特開 2024-134565 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024134565

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02M 33/00 20060101AFI20240927BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20240927BHJP

   F02B 37/00 20060101ALI20240927BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20240927BHJP

   B01D 63/16 20060101ALI20240927BHJP

   B01D 65/02 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

F02M33/00 C

F02M21/02 G

F02B37/00 302E

B01D53/22

B01D63/16

B01D65/02 520

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023044816

(22)【出願日】2023-03-21

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田代 雅彦

【テーマコード（参考）】

3G005

4D006

【Ｆターム（参考）】

3G005DA06

3G005EA16

4D006GA41

4D006HA81

4D006JA70A

4D006KC14

4D006KC20

4D006KE08P

4D006MA01

4D006MA04

4D006MA06

4D006MC05

4D006PA01

4D006PB17

4D006PB62

4D006PB63

4D006PC71

4D006PC80

(57)【要約】

【課題】 内燃機関において、吸気中の窒素の除去と排気再循環とを効率良く行う。
【解決手段】 内燃機関１は、燃焼室２を有する機関本体３と、燃焼室に接続した吸気通路４と、燃焼室に接続した排気通路５と、吸気通路に設けられた分離装置１５とを有する。吸気通路は、空気吸込口１６と分離装置とを接続する吸気上流部１８と、分離装置と燃焼室とを接続する吸気下流部１９とを有する。分離装置は、酸素を透過させる一方、窒素の透過を阻害する分離膜３２と、分離膜によって区画された第１室３３及び第２室３４とを有する。第１室は、吸気上流部に接続されている。第２室は、吸気下流部に接続されている。排気通路と、吸気下流部とが、排気通路を流れる排気の一部を吸気下流部に戻すＥＧＲ通路７６によって接続されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関であって、
燃焼室を有する機関本体と、
前記燃焼室に接続した吸気通路と、
前記燃焼室に接続した排気通路と、
前記吸気通路に設けられた分離装置とを有し、
前記吸気通路は、空気吸込口と前記分離装置とを接続する吸気上流部と、前記分離装置と前記燃焼室とを接続する吸気下流部とを有し、
前記分離装置は、酸素を透過させる一方、窒素の透過を阻害する分離膜と、前記分離膜によって区画された第１室及び第２室とを有し、
前記第１室は、前記吸気上流部に接続され、
前記第２室は、前記吸気下流部に接続され、
前記排気通路と、前記吸気下流部とが、前記排気通路を流れる排気の一部を前記吸気下流部に戻すＥＧＲ通路によって接続されている内燃機関。

【請求項2】

前記吸気上流部に過給機が設けられている請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記過給機は、前記排気通路に設けられたタービンと、前記タービンを迂回するウェイストゲートと、前記ウェイストゲートを開閉するウェイストゲートバルブと、前記吸気上流部に設けられたコンプレッサとを有するターボチャージャである請求項２に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記吸気上流部の前記過給機より下流側の部分に第１冷却装置が設けられている請求項２に記載の内燃機関。

【請求項5】

前記ＥＧＲ通路に第２冷却装置が設けられている請求項１に記載の内燃機関。

【請求項6】

前記分離装置は、筒形の側壁部と、前記側壁部の両端を閉じる一対の端壁部とを有するケースを有し、
前記分離膜は、筒形に形成され、前記ケースの内部に配置され、
前記第１室は、前記側壁部と前記分離膜との間に画定され、
前記第２室は、前記分離膜の内側に画定され、
前記側壁部には、前記吸気上流部が接続する分離装置入口が設けられ、
前記端壁部の一方には、前記吸気下流部が接続する分離装置出口が設けられている請求項１に記載の内燃機関。

【請求項7】

前記吸気下流部の圧力を測定する圧力センサと、
前記ケースに設けられ、前記分離膜の外面に向けて空気を噴射する空気噴射装置とを有し、
前記空気噴射装置は、前記吸気下流部の圧力に基づいて空気を噴射する請求項６に記載の内燃機関。

【請求項8】

前記分離装置を振動させる振動装置を有する請求項１～７のいずれか１つの項に記載の内燃機関。

【請求項9】

前記分離装置は、前記第１室に接続された一端を有する排出管を有し、
前記排出管の他端は、前記機関本体の高温部に向けて開口している請求項１～７のいずれか１つの項に記載の内燃機関。

【請求項10】

前記燃焼室又は前記吸気下流部に、燃料としての水素を供給する燃料供給装置が設けられている請求項１～７のいずれか１つの項に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、気候変動の緩和又は影響軽減を目的とした取り組みが継続され、この実現に向けて内燃機関に関する研究開発が行われている。特許文献１は、空気から窒素を除去して酸素を燃焼室に供給する分離装置を有する内燃機関を開示している。吸気中の窒素濃度が低下することによって、燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の発生量が抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６３２５５１６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、空気にＥＧＲガスを加えた後に、分離装置において窒素と酸素とを分離している。しかし、ＥＧＲガスは水を含むため、分離装置が分離膜を使用している場合には、水によって分離膜の機能が低下する虞がある。

【0005】

本発明は、以上の背景を鑑み、内燃機関において、吸気中の窒素の除去と排気再循環とを効率良く行うことを課題とする。そして、本発明は、気候変動の緩和又は影響軽減に寄与することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、内燃機関（１）であって、燃焼室（２）を有する機関本体（３）と、前記燃焼室に接続した吸気通路（４）と、前記燃焼室に接続した排気通路（５）と、前記吸気通路に設けられた分離装置（１５）とを有し、前記吸気通路は、空気吸込口（１６）と前記分離装置とを接続する吸気上流部（１８）と、前記分離装置と前記燃焼室とを接続する吸気下流部（１９）とを有し、前記分離装置は、酸素を透過させる一方、窒素の透過を阻害する分離膜（３２）と、前記分離膜によって区画された第１室（３３）及び第２室（３４）とを有し、前記第１室は、前記吸気上流部に接続され、前記第２室は、前記吸気下流部に接続され、前記排気通路と、前記吸気下流部とが、前記排気通路を流れる排気の一部を前記吸気下流部に戻すＥＧＲ通路（７６）によって接続されている。

【0007】

この態様によれば、ＥＧＲ通路が吸気下流部に接続されているため、ＥＧＲガスは分離装置を通過しない。そのため、ＥＧＲガス中の水分が分離膜に付着することがなく、分離膜の機能が低下することが抑制される。これにより、内燃機関において、吸気中の窒素の除去と排気再循環とを効率良く行うことができる。

【0008】

上記の態様において、前記吸気上流部に過給機（２２）が設けられてもよい。

【0009】

この態様によれば、分離装置に供給される空気が加圧されることによって、分離膜を透過する酸素量を増加させることができる。また、空気が第１室に滞留することなく、効率良く外部に排出される。

【0010】

上記の態様において、前記過給機は、前記排気通路に設けられたタービン（７１）と、前記タービンを迂回するウェイストゲート（７２）と、前記ウェイストゲートを開閉するウェイストゲートバルブ（７３）と、前記吸気上流部に設けられたコンプレッサ（７４）とを有するターボチャージャであってもよい。

【0011】

この態様によれば、分離装置に供給される空気の圧力を調節することができる。

【0012】

上記の態様において、前記吸気上流部の前記過給機より下流側の部分に第１冷却装置（２３）が設けられてもよい。

【0013】

この態様によれば、過給機で圧縮され、かつ温度が上昇した空気が、第１冷却装置で冷却されることによって収縮するため、より多くの空気を分離装置に供給することができる。

【0014】

上記の態様において、前記ＥＧＲ通路に第２冷却装置（７８）が設けられてもよい。

【0015】

この態様によれば、ＥＧＲガスが第２冷却装置で冷却されることによって、燃焼室に供給される吸気の温度が低下するため、燃焼室の温度上昇が抑制される。

【0016】

上記の態様において、前記分離装置は、筒形の側壁部（３５）と、前記側壁部の両端を閉じる一対の端壁部（３６）とを有するケース（３１）を有し、前記分離膜は、筒形に形成され、前記ケースの内部に配置され、前記第１室は、前記側壁部と前記分離膜との間に画定され、前記第２室は、前記分離膜の内側に画定され、前記側壁部には、前記吸気上流部が接続する分離装置入口（４３）が設けられ、前記端壁部の一方には、前記吸気下流部が接続する分離装置出口（４４）が設けられてもよい。

【0017】

この態様によれば、第２室に対して第１室を大きくすることができると共に、第１室の空気と分離膜との接触面積を大きくすることができる。

【0018】

上記の態様において、前記吸気下流部の圧力を測定する圧力センサ（Ｐ２）と、前記ケースに設けられ、前記分離膜の外面に向けて空気を噴射する空気噴射装置（５１）とを有し、前記空気噴射装置は、前記吸気下流部の圧力に基づいて空気を噴射してもよい。

【0019】

この態様によれば、分離膜の外面に異物が付着していると推定されるときに、空気噴射装置から噴射される空気によって異物を分離膜の外面から吹き払うことができる。

【0020】

上記の態様において、前記分離装置を振動させる振動装置（５６）を有してもよい。

【0021】

この態様によれば、分離膜が振動するため、分離膜の外面に異物が付着し難くなると共に、分離膜の外面に付着した異物が脱落し易くなる。

【0022】

上記の態様において、前記分離装置は、前記第１室に接続された一端を有する排出管（４６）を有し、前記排出管の他端は、前記機関本体の高温部に向けて開口してもよい。

【0023】

この態様によれば、分離装置から排出される、酸素が分離されたガスを利用して機関本体を冷却することができる。

【0024】

上記の態様において、前記燃焼室又は前記吸気下流部に、燃料としての水素を供給する燃料供給装置（８１）が設けられてもよい。

【0025】

この態様によれば、燃料が硫黄を含まず、支燃ガスに含まれる窒素が少ないため、排気浄化触媒の小型化又は省略が可能になる。

【発明の効果】

【0026】

以上の構成によれば、内燃機関において、吸気中の窒素の除去と排気再循環とを効率良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】実施形態に係る内燃機関の説明図

【図2】分離装置の水平断面図

【図3】分離装置の垂直断面図

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の実施形態について説明する。内燃機関は、車両や船舶等の移動体に設けられてよく、地面や建造物に設けられてもよい。以下の実施形態では、内燃機関が、駆動源として車両に搭載された例について説明する。

【0029】

図１に示すように、内燃機関１は、燃焼室２を有する機関本体３と、燃焼室２に接続した吸気通路４と、燃焼室２に接続した排気通路５とを有する。機関本体３は、シリンダ７が形成されている。機関本体３は、シリンダブロック３Ａ及びシリンダヘッド３Ｂを含む。シリンダ７には、ピストン８が摺動可能に設けられている。機関本体３には、クランクシャフト９が回転可能に支持されている。ピストン８は、コンロッド１０を介してクランクシャフト９に接続されている。燃焼室２は、シリンダ７と、ピストン８によって画定されている。

【0030】

機関本体３には、燃焼室２に接続する吸気ポート１１及び排気ポート１２が形成されている。吸気ポート１１には吸気管１４が接続されている。吸気通路４は、吸気管１４及び吸気ポート１１によって形成されている。吸気管１４は、下流端において吸気ポート１１に接続している。吸気通路４には分離装置１５が設けられている。吸気通路４は、空気吸込口１６と分離装置１５とを接続する吸気上流部１８と、分離装置１５と燃焼室２とを接続する吸気下流部１９とを有する。吸気管１４には、上流側から順に、空気吸込口１６、エアクリーナ２１、過給機２２、第１冷却装置２３、分離装置１５、スロットルバルブ２４が設けられている。

【0031】

図１～図３に示すように、分離装置１５は、ケース３１と、分離膜３２と、分離膜３２によって区画された第１室３３及び第２室３４とを有する。ケース３１は、筒形の側壁部３５と、側壁部３５の両端を閉じる一対の端壁部３６とを有する。本実施形態では、側壁部３５は円筒形に形成され、各端壁部３６は円形に形成されている。すなわち、ケース３１は、円筒形に形成されている。

【0032】

分離膜３２は、酸素を透過させる一方、窒素の透過を阻害する材料によって形成されている。分離膜３２は、例えば、分離膜３２は、ナノウインドウを有するグラフェンであるとよい。ナノウインドウは、グラフェンの一部の炭素原子を欠いて形成されている。ナノウインドウは、窒素よりも酸素が透過し易いように設計されているとよい。ナノウインドウのリムを構成する１つ以上の原子はヘテロ原子と置換されているとよい。ヘテロ原子は、例えば、酸素、窒素、硫黄、リン、塩素、ヨウ素、臭素、ホウ素原子であってよい。ナノウインドウのファンデルワールス直径は、２．９７Åであるとよい。分離膜３２は、酸素の透過速度定数が４７μｓ^－１、窒素の透過に対して酸素の透過が５０倍よりも大きい選択性を有するとよい。分離膜３２の詳細は、例えば、ＷＯ２０１９／０１３０５９Ａ１を参照されたい。

【0033】

分離膜３２は、筒形に形成され、ケース３１の内部に配置されている。分離膜３２は、ケース３１と同心状に配置される。分離膜３２は、通気性を有するシート状の支持部材３７の表面に支持されているとよい。分離膜３２は、一対の支持部材３７の間に挟持されているとよい。分離膜３２と支持部材３７とは、縁部において互いに結合されているとよい。分離膜３２及び支持部材３７は、表面積を増加させるためにプリーツ構造を有するとよい。分離膜３２及び支持部材３７の軸方向における両端部は、プレート３８によって閉塞されている。分離膜３２及び一対のプレート３８は、分離膜組立体３９としてユニット化されているとよい。一方のプレート３８の中央部には、厚み方向に貫通する接続孔４１が形成されているとよい。

【0034】

各プレート３８は、ケース３１の端壁部３６の内面に当接する。分離膜３２は、ケース３１の側壁部３５の内側に同心状に配置される。第１室３３は、側壁部３５と分離膜３２との間に画定される。詳細には、第１室３３は、側壁部３５の内面と、分離膜３２の外面と、一対の端壁部３６の内面とによって画定される。第２室３４は、分離膜３２の内側に画定される。詳細には、第２室３４は、分離膜３２の内面と、一対のプレート３８の内面とによって画定される。

【0035】

側壁部３５には、吸気上流部１８が接続する分離装置入口４３が設けられている。第１室３３は、分離装置入口４３を介して、吸気上流部１８に接続している。端壁部３６の一方には、吸気下流部１９が接続する分離装置出口４４が設けられている。分離装置出口４４は、一方のプレート３８に形成された接続孔４１に接続している。第２室３４は、分離装置出口４４を介して吸気下流部１９に接続されている。

【0036】

また、分離装置１５は、第１室３３に接続された一端を有する排出管４６を有する。排出管４６の一端は、側壁部３５に結合されているとよい。排出管４６の一端は、側壁部３５において分離装置入口４３と相反する側に接続しているとよい。排出管４６の他端は、機関本体３の高温部に向けて開口しているとよい。例えば、排出管４６の他端は、機関本体３のシリンダヘッドやシリンダブロックに向けて開口しているとよい。また、排出管４６の他端には、排出する流体の流速を増加させるためのノズル４７が設けられてもよい。排出管４６には、内部を流れるガスの流量及び圧力を調節するための排出管流量制御弁４８が設けられている。排出管４６には、マフラーが設けられてもよい。

【0037】

ケース３１は、互いに着脱可能な複数のピースによって形成されているとよい。分離膜組立体３９は、ケース３１に着脱可能に取り付けられるとよい。

【0038】

ケース３１には、分離膜３２の外面に向けて空気を噴射する空気噴射装置５１が設けられてもよい。空気噴射装置５１は、ケース３１の側壁部３５に支持されたノズル５２と、ノズル５２に圧縮空気を供給するブロア５３とを有するとよい。空気噴射装置５１は、圧縮空気を分離膜３２の外面に吹き付けることによって、分離膜３２の外面に付着した異物を吹き払う。ノズル５２は、側壁部３５に複数設けられてもよい。複数のノズル５２は、側壁部３５の周方向に間隔をおいて配置されているとよい。

【0039】

ケース３１は、ブラケット５５を介して機関本体３に支持されているとよい。分離装置１５が機関本体３に支持された状態において、軸線は上下方向に延び、かつ分離装置出口４４はケース３１の下端に配置される。他の実施形態では、ケース３１は、ブラケット５５を介して車体フレームに支持されてもよい。

【0040】

分離装置１５には、分離装置１５を振動させる振動装置５６が設けられているとよい。振動装置５６は、偏心錘が回転軸に結合された電動モータであるとよい。本実施形態では、機関本体３は振動装置を兼ねる。振動装置５６によって分離膜３２が振動するため、分離膜３２の外面に異物が付着し難くなると共に、分離膜３２の外面に付着した異物が脱落し易くなる。振動装置５６は、振動数を変更可能に形成されているとよい。機関本体３が振動装置５６である場合、機関本体３の回転数に応じて振動数が変化する。

【0041】

図１に示すように、排気ポート１２には、排気管６１が接続されている。排気ポート１２及び排気管６１によって排気通路５が形成されている。排気管６１は、上流端において排気ポート１２に接続している。排気管６１には、上流側から順に、過給機２２、マフラー６２、及び排気出口６３が設けられている。

【0042】

本実施形態の内燃機関１は、排気管６１に触媒コンバータを有しない。他の実施形態では、排気管６１に小型の触媒コンバータが設けられてもよい。触媒コンバータの内部には、少なくとも窒素酸化物を窒素に還元するための触媒が設けられているとよい。触媒は、例えば公知の三元触媒であってよい。

【0043】

過給機２２は、排気通路５に設けられたタービン７１と、タービン７１を迂回するウェイストゲート７２と、ウェイストゲート７２を開閉するウェイストゲートバルブ７３と、吸気上流部１８に設けられたコンプレッサ７４とを有するターボチャージャである。

【0044】

過給機２２のコンプレッサ７４は、吸気上流部１８に設けられている。吸気上流部１８の過給機２２より下流側の部分には、第１冷却装置２３が設けられている。第１冷却装置２３は、いわゆるインタークーラである。第１冷却装置２３は、冷却媒体と吸気とを熱交換させる熱交換器である。第１冷却装置２３は、冷却媒体の流量を制御する流量制御弁を有し、流量制御弁を制御することによって第１冷却器を流れる空気の温度を調節する。冷却媒体は、液体又は気体であるとよい。

【0045】

排気通路５と、吸気下流部１９とは、排気通路５を流れる排気の一部を吸気下流部１９に戻すＥＧＲ通路７６によって接続されている。ＥＧＲ通路７６の一端は、排気通路５の過給機２２、すなわちタービン７１とマフラー６２との間の部分に接続されている。ＥＧＲ通路７６の他端は、吸気下流部１９のスロットルバルブ２４よりも上流側又は下流側の部分に接続されているとよい。ＥＧＲ通路７６には、ＥＧＲ通路７６を流れるＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ７７と、ＥＧＲガスを冷却する第２冷却装置７８が設けられている。第２冷却装置７８は、いわゆるＥＧＲクーラである。第２冷却装置７８は、冷却媒体と吸気とを熱交換させる熱交換器である。第２冷却装置７８は、冷却媒体の流量を制御する流量制御弁を有し、流量制御弁を制御することによって第２冷却器を流れるＥＧＲガスの温度を調節する。冷却媒体は、液体又は気体であるとよい。

【0046】

燃焼室２又は吸気下流部１９に、燃料としての水素を供給する燃料供給装置８１が設けられている。燃料供給装置８１は、水素タンク等の水素供給源と接続されている。水素供給源に貯留されている水素は、液体又は気体であるとよい。燃料供給装置８１は、機関本体３に設けられ、燃焼室２に直接に水素を噴射してもよい。また、燃料供給装置８１は、機関本体３に設けられ、吸気ポート１１に水素を噴射してもよい。燃料供給装置８１が噴射する水素は、液体又は気体であるとよい。

【0047】

内燃機関１は、第１室３３内の吸気の圧力を検出する第１圧力センサＰ１と、吸気下流部１９を流れる吸気の圧力を検出する第２圧力センサＰ２と、第１室３３内の吸気の温度を検出する第１温度センサＴ１と、ＥＧＲ通路７６の第２冷却装置７８より吸気下流部１９側を流れるＥＧＲガスの温度を検出する第２温度センサＴ２と、排出管４６を流れるガスの流量を測定する第１流量センサＦ１と、ＥＧＲ通路７６の第２冷却装置７８より吸気下流部１９側を流れるＥＧＲガスの流量を検出する第２流量センサＦ２とを有する。

【0048】

内燃機関１は、制御装置８３を有する。制御装置８３は、電子制御装置であり、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、不揮発性メモリ、揮発性メモリ、及びインターフェースを有する演算装置である。制御装置８３は、不揮発性メモリに記憶されたプログラムをマイクロプロセッサが実行することによって各種のアプリケーションを実現する。制御装置８３は、単一のユニットによって形成されてもよく、互いに協働する複数のユニットによって形成されてもよい。制御装置８３には、第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２、第１温度センサＴ１、第２温度センサＴ２、第１流量センサＦ１、及び第２流量センサＦ２が接続されている。また、制御装置８３には、過給機２２、第１冷却装置２３、スロットルバルブ２４、排出管流量制御弁４８、空気噴射装置５１、及び第２冷却装置７８が接続されている。制御装置８３は、各センサからの信号に基づいて、過給機２２、第１冷却装置２３、スロットルバルブ２４、第２冷却装置７８、ＥＧＲバルブ７７、排出管流量制御弁４８、及び空気噴射装置５１を制御する。

【0049】

次に、内燃機関１の作用について説明する。内燃機関１の駆動時には、ピストン８の下降によって吸気通路４に負圧が生じる。これにより、空気が吸気入口から吸気通路４に吸い込まれる。吸気入口から吸い込まれた空気は、エアクリーナ２１において異物が除去された後、過給機２２において圧縮される。その後、空気は、第１冷却装置２３において冷却され、分離装置１５に流れる。

【0050】

空気は、分離装置入口４３から第１室３３に供給される。第１室３３中の空気は、分離装置入口４３から排出管４６に流れる。このとき、空気の一部は、分離膜３２を通過して第２室３４に流れる。分離膜３２は、窒素に対して酸素をより多く透過する選択性を有するため、第２室３４の内のガスは、空気よりも酸素濃度が高く、かつ窒素濃度が低い酸素富化ガスになる。第２室３４の酸素富化ガスは、窒素濃度が低いほど好ましく、窒素をほとんど含まないことが好ましい。一方、第１室３３の内のガスは、空気よりも窒素濃度が高く、かつ酸素濃度が低い窒素富化ガスになる。第１室３３の窒素富化ガスは、酸素濃度が低いほど好ましい。第１室３３から排出管４６に流れる窒素富化ガスは、排出管４６の端部から機関本体３の高温部に噴射され、高温部を冷却する。

【0051】

分離膜３２を透過した酸素富化ガスは、吸気下流部１９を介して第２室３４から燃焼室２に流れる。このとき、吸気下流部１９において、酸素富化ガスにＥＧＲガスが供給され、混合される。燃焼室２において、酸素富化ガス及びＥＧＲガスに燃料供給装置８１から水素が供給され、水素が燃焼する。これにより、水素と酸素とが反応して水が生成される。このとき、燃焼室２に供給される酸素富化ガスが窒素ガスをほとんど含まない場合、窒素酸化物の生成が抑制される。これにより、燃焼室２から排出される排気の主な成分は水（水蒸気）となる。

【0052】

排気は、燃焼室２から排気通路５に流れ、過給機２２のタービン７１を回転させる。その後、排気の一部は、ＥＧＲ通路７６を介して吸気下流部１９に戻される。排気の大部分は、排気出口６３から大気中に放出される。

【0053】

制御装置８３は、第１圧力センサＰ１からの信号に基づいて第１室３３の空気の圧力を取得し、第１室３３の空気の圧力が所定の第１圧力範囲内となるように、排出管流量制御弁４８を制御するとよい。第１圧力範囲は、分離膜３２において酸素の透過が促進される圧力に設定されているとよい。排出管流量制御弁４８の開度が増加すると、第１室３３の圧力が低下する。

【0054】

制御装置８３は、第１温度センサＴ１からの信号に基づいて第１室３３の空気の温度を取得し、第１室３３の空気の温度が所定の第１温度範囲内となるように、第１冷却装置２３を制御するとよい。第１温度範囲は、分離膜３２において酸素の透過が促進される温度に設定されているとよい。

【0055】

制御装置８３は、第２流量センサＦ２からの信号に基づいてＥＧＲ通路７６を流れるＥＧＲガスの流量を取得し、ＥＧＲガスの流量が所定の第１流量範囲内となるように、ＥＧＲバルブ７７を制御するとよい。酸素富化ガスを支燃ガスとする場合、空気を支燃ガスとする場合に比べて、燃焼温度が上昇する。そのため、燃焼室２における燃焼温度を低下させるために、ＥＧＲガスが使用される。

【0056】

制御装置８３は、第２温度センサＴ２からの信号に基づいてＥＧＲ通路７６を流れるＥＧＲガスの温度を取得し、ＥＧＲガスの温度が所定の第２温度範囲内となるように、第２冷却装置７８を制御するとよい。

【0057】

制御装置８３は、第２圧力センサＰ２からの信号に基づいて吸気下流部１９の酸素富化ガスの圧力を取得し、吸気下流部１９の酸素富化ガスの圧力に基づいて空気噴射装置５１を制御するとよい。制御装置８３は、例えば、吸気下流部１９の圧力が所定の第１圧力閾値以下であるときに、空気噴射装置５１から分離膜３２に向けて空気を噴射するとよい。また、制御装置８３は、第１室３３の空気の圧力と、吸気下流部１９の酸素富化ガスの圧力との差が所定の第２圧力閾値以上である場合に、空気噴射装置５１から分離膜３２に向けて空気を噴射してもよい。すなわち、制御装置８３は、少なくとも吸気下流部１９の圧力に基づいて分離膜３２の目詰まりを検出し、目詰まりを検出したときに空気噴射装置５１によって分離膜３２上の異物を吹き払うとよい。

【0058】

上記の内燃機関１によれば、ＥＧＲ通路７６が吸気下流部１９に接続されているため、ＥＧＲガスは分離装置１５を通過しない。そのため、ＥＧＲガス中の水分が分離膜３２に付着することがなく、分離膜３２の機能が低下することが抑制される。これにより、内燃機関１において、吸気中の窒素の除去と排気再循環とを効率良く行うことができる。

【0059】

また、過給機２２によって、分離装置１５に供給される空気が加圧されるため、分離膜３２を透過する酸素量を増加させることができる。また、空気が第１室３３に滞留することなく、効率良く外部に排出される。過給機２２が、ウェイストゲートバルブ７３を有するターボチャージャであるため、分離装置１５に供給される空気の圧力を調節することができる。

【0060】

筒形のケース３１内に筒形の分離膜３２を同心状に配置したため、第２室３４に対して第１室３３を大きくすることができると共に、第１室３３の空気と分離膜３２との接触面積を大きくすることができる。

【0061】

燃料が水素である場合、燃料が硫黄を含まず、支燃ガスに含まれる窒素が少ないため、排気浄化触媒の小型化又は省略が可能になる。

【0062】

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、内燃機関１の燃料は、水素に代えてガソリンや灯油、天然ガス等の公知の燃料であってもよい。過給機２２は、ターボチャージャに代えて、スーパーチャージャ等の圧縮機であってもよい。過給機２２は、電動モータによって駆動される圧縮機であってもよい。分離装置１５の分離膜３２は、酸素を透過する一方で窒素の透過を阻害する複数の中空糸膜によって構成されてもよい。

【符号の説明】

【0063】

１ ：内燃機関
２ ：燃焼室
３ ：機関本体
４ ：吸気通路
５ ：排気通路
１５ ：分離装置
１６ ：空気吸込口
１８ ：吸気上流部
１９ ：吸気下流部
２２ ：過給機
２３ ：第１冷却装置
３１ ：ケース
３２ ：分離膜
３３ ：第１室
３４ ：第２室
３５ ：側壁部
３６ ：端壁部
３９ ：分離膜組立体
４３ ：分離装置入口
４４ ：分離装置出口
４６ ：排出管
５１ ：空気噴射装置
５６ ：振動装置
７１ ：タービン
７２ ：ウェイストゲート
７３ ：ウェイストゲートバルブ
７４ ：コンプレッサ
７６ ：ＥＧＲ通路
７７ ：ＥＧＲバルブ
７８ ：第２冷却装置
８３ ：制御装置

【図1】

【図2】

【図3】