JP7340395B2

JP7340395B2 - 内燃機関システム

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Publication number: JP7340395B2
Application number: JP2019171638A
Authority: JP
Inventors: 浩久保田; 宜郎川下; 真和田
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: JP2021046852A

Description

本発明は、車両の駆動源として用いられる内燃機関システムに関し、とくに、燃焼用空気として窒素富化空気を用いる内燃機関システムに関するものである。

従来の内燃機関システムとしては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、車両用の内燃機関として、空気中の酸素を一部除去して窒素富化空気を生成し、この窒素富化空気を内燃機関の燃焼室に供給して、理論空燃比よりも大きい空燃比で燃焼を行うようにしたものが記載されている。

特許文献１に記載の内燃機関は、多数のポリイミド樹脂製中空糸を束状にまとめた窒素富化エア発生ユニットを用い、加熱及び加圧した空気を中空糸の中心孔に導入し、中空糸の壁を酸素分子が通過することによって窒素富化空気を得る構成である。

特開２００４－１９０５７０号公報

上記特許文献１においては、酸素が排出される側の空間に関する開示がなく、酸素が透過する中空糸の外側は大気であると考えられる。この場合、中空糸の壁の内側と外側との間では、本質的に酸素分圧差が得られない。そのため、特許文献１に記載の内燃機関では、窒素富化空気を生成するには、空気を高加圧して中空糸に導入する必要があるが、このように空気を加圧したとしても、所望の窒素富化レベルを実現できない可能性があった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたものであって、窒素富化装置を備えた内燃機関システムにおいて、導入した空気から窒素富化空気を生成する際の酸素分離効率を向上させることを目的としている。

本発明に係わる内燃機関システムは、外部の空気から酸素を一部除去して燃焼に供する窒素富化空気を得る窒素富化装置を備えている。そして、内燃機関システムは、窒素富化装置が、外部の空気を導入して窒素富化空気を排出する吸気室と、吸気室に導入した空気から酸素を一部除去するガス分離膜と、ガス分離膜による酸素の除去を助成するスイープガスを導入する排気室と、排気室に流通するスイープガスを冷却するガス冷却機構とを備え、前記ガス冷却機構が、空気又は溶媒により前記スイープガスを冷却する機構であって、前記排気室内に配置した前記空気又は前記溶媒の流通部を有していることを特徴としている。

上記の内燃機関システムは、窒素富化装置において、排気室にスイープガスを導入することにより、ガス分離膜による酸素の除去を助成するのに加えて、排気室に流通するスイープガスを冷却することで、冷却に伴う減圧作用によりガス分離膜を透過する酸素の引き込みを促進させる。

このようにして、本発明は、窒素富化装置を備えた内燃機関システムにおいて、スイープガス及びガス冷却機構により、導入した空気から窒素富化空気を生成する際の酸素分離効率を向上させることができ、これに伴って、窒素富化レベルを高めることができる。

本発明の内燃機関システムの第１実施形態を模式的に示す説明図である。ガス分離膜モジュールの３例を示す図であって、中空糸型モジュールの断面図（Ａ）、プリーツ型モジュールの斜視図（Ｂ）、及びスパイラル型モジュールの斜視図（Ｃ）である。本発明の内燃機関システムの第２実施形態を模式的に示す説明図である。本発明の内燃機関システムの第３実施形態を模式的に示す説明図である。本発明の内燃機関システムの第４実施形態を模式的に示す説明図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す内燃機関システムは、自動車の駆動源として用いられるものであって、燃焼用空気として窒素富化空気を使用し、酸素と燃料との混合比が理論混合比になるようにして燃焼を行うものである。

図示の内燃機関１は、ガソリンを燃料とする４ストロークサイクルエンジンであって、複数の気筒のうちの１つの燃焼室２及びピストン３を示している。内燃機関１は、吸気弁４により開閉される吸気ポート５と、排気弁６により開閉される排気ポート７を備えており、燃焼室２の上部には、燃料噴射弁８及び点火プラグ９が設けてある。

内燃機関システムは、外部から内燃機関１に空気を導入するための吸気路１０と、内燃機関１からの排気ガスを外部に排出するための排気路１１と、コンプレッサ１２及びタービン１３を同軸上に連結した過給器１４と、外部の空気から酸素を一部除去して燃焼に供する窒素富化装置１５とを備えている。

吸気路１０は、図外のエアクリーナを介して導入した空気を過給器１４のコンプレッサ１２で圧縮し、窒素富化装置１５により生成した窒素富化空気を内燃機関１の吸気ポート７に供給する経路（配管）である。コンプレッサ１２の上流側には、空気の流量を計測するエアフローメータ１６が設けてある。コンプレッサ１２と窒素富化装置１５との間には、コンプレッサ１２により圧縮されて高温となった空気を冷却する水冷式又は空冷式のインタークーラ１７が設けてある。窒素富化装置１５と吸気ポート７との間には、スロットルバルブ１８が設けてある。窒素富化装置１５と吸気ポート７との間は、吸気マニホルドで構成される。図１における矢印Ａは、導入空気及び窒素富化空気の流れを示している。

排気路１１は、内燃機関１の排気ポート５から排出された排気ガスで過給器１４のタービン１３を回転駆動し、その排気ガスを三元触媒を用いた触媒コンバータ１９で浄化した後、図外の消音器を介して外気に開放する経路（配管）である。排気ポート５とタービン１３との間は、排気マニホルドで構成される。タービン１３と触媒コンバータ１９との間には、排気空燃比を検出する空燃比センサ（例えば酸素センサ）２０が設けてある。図１における矢印Ｇは、排気ガスの流れを示している。

また、内燃機関システムは、エンジンコントローラ２１を備えている。エンジンコントローラ２１には、上記のエアフローメータ１６及び空燃比センサ２０の他、図示しないクランク角センサ、アクセル開度センサ等の各種センサ類からの信号が入力される。そして、エンジンコントローラ２１は、燃料噴射弁８による燃料の噴射量及び噴射時期、点火プラグ９の点火時期、並びにスロットルバルブ１８の開度調整などを電子制御する。

窒素富化装置１５は、概略として、外部の空気を導入して窒素富化空気を排出する吸気室２２と、吸気室２２に導入した空気から酸素を一部除去するガス分離膜２３と、ガス分離膜２３による酸素の除去を助成するスイープガスを導入する排気室２４と、排気室２４に流通するスイープガスを冷却するガス冷却機構２５とを備えている。

吸気室２２は、先述した吸気路１０の一部を構成し、インタークーラ１７を通過した空気を導入し、ガス分離膜２３により酸素を一部除去した窒素富化空気を内燃機関１に供給する。排気室２４及びガス冷却機構２５については後述する。

上記の窒素富化装置１５は、例えば図２に示すような公知のガス分離膜モジュールＭ１～Ｍ３を採用することが可能である。ガス分離膜２３は、公知の高分子膜から成るもので、シート状膜や中空状膜であっても良く、その形態は各モジュールＭ１～Ｍ３の構成に合わせて適宜選択することができる。

図２（Ａ）に示すガス分離膜モジュールＭ１は、中空糸型モジュールであり、ガス分離膜２３から成る多数の中空糸を束ねて中空糸群５１を形成し、複数の中空糸群５１を互いに平行に且つ所定間隔にしてケース５２内に収容したものである。ケース５２は、一端部に入口５２Ａを有すると共に、他端部に出口５２Ｂを有し、中間部に、酸素の排出口５３Ｃを有している。このガス分離膜モジュールＭ１は、入口５２Ａから導入した空気を各中空糸の中心孔に流通させ、各中空糸の壁に酸素分子を透過させる。これにより、ガス分離膜モジュールＭ１は、導入空気から酸素を一部除去して窒素富化空気を生成し、これを出口５２Ｂから排出する。除去された酸素は、排出口５２Ｃから排出される。

図２（Ｂ）に示すガス分離膜モジュールＭ２は、プリーツ型モジュールであり、袋体にシート状のガス分離膜２３を収容してリーフ５４を構成し、ジグザクに折り畳んた複数のリーフ５４をケース５５に収容したものである。リーフ５４は、ガス分離膜２３の一方の主面側が空気の流通路であり、ガス分離膜２３の他方の主面側が除去された酸素の流通路である。このガス分離膜モジュールＭ２は、リーフ５４に空気を導入し、ガス分離膜２３により導入空気中の酸素を一部除去して窒素富化空気を生成すると共に、除去した酸素を排出する。

図２（Ｃ）に示すガス分離膜モジュールＭ３は、スパイラル型モジュールであり、ガス分離膜２３とシート状の流路形成部材５６とを交互に積層して巻回したものである。このガス分離膜モジュールＭ３は、流路形成部材５６に空気を導入し、ガス分離膜２３により導入空気中の酸素を一部除去して窒素富化空気を生成し、除去した酸素を排出する。

なお、上述したガス分離膜モジュールに類似した構成は、例えば、特開２００７－２２２８４１号公報や、国際公開ＷＯ２０１６／０２４５２３に記載されたものがある。本発明においては、これらの公知のガス分離膜モジュールを用いることが可能である。

図１に示す窒素富化装置１５は、理解し易くする都合上、吸気室２２や排気室２４を模式的に示している。この窒素富化装置１５は、図２（Ａ）～（Ｃ）に示すようなガス分離膜モジュールＭ１～Ｍ３を採用し得る。したがって、実際の吸気室２２や排気室２４は、モジュール内の隙間や流路等の空間として形成される場合があるが、モジュールのいずれの形態においても、ガス分離膜２３により区切られていることに変わりはない。

内燃機関システムは、より好ましい実施形態として、窒素富化装置１５のガス冷却機構２５が、空気又は溶媒によりスイープガスを冷却する機構であるものとする。この実施形態のガス冷却機構２５は、溶媒によりスイープガスを冷却する機構であって、溶媒の供給源２５Ａ、排気室２４内に配置した溶媒の流通部２５Ｂ、及び供給源と流通部２５Ｂとの間で溶媒を循環させる配管２５Ｃを備えている。溶媒としては、車載された既存の冷却液等を使用することができる。

また、内燃機関システムは、より好ましい実施形態として、ガス冷却機構２５による冷却前のスイープガスの温度が、吸気室２２における窒素富化空気の温度よりも高いものとすることができる。この実施形態の内燃機関システムは、スイープガスが、内燃機関１の排気ガスである。これにより、内燃機関システムは、スイープガスの温度が、吸気室２２における窒素富化空気の温度よりも高いものとなる。

すなわち、図示の内燃機関システムは、排気路１１が、触媒コンバータ１９の下流側に、分岐路１１Ａを有している。この分岐路１１Ａは、窒素富化装置１５の排気室２４に連通しており、その中間には、触媒コンバータ１９を通過した排気ガスを冷却するための水冷式又は空冷式のインタークーラ２６が設けてある。また、排気室２４には、ガス分離膜２３を透過した酸素、及びスイープガス（分岐路１１Ａから導入した排気ガス）を排出するための排出路１１Ｂが設けてある。なお、排出路１１Ｂは、そのまま外気に開放しても良いし、排気路１１の触媒コンバータ１９よりも下流側に合流させても良い。

さらに、内燃機関システムは、より好ましい実施形態として、ガス冷却機構２５が、排気室２４におけるスイープガス（排気ガス）の流れ方向に対して、溶媒の流れ方向が対向又は交差する方向になる構造を有する。この実施形態では、排気室２４において、スイープガス（左向き矢印Ｇ）の流れ方向に対して、溶媒の流れ方向（右向き矢印Ｃ）を対向する逆向きにしている。

ここで、窒素富化装置１５は、先述したように様々な形態のガス分離膜モジュールＭ１～Ｍ３を利用することが可能であるから、吸気室２２や排気室２４と同様に、スイープガスの流路や、ガス冷却機構２５の溶媒の流通部２５Ｂ等をモジュール内の隙間や流路等の空間として一体的に形成することが可能である。

この際、図２（Ａ）に示す中空糸型のガス分離膜モジュールＭ１では、矢印Ｇ示すスイープガスの流れ方向に対して、矢印Ｃで示す溶媒の流れ方向を逆向きにする。また、図２（Ｂ）に示すプリーツ型のガス分離膜モジュールＭ２では、矢印Ｇで示すスイープガスの流れ方向に対して、矢印Ｃで示す溶媒の流れ方向を逆向きにする。さらに、図２（Ｃ）に示すスパイラル型のガス分離膜モジュールＭ３では、矢印Ｇで示すスイープガスの流れ方向に対して、矢印Ｃで示す溶媒の流れ方向を交差する向きにする。

上記構成を備えた内燃機関システムでは、内燃機関１の運転中において、外部から導入した空気を窒素富化装置１５の吸気室２２に供給し、ガス分離膜２３により酸素を一部除去して窒素富化空気を生成し、この窒素富化空気を内燃機関１に供給して燃料とともの混合燃焼させる。

その一方で、内燃機関システムは、内燃機関１から排出した排気ガスを触媒コンバータ１９で浄化した後、その一部をスイープガスとして分岐路１１Ａから窒素富化装置１５の排気室２４に導入する。この際、内燃機関システムは、スイープガスが、酸素濃度の低い排気ガスであるから、これを排気室２４に導入することで、ガス分離膜２３による酸素の除去を助成することができる。これに加えて、内燃機関システムは、排気室２４に流通するスイープガスをガス冷却機構２５で冷却することで、冷却に伴う減圧作用によりガス分離膜２３を透過する酸素の引き込みをより一層促進させる。

このようにして、上記の内燃機関システムは、スイープガス及びこれを冷却するガス冷却機構２５により、窒素富化空気を生成する際の酸素分離効率を向上させることができ、これに伴って、窒素富化レベルを高めることができる。

また、上記の内燃機関システムは、溶媒によりスイープガスを冷却するガス冷却機構２５を採用したことから、車載された既存の冷却液等を使用することが可能であって、燃費を低下させることなくスイープガスを効率的に冷却することができえる。

さらに、上記の内燃機関システムにおいて、スイープガスは、冷却による温度差が大きいほど減圧作用が高くなる。そこで、上記の内燃機関システムでは、冷却前のスイープガスの温度を窒素富化空気の温度よりも高くし、このスイープガスをガス冷却機構２５で冷却することで冷却前後の温度差を大きくする。これにより、内燃機関システムは、スイープガスの冷却に伴う減圧作用を高めて、ガス分離膜２３による酸素分離効率のさらなる向上を実現することができる。

なお、上記の内燃機関システムにおいて、導入空気及び窒素富化空気の温度は２０℃～３０℃程度、触媒コンバータ１９から排出される排気ガスの温度は８００℃前後、分岐路１１Ａのインタークーラ２６を通過したスイープガス（排気ガス）の温度は３００℃前後、ガス冷却機構２５により冷却したスイープガスの温度は２０℃～３０℃程度である。これらの温度値は、当該システムに流通するガス温度を理解し易くするための一例である。

さらに、上記の内燃機関システムは、内燃機関１の排気ガスをスイープガスとして用いているので、冷却前のスイープガスの温度が窒素富化空気の温度よりも高くなり、スイープガスの冷却前後の温度差を最大限にして、減圧作用のさらなる向上を実現する。

また、上記の内燃機関システムは、スイープガスとして酸素濃度の低い排気ガスを利用しているので、ガス分離膜２３を介した酸素除去の効率が高くなると共に、スイープガスを生成するための付加的な装置が不要である。これに加えて、上記の内燃機関システムは、スイープガスの冷却による減圧作用も得られるので、比較的小型の窒素富化装置１５であっても高い酸素分離効率を実現し得る。なお、上記実施形態では、触媒コンバータ１９で浄化した排気ガスをスイープガスとして用いるので、スイープガスが酸素を殆ど含まないものとなり、酸素除去の効率がより高められる。

さらに、上記の内燃機関システムは、図１及び図２に示すように、ガス冷却機構２５が、排気室２４におけるスイープガス（Ｇ）の流れ方向に対して、溶媒の流れ方向（Ｃ）が対向又は交差する方向になる構造を有する。これにより、内燃機関システムは、スイープガスをより効果的に冷却することが可能になり、冷却に伴う減圧作用を高めて酸素分離効率のさらなる向上を実現することができる。

図３～図５は、本発明に係わる内燃機関システムの第２～第４の実施形態を説明する図である。第２～第４の実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実形態〉
図３に示す内燃機関システムは、第１実施形態と同様の基本構成のほかに、図中矢印Ｓで示すスイープガスとして、ラジエター３０を通過した空気を用いると共に、ガス冷却機構２５が、空気によりスイープガスＳを冷却する機構である。

スイープガスＳは、ラジエター３０の背面側に配置した導入管３１により、窒素富化装置１５の排気室２４に導入される。このスイープガスＳは、ラジエター３０を通過することで加熱され、冷却前の温度が吸気室２２における窒素富化空気の温度よりも高い。

ガス冷却機構２５は、車両の走行に伴って空気を取り込むと共に、その空気を図中矢印Ａで示す冷却用空気として排気室２４に導入してスイープガスＳを冷却する。このとき、当該システムでは、排気室２４において、スイープガスＳの流れ方向（図中で左方向）と、冷却用空気Ａの流れ方向（図中で右方向）とを互いに対向させており、スイープガスＳを効率的に冷却する。

上記の内燃機関システムは、先の実施形態と同様に、スイープガスＳ及びガス冷却機構２５により、窒素富化空気を生成する際の酸素分離効率を向上させることができ、これに伴って、窒素富化レベルを高めることができる。

また、上記の内燃機関システムは、スイープガスＳとして空気を利用しているので、スイープガスＳを生成するための付加的な装置が不要であり、これに加えて、スイープガスＳの冷却による減圧作用も得られるので、高い酸素分離効率を実現し得る。さらに、上記の内燃機関システムは、空気によりスイープガスＳを冷却するガス冷却機構２５を採用したことから、構造を簡略化して、燃費を低下させることなくスイープガスＳを効率的に冷却することができる。

なお、上記の実施形態のように、ガス冷却機構２５が、車両の走行時に受ける空気を利用する場合には、例えば、排気室２４内に配置するガス冷却部と、車両の走行時に空気を受けて放熱する熱交換部とを備え、ガス冷却部と熱交換部との間で冷却液を循環させる構造にしても良い。また、ガス冷却機構２５は、電気的にスイープガスを冷却する構造であっても良い。

〈第３実施形態〉
図４に示す内燃機関システムは、第１実施形態と同様の基本構成を備えると共に、分岐路１１Ａにおいて、窒素富化装置１５の排気室２４の近傍に、逆止弁３２を備えた構成になっている。

上記の内燃機関システムは、逆止弁３２によりスイープガス（排気ガスＧ）の逆流を阻止して、窒素富化装置１５の排気室２４における減圧状態を維持する。これにより、内燃機関システムは、スイープガスによる酸素除去の助成機能と、スイープガスの冷却に伴う減圧作用による酸素除去の促進機能とを良好に保つことができ、酸素分離効率のさらなる向上を実現する。

〈第４実施形態〉
図５に示す内燃機関システムは、第１実施形態と同様の基本構成を備えると共に、分岐路１１Ａにおいて、窒素富化装置１５の排気室２４の近傍に、吸着式脱水膜（脱水器）３３を備えた構成になっている。

上記の内燃機関システムは、吸着式脱水膜３３によりスイープガス（排気ガスＧ）に含まれる水を吸着して除去し、そのスイープガスを排気室２４に導入することで、窒素富化装置１５（図２に示すガス分離膜モジュールＭ１～Ｍ３）内での水の逆拡散を防止して、窒素富化装置１５の機能を良好に維持する。これにより、内燃機関システムは、スイープガスによる酸素除去の助成機能と、スイープガスの冷却に伴う減圧作用による酸素除去の促進機能とを良好に保つことができ、酸素分離効率のさらなる向上を実現する。

なお、本発明に係わる内燃機関システムは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができ、例えば、各実施形態で説明した構成を組み合わせることも可能である。

１内燃機関
１５窒素富化装置
２２吸気室
２３ガス分離膜
２４排気室
２５ガス冷却機構
Ａ空気及び窒素富化空気
Ｃ溶媒
Ｇ排気ガス（スイープガス）
Ｓスイープガス

Claims

外部の空気から酸素を一部除去して燃焼に供する窒素富化空気を得る窒素富化装置を備えた内燃機関システムであって、
前記窒素富化装置が、
外部の空気を導入して窒素富化空気を排出する吸気室と、
前記吸気室に導入した空気から酸素を一部除去するガス分離膜と、
前記ガス分離膜による酸素の除去を助成するスイープガスを導入する排気室と、
前記排気室に流通する前記スイープガスを冷却するガス冷却機構とを備え、
前記ガス冷却機構が、空気又は溶媒により前記スイープガスを冷却する機構であって、
前記排気室内に配置した前記空気又は前記溶媒の流通部を有していることを特徴とする内燃機関システム。
前記ガス冷却機構が、溶媒により前記スイープガスを冷却する機構であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。
前記スイープガスは、前記ガス冷却機構による冷却前の温度が、前記吸気室における窒素富化空気の温度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
前記スイープガスは、内燃機関の排気ガスであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
前記ガス冷却機構が、前記排気室における前記スイープガスの流れ方向に対して、前記流通部における前記空気及び溶媒の流れ方向が対向又は交差する方向になる構造を有することを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の内燃機関システム。