JPH073007Y2 - 内燃機関の吸排気処理装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は窒素富化空気を燃焼室に供給する内燃機関の吸
排気処理装置に関する。

（従来の技術） 空気中の酸素濃度を高めるものとして酸素富化膜が知ら
れている。これは有機高分子の素材からなる非多孔質膜
を用いて、膜内を通過する際の酸素と窒素の透過性の差
を利用し、透過空気中に含まれる酸素の濃度を高めるも
のである（例えば「工業加熱」61年９月号及び10月号
《酸素富化膜の開発とその燃焼システムへの応用》等参
照）。

そこで、本出願人により実開昭61−49063号公報にもあ
るように、エンジンに供給する空気の一部を、酸素富化
装置を通して酸素濃度を高めた状態でタンクに蓄えてお
き、特定の運転状態時にこの蓄えられた酸素富化空気を
供給することにより、エンジンの燃焼改善等を図るよう
にした装置が提案されている。

（考案が解決しようとする問題点） ところで燃焼時に発生するNOxを低減するために、排気
ガスの一部を吸気中に還流することにより燃焼温度を下
げるEGRが知られている。

しかしながらEGRを行うことにより不完全燃焼に基づく
排気中のパーティキュレイトが増加する傾向があり、こ
のようにパーティキュレイトの多く含まれる排気ガスを
吸気中に還流すると、還流通路を含めて吸気系がパーテ
ィキュレイトにより汚損され、還流量を制御するバルブ
の作動不良等を引き起こし、さらにはシリンダ内のオイ
ルを劣化させたりピストンシリンダの摩耗を早める等の
原因にもなった。

ところで前記酸素富化装置において、酸素富化膜を透過
した空気は酸素濃度が高くなるが、この反面酸素富化膜
を透過しなかった空気は酸素濃度が低く窒素濃度の高い
空気となる。

窒素濃度の高い窒素富化空気をエンジンに供給すると、
燃焼に寄与しない不活性な成分である窒素が多いことか
ら、燃焼抑制効果があり、NOxの低減効果が見られる。

そこで本考案は、窒素富化空気をエンジンに供給するこ
とによりNOx低減を図り、しかも高負荷域で排気中に酸
素富化空気を導入することによりスモークの低減を可能
とした装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本考案は、ターボチャージャからの加圧空気を導入する
酸素富化装置を設け、この酸素富化装置から窒素富化空
気を取り出す通路をエンジンの吸気通路に接続すると共
に、酸素富化空気を取り出す通路を排気通路に接続し、
前記酸素富化空気を取り出す通路の途中に酸素富化空気
を加圧するポンプと、加圧された酸素富化空気を貯溜す
るタンクと、タンクと排気通路との接続を切り換える切
換弁とを介装する一方、運転状態を検出する手段からの
信号に基づき所定の高負荷の運転域では前記タンクから
の酸素富化空気を排気通路に供給するように前記切換弁
を制御する制御回路を設けた。

（作用） ターボチャージャで加圧された空気が酸素富化装置を透
過することにより、酸素濃度の高い酸素富化空気とな
り、他方、透過しなかった空気は相対的に窒素濃度の高
い窒素富化空気となる。

エンジンに対して燃焼に寄与しない不活性成分の多い窒
素負荷空気を供給することにより、燃焼温度を下げてOx
の低減を図る。この場合、NOxを低減するのに排気還流
を必要としないので、吸気系がパーティキュレイトによ
り汚損されることもない。

高負荷域出は燃焼噴射量の増加によりスモークが増える
が、切換弁を開いてタンクからの酸素濃度の高い酸素富
化空気を排気中に導入することにより、パーティキュレ
イトの再燃焼を促進してスモークを低減する。このと
き、酸素富化空気は低負荷運転域のときにタンクに貯溜
しておいたものを放出するので小型のポンプで所要量の
酸素富化空気を確保できる。

（実施例） 本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、１はエンジン、２は吸気通路、３は排
気通路、４はターボチャージであり、ターボチャージャ
４は排気通路３を流れる排気ガスの圧力で回転するター
ビン4Aによりコンプレッサ4Bを駆動し、吸気通路２に圧
縮空気を送り込む。

ターボチャージャ４の下流にはインタークーラ５が設置
され、酸素富化装置６に導入される加圧空気を、酸素富
化装置６の適正作動範囲である、少なくとも60℃以下に
冷却する。

酸素富化装置６は内部に酸素富化膜6Aを備え、入口部6B
から導入されて酸素富化膜6Aを透過した酸素濃度の高い
酸素富化空気を出口部6Cから酸素富化通路７に導き、酸
素富化膜6Aを透過しない窒素濃度の高い窒素富化空気は
他の出口部6Dから窒素富化空気通路８へと導く。

酸素富化通路７はポンプ10を介してタンク９に接続し、
また窒素富化通路８は吸気通路２に接続する。そしてこ
の酸素富化装置６を上流から下流へと短絡してインター
クーラ５の出口を吸気通路２に接続するバイパス通路12
を設け、このバイパス通路12に開度を調整する絞弁13を
介装する。

前記タンク９には排気通路３と連通する二次空気導入通
路14が接続し、この二次空気導入通路14の途中には連通
を遮断する切換弁15と、排気の逆流を阻止する逆止弁16
が介装される。

二次空気導入通路14はターボチャージャ４の排気タービ
ン4Aの上流の高温排気中に酸素富化空気を導入すること
により、排気中のパーティキュレイトを再燃焼処理す
る。

前記絞弁13と切換弁15の作動を制御するためのコントロ
ーラ17が備えられ、このコントローラ17は絞弁13の開度
を第２図に示すように、また切換弁15を第３図に示すよ
うに切換作動する。即ち、コントローラ18にはエンジン
運転状態を検出する信号として、回転数信号や負荷信号
が入力し、これらに基づいて第２図のように、低中負荷
域では絞弁開度を小さくして窒素富化空気を多くエンジ
ンに供給し、これによりNOxの発生を減少させ、高負荷
域では絞弁開度を大きくすることにより自然空気を多く
供給して燃焼改善を図り、同時に第３図のように低中速
高負荷域で切換弁15を切換えることにより、排気中に酸
素富化空気を導入してパーティキュレイトの再燃焼を促
進する。

なお、図中18はエアクリーナ19は排気マフラである。

以上のように構成され、次ぎに作用について説明する。

ターボチャージャ４の作動により加圧された空気はイン
タークーラ５を通過することにより冷却作用を受け、酸
素富化装置６が適正に作動する60℃以下になる。

酸素富化装置６の入口部6Bから導入された高圧低温の空
気は、ポンプ10に吸引されて酸素富化膜6Aを透過するこ
とにより酸素濃度の高い酸素富化空気となり、出口部6C
から酸素富化通路７を経由してタンク９に送り込まれ、
また酸素富化膜6Aを透過しない相対的に窒素濃度の高い
窒素富化空気は、出口部6Dから窒素富化通路８、吸気通
路２を経てエンジン１に送り込まれる。

コントローラ17からの信号により低負荷域では絞弁13の
開度が小さいため、インタークーラ５からの空気は多く
が酸素富化装置６を通過し、したがって吸気通路２には
窒素濃度の高い窒素富化空気が多量に供給される。

エンジン１での燃焼に寄与しない不活性な成分である窒
素濃度が高いため、燃焼温度が下がり、窒素富化空気の
供給比率に応じてNOxの発生が減少する。

これに対してエンジンの高負荷域では絞弁13の開度が大
きくなり、酸素富化装置６をバイパスして吸気通路２へ
と直接的に流れる空気量が多くなるため、エンジン１に
は窒素富化されない自然な空気の供給割合が増大する。
高負荷域では燃料の噴射量が増加して酸素要求量が大き
くなるので、窒素富化空気に変えて自然の空気を供給す
るのであり、これにより燃焼の改善を図る。

一方、コントローラ17により切換弁15が切換動作し、タ
ンク９に蓄えられていた酸素濃度の高い酸素富化空気を
二次空気導入通路14から排気中に導入する。高負荷域で
排気中のスモークが急増するのであるが、高温の排気中
に酸素富化空気を導入すると、パーティキュレイトの再
燃焼が促進されて、スモークの低減が図れる。

低中負荷域ではスモークの発生は少なく、このため二次
空気として酸素富化空気を導入する必要性は低い。酸素
富化膜6Aを透過する酸素富化空気の濃度と透過量は、酸
素富化膜6Aの前後差圧に比例し、したがって大量の酸素
富化空気をつくり出すには、ポンプ10の容量を大きくす
る必要があり、その駆動エネルギも増加するが、酸素富
化空気を低中負荷域でタンク９に蓄えておくことができ
るので、小容量のポンプ10であっても効果的にパーティ
キュレイトの再燃焼を行えるのである。

（考案の効果） 以上のように本考案によれば、エンジンの低中負荷域党
では燃焼に寄与しない不活性成分の多い窒素富化空気を
エンジンに供給することにより、吸気系をパーティキュ
レイトにより汚損することなくNOxの低減を図ることが
でき、高負荷域では酸素濃度の高い酸素富化駆動を排気
中に導入することによりパーティキュレイトの再燃焼を
促進してスモークの発生量を減少させることができる。
特に、本考案では低中負荷域にて酸素富化駆動をあらか
じめタンクに貯溜しておき、これを高負荷時に排気系に
導入する構成としたので、酸素富化空気を必要量だけ確
実に供給できると共に、酸素富化空気を導入するための
ポンプの容量を小さくしてその小型化をはかれるという
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示す構成図、第２図は絞弁開
度の制御特性図、第３図は切換弁の制御特性図である。 １…エンジン、２…吸気通路、３…排気通路、４…ター
ボチャージャ、６…酸素富化装置、７…酸素富化通路、
８…窒素富化通路、９…タンク、12…バイパス通路、13
…絞弁、14…二次空気導入通路、15…切換弁、17…コン
トローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 北村 文章 埼玉県上尾市大字壱丁目１番地 日産ディ ーゼル工業株式会社内 (72)考案者 新村 恵一 埼玉県上尾市大字壱丁目１番地 日産ディ ーゼル工業株式会社内 (72)考案者 中村 秀一 埼玉県上尾市大字壱丁目１番地 日産ディ ーゼル工業株式会社内 (56)参考文献 実開 昭59−142461（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−139510（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ターボチャージャからの加圧空気を導入す
   る酸素富化装置を設け、この酸素富化装置から窒素富化
   空気を取り出す通路をエンジンの吸気通路に接続すると
   共に、酸素富化空気を取り出す通路を排気通路に接続
   し、前記酸素富化空気を取り出す通路の途中に酸素富化
   空気を加圧するポンプと、加圧された酸素富化空気を貯
   溜するタンクと、タンクと排気通路との接続を切り換え
   る切換弁とを介装する一方、運転状態を検出する手段か
   らの信号に基づき所定の高負荷の運転域では前記タンク
   からの酸素富化空気を排気通路に供給するように前記切
   換弁を制御する制御回路を設けたことを特徴とする内燃
   機関の吸気装置。