置２１０は、エンジン２の排気配管４の経路途中に介装されており、両端部に排気配管４とのコネクタ（接続部）が配設された筒状容器体２１１と、筒状容器体２１１内に設けられた二酸化炭素分離膜である中空糸膜２１２とを有している。本実施形態では、中空糸膜２１２として、カルド型ポリイミド高分子膜からなる内径約２００μｍのチューブ状の膜を用いている。
【００６７】
筒状容器体２１１の内部には、中空糸膜２１２が、それぞれ筒状容器体２１１の軸線方向に延びるように多数本（例えば数万本）並設されている。多数本の中空糸膜２１２の内部空間は、両端部においてそれぞれ排気配管４内の排気通路と連通しており、筒状容器体２１１内の中空糸膜２１２の外側空間は、ＥＧＲ配管３０内と連通している。
【００６８】
ここで、分離装置２１０、分離装置２１０から延びるＥＧＲ配管３０、およびＥＧＲバルブ３３が、本実施形態における排気ガス再循環装置２０１を構成している。排気ガス再循環装置２０１は、排気配管４内の排気通路を流通する排気ガスから二酸化炭素を選択的に分離して、分離した二酸化炭素を吸気配管３内の吸気通路に還流する、実質的な分離還流手段に相当する。
【００６９】
次に、上記構成に基づき排気ガス再循環装置２０１の作動について説明する。
【００７０】
エンジン２が運転されると、エンジン２の排気ガスは、排気配管４の上流側部（エンジン２側の部分）から分離装置２１０の中空糸膜２１２内へ流入する。分離装置２１０の中空糸膜２１２内に流入した排気ガスが中空糸膜２１２の内部を軸線方向（図７図示右方向）に流れる際に、排気ガス中の不活性成分である二酸化炭素が、中空糸膜２１２を通過して中空糸膜２１２の外部に分離される。
【００７１】
このとき、ＥＧＲ配管３０を介して吸気配管３内と連通する分離装置２１０筒状容器体２１１内の中空糸膜２１２の外側空間の圧力は、排気配管４内と連通する中空糸膜２１２の内部空間の圧力よりも低いので、排気ガス中からの二酸化炭素の分離は速やか行われる。
【００７２】
二酸化炭素を分離された不活性成分以外の排気ガスは、中空糸膜２１２内から排気配管４の下流側部（排気口側の部分）へ流出し、排気配管４を介して外部に排出される。一方、中空糸膜２１２で排気ガスから分離された二酸化炭素は、ＥＧＲ配管３０を介して吸気配管３内に還流される。
【００７３】
上述の構成および作動によれば、分離装置２１０の中空糸膜２１２により排気ガス中の二酸化炭素を選択的に回収して常時吸気通路に還流することができる。吸気配管３内に還流される排気ガスは二酸化炭素だけとなり、吸気通路に排気ガス中のすすや未燃成分が還流されないので、エンジン２の運転状態に応じて排気ガス再循環量が増大したとしてもデポジットの発生を抑制することができる。
【００７４】
また、分離装置２１０にカルド型ポリイミド高分子膜からなる二酸化炭素分離膜を用いているので、排気ガス中の二酸化炭素の分離が容易である。また、二酸化炭素分離膜を中空糸膜２１２としているので、内側に外側より高い圧力の排気ガスを流通することで極めて容易に二酸化炭素を分離することができる。さらに、多数本の中空糸膜２１２を採用しているので、膜表面積を比較的大きく確保でき、大量の排気ガスを流通しても二酸化炭素の分離を良好に行うことが可能である。
【００７５】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図８に基づいて説明する。
【００７６】
本第４の実施形態は、本発明を適用した排気ガス再循環装置２０１を、過給器およびインタクーラを備えるエンジンに装着した例である。なお、第１〜第３の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００７７】
図８に示すように、本実施形態では、吸気配管３に、吸気を昇圧する過給器６と、昇圧され温度上昇した吸気を熱交換により冷却するインタクーラ７とが配設されている。本例では、過給器６として、排気配管４内を流通する排気ガスのエネルギーにより排気タービンを回転させ、同軸上の圧縮機を駆動することにより吸気を圧縮して昇圧するターボチャージャを用いている。過給器として機械式過給器（所謂スーパチャージャ）を採用するものであってもよい。
【００７８】
このような過給器付のエンジン２に、第３の実施形態と同様の排気ガス再循環装置２０１を装着している。図８に示すように、分離装置２１０は、排気配管４の過給器６排気タービンより下流側に設けられ、ＥＧＲ配管３０を介して、排気ガス中の二酸化炭素を、過給器６の圧縮機より上流側の吸気配管３内に還流するようになっている。
【００７９】
このような構成であっても、排気ガス中の不活性成分である二酸化炭素を選択的に吸気配管３内の吸気通路に還流するので、過給器６の圧縮機やインタクーラ７内の吸気通路にデポジットが堆積することを抑制することができる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、排気ガス中の二酸化炭素を昇圧前の吸気配管３内の吸気通路に還流できるので、エンジン２の運転負荷状態に係わらず常時還流を行うことが可能である。
【００８１】
また、本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、排気ガス中の不活性成分である二酸化炭素だけを還流するため、インタクーラ７をアルミニウム製としても、腐食の発生を抑止することができ、ＥＧＲクーラを配設する必要がない。
【００８２】
なお、分離装置２１０の配設位置は、過給器６排気タービン下流側に限らず、排気タービンより上流側であってもかまわない。
【００８３】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００８４】
上記第１および第２の実施形態では、第１吸着器１１内の第１吸着材および第２吸着器１２内の第２吸着材として、イモゴライト構造を有する非晶質アルミニウムケイ酸塩を用いていたが、これに限定するものではなく、耐熱性を有し二酸化炭素の吸着および脱離が可能なものであればよい。例えば、ゼオライト、炭酸カリウム等を原料とするセラミックス、多孔質性金属錯体等であってもかまわない。
【００８５】
また、上記第１および第２の実施形態では、吸脱着ユニット１０は、第１吸着器１１および第２吸着器１２の２つの吸着器を有していたが、３つ以上吸着器を有するものであってもかまわない。３つ以上の吸着器のうち、少なくとも２つの吸着器に本発明を適用して有効である。
【００８６】
また、上記第３および第４の実施形態では、分離装置２１０の二酸化炭素分離膜として、カルド型ポリイミド高分子膜を用いていたが、これに限定するものではなく、排気ガス中から二酸化炭素を分離可能なものであればよい。また、二酸化炭素分離膜は中空糸膜でなくてもかまわない。
【００８７】
また、排気ガス中から二酸化炭素を分離する手段は、吸着材による吸脱着法を用いた手段、膜による分離法を用いた手段に限定されず、他の分離法を用いた手段であってもかまわない。
【００８８】
また、上記各実施形態では、排気ガス再循環装置１、２０１を車両用のディーゼルエンジン２に装着した場合について説明したが、内燃機関はディーゼルエンジンに限定するものではない。例えば、排気ガス再循環装置１、２０１を搭載する内燃機関は、ガソリン直噴エンジンであってもよいし、車両用以外の内燃機関であってもよい。
【００８９】
また、上記各実施形態では説明を省略していたが、本発明を適用した排ガス再循環装置１、２０１を用いれば、図９に示すように、排気ガスの浄化処理に三元触媒を採用することが可能となる。
【００９０】
従来、ディーゼルエンジンやガソリン直噴エンジンは、空燃比が約２０〜６０と希薄燃焼であり、一酸化炭素および炭化水素の酸化反応と窒素酸化物の還元反応とのバランスがとれず三元触媒を用いることが困難であった。したがって、例えば図１０に示すように、ＥＧＲ配管１３０を介して排気ガスの一部を還流しつつ、排気ガスの残部は、一酸化炭素および炭化水素を酸化する酸化触媒１０８Ａ、ＰＭ（粒子状物質）を捕捉するＤＰＦ９を通過させ、その後、窒素酸化物の低減のために尿素添加型ＮＯＸ選択還元触媒やＮＯＸ吸蔵還元触媒１０８Ｂを通過させていた。
【００９１】
これに対し、本発明を適用した排気ガス再循環装置１を用いれば、図９に示す吸気配管３内の吸気通路に、エンジン２の空燃比がほぼ理論空燃比となる空気を流通させ、この空気に還流した二酸化炭素を混合して、排気ガスの浄化処理に三元触媒８を採用することができる。したがって、排気ガスの浄化処理のための触媒数を低減することが可能となる。図示は省略しているが、本発明を適用した排気ガス再循環装置２０１を用いても、同様の効果を得ることができる。
【００９２】
上記各実施形態では、排気ガス再循環装置１の吸脱着ユニット１０もしくは排気ガス再循環装置２０１の分離装置２１０を、排気配管４の経路途中に設けていたが、排気ガス中のＰＭが堆積したときに吸脱着ユニット１０の吸脱着機能が低下する場合もしくは分離装置２１０の分離機能が低下する場合には、吸脱着ユニット１０もしくは分離装置２１０は、排気配管４のＤＰＦ９よりも下流側に配設することが好ましい。ＰＭの堆積による吸脱着ユニット１０の吸脱着機能の低下がない場合もしくは分離装置２１０の分離機能の低下がない場合には、吸脱着ユニット１０もしくは分離装置２１０は、排気経路のいずれに配設することも可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１、２０１  排気ガス再循環装置（分離還流手段）
２  エンジン（内燃機関）
３  吸気配管
４  排気配管
６  過給器
７  インタクーラ
１０  吸脱着ユニット
１１  第１吸着器
１２  第２吸着器
４１  切換バルブ（モード切換手段の一部）
４２  切換バルブ（モード切換手段の一部）
４３  切換バルブ（モード切換手段の一部）
４４  可変絞りバルブ（可変絞り手段、モード切換手段の一部）
１００  制御装置（モード切換手段の一部）
２１０  分離装置（二酸化炭素分離器）
２１２  中空糸膜（二酸化炭素分離膜）
【図１】
2011001944.tif 000003
【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】
2011001944.tif 000009
【図８】
2011001944.tif 000010
【図９】
2011001944.tif 000011
【図１０】
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