JP2011247174A - 内燃機関排ガス中の水分回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排ガス中に含まれる水分を、安価な手段で回収することができる内燃機関排ガス中の水分回収方法を提供する。
【解決手段】内燃機関２から排出された排ガスを排気管４の途中に設けられた浄化触媒５により浄化する。浄化後、浄化触媒５の下流側の排気管４から排ガスの一部を分岐させてＥＧＲクーラー９に導入して排ガスの温度を低下させる。温度が低下された排ガスを凝縮器１３に導入して冷却し、排ガスに含まれる水分を凝縮させて回収する。水分が回収された排ガスを排気管４に還流する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関から排出された排ガスから、該排ガスに含まれる水分を回収する方法に関する。

近年、自動車用燃料として、エタノール−ガソリン混合燃料を用いることが検討されている。前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たバイオエタノールを用いることができる。前記植物性物質は、土壌管理を厳密に行うことにより、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。前記カーボンニュートラル効果は、原料となる植物自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量が理論的にはゼロになるというものである。従って、自動車用燃料として、前記エタノール−ガソリン混合燃料を用いることにより、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。

また、前記エタノールは燃料として見た場合、オクタン価が高く、ガソリンに比較してアンチノッキング性に優れている。従って、前記エタノールを燃料とすることにより内燃機関の性能を律しているノッキングを抑制することが可能になる。

しかし、前記エタノールのみを燃料とするには高濃度のエタノールが必要である上、該エタノールは体積発熱量がガソリンに比較して小さいので、前記ノッキングを抑制することによる熱効率は向上しても、体積燃料消費率は悪化する虞がある。しかも、前記エタノールは植物由来であるため、生産量に限度がある。

一方、内燃機関のノッキングは、該内燃機関の高負荷時において生じるものであり、低負荷時には生じる虞が小さいことが知られている。そこで、高負荷時にのみ、高濃度のエタノールを燃料とすることにより、前記ノッキングを効率的に抑制できるものと考えられる。

このような考えに基づいて、内燃機関の要求負荷に応じて、該内燃機関に対するガソリンとエタノールとの供給割合を制御する技術が、本出願人により提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記技術は、前記エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合することにより、該エタノール−ガソリン混合燃料を車上でガソリンとエタノール−水混合液とに分離し、該エタノール−水混合液をエタノールとして用いるものである。

前記エタノール−ガソリン混合燃料をガソリンとエタノール−水混合液とに分離する場合、該エタノール−ガソリン混合燃料に混合する水をどこから調達するかが問題である。この点について、前記内燃機関から排出された排ガスは多量の水分を含んでいるので、該水分を凝縮させて回収することが合理的である。そこで、本出願人は、前記内燃機関の排気管から前記排ガスの一部を分岐させて熱交換器に導入し、該熱交換器で該排ガスを冷却して該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて回収することを提案している（特許文献２参照）。

特開２００７−１３８８８８号公報 特開２００９−２５７２４４号公報

しかしながら、前記内燃機関の排気管から分岐される前記排ガスは４００〜７００℃の高温であり、このような高温の排ガス中に含まれる水分を凝縮させるには専用の熱交換器を必要とし、コストの増大が避けられないので、さらに改良が望まれる。

本発明は、かかる事情に鑑み、前記内燃機関の排ガス中に含まれる水分を、安価な手段で回収することができる内燃機関排ガス中の水分回収方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の内燃機関排ガス中の水分回収方法は、内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化した後、該浄化触媒の下流側の該排気管から該排ガスの一部を分岐させてＥＧＲクーラーに導入して該排ガスの温度を低下させ、温度が低下された該排ガスを凝縮器に導入して冷却し、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて回収し、該水分が回収された排ガスを該排気管に還流することを特徴とする。

本発明の水分回収方法では、まず、内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化した後、該浄化触媒の下流側の該排気管から該排ガスの一部を分岐させてＥＧＲクーラーに導入する。前記ＥＧＲクーラーは、排ガスを内燃機関に再循環させる際に、該排ガスの温度を低下させる装置であり、例えば、特開２００３−６５１６２号公報に記載のものが知られている。前記ＥＧＲクーラーで前記排ガスの温度を低下させることにより、ガソリン機関においてはノッキングを防止することができ、ディーゼル機関においては窒素酸化物の排出量を低減することができるとされている。

本発明の水分回収方法では、前記排気管から分岐させた前記排ガスの一部を前記ＥＧＲクーラーに導入することにより、該ＥＧＲクーラーの機能を利用して該排ガスの温度を低下させる。そして、温度が低下された前記排ガスを凝縮器に導入して冷却し、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて回収する。水分が回収された排ガスは前記排気管に還流することにより大気中に放出する。

本発明の水分回収方法によれば、前記ＥＧＲクーラーという既存の装置を利用して前記排ガスの温度を低下させ、温度が低下された該排ガスを前記凝縮器に導入して冷却するので、該凝縮器は小型化が可能で、かつ高価な材料を用いる必要がない。従って、前記排ガス中に含まれる水分を安価な手段で回収することができる。

本発明の水分回収方法においては、前記ＥＧＲクーラーにより前記排ガスの温度を６０〜１５０℃の範囲の温度に低下させることが好ましい。前記排ガスの温度を前記範囲の温度とすることにより、前記凝縮器を熱伝導率の高いアルミニウム系合金等の安価な材料で構成することができ、また該凝縮器を小型化することができる。

前記排ガスの温度を６０℃未満まで低下させると、ＥＧＲクーラー内で水分の凝縮が始まってしまう。一方、前記排ガスの温度が１５０℃を超えるときには、前記凝縮器に耐熱性のシール材料を用いたり、該凝縮器を大型にする必要があり、コストが増大することがある。

また、本発明の水分回収方法においては、例えば、前記凝縮器で回収された水分をガソリン−エタノール混合燃料と混合し、ガソリンとエタノールとを分離させることができる。

本発明の水分回収方法を適用する内燃機関システムの構成を示すブロック図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の水分回収方法は、例えば、図１に示す内燃機関システム１に適用することができる。

内燃機関システム１は、例えば、ガソリン−エタノール混合燃料を用いるガソリン機関であり、内燃機関２と、内燃機関２に大気を供給する吸気管３と、内燃機関２から排ガスを排出する排気管４とを備えている。排気管４は、内燃機関２側から順に、浄化触媒５、流量制御弁６を備え、流量制御弁６の下流に設けられた消音器７を介して前記排ガスを大気中に放出する。前記浄化触媒５には、燃焼により生じたＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_ｘを浄化する３元触媒が充填されている。

排気管４の浄化触媒５と流量制御弁６との間からは、取出導管８が分岐しており、ＥＧＲクーラー９を介してＥＧＲ弁１０に接続されている。ＥＧＲ弁１０には、還流導管１１とＥＧＲ導管１２とが接続されている。還流導管１１は、排気管４と平行に配設され、凝縮器１３を介して消音器７に接続されている。また、還流導管１１は、排気管４と平行する部分に、排気管４の熱を還流導管１１に伝導する解凍ステー１４を備えている。一方、ＥＧＲ導管１２は、吸気管３に接続されている。

また、内燃機関２は、冷却水導管１５を備えており、冷却水導管１５はＥＧＲクーラー９を経由して内燃機関２に冷却水を循環させるようになっている。

次に、内燃機関システム１における本実施形態の水分回収方法について説明する。

内燃機関システム１では、図示しない燃料タンクから供給されるガソリン−エタノール混合燃料と、吸気管３から供給される大気とが、内燃機関２内で混合気を形成し、該混合気が燃焼することにより動力が得られる。前記混合気の燃焼により生じた排ガスは、排気管４から排出される。

このとき、前記排ガスは、前記３元触媒によりＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_ｘが浄化され、消音器７を介して大気中に放出される。

一方、前記浄化された排ガスは、前記混合気の燃焼により生じた水分を含んでいる。そこで、前記浄化された排ガスの一部を取出導管８により排気管４から分岐させて取り出し、前記水分を回収する。

取出導管８による前記排ガスの取り出しは、流量制御弁６により排気管４に流通する排ガスの流量を調整することにより行う。このとき、取出導管８により取り出された前記排ガスは、内燃機関２の運転状態によるが４００〜７００℃の高温となっている。そこで、次に、前記排ガスをＥＧＲクーラー９に導入し、該排ガスの温度を６０〜１５０℃の範囲に低下させる。

尚、始動時等の排ガスの温度が触媒の活性温度より低い場合には、回収される水分が酸性化するので、流量制御弁６により水分の回収を中止する。

ＥＧＲクーラー９により温度が低下された前記排ガスは、次に、ＥＧＲ弁１０により、還流導管１１とＥＧＲ導管１２とに分流される。還流導管１１に分流された前記排ガスは、凝縮器１３に送られてさらに冷却されることにより、該排ガスに含まれる水分が凝縮され、回収される。凝縮器１３は空冷により冷却するものを用いることができるが、その冷却手段は空冷に限定されない。

前記排ガスは、ＥＧＲクーラー９によりその温度が６０〜１５０℃の範囲に低下されており、還流導管１１に流通される間にさらに冷却されるので、凝縮器１３により容易に露点まで冷却され、該排ガスに含まれる水分が凝縮される。凝縮器１３により前記水分が回収された前記排ガスは、還流導管１１により消音器７に案内され、排気管４を流通する前記排ガスに合流して大気中に放出される。

また、凝縮器１３により回収された水分は、図示しない水タンクに供給され、前記ガソリン−エタノール混合燃料に添加されて、該ガソリン−エタノール混合燃料をガソリンとエタノールとに分離するために用いられる。

一方、ＥＧＲ導管１２に分流された前記排ガスは、吸気管３に導入され、通常のＥＧＲに用いられる。

本実施形態の水分回収方法では、内燃機関２の排気流量によっては、前記排ガスの殆どが排気管４に流通し、取出導管８に分岐させることができない場合がある。この場合には、流量制御弁６により、排気管４に流通する前記排ガスの流量を制限することにより、取出導管８に分岐される該排ガスの流量を増加させることができる。

一方、流量制御弁６によれば、圧力損失が発生するが、一方内燃機関２の排気背圧を増加させることができ、内燃機関２の既燃ガスの残量による内部ＥＧＲを制御することが可能になる。前記排ガス中の水分回収は、主に内燃機関２の運転状態が低負荷低回転領域で行われることになり、この領域ではＥＧＲにより吸気圧力損失を低減させる操作が頻繁に行われるが、一般的に内部ＥＧＲの方が大きな効果を得ることができる。この結果、排気背圧による圧力損失を、吸気圧力損失の低減により全体の損失を回復することができる。

また、流量制御弁６は、低温時の始動等にも有効に用いることができ、排気ブレーキに用いることもできる。さらに、ノッキング抑制のために内燃機関２の全負荷領域でＥＧＲを導入すると、排気圧力と吸気圧力との差が無くなり、ＥＧＲ流量を増加することが困難になるが、この場合にも流量制御弁６で排気背圧を増加することによりＥＧＲ流量を増加させることができる。

また、本実施形態の水分回収方法によれば、内燃機関システム１を図１に示す構成とすることにより、ＥＧＲクーラー９を冷却水ウォーマーとして利用することができる。通常のＥＧＲでは、内燃機関２の運転状態によりＥＧＲ流量が決定されるため、ＥＧＲクーラーを効果的に冷却水ウォーマーとして用いることが困難である。しかし、図１に示すように、取出導管８により排気管４から分岐された前記排ガスをＥＧＲ弁１０により還流導管１１とＥＧＲ導管１２とに分流する構成によれば、内燃機関２の運転状態に関わらず、ＥＧＲクーラー９に供給される前記排ガスを増加させることができる。

従って、ＥＧＲクーラー９を冷却水ウォーマーとして、冷却水導管１５に循環される冷却水を加熱することができる。

また、本実施形態の水分回収方法では、凍結により還流導管１１が閉塞することが懸念される。しかし、図１に示すように、還流導管１１が排気管４と平行する部分に解凍ステー１４を設けて還流導管１１と排気管４とを接続し、排気管４の熱を還流導管１１に伝導させることにより前記凍結を防止することができる。

回収された水分の凍結に対しても、同様の対策を取ることができる。また、回収された水分の凍結に対しては、該水分に分離したエタノールを還流させるようにしてもよい。

２…内燃機関、 ４…排気管、 ５…浄化触媒、 ９…ＥＧＲクーラー、 １３…凝縮器。

Claims (3)

1. 内燃機関から排出された排ガスを排気管の途中に設けられた浄化触媒により浄化した後、該浄化触媒の下流側の該排気管から該排ガスの一部を分岐させてＥＧＲクーラーに導入して該排ガスの温度を低下させ、温度が低下された該排ガスを凝縮器に導入して冷却し、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて回収し、該水分が回収された排ガスを該排気管に還流することを特徴とする内燃機関排ガス中の水分回収方法。
2. 請求項１記載の内燃機関排ガス中の水分回収方法において、前記ＥＧＲクーラーにより前記排ガスの温度を６０〜１５０℃の範囲の温度に低下させることを特徴とする内燃機関排ガス中の水分回収方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の内燃機関排ガス中の水分回収方法において、前記凝縮器で回収された水分をガソリン−エタノール混合燃料と混合し、ガソリンとエタノールとを分離させることを特徴とする内燃機関排ガス中の水分回収方法。

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