JP2011001944A - Exhaust gas circulation apparatus of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an exhaust gas recirculation device that recirculates a part of engine exhaust gas from an exhaust system to an intake system.
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。)。 Conventionally, a part of the exhaust gas of the engine is taken out from the exhaust passage and recirculated to the intake passage again. By increasing the concentration of inert components in the air-fuel mixture and decreasing the oxygen concentration, the nitrogen oxide is reduced. There is known an exhaust gas recirculation device that suppresses the generation of (see, for example, Patent Document 1).
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。 However, in the exhaust gas recirculation device of the above prior art, if the exhaust gas recirculation amount is increased in order to obtain a sufficient suppression effect of nitrogen oxide generation, soot and unburned components contained in the exhaust gas However, since a large amount is returned to the intake side, there is a problem that a large amount of deposit is generated in the intake passage. If the deposit amount increases in the intake passage, it becomes difficult to obtain a desired intake amount, and problems such as an increase in harmful substances in the exhaust gas occur.
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。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas recirculation device capable of suppressing the generation of deposits even when the exhaust gas recirculation amount is increased.
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。
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1,
It is characterized by comprising separation and recirculation means for selectively separating carbon dioxide from the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine and returning the separated carbon dioxide to the intake passage of the internal combustion engine.
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。 According to this, the carbon dioxide in the exhaust gas can be selectively refluxed to the intake passage by the separation reflux means. Therefore, even if the exhaust gas recirculation amount is increased, the generation of deposits can be suppressed.
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。
In the invention according to
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。 According to this, carbon dioxide in the exhaust gas can be easily separated by the carbon dioxide separation membrane in the carbon dioxide separator provided in the exhaust passage and can be returned to the intake passage. Therefore, even if the exhaust gas recirculation amount is increased, the generation of deposits can be easily suppressed.
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。
The invention according to
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。
The invention according to
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。
In the invention according to
The separation reflux means is
A first adsorber that is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and includes a first adsorbent that adsorbs carbon dioxide when the atmosphere is equal to or higher than a predetermined pressure and desorbs carbon dioxide when the atmosphere is lower than the predetermined pressure;
A second adsorber that is provided in the exhaust passage and contains a second adsorbent that adsorbs carbon dioxide when the atmosphere is equal to or higher than a predetermined pressure and desorbs carbon dioxide when the atmosphere is lower than the predetermined pressure;
A first mode that permits the flow of exhaust gas to the first adsorber and prohibits the flow of exhaust gas to the second adsorber, and prohibits the flow of exhaust gas to the first adsorber and the second adsorber Mode switching means for switching to a second mode that permits the flow of exhaust gas to
The mode switching means is
In the case of the first mode, the inside of the first adsorber is set to a predetermined pressure or higher, exhaust gas that has passed through the first adsorber is discharged to the outside through the exhaust passage, and the inside of the second adsorber is set to a predetermined pressure. Less than that, the carbon dioxide desorbed from the second adsorbent is recirculated to the intake passage of the internal combustion engine,
In the case of the second mode, the inside of the first adsorber is made less than a predetermined pressure, the carbon dioxide desorbed from the first adsorbent is recirculated to the intake passage, and the inside of the second adsorber is made a predetermined pressure or more, The exhaust gas that has passed through the second adsorber is discharged to the outside through the exhaust passage.
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。 According to this, when the mode switching means switches between the first mode and the second mode, the exhaust gas is exhausted by the adsorbent of one of the first adsorber and the second adsorber whose internal pressure is equal to or higher than a predetermined pressure. Carbon dioxide can be adsorbed from the gas, and the carbon dioxide can be desorbed from the adsorbent of the other adsorber whose internal pressure is less than a predetermined pressure and can be returned to the intake passage. Therefore, carbon dioxide in the exhaust gas can be selectively recirculated to the intake passage. In this way, even if the exhaust gas recirculation amount is increased, the generation of deposits can be suppressed.
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。
In the invention described in
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。
Further, in the invention according to
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。
In the invention according to
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。
In the invention according to
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。
Further, the invention described in
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。
Further, as in the invention described in
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。 A plurality of modes for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. In the case where only a part of the configuration is described in each embodiment, the other parts of the configuration are the same as those described previously. In addition to the combination of parts specifically described in each embodiment, the embodiments may be partially combined as long as the combination is not particularly troublesome.
(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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an
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。
As shown in FIG. 1, the exhaust gas recirculation device 1 of the present embodiment is mounted on, for example, a
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。
The adsorption /
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。
As shown in FIG. 2, the adsorption /
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。
The
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。
At the branch point from the
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。
Further, at the junction point from the
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。
A
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。
The
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。 This adsorbent is a partially tubular aluminum silicate having an outer diameter of about 2.5 nm, an inner diameter of about 1 nm, and a length of several nanometers to several tens of nanometers in a so-called nanotube form. Carbon dioxide can be adsorbed by raising the pressure to a pressure slightly higher than atmospheric pressure, and carbon dioxide can be desorbed by returning the atmospheric pressure to atmospheric pressure. That is, the adsorption and desorption of carbon dioxide can be repeated by a so-called pressure swing adsorption method that swings both high and low pressures at a predetermined pressure near atmospheric pressure.
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。
The exhaust gas recirculation device 1 includes a
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。
Here, the adsorption /
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。 Next, the operation of the exhaust gas recirculation device 1 will be described based on the above configuration.
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。
The
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。
As shown in FIG. 3, in the first mode, the
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。
As a result, the exhaust gas of the
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。
On the other hand, the upstream end of the
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。
When it is estimated that the
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。
That is, when the accumulated value of the physical quantity related to the operating state of the
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。
As shown in FIG. 4, in the second mode, the
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。
As a result, the exhaust gas of the
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。
On the other hand, while the upstream end of the
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。
When it is estimated that the
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。
Note that the mode switching timing between the first mode and the second mode is determined by the adsorbent regardless of indirect estimation that the accumulated value of the physical quantity related to the operating state of the
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。
According to the configuration and operation described above, the
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。
In the case of the first mode, the inside of the
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。
In the second mode, the inside of the
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。
As described above, by repeatedly switching between the first mode and the second mode, of the
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。
In addition, as the first adsorbent incorporated in the
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。
Further, a
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。
If the influence on the performance of the
(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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described based on FIG.
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。 The second embodiment is an example in which the exhaust gas recirculation device 1 to which the present invention is applied is mounted on an engine including a supercharger and an intercooler. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
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。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, a
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。
An exhaust gas recirculation device 1 similar to that of the first embodiment is mounted on such an
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。
Even in such a configuration, carbon dioxide, which is an inert component in the exhaust gas, is selectively returned to the intake passage in the
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。 When the exhaust gas recirculation device is mounted on a conventional engine with a supercharger, it is difficult to recirculate the exhaust gas unless it is an intake passage downstream of the compressor of the supercharger. In such a configuration, although when the boost pressure is low engine low load than the exhaust pressure can be refluxed exhaust gas easily boost pressure combustion temperature and NO X are heavily infested with increased discharge There was a problem that the exhaust gas could not be recirculated at the time of high engine load higher than the atmospheric pressure.
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。
However, according to the present embodiment, carbon dioxide in the exhaust gas can be recirculated to the intake passage in the
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。
Conventionally, when the
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。
The arrangement position of the adsorption /
(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。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described based on FIG. 6 and FIG.
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。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an
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。
As shown in FIG. 6, the exhaust
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。
The
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。
As shown in FIG. 7, the
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。
A large number (for example, several tens of thousands) of
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。
Here, the
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。
Next, the operation of the exhaust
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。
When the
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。
At this time, the pressure in the outer space of the
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。
Exhaust gas other than the inert component from which carbon dioxide has been separated flows out from the
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。
According to the above-described configuration and operation, carbon dioxide in the exhaust gas can be selectively recovered by the
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。
Further, since a carbon dioxide separation membrane made of a cardo type polyimide polymer membrane is used for the
(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。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
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。
The fourth embodiment is an example in which an exhaust
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。
As shown in FIG. 8, in this embodiment, a
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。
An exhaust
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。
Even in such a configuration, carbon dioxide, which is an inert component in the exhaust gas, is selectively returned to the intake passage in the
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。
Further, according to the present embodiment, as in the second embodiment, carbon dioxide in the exhaust gas can be recirculated to the intake passage in the
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。
Further, according to the present embodiment, as in the second embodiment, since only carbon dioxide, which is an inert component in the exhaust gas, is recirculated, the occurrence of corrosion can be suppressed even if the
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。
The disposing position of the
(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。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
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。
In the first and second embodiments, amorphous aluminum silicate having an imogolite structure is used as the first adsorbent in the
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。
In the first and second embodiments, the adsorption /
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。
Moreover, in the said 3rd and 4th embodiment, although the cardo type polyimide polymer membrane was used as a carbon dioxide separation membrane of the
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。 The means for separating carbon dioxide from the exhaust gas is not limited to means using an adsorption / desorption method using an adsorbent and means using a membrane separation method, and may be a means using another separation method. It doesn't matter.
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。
Moreover, although each said embodiment demonstrated the case where the exhaust-gas recirculation apparatus 1,201 was mounted | worn with the
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。
In addition, although the description has been omitted in each of the above embodiments, if the exhaust
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。
Conventionally, diesel engines and gasoline direct-injection engines have lean combustion with an air-fuel ratio of about 20 to 60, and the oxidation reaction of carbon monoxide and hydrocarbons and the reduction reaction of nitrogen oxides cannot be balanced and a three-way catalyst is used. It was difficult to use. Therefore, for example, as shown in FIG. 10, while a part of the exhaust gas is recirculated through the
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。
On the other hand, if the exhaust gas recirculation device 1 to which the present invention is applied is used, air in which the air-fuel ratio of the
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。
In each of the above embodiments, the adsorption /
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)
1,201 Exhaust gas recirculation device (separation refluxing means)
2 Engine (Internal combustion engine)
DESCRIPTION OF
42 switching valve (part of mode switching means)
43 Switching valve (part of mode switching means)
44 Variable throttle valve (variable throttle means, part of mode switching means)
100 Control device (part of mode switching means)
210 Separator (carbon dioxide separator)
212 Hollow fiber membrane (carbon dioxide separation membrane)
Claims (11)
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。 The separation reflux means includes
The exhaust of the internal combustion engine according to claim 1, further comprising a carbon dioxide separator provided in the exhaust passage and incorporating a carbon dioxide separation membrane that selectively permeates and separates carbon dioxide in the exhaust gas. Gas recirculation device.
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。 The separation reflux means includes
A first adsorber that is provided in the exhaust passage and contains a first adsorbent that adsorbs carbon dioxide when the atmosphere is equal to or higher than a predetermined pressure and desorbs carbon dioxide when the atmosphere is lower than the predetermined pressure;
A second adsorber that is provided in the exhaust passage and contains a second adsorbent that adsorbs carbon dioxide when the atmosphere is equal to or higher than the predetermined pressure and desorbs carbon dioxide when the atmosphere is lower than the predetermined pressure;
A first mode that permits the flow of exhaust gas to the first adsorber and prohibits the flow of exhaust gas to the second adsorber; and prohibits the flow of exhaust gas to the first adsorber and Mode switching means for switching between a second mode for allowing the exhaust gas to flow to the second adsorber,
The mode switching means is
In the case of the first mode, the inside of the first adsorber is set to the predetermined pressure or more, and exhaust gas that has passed through the first adsorber is discharged to the outside through the exhaust passage, and the second adsorption is performed. The inside of the vessel is less than the predetermined pressure, the carbon dioxide desorbed from the second adsorbent is recirculated to the intake passage,
In the case of the second mode, the inside of the first adsorber is made less than the predetermined pressure, the carbon dioxide desorbed from the first adsorbent is returned to the intake passage, and the inside of the second adsorber 2. The exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust gas passing through the second adsorber is discharged to the outside through the exhaust passage when the pressure is equal to or higher than the predetermined pressure.
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。 The intake passage is provided with a supercharger for increasing the intake pressure,
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the separation and recirculation means recirculates carbon dioxide separated from the exhaust gas to the upstream side of the supercharger in the intake passage. Exhaust gas recirculation device.
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。 The separation and recirculation means recirculates carbon dioxide separated from the exhaust gas into the intake passage through which air in which the air-fuel ratio of the internal combustion engine is substantially the stoichiometric air-fuel ratio flows.
The exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 10, wherein a three-way catalyst is disposed in the exhaust passage.
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