(57)【要約】本発明は、予混合圧縮着火燃焼を開始させ、維持する方法に関し、エンジン１２と空気処理ユニット１４を備える燃焼装置１０の運転方法を提供する。この方法は、空気処理ユニット１４内で、吸入空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離し、酸素富化空気をエンジン１２に供給して、予混合圧縮着火燃焼を開始させ、その後、エンジン１２に供給する酸素富化空気の量を減少させて、予混合圧縮着火燃焼を維持する、というステップを備える。
2012533027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと空気処理ユニットを有する燃焼装置の運転方法であって、
前記空気処理ユニット内で、吸入空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離するステップと、
前記エンジンに、前記酸素富化空気を供給して、予混合圧縮着火燃焼を開始するステップと、
その後、前記エンジンに供給する前記酸素富化空気の量を減らして、前記予混合圧縮着火燃焼を維持するステップと、
を含む燃焼装置の運転方法。
【請求項２】
前記酸素富化空気の酸素純度は、３０％〜１００％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記予混合圧縮着火燃焼を開始するステップの進行中に、前記エンジンに窒素富化空気が供給される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記予混合圧縮着火燃焼の開始後、前記酸素富化空気の量が減少した時点で、前記エンジンに前記窒素富化空気が供給される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記予混合圧縮着火燃焼を開始するステップに先立って、最初は少なくとも窒素富化空気をエンジンに供給し、圧縮着火または火花点火燃焼のいずれか１つによって前記エンジンを作動させる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記予混合圧着火燃焼を開始させるために、前記エンジンに前記酸素富化空気を供給するステップは、前記エンジンに供給する前記酸素富化空気の量を増加させることを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
所定のエンジン条件が満たされた時点で、前記予混合圧縮着火運転を開始する、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
エンジン条件に応じて、前記圧縮着火または火花点火による運転と、前記予混合圧縮着火による運転との間を切り換える、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記予混合圧縮着火による運転は、エンジン出力が低出力から高出力に至るまでの範囲で開始され、前記圧縮着火または火花点火による運転は、アイドリングおよびウォームアップの状態およびエンジン出力が高出力である状態で開始される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記エンジンに供給する空気に要求される条件に到達するため、該空気を加熱するステップを含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
排気ガスからの廃熱、エンジン冷却システムからの廃熱、自動車用エアコンからの廃熱、電気的または機械的熱交換装置から発生する熱、誘導加熱器からの熱、別の燃焼装置における燃焼からの熱、化学反応から発生する熱のうちの少なくとも１つを利用して前記空気を加熱する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃焼装置は、前記エンジンに供給する空気の少なくとも一部を冷却する冷却装置を備える、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
燃焼後の排気ガスを前記エンジンに還流するステップを含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記エンジンからの排気を処理するための触媒装置に、前記酸素富化空気を供給ステップを含む、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記エンジンに前記窒素富化空気を供給しつつ、前記触媒装置に前記酸素富化空気を供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸素富化空気を前記触媒装置に供給し、その後、該酸素富化空気の少なくとも一部を前記エンジンに供給して、前記予混合圧縮着火運転の開始をアシストするステップを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記予混合圧縮着火が前記エンジン内で開始された後、前記エンジンに供給した前記酸素富化空気の少なくとも一部を、前記触媒装置に再供給するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃焼装置は、可変圧縮エンジンを備える、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記エンジンは、可変バルブタイミング機構を備える、請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記空気処理ユニットは、窒素と酸素を分離するための分離手段を備える、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記分離手段は、分子フィルタ装置を備える、請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記分離手段は、膜、ゼオライト材料、および多数のナノチューブの少なくとも１つを備える、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記空気処理ユニットは、前記分離手段を通して供給される吸入空気を加圧するコンプレッサを備える、請求項２０〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記空気処理ユニットは、空気冷却装置を備える、請求項１〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記空気処理ユニットは、エアドライヤを備える、請求項１〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記空気処理ユニットは、処理した空気を蓄える貯蔵装置を備える、請求項１〜２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記空気処理ユニットとして、
それぞれがゼオライト材料を備える多数のチャンバを有するキャニスタと、
処理する空気をキャニスタに導入する空気吸入部と、
を備え、前記キャニスタと前記空気吸入部は、相対的に移動可能であり、複数のチャンバが順次空気吸入部と整列するようになっている、
空気処理ユニットを用いる、請求項１〜２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記キャニスタが回転可能であり、前記複数のチャンバを順次、前記空気吸入部と一直線上に配置する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃焼装置は自動車に搭載され、前記空気処理ユニットの１つ以上のコンポーネントが、エンジン室用の閉鎖手段に設置される、請求項１〜２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
エンジンと、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、選択的にエンジンに供給する空気処理ユニットと、
を備え、
第１および第２の設定に設定変更可能であり、
第１の設定では、前記エンジンに前記酸素富化空気を供給して、予混合圧縮着火を開始し、
第２の設定では、前記エンジンに供給する酸素富化空気の量を低減して、前記予混合圧縮着火燃焼を維持する、
燃焼装置。
【請求項３１】
エンジンと、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離する空気処理ユニットと、
前記エンジンに前記酸素富化空気を供給して予混合圧縮着火を開始し、その後、前記エンジンに供給する前記酸素富化空気の量を減少させて、前記予混合圧縮着火燃焼を維持する制御装置と、
を備える燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置およびその運転方法、特に、制御自動着火（ＣＡＩ）としても知られる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）燃焼を開始させ、維持する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油燃料の使用増加に対する環境的懸念が高まっており、燃料効率およびエンジン性能を最大限に高めつつ、内燃機関などからの有害な排気を低減するため、様々な取り組みが行われている。自動車産業においては、未燃炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物といった環境有害物質の含有率を低減することにより、自動車から出る排気ガスの質を改善するための試みが進行中である。たとえば、触媒材料やエンジン管理システムを改良することにより、排気の低減が図られている。しかしながら、内燃機関からの排気を低減する試みは、エンジン性能に不利な影響を及ぼし、大幅な燃費増加をもたらす場合が多い。
【０００３】
一般的に使用されるエンジンには、火花点火エンジンと圧縮着火エンジンの２つのタイプがある。
【０００４】
火花点火エンジンは、一般的にガソリン燃料を使用し、空気と燃料の混合気を燃焼シリンダ内に導入して、典型的には点火プラグからの火花で混合気に点火し、燃焼させることにより機能する。燃焼は、着火点から燃焼シリンダ内に広がり、燃焼プロセスの間、燃焼温度は上昇し続け、高いピーク温度の燃焼を達成している。火花点火エンジンの場合、エンジンへの吸気口（インテーク）内にスロットルが設けられ、燃焼シリンダへの混合気の吸気濃度すなわち吸気量を調整する。
【０００５】
上述のように、燃焼からの排気は、通常、窒素酸化物、未燃炭化水素および一酸化炭素を含有する。多くの場合、こうした排気は、適切な触媒を用いて処理され、炭化窒素は炭素と水素、未燃炭化水素は水と二酸化炭素、一酸化炭素は二酸化炭素に還元される。この目的を果たすため、三元触媒が利用される。燃料効率を高めるためには、空燃比がリーンである（空気が多く燃料の割合が少ない）ことが好ましい。しかしながら、空燃比をリーンにすると、酸素が過剰となり、窒素酸化物を処理する触媒の効果を低下させ、その結果、排気中の窒素酸化物が規制値を超えてしまう。このため、火花点火エンジンの場合、理論混合比近傍の空燃比で運転し、酸素含有量を減らして、使用する触媒を有効利用するのが一般的である。
【０００６】
圧縮着火エンジンは、一般的にディーゼル燃料を使用し、空気を燃焼シリンダ内に導入し、この空気をピストンで圧縮して高温にした後、燃焼室に燃料を注入し、燃料が高温により着火することにより、機能する。燃焼は、最初の着火点から燃焼シリンダ内に広がり、燃焼プロセスの間、燃焼温度は上昇し続け、高いピーク温度の燃焼を達成している。圧縮着火エンジンは、一般的に、シリンダ内に注入する燃料の量を調整することにより制御される。このため、このタイプの制御においては、空燃比を変更することにより、燃料効率や排気物質などを適正に調整することが困難である。
【０００７】
火花点火エンジンおよび圧縮着火エンジンのいずれにおいても、窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素などの排気は、通常、適切な触媒を用いて制御される。しかしながら、窒素酸化物は、排気ガスから除去することが非常に困難であることは知られている。上述のように、火花点火エンジンの場合、理論混合比近傍で燃焼させ、三元触媒を用いることにより、この問題は解決できる。しかしながら、この解決策は、リーンバーン（希薄燃焼）を常とする圧縮着火エンジンには利用できない。１つのアプローチとして、まず酸化触媒を用いて炭化水素および一酸化炭素のレベルを下げ、次にリーンＮＯＸトラップ触媒と呼ばれる第２の触媒システムを用いる方法がある。しかしながら、この方法はコストが嵩む傾向にあり、また、エンジンが使用される全範囲において確実に機能させることが困難である。
【０００８】
火花点火エンジンおよび圧縮着火エンジンの双方において、窒素酸化物を低減するためのもう１つのアプローチは、ＥＧＲ（排気再循環）として知られる、シリンダ内に入る新しい吸気に、冷却した不活性排気を環流させて混合するというものである。再利用排気は、主として、窒素、水蒸気および二酸化炭素からなるため、新しい吸気の燃焼には関与できないが、燃焼熱を吸収する役割を果たし、シリンダのピーク温度を下げるため、窒素酸化物の発生率を抑えることが可能となる。しかしながら、再利用排気の導入は、吸気ごとの有効出力を低下させるため、全般的なエンジン性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
第３のタイプとして知られるエンジンは、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンであり、火花点火エンジンのように、予め燃料と空気を混合して均質な吸気として、吸気を燃焼シリンダに導入する。しかしながら、燃焼は火花によって開始されるのではなく、圧縮ストローク（シリンダ内のピストンによって行われる）の始点における、吸気の温度、圧力および成分を制御し、圧縮ストロークの終点までに、吸気が十分高温になるようにして、圧縮着火エンジンにおけるように、自動着火を開始させる。適正な条件下において、燃焼は、１つの発火点から開始するのではなく、実質的に同時にシリンダ内の多くの箇所で始まり、比較的低いピーク温度で完全燃焼する。火花点火および圧縮着火エンジンでは、炎燃焼、すなわち、炎が発生して、着火点から燃焼室内に広がるようになっているため、炎の後に圧力が集積し、温度の上昇を招く。これに対して、予混合圧縮着火燃焼エンジンでは、無炎燃焼であるため、圧力の上昇がなく、温度が急上昇することもない。ピーク温度が低いため、窒素酸化物の生成も低く抑えられる。
【００１０】
しかしながら、予混合圧縮着火エンジンを制御するのは大変困難である。特に、燃料効率および排気ガスを許容範囲に保持しつつ、予混合圧縮着火を開始させ、維持することは非常に困難である。
【００１１】
本件出願人は、ＷＯ２００７／０３４１６８において、吸入空気を酸素富化空気流と窒素富化空気流とに分離し、酸素富化空気流を予混合圧縮着火エンジンに供給する空気吸入システムを提案している。
【００１２】
特開２００７−２８５２８１号公報は、吸気を酸素富化空気流と窒素富化空気流とに分離する空気分離装置を備えた内燃機関を開示している。通常の運転時には、窒素富化空気をエンジンに供給して燃焼を容易にし、酸素富化空気を排気触媒システムに供給して排出物の酸化をアシストさせている。加速運転時には、一時的に、酸素富化空気を、窒素富化空気とともにエンジンに供給するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０３４１６８
【特許文献２】特開２００７−２８５２８１号公報
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、第１の態様として、エンジンと空気処理ユニットを備えた燃焼装置を運転する方法を提供する。この方法は、
空気処理ユニットにおいて、吸入空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離し、酸素富化空気をエンジンに供給して、予混合圧縮着火燃焼を開始させ、
その後、エンジンに供給する酸素富化空気の量を減少させて、予混合圧縮着火燃焼を維持する、というステップを備える。
【００１５】
前記空気処理ユニットは、大気よりも窒素の含有率が高く、かつ、酸素の含有率が低い、酸素を含有する窒素富化空気を生成するように構成することもできる。また、この空気処理ユニットは、大気よりも酸素の含有率が高く、かつ、窒素の含有率が低い、窒素を含有する酸素富化空気を生成するように構成することもできる。さらに、前記空気処理ユニットは、酸素富化空気および窒素富化空気を、所定の酸素含有率および所定の窒素含有率で、それぞれ生成するように構成することもできる。この空気処理ユニットは、３０％〜１００％の酸素純度の酸素富化空気を生成するように構成することができる。この酸素純度は、たとえば、５０％〜９５％の酸素純度、７０％〜９５％の酸素純度、あるいは９０％〜９５％の酸素純度とすることができる。
【００１６】
本発明の第１態様の方法に従って燃焼装置を制御することにより、制御自己着火（ＣＡＩ）としても知られる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）を可能にしつつ、エンジンの運転を始動させ、その後も運転を維持することが可能となる。理論に拘束されるものではないが、本出願人は、燃焼室内の酸素含有量を上昇させると、空気と燃料の混合気の揮発性が高まり、燃焼を促進すると考えている。
【００１７】
混合圧縮着火の開始後、酸素富化空気の量を減少させることにより、燃焼ピーク温度を抑えることが可能となる。
【００１８】
窒素富化空気を、酸素富化空気と同時に、エンジンに供給することができる。窒素富化空気を、予混合圧縮着火燃焼を開始するステップの進行中にエンジンに供給することもできる。窒素富化空気を、予混合圧縮着火燃焼の開始後、酸素富化空気の量が減少した時点で、エンジンに供給することもできる。酸素富化空気の量を減少させながら、この段階で窒素富化空気をエンジンに供給すると、不活性窒素の熱吸収によってピーク温度を抑えることができ、これにより窒素酸化物の生成を最小限に抑えつつ、予混合圧縮着火運転の維持をアシストすることが可能となる。
【００１９】
エンジンは、化石燃料、水素、バイオ燃料、固形燃料など、適切な燃料を燃焼するよう構成される。また、エンジンの一部を、少なくとも部分的に燃料電池により構成することも可能である。
【００２０】
本発明の方法には、予混合圧縮着火燃焼のみによってエンジンを運転することも含まれる。
【００２１】
本発明の方法は、予混合圧縮着火燃焼ステップに先立って、最初は少なくとも窒素富化空気をエンジンに供給し、圧縮着火または火花点火燃焼のいずれかにより、エンジンを運転することも可能である。
【００２２】
火花点火または圧縮着火燃焼のいずれかを行ないつつ、最初は少なくとも窒素富化空気を用いてエンジンを運転することにより、エンジンをウォームアップし、十分な運転温度を維持することが可能となる。予混合圧縮着火運転が要求される場合、たとえば、エンジンが閾値温度に達した場合には、エンジンに供給する酸素富化空気の量を増加して、予混合圧縮着火運転を促すようアシストできる。火花点火燃焼を最初に用いる場合、予混合圧縮着火運転を、エンジンに連結したスーパクプラグのような点火手段を少なくとも部分的に不活性化させることにより、開始することができる。本件出願人は、酸素が増加すると燃焼速度が加速し、火花点火または圧縮着火のような炎燃焼から、予混合圧縮着火燃焼への移行が可能になると考えている。
【００２３】
窒素富化空気を使用すると、窒素の不活性な性質が熱を吸収する役割を果たし、燃焼温度のピークが過度に高くなることを防ぐ。このように、燃焼ピーク温度を下げることにより、窒素酸化物の生成を最小限に抑えることが可能となり、窒素酸化物を低減するための下流側における排気処理を最小限なものとすることができる。したがって、窒素富化空気を使用することにより、従来的な火花点火エンジンにおけるような、化学量論値近傍の空燃比で運転する必要性を除去または最小化することができ、よりリーンな（希薄な）空燃比を用いることを可能とするため、燃料節約という観点においてより効果的である。
【００２４】
本発明の方法では、最初は窒素富化空気だけをエンジンに供給し、供給する酸素富化空気量をゼロとすることができる。代替的に、ある割合の酸素富化空気を最初にエンジンに供給することも可能であり、この場合には、予混合圧縮着火を開始するに先立ち、エンジンのウォームアップをより加速させることができる。さらに、ある割合の酸素富化空気の供給により、排気温度の上昇をより加速させることも可能となる。この場合、触媒装置などの排気処理装置がより早く温まって、効果的な運転条件まで達することができる。酸素富化空気をエンジンに供給し、予混合圧縮着火燃焼を開始するステップには、エンジンに供給する酸素富化空気量を増加するステップを含めることもできる。予混合圧縮着火運転を促すようアシストするため、エンジンに供給する酸素富化空気の量を増加すると、窒素富化空気の量は、全体的にまたは部分的に減少する。代替的に、窒素富化空気の量を増加させることも可能である。
【００２５】
圧縮着火または火花点火運転のいずれかで運転している間に、酸素富化空気をエンジンに供給することにより、よりリーンな混合気でのエンジン運転が可能となり、燃料効率が上昇する。本件出願人は、酸素を富化して供給すると、出力密度が増加し、１０％以下の酸素量の増加、典型的にはおよそ９％の増加で、出力密度は４０％まで上がるとの知見を得ている。酸素富化空気を使用することにより、燃料のより完全な燃焼が可能となるため、導入する空気の量を最小限に抑えることができ、この場合には、生成される排気ガスの量を最小限に抑えることが可能となる。適切な量の窒素富化空気と酸素富化空気とを混合して、所望の空気組成とし、これをエンジンに供給する。燃焼装置は、所望の混合比を得るための適切な混合を可能とするよう、酸素および窒素の含有量を表示するセンサ装置を備えるようにしてもよい。
【００２６】
予混合圧縮着火運転は、特定のエンジン条件が満たされた場合に開始することができる。たとえば、特定のエンジン温度範囲、特定の出力範囲といった条件において、予混合圧縮着火運転を開始させ、維持するように設定することができる。このような設定により、圧縮着火または火花点火運転と予混合圧縮着火運転との間を切り換えて、たとえば最適な燃料効率といった最適な走行状態を提供することが可能となる。１つの設定例として、低出力から高出力までの範囲において、予混合圧縮着火が開始するようにし、アイドリングまたはウォームアップ状態において、圧縮着火または火花点火が開始するようにした構成が可能である。エンジンが高出力のときに、圧縮着火または火花点火を開始することもできる。
【００２７】
本発明の方法は、要求される空気条件に到達させるため、エンジンに供給する酸素富化空気、窒素富化空気などの空気を温めるステップを含むことができる。この方法には、予混合圧縮着火運転中、エンジンに供給する前の窒素富化空気を加熱するステップが含まれる。エンジンに供給する空気を、選択的に加熱することが可能であり、これにより所定範囲の温度制御が可能となる。このような調整により、エンジンに供給する空気の性質を制御すること可能となるが、これは予混合圧縮着火燃焼を促し、維持するための重要な要素である。
【００２８】
１つの態様では、エンジンに供給する空気は、排気ガスからの廃熱で加熱される。代替的または付加的に、たとえば、エンジン冷却システムからの廃熱、自動車用エアコンからの廃熱、電気的または機械的熱交換器から発生する熱、誘導加熱器からの熱、別の燃焼装置における燃焼からの熱、化学反応から発生する熱のうちの１つ、またはこれらを組み合わせて用いることにより、エンジンに供給する空気を加熱することも可能である。
【００２９】
燃焼装置は、エンジンに供給する空気の少なくとも一部を冷却するよう構成された冷却装置を備えることができる。この冷却装置は、エンジンの圧縮着火または火花点火運転時に使用することができ、これにより燃焼ピーク温度を制限するようアシストして、窒素酸化物などの生成を最低限に抑えることを可能とする。
【００３０】
冷却装置は、排気からの廃熱を利用した加熱装置などを組み合わせて用いることができ、これにより空気温度の正確な調節が可能となる。たとえば、本発明の方法は、エンジンに供給する空気の一部を温め、エンジンに供給する空気の一部を冷却し、その後、これらの加熱空気および冷却空気を適量混合して所望の空気温度にするステップを備えることができる。
【００３１】
冷却装置としては、空冷式、水冷式、ファン式、冷媒式、注水式などの冷却装置をいずれも用いることができ、さらにこれらを組み合わせものも用いることができる。
【００３２】
本発明の方法は、燃焼後の排気ガスをエンジンに還流するステップを備えることができる。排気ガスは、主として不活性であり、エンジン内の熱を吸収し、燃焼には関与しないため、排気再循環は、ピーク燃焼温度を制御するのに効果的である。
【００３３】
再循環排気ガスは、実質的に直接エンジンに還流することができ、これにより、エンジンに供給する空気の温度を上昇させることが可能となる。このような構成を予混合圧縮着火運転時に用いれば、予混合圧縮着火燃焼を維持（あるいは開始）する際に優先されるべき空気温度状態を作り出すことができる。
【００３４】
再循環排気ガスは、エンジンに還流する前に冷却することができる。このような構成は、圧縮着火または火花点火運転時にも用いることができる。
【００３５】
排気ガスは、エンジンの排気口から再循環することができる。代替的に、内部ＥＧＲと呼ばれる技術を用いることも可能であり、この場合、排気ガスを捕捉してエンジンの燃焼室内に保持する。排気ガスをベッセル内に貯蔵し、制御システムなどからの指令により、再循環させるようにしてもよい。別の燃焼装置から排気ガスを再循環させることも可能である。
【００３６】
本発明の方法は、エンジンからの排出物を処理するための触媒装置に、酸素富化空気を供給するステップを含むことができる。これにより、炭化水素や一酸化炭素などの排出物を、触媒装置内で適切に酸化させるために必要とされる酸素を、十分に供給することが可能となる。このステップは、窒素富化空気がエンジンに供給されてために生じうる、燃焼後の酸素不足を回避して、触媒による排出物の酸化を十分に行わせるために効果的である。
【００３７】
本発明の方法は、エンジンに窒素富化空気を供給しつつ、酸素富化空気を触媒装置に供給するステップを含むことができる。あるいは、圧縮着火または火花点火運転時に、酸素富化空気を触媒装置に供給するステップを含むことができる。予混合圧縮着火運転時に、酸素富化空気を触媒装置に供給することも可能である。
【００３８】
本発明の方法は、酸素富化空気を触媒装置に供給し、その後、その酸素富化空気の少なくとも一部をエンジンに供給して、予混合圧縮着火運転の開始をアシストするステップを含むことができる。この方法は、さらに、エンジンに供給された酸素富化空気の少なくとも一部を、予混合圧縮着火がエンジン内で開始された後、触媒装置に再供給するステップを含むこともできる。
【００３９】
本発明の方法は、エンジンに供給する空気を圧縮するステップを備えることもできる。燃焼装置に、エンジンに供給する空気を圧縮するためのコンプレッサを備えてもよい。このコンプレッサは、スーパチャージャ、ターボチャージャなどである。こうした構成により、空気を強制的にエンジンに送り込むことが可能となる。また、エンジン出力の増加をアシストできるとともに、空気温度の上昇もアシストされるため、エンジンの予混合圧縮着火運転に効果的である。
【００４０】
本発明の方法は、所定量の空気をコンプレッサから迂回させることもできる。これにより、エンジンに供給する空気特性のより正確な制御がアシストされる。
【００４１】
燃焼装置は、圧縮比がたとえば６：１〜２８：１の範囲のエンジンを備えることができる。
【００４２】
燃焼装置は、可変圧縮エンジンを備えることができる。エンジンの圧縮比を可変とすることにより、燃焼条件をより正確に制御できるようになり、予混合圧縮着火運転の開始および維持をアシストできる。
【００４３】
燃焼装置のエンジンは、可変バルブタイミング機構を備えることができる。バルブタイミングを変更可能とすることにより、エンジン内の圧縮比の制御が可能となり、予混合圧縮着火運転の開始および維持をアシストできる。また、バルブタイミングの変更は、内部ＥＧＲの制御もアシストする。
【００４４】
空気処理ユニットは、窒素と酸素を分離する分離手段を備えることができる。この分離手段は、分子フィルタ装置であり得る。分離手段は、少なくとも１つの膜で構成することができる。分離手段には、ゼオライト材料を用いることができ、また、多数のナノチューブで構成してもよい。
【００４５】
空気処理ユニットは、分離手段を通して供給される吸入空気を加圧するコンプレッサを備えることができる。コンプレッサは、エンジンにより稼働可能である。このコンプレッサは、たとえばスーパチャージャやターボチャージャなどである。また、外部モータや外部エンジンなどの外部駆動源で稼働させることもできる。
【００４６】
空気処理ユニットは、空気冷却装置を備えることができる。これにより、窒素と酸素を分離する効果を最大限に高める適切な温度範囲内に、吸入空気を冷却することが可能となる。こうした構成は、コンプレッサを使用する態様において効果的である。圧縮されると空気の温度が上昇するためである。
【００４７】
空気処理ユニットは、空気フィルタを備えることができる。
【００４８】
空気処理ユニットは、エアドライヤを備えることができる。このような構成は、分離手段と組み合わせて使用できるが、ゼオライト材料のような、空気の含水率が低い場合に効果が増強する分離手段と組み合わせて用いると効果的である。エアドライヤには、乾燥剤を用いることができる。エアドライヤは、少なくとも部分的には、空気処理ユニットの付近または内部に設けてもよいし、空気処理ユニットの一部として形成してもよい。たとえば、エアドライヤは、少なくとも部分的には、ゼオライト材料などの分離手段を内蔵するキャニスタの付近または内部に設けることが可能であり、あるいはキャニスタとして形成することもできる。
【００４９】
空気処理ユニットは、処理した空気を蓄えるための貯蔵装置を備えることができる。空気処理ユニットは、たとえば、酸素富化空気および窒素富化空気の少なくとも一方を蓄えるための、少なくとも１つのサージタンクを備える。空気処理ユニットは、吸収した空気成分を蓄えておくゼオライト材料を備えてもよい。貯蔵装置を設けることにより、エンジン需要のピーク時に十分な空気を供給することが可能となる。貯蔵装置は、ゼオライト材料のような分離手段を備えることができる。
【００５０】
空気処理ユニットは、
それぞれがゼオライト材料を備えた多数のチャンバを有するキャニスタと、
処理する空気をキャニスタに導入する空気吸入部と、
を備え、
前記キャニスタと前記空気吸入部は、相対的に移動可能であり、複数のチャンバが順次空気吸入部と整列するようになっている。
【００５１】
ゼオライト材料は、吸入空気から窒素または酸素の一方を吸収するよう構成される。こうして、吸収された方の成分がゼオライト材料内に保持され、それ以外の成分はゼオライト材料を通過し、キャニスタから送り出される。
【００５２】
使用時において、空気吸入部と整列した少なくとも１つのチャンバ内のゼオライト材料が、吸入空気から窒素または酸素の一方を吸収し、空気吸入部と整列いていない少なくとも１つのチャンバが、次の吸収サイクルに備えて吸収した成分を解放する。このように、ゼオライトチャンバを次々と空気吸入部に整列させることにより、少なくとも１つのゼオライトチャンバが選択成分を吸収し、少なくとも１つのゼオライトチャンバが吸収された選択成分を解放するという、連続的なサイクル運転が可能となる。これにより、酸素富化空気および窒素富化空気を供給するための吸気処理を、迅速かつ連続的に行うことが可能となる。
【００５３】
ゼオライト材料は、連結したチャンバに圧力を加えた場合に、選択成分を吸収するように構成される。これは、処理する吸入空気を加圧することで達成される。ゼオライト材料は、連結したチャンバを減圧した場合に、吸収成分を解放するように構成される。
【００５４】
キャニスタを回転可能として、ゼオライト材料と空気吸入部が順次軸方向に一致するように構成する。
【００５５】
本発明の燃焼装置は、自動車に搭載することも可能である。前記空気処理ユニットの少なくともいくつかのコンポーネントは、自動車のコンポーネントとして設置することができる。一例としては、空気処理ユニットの少なくともいくつかのコンポ−テントは、エンジンを収容する区画用の自動車用コンポーネントに設置される。たとえば自動車用ボンネットのような、エンジン室を閉鎖するためのコンポーネントに、空気処理ユニットの少なくともいくつかのコンポーネントを設置することができる。
【００５６】
前記空気分離手段を、自動車のコンポーネントに設置することができる。酸素および／または窒素用サージタンクを、自動車のコンポーネントに設置できる。
【００５７】
本発明は、第２の態様として、
エンジンと、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、選択的にエンジンに供給する空気処理ユニットと、
を備えた燃焼装置を提供する。この燃焼装置は、
前記燃焼装置は、第１および第２の設定に設定変更可能であり、
第１の設定では、酸素富化空気をエンジンに供給して予混合圧縮着火を開始し、
第２の設定では、エンジンに供給する酸素富化空気の量を低減して、予混合圧縮着火燃焼を維持するようになっている。
【００５８】
本発明は、第３の態様として、
エンジンと、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離する空気処理ユニットと、
酸素富化空気をエンジンに供給して予混合圧縮着火を開始させ、その後エンジンに供給する酸素富化空気の量を低減して、予混合圧縮着火燃焼を維持するための制御装置と、
を備えた燃焼装置を提供する。
【００５９】
なお、本発明の第２および第３の態様の燃焼装置は、本発明の第１の態様の方法を実施するために用いることができ。したがって、第１の態様の説明において示された燃焼装置の特徴および要素は、第２および第３の態様にも適用可能である。
【００６０】
本発明は、第４の態様として、第２および第３の態様における燃焼装置を備えた自動車を提供する。
【００６１】
本発明は、第５の態様として、エンジンと空気処理ユニットを備えた燃焼装置を運転する方法を提供する。この方法は、
空気処理ユニットにおいて、吸入空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離するステップと、
最初は少なくとも窒素富化空気をエンジンに供給し、圧縮着火または火花点火燃焼のいずれか１つによってエンジンを運転するステップと、
エンジンに供給する酸素富化空気の量を増加して、予混合圧縮着火燃焼を開始するステップと、
その後、エンジンに供給する酸素富化空気の量を減らして燃焼を維持するステップと、を含む。
【００６２】
本発明の第５の態様により、エンジンに供給する空気の配合を極めて正確に制御することが可能となり、たとえば様々なエンジン出力にわたって、予混合圧縮着火運転の促進と維持をアシストするため、エンジンに供給する窒素と酸素の相対的割合を制御することが可能となる。
【００６３】
本発明は、第６の態様として、
エンジンと、
吸気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、選択的にエンジンに供給する空気処理ユニットと、
を備えた燃焼装置を提供する。この燃焼装置は、
第１、第２および第３の設定間で設定変更が可能であり、
第１の設定では、少なくとも窒素富化空気をエンジンに供給し、圧縮着火または火花点火燃焼のいずれか１つによってエンジンを運転し、
第２の設定では、エンジンに供給する酸素富化空気の量を増加して、予混合圧縮着火燃焼を開始し、
第３の設定では、エンジンに供給する酸素富化空気の量を減らして燃焼を維持するようになっている。
【００６４】
本発明は、第７の態様として、
エンジンと、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、選択的にエンジンに供給する空気処理ユニットと、
最初は少なくとも窒素富化空気をエンジンに供給し、圧縮着火または火花点火燃焼のいずれか１つによってエンジンを運転し、次に、エンジンに供給する酸素富化空気の量を増加して、予混合圧縮着火燃焼を開始し、その後、エンジンに供給する酸素富化空気の量を減らして燃焼を維持する制御装置と、
を備えた燃焼装置を提供する。
【００６５】
本発明は、第８の態様として、
処理するガスから選択された成分を吸収するゼオライト材料を、それぞれが備えた多数のチャンバを有するキャニスタと、
処理するガスをキャニスタに導入するガス吸入部と、
を備えたガス処理ユニットを提供する。このガス処理ユニットにおいて、前記キャニスタと前記ガス吸入部は、相対的に移動可能であり、複数のチャンバが順次ガス吸入部と整列するようになっている。
【００６６】
ゼオライト材料は、処理するガスから、成分の１つを吸収するよう構成できる。
【００６７】
実施態様の１つにおいて、ゼオライト材料は、吸入ガスから窒素または酸素の一方を吸収するよう構成される。こうして、吸収された方のガス成分がゼオライト材料内に保持され、それ以外の成分はゼオライト材料を通過し、用途に向けてキャニスタから送り出される。
【００６８】
使用時において、ガス吸入部と整列した少なくとも１つのチャンバ内のゼオライト材料が、処理する吸入ガスから窒素または酸素の一方を吸収し、ガス吸入部と整列いていない少なくとも１つのチャンバが、次の吸収サイクルに備えて吸収したガス成分を解放する。このように、ゼオライトチャンバを順次ガス吸入部と整列させることにより、少なくとも１つのゼオライトチャンバが選択されたガス成分を吸収し、少なくとも１つのゼオライトチャンバが吸収された選択成分を解放するという、連続的なサイクル運転が可能となる。これにより、吸入ガスの処理を、迅速かつ連続的に行うことが可能となる。
【００６９】
ゼオライト材料は、連結したチャンバに圧力を加えた場合に、選択成分を吸収するように構成できる。これは、処理する吸入ガスに加圧することで達成される。ゼオライト材料は、連結したチャンバを減圧した場合に、吸収した選択成分を解放するように構成できる。
【００７０】
本発明は、その第９の態様として、
エンジン室と、
前記エンジン室に設置されたエンジンと、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、選択的に前記エンジンに供給する分離手段を含んだ空気処理ユニットと、
を備えた自動車を提供する。この自動車において、前記分離手段は、前記エンジン室の一部に設置される。
【００７１】
実施態様の１つにおいて、前記分離手段は、ボンネットのようなエンジン室を閉じるコンポーネントに設置される。
【００７２】
本発明は、第１０の態様として、エンジンと空気処理ユニットとを備えた燃焼装置を運転する方法を提供する。この運転方法は、
吸入空気を窒素富化空気と酸素富化空気とに分離するステップと、
酸素富化空気をエンジンに供給して予混合圧縮着火を開始するステップと、
予混合圧縮着火がエンジン内で開始された後、エンジンに供給された酸素富化空気の少なくとも一部を、排気ガス触媒装置に供給するステップと、
を備える。
【００７３】
前記方法は、予混合圧縮着火運転を開始するステップに先立って、最初は少なくとも窒素富化空気をエンジンに供給し、圧縮着火または火花点火燃焼のいずれか１つによってエンジンを運転するステップを含み得る。
【００７４】
前記方法は、予混合圧縮着火燃焼を開始するステップに先立って、酸素富化空気を排気ガス触媒装置に供給するステップと、その後、排気ガス触媒装置に供給された酸素富化空気の少なくとも一部をエンジンに供給して、予混合圧縮着火燃焼を開始するステップを含むこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の燃焼装置の実施例を示す概略図である。
【図２】本発明において用いられる空気処理ユニットの一例を示す概略図である。
【図３】本発明において用いられる空気処理ユニットの別の例を示す概略図である。
【図４】本発明において用いられる空気処理ユニットのさらに別の例を示す概略図である。
【図５】本発明に用いられる空気処理ユニットのコンポーネントの設置例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例に用いられる空気処理ユニットのコンポーネント設置例の別例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
図１を参照しながら、本発明の燃焼装置について説明する。燃焼装置１０は、本例では４シリンダエンジンである内燃機関１２を備え、後述するように、運転モードを火花点火と予混合圧縮着火との間で切り換えられるように構成されている。また、燃焼装置１０は、エアフィルタ１６と吸入流路１８を通じて受け取った空気を、酸素富化空気と窒素富化空気とに分離する空気処理ユニット１４を備える。酸素富化空気は給気流路２０を経由して、窒素富化空気は給気流路２２を経由して、空気処理ユニット１４から供給される。
【００７７】
さらに、燃焼装置１０は、エンジン１２の吸気マニホルド２８と連通する吸気流路２６と、エンジン１２の排気マニホルド３２と連結する排気流路３０を備える。酸素富化空気流路２０および窒素富化空気流路２２はともに、エンジンの吸気流路２６と連通しており、酸素富化空気および窒素富化空気を必要に応じてエンジン１２に供給できるようになっている。酸素富化空気流路２０は、エンジン吸気流路２６との連通を制御するバルブ３４を備える。同様に、窒素富化空気流路２２は、エンジン吸気流路２６との連通を制御するバルブ３６を備える。バルブ３６は、エンジンの出力を制御するスロットルとして機能する。
【００７８】
エンジン吸気流路２６には、スーパチャージャ３８が設けられ、吸気を加圧してエンジンに過給するようになっているが、これは周知の技術である。スーパチャージャ３８のバイパスを選択的に可能とするため、バイパス弁４０が設けられる。
【００７９】
エンジン吸気流路２６には、空気冷却装置４２が連結されており、使用時において、エンジン１２に供給される前の吸気を冷却する。空気冷却装置用のバイパス弁４４が設けられ、使用時において、少なくとも吸気の一部を選択的に迂回させて、空気冷却装置４２に通じさせるようになっている。この空気冷却装置用バイパス弁を選択的に制御することにより、エンジン１２に供給する空気の温度を正確に制御することが可能となる。
【００８０】
排気流路３０には触媒アセンブリ４６が設けられ、エンジン１２からの排気ガスを処理する。触媒４６は、未燃炭化水素、一酸化炭素などを酸化する。触媒４６は、周知の方法で配置される。
【００８１】
また、燃焼装置１０は、排気流路３０を流れてきた排気ガスと、空気分離装置から流路２２を通って流れてきた窒素富化空気との間で熱伝導がなされるように構成された熱交換器４８を備える。熱交換器５８用のバイパス弁５０が設けられ、使用時において、流路２２から熱交換器４８を通過する窒素富化空気の流れを選択的に変更できるようになっている。このバイパス弁５０を選択的に制御することにより、吸気流路２６を経てエンジン１２に供給する前に、窒素富化空気の温度を正確に制御することが可能となる。
【００８２】
第１の排気再循環（ＥＧＲ）流路５２が、排気流路３０と吸気流路２６との間を連通させており、エンジン１２からの排気ガスが、吸気流路２６を通ってエンジン１２に還流できるようになっている。第１のＥＧＲ流路５２は、再循環排気ガスを冷却するためのガス冷却装置５４を備える。第１のＥＧＲ流路５２への排気ガスの供給を選択できるように、バルブ５６が設けられている。
【００８３】
第２のＥＧＲ流路５８が、排気流路３０と吸気流路２６との間を伸長しているが、本例において、第２のＥＧＲ流路５８はガス冷却装置を備えず、必要に応じて、熱い排気ガスを吸気流路２６に供給するようになっている。第２のＥＧＲ流路５８への排気ガスの供給を選択できるように、バルブ６０が設けられている。
【００８４】
加えて、燃焼装置１０は、酸素富化空気流路２０と排気流路３０の間を伸長する酸素富化空気補助流路６２を、触媒４６の上流に備える。補助流路６２は、酸素富化空気の排気流路３０への供給を選択的に行うためのバルブ６４を備える。
【００８５】
燃焼装置１０は、異なる運転モードおよび様々なエンジン出力において運転できるように制御可能である。燃焼装置１０を制御し、異なるモード間で運転を変更するためには、コントローラ２４が使用される。コントローラ２４は、エンジン１２やバルブなど、燃焼装置１０の様々なコンポーネントと、配線６６などにより接続している。
【００８６】
本発明の記述を明確かつ簡潔にするため、以下、本発明の燃焼装置を５つの異なる運転モードにおいて説明する。これにより、本発明の様々な特徴および態様が明らかになる。５つの運転モードとは、アイドリングおよび低出力火花点火運転；低出力予混合圧縮着火運転；中出力予混合圧縮着火運転；高出力予混合圧縮着火運転；および中出力〜高出力火花点火運転である。しかしながら、燃焼装置はこの他にも様々なモードで運転可能であり、本発明の外延は、以下の実施例に限定されるものではない。たとえば、すべてのエンジン条件において、予混合圧縮着火モードだけで運転することも可能である。
アイドリングおよび低出力火花点火運転
約１０００ＲＰＭまでのエンジンスピードが含まれる、このモードにおいて、吸入空気は酸素富化空気と窒素富化空気とに分離される。窒素富化空気流路２２のバルブ３６が開いて、従来的な火花点火で運転するエンジン１２に窒素富化空気を供給できるようにする。空気冷却装置用バイパス弁４４により、窒素富化空気を空気冷却装置４２から迂回させることを可能としている。さらに、一部の空気をスーパチャージャ３８内に通じさせつつも、バルブ４０により、窒素富化空気をスーパチャージャ３８から迂回させることも可能としている。
【００８７】
酸素富化空気流路２０のバルブ３４は閉じているが、補助流路６２のバルブ６４は開いており、これにより酸素富化空気を排気流路３０および触媒４６に供給することが可能となっている。このため、より多くの酸素を供給することで、炭化水素や一酸化炭素などの排気物質を有効に酸化することが可能となっている。このような措置は、燃焼に窒素富化空気が使用され、エンジンからの排気ガスの酸素含有量が非常に少なくなる場合に、特に効果的である。
【００８８】
このようなモードで運転することにより、排気物質を適切な範囲内に抑えつつ、まずエンジンをウォームアップし、続いて好ましいエンジン温度の維持をアシストすることが可能となる。
【００８９】
低出力予混合圧縮着火運転
この分野ではよく知られたことではあるが、予混合圧縮着火運転は開始および維持が難しく、自動着火が成功するか否かは、的確な条件を確立できるか否かに大きく左右される。以下に説明するように、本発明によれば、エンジン１２および関連条件を、非常に正確に制御することが可能となり、予混合圧縮着火運転をより容易に開始させ維持することが可能となる。
【００９０】
予混合圧縮着火運転が要求された時点で、補助流路６２のバルブ６４は閉じ、酸素富化空気流路２０のバルブ３４が開く。これにより、空気処理ユニット１４からの酸素富化空気が、吸気流路２６を経由してエンジン１２に供給される。燃焼室内の酸素量が増加すると、空気および燃料混合物の揮発度が高まり、予混合圧縮着火燃焼が促進される。同様に、酸素量の増加により、燃焼速度が加速して、炎燃焼から無炎燃焼への移行が可能となると考えられている。
【００９１】
バイパス弁５０により、窒素富化空気を、吸気流路２６を経てエンジンに供給される前に、排気ガス熱交換器４８に迂回させて熱するようにしている。また、第２のＥＧＲ流路５８のバルブ６０を開き、熱い排気ガスが吸気流路２６を経てエンジン１２に供給される。このように燃焼装置１０を構成することにより、吸入する空気およびガスを所望の温度まで到達させることが可能となり、これにより、予混合圧縮着火燃焼の開始がアシストされる。エンジンの吸気温度をさらに正確に制御するために、必要に応じて、冷却装置用バイパス弁４４を選択的に制御して、一部の空気を冷却させることも可能である。
【００９２】
さらに、窒素を継続的に供給し、排気ガスを再循環させることにより、エンジン１２内のピーク燃焼温度の制御がより容易になる。
【００９３】
最終的にエンジン１２は、点火プラグなどのすべての点火手段の作動を中止するよう設定され、予混合圧縮着火運転が開始される。
【００９４】
この運転モードにおいて、エンジンは約１５００〜２０００ＲＰＭの回転数で作動する。
【００９５】
中出力予混合圧縮着火運転
予混合圧縮着火運転が開始されてエンジン出力が増加し、たとえば回転数が約２５００ＲＰＭになると、バルブ３４は閉じ、バルブ６４が開いて、酸素富化空気のエンジン１２への供給を中止して、排気流路３０への給気のみとする。これにより、エンジン１２に供給される酸素富化空気の量が減少して、ピーク燃焼温度が最低限まで下がるため、予混合圧縮着火運転の維持がアシストされる。また、酸素富化空気により触媒４６の作用が高められる。
【００９６】
この運転モードにおいて、熱せられた窒素富化空気と熱い排気ガスはエンジン１２に供給されるが、この際、任意的に空気冷却装置４２が使用される。
【００９７】
高出力予混合圧縮着火運転
エンジン出力が増加し、たとえばエンジン回転数が約３０００〜３５００ＲＰＭになると、スーパチャージャバイパス弁４０は閉じ、これによりすべての吸気はスーパチャージャ３８内で圧縮されることとなり、エンジン１２への十分な空気導入が可能となる。
【００９８】
なお、エンジン１２は、可変圧縮機構と可変バルブタイミング機構とを備えており、これらの存在によっても、予混合圧縮着火運転の開始および維持がアシストされる。
【００９９】
中出力〜高出力火花点火運転
たとえばエンジン回転数が約３５００〜４０００ＲＰＭまで上昇した場合、エンジンを火花点火運転に戻すことが好ましい。これにより、十分なエンジン出力を得ることができ、かつ／または、燃料効率および排気物質を適正なものとすることができる。
【０１００】
この運転モードにおいては、窒素富化空気が排気ガスで加熱されないよう、熱交換器バイパス弁５０は閉じる。また、第２のＥＧＲ流路５８のバルブ６０も閉じ、熱い排気ガスがエンジン１２に環流することが防止される。一方、第１のＥＧＲ流路５４のバルブ５６は開き、冷却された再循環排気がエンジン１２に供給される。さらに、すべての吸気が空気冷却器４２を通過するよう、空気冷却器バイパス弁４４が調整される。これらは、吸気温度を最低限にするための措置であり、これによりピーク燃焼温度の制御がアシストされ、排気物質とりわけ窒素酸化物の生成を最小限に抑えることが可能となる。
【０１０１】
なお、上記のエンジン運転モードは例示に過ぎない。たとえば、最初に火花点火運転を行わずに、予混合圧縮着火燃焼でエンジンを作動させることも可能である。また、火花点火モードによる運転を、圧縮着火による運転に変更することもできる。
【０１０２】
次に、図２を参照しながら、図１に示した空気処理ユニット１４の一例について説明する。本例の空気処理ユニット１４ａは、キャニスタ１０２および１０４内のゼオライト材料１００を用いて、窒素と酸素を分離する。ゼオライト材料１００は、加圧すると、流入空気から窒素を吸収して酸素を通過させ、通気すると窒素を放出する。このため、キャニスタ１０２および１０４には、切り換えバルブ１０６を介して、周期的に加圧と通気が行われるが、好ましくは、位相をずらせて行うと、比較的継続的な給気が可能となる。具体的には、図２に示すように、キャニスタ１０４に加圧して酸素気流を作り出し、空気処理ユニット１４ａから流路２０経由で供給する一方、キャニスタ１０２は通気して窒素を放出させ、空気処理ユニット１４ａから流路２２経由で供給する。キャニスタ１０２からの排出を補助するため、幾分かの酸素が、導管とオリフィス１０８を介して供給される。
【０１０３】
図２に示す例において、空気処理ユニット１４ａは、流路２０および流路２２を介して実質的に一貫した流量を供給するため、酸素サージタンク１１０および窒素サージタンク１１２を備える。
【０１０４】
また、空気処理ユニット１４ａは、スーパチャージャ方式のコンプレッサ１１４と、空気冷却装置１１６を備える。さらに、水滴や油滴などを取り除くため、合体フィルタ１１８が設けられ、また、ゼオライト材料１００による分離効果を確実にするため、乾燥剤式エアドライヤ１２０を設けて、残った水分を空気から取り除いている。
【０１０５】
未処理の空気と窒素富化空気とを混合して、流路２２経由で供給するため、空気フィルタ１６からバイパス空気流路１２２が伸長する。これにより、窒素富化空気内の窒素と酸素の量を、エンジン１２の運転に適切な割合にすることができる。
【０１０６】
図３は、図１に示す空気処理ユニット１４の別の例を示している。本例の空気処理ユニット１４ｂにおいて、流入空気は、空気フィルタ１６を通過し、コンプレッサ１３０で圧縮され、空気冷却装置１３２で冷却された後、分離モジュール１３４に入る。分離モジュール１３４は、酸素と窒素を分離する１つ以上の膜装置１３６を備え、流路２０経由で供給される酸素富化気流と、流路２２経由で供給される窒素富化気流とを作り出すように構成されている。
図４は、空気分離装置１４０を示している。この空気分離装置１４０は、給気を酸素と窒素に分離するために用いられる。空気分離器１４０は、中心軸１４４の周りを回転可能なキャニスタ１４２を備えており、キャニスタ１４２は、円周方向に配置された、ゼオライト材料を含有する複数のチャンバ１４６を備える。空気吸入部１４８が、処理する空気をキャニスタ１４２に送り届け、空気吐出部１５０が酸素富化空気をキャニスタ１４２から送り出す。使用時において、キャニスタは回転して、ゼオライトチャンバ１４６の１つが吸入部１４８と一直線となって、吸入部１４８から吸入空気を受け取るようになっており、ゼオライトチャンバ１４６は、窒素をゼオライト材料に吸収させ、酸素を通過させて吐出部１５０から送り出す。吸入部１４８と接続する１つチャンバ内のゼオライト材料が飽和状態になると、キャニスタ１４２は回転して、別のゼオライトチャンバ１４６と吸入部１４８とを接続させるとともに、先に接続していたゼオライトチャンバを通気して、吸収した窒素を解放する。このように、空気分離装置１４２によれば、ゼオライトチャンバを迅速に運転できるため、酸素富化空気流および窒素富化空気流のより安定した供給が可能となる。
【０１０７】
図５は、自動車用ボンネットアセンブリ１６０を示している。ボンネットアセンブリ１６０は、エンジン室のような自動車のコンパートメントを、たとえば選択的に閉じるために用いられる。ボンネットアセンブリ１６０は、シートメタルで形成されたボンネット１６２と、ボンネット１６２に固定するよう設計されたインサートパネル１６４とで構成される。インサートパネル１６４は、自動車（たとえばエンジン）で使用する空気を処理する空気処理ユニットのコンポーネントを１つ以上内蔵する。本例では、インサートパネル１６４は、吸入空気を酸素富化空気流と窒素富化空気流とに分離するゼオライト材料を備えている。
【０１０８】
図６は、エンジン室ボンネット１６８を備えた自動車１６６を、ボンネットを開けた状態で示している。ボンネット１６８は、ゼオライト材料分離装置１７０、サージタンク１７２など、空気処理ユニットの様々なコンポーネントを担持する。空気処理ユニットのそれ以外のコンポーネントは、自動車１６６のエンジン室１７４に配置することができる。
【０１０９】
なお、ここに示した実施例は例示に過ぎず、本発明の外延を逸脱することなく様々な変更が可能である。たとえば、空気処理ユニットは、当業者が選択し得るその他の適切な装置を用いて、酸素と窒素に分離することもできる。さらに、図４に示す空気分離装置１４０の用途は、空気処理に限定されることはなく、また、回転するキャニスタの概念を、気体、液体、その他の混合処理に応用することも可能である。
【図１】
2012533027.tif 000003
【図２】
2012533027.tif 000004
【図３】
2012533027.tif 000005
【図４】
2012533027.tif 000006
【図５】
2012533027.tif 000007
【図６】
2012533027.tif 000008
【国際調査報告】
2012533027.tif 000009
2012533027.tif 000010
2012533027.tif 000011
2012533027.tif 000012
2012533027.tif 000013