エンジンシステム
【課題】 高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減可能なエンジンシステムを提供する。
【解決手段】 エンジンシステム１０では、ＥＧＲ装置１５から供給される排気と外気とがサージタンク２３で混合され、エンジン１１の気筒１８に供給される。ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御して酸素ガス供給装置１６から第２通路３６に供給する酸素ガス供給量を調整することでエンジン１１の気筒１８内の酸素濃度を調整する。この構成では、外気より窒素濃度が低い排気と外気とが混合され、適宜酸素ガスが付加された混合ガスをエンジン１１の気筒１８に取り込む。よって、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らしつつ酸素量を増やすことが可能である。これにより、エンジン１１の高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【解決手段】 エンジンシステム１０では、ＥＧＲ装置１５から供給される排気と外気とがサージタンク２３で混合され、エンジン１１の気筒１８に供給される。ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御して酸素ガス供給装置１６から第２通路３６に供給する酸素ガス供給量を調整することでエンジン１１の気筒１８内の酸素濃度を調整する。この構成では、外気より窒素濃度が低い排気と外気とが混合され、適宜酸素ガスが付加された混合ガスをエンジン１１の気筒１８に取り込む。よって、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らしつつ酸素量を増やすことが可能である。これにより、エンジン１１の高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、過給や酸素富化を行うことでエンジンの高温燃焼を実現し、燃料消費の低減および排気中のスモークの低減を図る技術が知られている。
過給機は、外気を圧縮してエンジンの気筒に送り込む。また、特許文献１に開示された酸素富化装置は、酸素濃度が比較的高い酸素富化ガスをエンジンの気筒に送り込む。過給機を備える場合および酸素富化装置を備える場合の両者ともにエンジンの気筒に取り込まれる酸素量が増加する。そのため、エンジンの燃焼温度が上昇する。エンジンの燃焼温度が上昇することで燃料が完全燃焼し易くなる。よって、同じ出力を得るための燃料が少なくて済み、且つ、不完全燃焼に起因する黒煙等のスモークの発生が低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０９２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、過給機を備える場合および酸素富化装置を備える場合の両者ともに、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量は外気より増加するか或いは外気と略同じであるため、燃焼温度が上昇することで排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減可能なエンジンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明によるエンジンシステムは、第１通路部材、作動ガス供給手段、混合手段、第２通路部材、酸素ガス供給手段および酸素ガス供給量制御手段を備える。
外気を取り込み可能な第１通路部材は、取り込んだ外気が流れる第１通路を有する。作動ガス供給手段は、外気より窒素濃度が低い作動ガスを供給可能である。第１通路と作動ガス供給手段とを連通する連通室を有する混合手段は、第１通路から流入する外気と作動ガス供給手段から流入する作動ガスとを連通室で混合する。
【０００７】
混合手段の連通室とエンジンの気筒とを連通する第２通路を有する第２通路部材は、外気と作動ガスとの混合ガスをエンジンの気筒に導く。酸素ガス供給手段は、第２通路に酸素ガスを供給可能である。酸素ガス供給量制御手段は、酸素ガス供給手段から第２通路に供給される酸素ガス供給量を調整することでエンジンの気筒内の酸素濃度を調整する。
【０００８】
この構成では、外気より窒素濃度が低い作動ガスと外気とが混合された混合ガスをエンジンの気筒に取り込む。そのため、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。また、エンジンの気筒に取り込まれるガスに酸素ガスを加えることで、そのガス中の酸素量を増やすことが可能である。よって、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らしつつ酸素量を増やすことが可能である。これにより、エンジンの高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、酸素ガス供給手段は、酸素ガスを貯留する酸素ガスタンク、第３通路部材および第１アクチュエータを有する。第３通路部材は、酸素ガスタンク内と第２通路とを連通する第３通路を有する。第１アクチュエータは、第３通路を開閉可能である。これにより、酸素ガスタンクに貯留された酸素ガスを第３通路を経由して第２通路に供給可能である。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの気筒内の酸素濃度が所定値になるように第１アクチュエータの開弁時間を制御する。このように第１アクチュエータの開弁時間を制御することで、第２通路に供給される酸素ガス量を微調整することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの負荷が高いほど所定値を大きく設定する。これにより、エンジンの負荷が高いほどエンジンの気筒内の酸素濃度が高くなり、エンジンの負荷に応じた適当な制御が可能となる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に低負荷の低負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以下に設定する。また酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以上に設定する。これにより、エンジンの負荷に応じた適当な制御が可能となる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、酸素ガス供給手段から第２通路への酸素ガス供給量の算出について具体的に示すものである。請求項６に記載の発明では、第１酸素濃度検出手段および第２酸素濃度検出手段を備える。第１酸素濃度検出手段は、混合手段の連通室の混合ガス、又は、第２通路のうち第２通路と第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの酸素濃度を検出する。第２酸素濃度検出手段は、エンジンが排出する排気の酸素濃度を検出する。酸素ガス供給量制御手段は、前記所定値、混合ガスの酸素濃度、及び、排気の酸素濃度に基づき酸素ガス供給量を算出する。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、気筒内の窒素濃度の算出について具体的に示すものである。請求項７に記載の発明では、二酸化炭素濃度検出手段、混合ガス窒素濃度算出手段および気筒内窒素濃度算出手段を備える。
二酸化炭素濃度検出手段は、混合手段の連通室の混合ガス、又は、第２通路のうち第２通路と第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの二酸化炭素濃度を検出する。混合ガス窒素濃度算出手段は、第１酸素濃度検出手段が検出する混合ガスの酸素濃度、及び、二酸化炭素濃度検出手段が検出する混合ガスの二酸化炭素濃度に基づき混合ガスの窒素濃度を算出する。気筒内窒素濃度算出手段は、混合ガス窒素濃度算出手段が算出する混合ガスの窒素濃度と酸素ガス供給量とに基づき気筒内の窒素濃度を算出する。
一般に窒素濃度センサは感度が悪い。これに対し、上記構成によれば窒素濃度センサを用いなくても気筒内の窒素濃度を求めることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、気筒内の窒素濃度が所定の閾値を超えるとき、エンジンの吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる遅角制御手段を備える。この遅角制御を実施することでエンジンの燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減することができる。
請求項９に記載の発明では、前記所定の閾値は１０％に設定される。
【００１６】
請求項１０に記載の発明では、作動ガス供給手段は、エンジンの排気通路と混合手段とを連通する排気還流通路を有する排気還流通路部材と、排気還流通路を開閉可能な第２アクチュエータと、を有するＥＧＲ装置から構成される。また、第２アクチュエータの作動を制御することで排気通路から排気還流通路を経由して混合手段に流入する排気量を調整する排気供給量制御手段を備える。
これにより、外気より窒素濃度が低い排気と外気とが混合された混合ガスをエンジンの気筒に取り込み、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。
【００１７】
請求項１１に記載の発明では、排気供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、気筒内の窒素濃度が５％以下になるように第２アクチュエータの作動を制御する。これにより、エンジンの気筒に取り込まれるガスを極低窒素濃度とし、排気中の窒素酸化物を大幅に減らすことができる。
【００１８】
請求項１２に記載の発明では、作動ガス供給手段は、作動ガスを貯留する作動ガスタンクと、作動ガスタンク内と混合手段とを連通する第４通路を有する第４通路部材と、第４通路を開閉可能な第３アクチュエータとから構成される。また、第３アクチュエータの作動を制御することで作動ガスタンクから第４通路を経由して混合手段に供給する作動ガス量を調整する作動ガス供給量制御手段を備える。
これにより、外気より窒素濃度が低い作動ガスと外気とが混合された混合ガスをエンジンの気筒に取り込み、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。
【００１９】
請求項１３に記載の発明では、作動ガスは、水蒸気、アルゴンガス又は二酸化炭素ガスである。これにより、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。特に、単原子分子であるアルゴンガスを用いる場合、エンジンの熱効率を大幅に改善することができる。
【００２０】
請求項１４に記載の発明では、作動ガス供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、気筒内の窒素濃度が５％以下になるように第３アクチュエータの作動を制御する。これにより、エンジンの気筒に取り込まれるガスを極低窒素濃度とし、排気中の窒素酸化物を大幅に減らすことができる。
【００２１】
請求項１５に記載の発明では、混合手段の連通室は、第１通路の横断面積および第２通路の横断面積より大きい横断面積を有する。また、連通室の圧力を検出する圧力センサと、第１通路を開閉可能なスロットル弁と、連通室の圧力が一定値になるようにスロットル弁の開度を制御するスロットル開度制御手段とを備える。これにより、エンジンの気筒に安定的に混合ガスを供給することができる。
【００２２】
請求項１６に記載の発明では、第１通路の途中に設けられる窒素吸着膜と、窒素吸着膜で吸着される窒素ガスを第１通路外に排出する窒素排出通路とを備える。これにより、酸素ガス供給量を比較的少なくしつつ排気中の窒素酸化物を低減可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態のエンジンシステムを示す概略図である。
【図２】図１の電子制御ユニットでエンジンの負荷状態を算出するために使用されるマップを示す図である。
【図３】図１の電子制御ユニットでエンジンの気筒内の酸素濃度の目標値を算出するために使用されるマップを示す図である。
【図４】図１の電子制御ユニットで酸素ガス噴射弁装置を開作動させるパルス幅を算出するために使用されるマップを示す図である。
【図５】図１の電子制御ユニットが通常モードから遷移モードに切り替えたときのエンジンのサイクル数と気筒内窒素濃度との関係を示す図である。
【図６】図１の電子制御ユニットの制御作動のうちメイン処理を示すフローチャート図である。
【図７】図１の電子制御ユニットの制御作動のうち酸素ガス供給量算出処理を示すフローチャート図である。
【図８】図１の電子制御ユニットの制御作動のうち気筒内窒素濃度算出処理を示すフローチャート図である。
【図９】本発明の第２実施形態のエンジンシステムを示す概念図である。
【図１０】本発明の第３実施形態のエンジンシステムを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のエンジンシステムを図１に示す。エンジンシステムは、車両用のものである。図１に示すように、エンジンシステム１０は、エンジン１１、吸気装置１２、排気装置１３、過給機１４、ＥＧＲ装置１５、酸素ガス供給装置１６および電子制御ユニット（Electric Control Unit；以下、「ＥＣＵ」という）１７等を備えている。
【００２５】
エンジン１１は、例えばガソリン等を燃料として用い、車両の駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン１１は、空気を含む混合ガスと燃料とが混ざり合った燃料ガスを気筒１８内に入れ、この燃料ガスをピストン１９で圧縮した後に点火燃焼させる。そして、気筒１８内で膨張する燃焼ガスにより押されるピストン１９の力を運動エネルギーとして取り出す。この運動エネルギーが車両の駆動力として利用される。エンジン１１には、吸気装置１２および排気装置１３が接続されている。なお、エンジン１１は複数の気筒を有しているが、便宜上、図１には気筒１８を１つだけ図示している。
【００２６】
吸気装置１２は、エアクリーナ２０、インタークーラ２１、スロットル弁装置２２、サージタンク２３、吸気マニホールド２４、及び、これらを接続する複数のインテークパイプ２５、２６、２７、２８から構成されている。インテークパイプ２５は外気取込口２９を有している。エアクリーナ２０は、取り込んだ外気中の異物を除去するフィルタである。インタークーラ２１は、インテークパイプ２７とインテークパイプ２８との間に設けられ、インテークパイプ２７から流入する外気を冷却する熱交換器である。スロットル弁装置２２は、インテークパイプ２８の内部通路を開閉可能なスロットル弁３０と、このスロットル弁３０を駆動するスロットルアクチュエータ３１とを有している。
【００２７】
インテークパイプ２５、エアクリーナ２０、インテークパイプ２６、過給機１４の図示しないコンプレッサホイールを収容するハウジング３２、インテークパイプ２７、インタークーラ２１およびインテークパイプ２８は、全体として外気の流通路としての第１通路３３を形成している。インテークパイプ２５、エアクリーナ２０、インテークパイプ２６、ハウジング３２、インテークパイプ２７、インタークーラ２１およびインテークパイプ２８は、特許請求の範囲の「第１通路部材」に相当する。
【００２８】
サージタンク２３は、インテークパイプ２８や吸気マニホールド２４の内部通路の横断面積より大きい横断面積を有する連通室３４を有する。サージタンク２３は、インテークパイプ２８から流入する外気と排気還流パイプ３５から流入する排気とを混合する混合手段として機能する。
吸気マニホールド２４は、サージタンク２３とエンジン１１とを接続し、サージタンク２３の連通室３４と各気筒１８とを連通する第２通路３６を有する分岐管である。吸気マニホールド２４は、サージタンク２３で混合された外気と排気との混合ガスを各気筒１８に導く。吸気マニホールド２４は、特許請求の範囲の「第２通路部材」に相当する。
【００２９】
排気装置１３は、排気マニホールド３７およびエキゾーストパイプ３８等から構成されている。排気マニホールド３７は、エンジン１１の各気筒１８から排出される排気を集合させる。エキゾーストパイプ３８は、排気マニホールド３７に接続され、排気マニホールド３７が集合させた排気を大気中に放出する。排気マニホールド３７の内部通路およびエキゾーストパイプ３８の内部通路は互いに連通しており、排気を導く排気通路３９を形成する
【００３０】
過給機１４は、排気駆動式であり、排気により回される図示しないタービンホイールと、このタービンホイールと一体に回転し空気を圧縮する図示しないコンプレッサホイールと、これらタービンホイールおよびコンプレッサホイールを収容するハウジング３２等から構成されている。過給機１４は、外気を圧縮することによりエンジン１１の各気筒１８により多くの外気を送り込む、すなわち過給する装置である。
【００３１】
ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置１５は、排気還流パイプ３５、排気用絞り弁装置４０およびＥＧＲ弁装置４１から構成されている。排気還流パイプ３５は、エキゾーストパイプ３８とサージタンク２３とを接続し、排気通路３９とサージタンク２３の連通室３４とを連通する排気還流通路４０を有する。排気還流パイプ３５は、特許請求の範囲の「排気還流通路部材」に相当する。
排気用絞り弁装置４０は、エキゾーストパイプ３８と排気還流パイプ３５との接続位置の後流側に設けられ排気通路３９を開閉可能な絞り弁４３と、この絞り弁４３を駆動するアクチュエータ４４とを有する。排気用絞り弁装置４０は、電動式であり、ＥＣＵ１７に作動が制御される。
【００３２】
ＥＧＲ弁装置４１は、排気還流通路４０の途中に設けられ、排気還流通路４０を開閉可能である。ＥＧＲ弁装置４１は、電磁駆動式であり、ＥＣＵ１７に作動が制御される。ＥＧＲ弁装置４１は、特許請求の範囲の「第２アクチュエータ」に相当する。
ＥＧＲ装置１５は、外気より窒素濃度が低い排気の一部をサージタンク２３に戻すことでエンジン１１が吸い込む混合ガスの窒素濃度を低下させる。これによりエンジン１１の燃焼温度を下げる。第１実施形態では、ＥＧＲ装置１５は、特許請求の範囲の「作動ガス供給手段」に相当する。またエンジン１１の排気は、特許請求の範囲の「作動ガス」に相当する。
ＥＣＵ１７は、排気用絞り弁装置４０の作動を制御することでエキゾーストパイプ３８から排気還流パイプ３５へ送り出す排気量を調整し、ＥＧＲ弁装置４１の作動を制御することでサージタンク２３に流入する排気量を調整する「排気供給量制御手段」として機能する。
【００３３】
酸素ガス供給装置１６は、酸素ガスを貯留する酸素ガスタンク４５、酸素ガス流通管４６、サブタンク４７、レギュレータ４８および酸素ガス噴射弁装置４９から構成されている。酸素ガス流通管４６は、酸素ガスタンク４５とサブタンク４７とを接続する。レギュレータ４８は、サブタンク４７内の圧力を一定値に調整する。酸素ガス噴射弁装置４９は、サブタンク４７内の酸素ガスを吸気マニホールド２４の第２通路に噴射する。酸素ガス噴射弁装置４９は、電磁駆動式であり、ＥＣＵ１７に作動が制御される。酸素ガス噴射弁装置４９は、特許請求の範囲の「第１アクチュエータ」に相当する。酸素ガス供給装置１６は、特許請求の範囲の「酸素ガス供給手段」に相当する。
ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御することで酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６に供給する酸素ガス供給量を調整し、エンジン１１の気筒１８内の酸素濃度を調整する「酸素ガス供給量制御手段」として機能する。
【００３４】
ＥＣＵ１７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータから構成されている。ＥＣＵ１７には、エンジン回転数センサ５０、アクセル開度センサ５１、タンク内圧力センサ５２、タンク内温度センサ５３、「第１酸素濃度検出手段」としてのタンク内酸素濃度センサ５４、「二酸化炭素濃度検出手段」としてのタンク内二酸化炭素濃度センサ５５、排気管内圧力センサ５６、および、「第２酸素濃度検出手段」としての排気管内酸素濃度センサ５７が電気的に接続している。ＥＣＵ１７は、各センサ５０〜５７から供給された種々の信号に基づき、ＲＯＭに記録されている所定の制御プログラムに従いスロットル弁装置２２、排気用絞り弁装置４０、ＥＧＲ弁装置４１、レギュレータ４８および酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御する。ＥＣＵ１７は、特許請求の範囲の「酸素ガス供給量制御手段」、「混合ガス窒素濃度算出手段」、「気筒内窒素濃度算出手段」、「遅角制御手段」、「排気供給量制御手段」および「スロットル開度制御手段」として機能する。
【００３５】
エンジン回転数センサ５０は、エンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］を検出し、検出したエンジン回転数ＮＥを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
アクセル開度センサ５１は、アクセルペダル５８の操作量に対応するアクセル開度ＡＣＣ［％］を検出し、検出したアクセル開度ＡＣＣを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
【００３６】
タンク内圧力センサ５２は、サージタンク２３内の圧力すなわち連通室３４の混合ガスの圧力Ｐ１［ＭＰａ］を検出し、検出した圧力Ｐ１を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
タンク内温度センサ５３は、サージタンク２３内の温度すなわち連通室３４の混合ガスの温度Ｔ［℃］を検出し、検出した温度Ｔを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
タンク内酸素濃度センサ５４は、サージタンク２３内の酸素濃度すなわち連通室３４の混合ガスの酸素濃度ＤＯ１［ｖｏｌ％］を検出し、検出した酸素濃度Ｄ１を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。タンク内酸素濃度センサ５４は、特許請求の範囲の「第１酸素濃度センサ」に相当する。
【００３７】
タンク内二酸化炭素濃度センサ５５は、サージタンク２３内の二酸化炭素濃度すなわち連通室３４の混合ガスの二酸化炭素濃度ＤＣＯ［ｖｏｌ％］を検出し、検出した二酸化炭素濃度ＤＣＯを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
排気管内圧力センサ５６は、排気還流パイプ３５内の圧力すなわち排気の圧力Ｐ２［ＭＰａ］を検出し、検出した圧力Ｐ２を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
排気管内酸素濃度センサ５７は、排気還流パイプ３５内の酸素濃度すなわち排気の酸素濃度ＤＯ２［ｖｏｌ％］を検出し、検出した酸素濃度ＤＯ２を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。排気管内酸素濃度センサ５７は、特許請求の範囲の「第２酸素濃度センサ」に相当する。
【００３８】
以下、ＥＣＵ１７の機能を詳しく説明する。
＜エンジン負荷算出＞
ＥＣＵ１７は、マップや演算式から例えばエンジントルクＴＥ［Ｎ・ｍ］およびエンジン回転数ＮＥに基づき、エンジン１１の負荷すなわちエンジン負荷ＬＥを算出する。またＥＣＵ１７は、例えば図２に示すマップからエンジントルクＴＥおよびエンジン回転数ＮＥに基づき、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上でどの負荷領域に属するかを算出する。この負荷領域は、図２に示すように縦軸がエンジントルクＴＥ、横軸がエンジン回転数ＮＥの二次元座標内で低負荷領域Ａ１、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３で表される。
【００３９】
低負荷領域Ａ１は、エンジントルクＴＥが相対的に低く、エンジン回転数ＮＥが相対的に低い領域である。高負荷領域Ａ３は、エンジントルクＴＥが相対的に高く、エンジン回転数ＮＥが相対的に高い領域である。中負荷領域Ａ２は、低負荷領域Ａ１と高負荷領域Ａ３との間の領域である。
【００４０】
＜目標気筒内酸素濃度算出＞
ＥＣＵ１７は、例えば図３に示すマップからエンジン負荷ＬＥに基づき、エンジン１１の気筒１８内の酸素濃度の目標値すなわち目標気筒内酸素濃度ＤＴを決定する。図３に示すマップは、エンジン負荷ＬＥが高いほど目標気筒内酸素濃度ＤＴが大きくなるように定められている。目標気筒内酸素濃度ＤＴは、特許請求の範囲の「所定値」に相当する。
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１にあるとき目標気筒内酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以下に設定する。またＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が高負荷領域Ａ３にあるとき目標気筒内酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以上に設定する。
【００４１】
＜酸素ガス供給量算出＞
ＥＣＵ１７は、目標気筒内酸素濃度ＤＴ、混合ガスの酸素濃度ＤＯ１および排気の酸素濃度ＤＯ２に基づき、酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６への酸素ガスの噴射量すなわち酸素ガス供給量ＳＯを算出する。具体的には、ＥＣＵ１７は、先ず、気筒容積と、吸気圧すなわち混合ガスの圧力Ｐ１と、目標気筒内酸素濃度ＤＴとに基づき、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込む酸素量の目標値すなわち目標酸素量ＶＯＴを算出する。
【００４２】
次に、ＥＣＵ１７は、ストローク容積（ピストンストローク×ボア面積）と、混合ガスの圧力Ｐ１と、混合ガスの酸素濃度ＤＯ１とに基づき、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込まれる混合ガスの酸素量ＶＯ１を算出する。
次に、ＥＣＵ１７は、燃焼室容積と、排気の圧力Ｐ２と、排気の酸素濃度ＤＯ２とに基づき、直前のサイクルでエンジン１１の燃焼室に残留した酸素量ＶＯ２を算出する。
次に、ＥＣＵ１７は次式（１）から酸素ガス供給量ＳＯを算出する。
ＳＯ ＝ ＶＯＴ − ＶＯ１ −ＶＯ２・・・（１）
【００４３】
＜酸素ガス供給＞
ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御することで第２通路３６に供給する酸素ガス供給量ＳＯを調整する。具体的には、ＥＣＵ１７は、例えば図４に示すマップから酸素ガス供給量ＳＯに基づき酸素ガス噴射弁装置４９の開動作を制御するパルス幅を算出し、その開動作のパルス幅に基づき酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御する。ＥＣＵ１７は、エンジン１１の各気筒１８内の酸素濃度が目標酸素濃度ＤＴになるように酸素ガス噴射弁装置の開弁時間を制御する。
【００４４】
＜作動ガス供給＞
ＥＣＵ１７は、排気用絞り弁装置４０の作動を制御することでエキゾーストパイプ３８から排気還流パイプ３５へ送り出す排気量を調整する。
またＥＣＵ１７は、ＥＧＲ弁装置４１の作動を制御することでサージタンク２３に供給する排気量を調整する。サージタンク２３に供給する排気量は、例えばエンジン負荷ＬＥ等に応じて変化させる。
【００４５】
＜混合ガス窒素濃度算出＞
ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の混合ガスの酸素濃度ＤＯ１および二酸化炭素濃度ＤＣＯに基づきサージタンク２３内の混合ガスの窒素濃度を算出する。具体的には、ＥＣＵ１７は、先ず、サージタンク２３内の混合ガスの二酸化炭素濃度ＤＣＯに基づきサージタンク２３内の二酸化炭素量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の二酸化炭素量と燃料組成とに基づきサージタンク２３内の水蒸気量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の混合ガスの酸素濃度ＤＯ１に基づきサージタンク２３内の酸素量を算出する。
【００４６】
次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の圧力Ｐ１および温度Ｔに基づきサージタンク内のガス総量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の二酸化炭素量、水蒸気量、酸素量およびガス総量に基づきサージタンク内の窒素量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク内の窒素量およびガス総量に基づきサージタンク内の混合ガスの窒素濃度を算出する。
＜気筒内窒素濃度算出＞
ＥＣＵ１７は、混合ガスの窒素濃度と酸素ガス供給量ＳＯとに基づきエンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出する。
【００４７】
＜通常モード作動＞
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１にあるとき、エンジンシステム１０を通常モードで作動させる。この通常モードは、スロットル弁装置２２を制御して外気を導入しつつＥＧＲ弁装置４１を制御してエンジン１１の排気の一部をサージタンク２３に還流させる運転モードである。通常モードでは酸素ガスの供給が為されない。
【００４８】
＜遷移モード作動＞
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２にあるとき、エンジンシステム１０を遷移モードで作動させる。この遷移モードは、スロットル弁装置２２を制御して外気を導入し、ＥＧＲ弁装置４１を制御してエンジン１１の排気の一部をサージタンク２３に還流させながら、酸素ガス噴射弁装置４９を制御して第２通路３６に酸素ガスを供給する運転モードである。例えば、遷移モードでは、通常モードに比べてスロットル弁開度を小さくしつつＥＧＲ率を２０％にする。図５に示すように、通常モードから遷移モードに切り替わるとサージタンク２３内の混合ガスの窒素濃度が約４０サイクルで１０％に収束する。
【００４９】
＜高出力モード作動＞
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で高負荷領域Ａ３にあるとき、エンジンシステム１０を高出力モードで作動させる。この高出力モードは、スロットル弁装置２２を全閉に近い状態とし、ＥＧＲ弁装置４１を制御してエンジン１１の排気を比較的多くサージタンク２３に還流させながら、酸素ガス噴射弁装置４９を制御して第２通路３６に酸素ガスを比較的多く供給する運転モードである。ＥＣＵ１７は、高出力モードでは各気筒１８内の窒素濃度ＤＮが５％以下の極低窒素濃度になるようにＥＧＲ弁装置４１の作動を制御する。
【００５０】
＜遅角燃焼制御＞
ＥＣＵ１７は、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが所定の閾値を超えるとき、エンジン１１の吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる。前記所定の閾値は例えば１０％に設定される。
＜スロットル弁制御＞
ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の圧力Ｐ１が一定値になるようにスロットル弁３０の開度を制御する。
【００５１】
次に、ＥＣＵ１７の作動を図６〜図８に基づき説明する。
図６のフローはメイン処理の流れを示し、図７および図８のフローはそれぞれメイン処理のサブルーチン処理の流れを示している。図６に示すメイン処理は、エンジン１１の作動している間、繰り返し実行される。その際ＥＣＵ１７は、随時各センサ値を読み込み、それら各センサ値を各処理で使用する。
【００５２】
図６のメイン処理が開始されると、先ずステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す。）では、ＥＣＵ１７はエンジン１１の負荷を算出する。Ｓ１０１の後、処理は酸素ガス供給量算出処理としてのＳ２００に移行する。
Ｓ２００は、酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６への酸素ガスの噴射量すなわち酸素ガス供給量ＳＯを算出するための処理である。図７に示すように、Ｓ２００が開始されると、処理は先ずＳ２０１に移行する。
【００５３】
Ｓ２０１では、ＥＣＵ１７は、目標気筒内酸素濃度ＤＯＴを決定する。Ｓ２０１の後、処理はＳ２０２に移行する。
Ｓ２０２では、ＥＣＵ１７は、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込む目標酸素量ＶＯＴを算出する。Ｓ２０２の後、処理はＳ２０３に移行する。
Ｓ２０３では、ＥＣＵ１７は、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込まれる混合ガスの酸素量ＶＯ１を算出する。Ｓ２０３の後、処理はＳ２０４に移行する。
【００５４】
Ｓ２０４では、ＥＣＵ１７は、直前のサイクルでエンジン１１の燃焼室に残留した酸素量ＶＯ２を算出する。Ｓ２０４の後、処理はＳ２０５に移行する。
Ｓ２０５では、ＥＣＵ１７は、前記式（１）から酸素ガス供給量ＳＯを算出する。Ｓ２０５の後、酸素ガス供給量算出処理（Ｓ２００）を終了してメイン処理へ戻る。
【００５５】
図６に戻って、Ｓ２００の後、処理は気筒内窒素濃度算出処理としてのＳ３００に移行する。
Ｓ３００は、エンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出するための処理である。図８に示すように、Ｓ３００が開始されると、処理は先ずＳ３０１に移行する。
Ｓ３０１では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の二酸化炭素量を算出する。Ｓ３０１の後、処理はＳ３０２に移行する。
Ｓ３０２では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の水蒸気量を算出する。Ｓ３０２の後、処理はＳ３０３に移行する。
Ｓ３０３では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の酸素量を算出する。Ｓ３０３の後、処理はＳ３０４に移行する。
【００５６】
Ｓ３０４では、ＥＣＵ１７は、サージタンク内のガス総量を算出する。Ｓ３０４の後、処理はＳ３０５に移行する。
Ｓ３０５では、ＥＣＵ１７は、サージタンク内の窒素量を算出する。Ｓ３０５の後、処理はＳ３０６に移行する。
Ｓ３０６では、ＥＣＵ１７は、サージタンク内の混合ガスの窒素濃度を算出する。Ｓ３０６の後、処理はＳ３０７に移行する。
Ｓ３０７では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出する。Ｓ３０７の後、気筒内窒素濃度算出処理（Ｓ３００）を終了してメイン処理へ戻る。
【００５７】
図６に戻って、Ｓ３００の後、処理はＳ１０２に移行する。
Ｓ１０２では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１であるか否かを判定する。エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１であると判断した場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、処理はＳ１０３へ移行する。一方、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１にないと判断した場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、処理はＳ１０４へ移行する。
【００５８】
Ｓ１０３では、ＥＣＵ１７は、エンジンシステム１０を通常モードで作動させる。Ｓ１０３の処理が実行されると、処理はＳ１０７へ移行する。
Ｓ１０４では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２であるか否かを判定する。エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２であると判断した場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、処理はＳ１０５へ移行する。一方、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２にないと判断した場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、処理はＳ１０６へ移行する。
【００５９】
Ｓ１０５では、ＥＣＵ１７は、エンジンシステム１０を遷移モードで作動させる。Ｓ１０５の処理が実行されると、処理はＳ１０７へ移行する。
Ｓ１０６では、ＥＣＵ１７は、エンジンシステム１０を高出力モードで作動させる。Ｓ１０６の処理が実行されると、処理はＳ１０７へ移行する。
【００６０】
Ｓ１０７では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮが１０［％］より小さいか否かを判定する。窒素濃度ＤＮが１０［％］より小さいと判断した場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、処理はＳ１０８へ移行する。一方、窒素濃度ＤＮが１０［％］以上であると判断した場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、処理はＳ１０９へ移行する。
【００６１】
Ｓ１０８では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の吸入弁および排気弁の開閉タイミングを通常通り制御する。Ｓ１０８の処理が実行されると、メイン処理が終了する。
Ｓ１０９では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる遅角制御を実施する。Ｓ１０９の処理が実行されると、メイン処理が終了する。
【００６２】
以上説明したように、第１実施形態のエンジンシステム１０では、ＥＧＲ装置１５から供給される排気と外気とがサージタンク２３で混合され、エンジン１１の気筒１８に供給される。また、酸素ガス供給装置１６は、第２通路３６の混合ガスに酸素ガスを供給可能である。ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御して酸素ガス供給装置１６から第２通路３６に供給する酸素ガス供給量を調整することでエンジン１１の気筒１８内の酸素濃度を調整する。
【００６３】
この構成では、外気より窒素濃度が低い排気と外気とが混合された混合ガスをエンジン１１の気筒１８に取り込む。そのため、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。また、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガスに酸素ガスを加えることで、そのガス中の酸素量を増やすことが可能である。よって、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らしつつ酸素量を増やすことが可能である。これにより、エンジン１１の高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【００６４】
また、第１実施形態では、酸素ガス供給装置１６は、酸素ガスタンク４５に貯留された酸素ガスを酸素ガス流通管４６およびサブタンク４７を経由して酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６に供給可能である。
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の気筒１８内の酸素濃度が所定値になるように酸素ガス噴射弁装置４９の開弁時間、すなわち開作動を制御するパルス幅を制御する。このように酸素ガス噴射弁装置４９の開弁時間を制御することで第２通路３６に供給される酸素ガス量を微調整することができる。
【００６５】
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の負荷が高いほど目標酸素濃度ＤＴを大きく設定する。これにより、エンジン１１の負荷が高いほどエンジン１１の気筒１８内の酸素濃度が高くなり、エンジン１１の負荷に応じた適当な制御が可能となる。
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が相対的に低負荷の低負荷領域にあるとき目標酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以下に設定する。またＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき目標酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以上に設定する。これにより、エンジン１１の負荷に応じた適当な制御が可能となる。
【００６６】
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の酸素濃度ＤＯ１および二酸化炭素濃度ＤＣＯに基づき気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出する。これにより、窒素濃度センサを用いなくても気筒１８内の窒素濃度ＤＮを求めることができる。
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが所定の閾値を超えるとき、エンジン１１の吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる。前記所定の閾値は例えば１０％に設定される。この遅角制御を実施することでエンジン１１の燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【００６７】
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが５％以下になるようにＥＧＲ弁装置４１の作動を制御する。これにより、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガスを極低窒素濃度とし、排気中の窒素酸化物を大幅に減らすことができる。
また、第１実施形態では、サージタンク２３の連通室３４は、第１通路３３の横断面積および第２通路３６の横断面積より大きい横断面積を有する。また、ＥＣＵ１７は、連通室３４の圧力が一定値になるようにスロットル弁３０の開度を制御する。これにより、エンジン１１の気筒１８に安定的に混合ガスを供給することができる。
【００６８】
（第２実施形態）
第２実施形態のエンジンシステムを図９に示す。第２実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、アルゴンガス供給装置６０を備える。アルゴンガス供給装置６０は、特許請求の範囲の「作動ガス供給手段」に相当する。
アルゴンガス供給装置６０は、「作動ガス」としてのアルゴンガスを貯留するアルゴンガスタンク６１と、アルゴンガスタンク６１内とサージタンク２３とを連通する連通路を有するアルゴンガス供給管６２と、アルゴンガス供給管６２を開閉可能な電磁弁６３とを有する。電磁弁６３は、特許請求の範囲の「第３アクチュエータ」に相当する。
【００６９】
第２実施形態のＥＣＵ６４は、第１実施形態の機能に加え、アルゴンガス供給量制御手段として機能する。アルゴンガス供給量制御手段は、特許請求の範囲の「作動ガス供給量制御手段」に相当するものであり、電磁弁６３の作動を制御することでアルゴンガスタンク６１からアルゴンガス供給管６２を経由してサージタンク２３に供給するアルゴンガス量を調整する。ＥＣＵ６４は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で高負荷領域Ａ３にあるとき、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが５％以下になるように電磁弁６３の作動を制御する。
【００７０】
第２実施形態では、外気より窒素濃度が低い排気、外気およびアルゴンガスが混合された混合ガスをエンジン１１の気筒１８に取り込み、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。
また、第２実施形態では、単原子分子であるアルゴンガスを混合ガスに付加することでエンジン１１の熱効率を大幅に改善することができる。
【００７１】
（第３実施形態）
第３実施形態のエンジンシステムを図１０に示す。第３実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、窒素吸着膜７０、窒素排出通路部材７１および窒素排出弁装置７３を備える。窒素吸着膜７０は、インテークパイプ２７の途中に設けられ、第１通路３３を流れる外気の窒素を吸着する。窒素吸着膜７０を通過した外気は窒素濃度が低下する。窒素排出通路部材７１は、窒素吸着膜７０で吸着される窒素ガスを第１通路３３外すなわち大気に排出するための窒素排出通路７２を有する。
第３実施形態のＥＣＵ７４は、第１実施形態の機能に加え、窒素排出弁装置７３の作動を制御して窒素排出通路７２を開放し、窒素吸着膜７０で吸着される窒素ガスを大気に排出する機能を備えている。
【００７２】
第３実施形態では、インテークパイプ２７の途中に設けられる窒素吸着膜７０で窒素濃度が低下させられた外気がサージタンク２３に供給されるので、酸素ガス供給装置１６の酸素ガス供給量を比較的少なくしつつ排気中の窒素酸化物を低減可能である。
【００７３】
（他の実施形態）
また、本発明の他の実施形態では、サージタンクが設けられなくてもよい。その場合、インテークパイプおよびと排気還流パイプの下流側の端部が吸気マニホールドの上流側の端部に接続されればよい。
第３実施形態では、アルゴンガスが供給されるように構成されていた。これに対し、本発明の他の実施形態では、たとえば水蒸気や二酸化炭素ガスなどの他の作動ガスが供給されてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、ＥＣＵは、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、必ずしも気筒内の窒素濃度が５％以下になるように制御する必要はない。
【００７４】
また、本発明の他の実施形態では、混合ガスの圧力、温度、酸素濃度および二酸化炭素濃度を検出する各センサが吸気マニホールドの第２通路のうち酸素ガス噴射弁装置の上流側に設けられてもよい。
また、第１〜第３実施形態における酸素濃度および二酸化炭素濃度を直接的に検出する各センサに代えて、本発明の他の実施形態では、他の情報に基づいて演算等で間接的に酸素濃度および二酸化炭素濃度を算出する濃度検出手段を設けてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、ＥＣＵは、必ずしもサージタンク内の圧力が一定値になるようにスロットル開度を制御する必要はない。
また、本発明の他の実施形態では、過給器やインタークーラが設けられなくてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、窒素濃度センサを用いても良い。
また、第１〜第３実施形態における酸素ガス噴射弁装置４９およびＥＧＲ弁装置４１、及び、第２実施形態における電磁弁６３に代えて、本発明の他の実施形態では、例えばモータ等で作動する他のアクチュエータが用いられてもよい。
【００７５】
以上、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０・・・エンジンシステム
１１・・・エンジン
１５・・・ＥＧＲ装置（作動ガス供給手段）
１６・・・酸素ガス供給装置（酸素ガス供給手段）
１７・・・ＥＣＵ（酸素ガス供給量制御手段）
１８・・・気筒
２０・・・エアクリーナ（第１通路部材）
２１・・・インタークーラ（第１通路部材）
２３・・・サージタンク（混合手段）
２４・・・吸気マニホールド（第２通路部材）
２５，２６，２７，２８・・・インテークパイプ
３２・・・ハウジング（第１通路部材）
３３・・・第１通路
３４・・・連通室
３６・・・第２通路
６０・・・アルゴンガス供給装置（作動ガス供給手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、過給や酸素富化を行うことでエンジンの高温燃焼を実現し、燃料消費の低減および排気中のスモークの低減を図る技術が知られている。
過給機は、外気を圧縮してエンジンの気筒に送り込む。また、特許文献１に開示された酸素富化装置は、酸素濃度が比較的高い酸素富化ガスをエンジンの気筒に送り込む。過給機を備える場合および酸素富化装置を備える場合の両者ともにエンジンの気筒に取り込まれる酸素量が増加する。そのため、エンジンの燃焼温度が上昇する。エンジンの燃焼温度が上昇することで燃料が完全燃焼し易くなる。よって、同じ出力を得るための燃料が少なくて済み、且つ、不完全燃焼に起因する黒煙等のスモークの発生が低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０９２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、過給機を備える場合および酸素富化装置を備える場合の両者ともに、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量は外気より増加するか或いは外気と略同じであるため、燃焼温度が上昇することで排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減可能なエンジンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明によるエンジンシステムは、第１通路部材、作動ガス供給手段、混合手段、第２通路部材、酸素ガス供給手段および酸素ガス供給量制御手段を備える。
外気を取り込み可能な第１通路部材は、取り込んだ外気が流れる第１通路を有する。作動ガス供給手段は、外気より窒素濃度が低い作動ガスを供給可能である。第１通路と作動ガス供給手段とを連通する連通室を有する混合手段は、第１通路から流入する外気と作動ガス供給手段から流入する作動ガスとを連通室で混合する。
【０００７】
混合手段の連通室とエンジンの気筒とを連通する第２通路を有する第２通路部材は、外気と作動ガスとの混合ガスをエンジンの気筒に導く。酸素ガス供給手段は、第２通路に酸素ガスを供給可能である。酸素ガス供給量制御手段は、酸素ガス供給手段から第２通路に供給される酸素ガス供給量を調整することでエンジンの気筒内の酸素濃度を調整する。
【０００８】
この構成では、外気より窒素濃度が低い作動ガスと外気とが混合された混合ガスをエンジンの気筒に取り込む。そのため、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。また、エンジンの気筒に取り込まれるガスに酸素ガスを加えることで、そのガス中の酸素量を増やすことが可能である。よって、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らしつつ酸素量を増やすことが可能である。これにより、エンジンの高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、酸素ガス供給手段は、酸素ガスを貯留する酸素ガスタンク、第３通路部材および第１アクチュエータを有する。第３通路部材は、酸素ガスタンク内と第２通路とを連通する第３通路を有する。第１アクチュエータは、第３通路を開閉可能である。これにより、酸素ガスタンクに貯留された酸素ガスを第３通路を経由して第２通路に供給可能である。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの気筒内の酸素濃度が所定値になるように第１アクチュエータの開弁時間を制御する。このように第１アクチュエータの開弁時間を制御することで、第２通路に供給される酸素ガス量を微調整することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの負荷が高いほど所定値を大きく設定する。これにより、エンジンの負荷が高いほどエンジンの気筒内の酸素濃度が高くなり、エンジンの負荷に応じた適当な制御が可能となる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に低負荷の低負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以下に設定する。また酸素ガス供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以上に設定する。これにより、エンジンの負荷に応じた適当な制御が可能となる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、酸素ガス供給手段から第２通路への酸素ガス供給量の算出について具体的に示すものである。請求項６に記載の発明では、第１酸素濃度検出手段および第２酸素濃度検出手段を備える。第１酸素濃度検出手段は、混合手段の連通室の混合ガス、又は、第２通路のうち第２通路と第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの酸素濃度を検出する。第２酸素濃度検出手段は、エンジンが排出する排気の酸素濃度を検出する。酸素ガス供給量制御手段は、前記所定値、混合ガスの酸素濃度、及び、排気の酸素濃度に基づき酸素ガス供給量を算出する。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、気筒内の窒素濃度の算出について具体的に示すものである。請求項７に記載の発明では、二酸化炭素濃度検出手段、混合ガス窒素濃度算出手段および気筒内窒素濃度算出手段を備える。
二酸化炭素濃度検出手段は、混合手段の連通室の混合ガス、又は、第２通路のうち第２通路と第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの二酸化炭素濃度を検出する。混合ガス窒素濃度算出手段は、第１酸素濃度検出手段が検出する混合ガスの酸素濃度、及び、二酸化炭素濃度検出手段が検出する混合ガスの二酸化炭素濃度に基づき混合ガスの窒素濃度を算出する。気筒内窒素濃度算出手段は、混合ガス窒素濃度算出手段が算出する混合ガスの窒素濃度と酸素ガス供給量とに基づき気筒内の窒素濃度を算出する。
一般に窒素濃度センサは感度が悪い。これに対し、上記構成によれば窒素濃度センサを用いなくても気筒内の窒素濃度を求めることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、気筒内の窒素濃度が所定の閾値を超えるとき、エンジンの吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる遅角制御手段を備える。この遅角制御を実施することでエンジンの燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減することができる。
請求項９に記載の発明では、前記所定の閾値は１０％に設定される。
【００１６】
請求項１０に記載の発明では、作動ガス供給手段は、エンジンの排気通路と混合手段とを連通する排気還流通路を有する排気還流通路部材と、排気還流通路を開閉可能な第２アクチュエータと、を有するＥＧＲ装置から構成される。また、第２アクチュエータの作動を制御することで排気通路から排気還流通路を経由して混合手段に流入する排気量を調整する排気供給量制御手段を備える。
これにより、外気より窒素濃度が低い排気と外気とが混合された混合ガスをエンジンの気筒に取り込み、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。
【００１７】
請求項１１に記載の発明では、排気供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、気筒内の窒素濃度が５％以下になるように第２アクチュエータの作動を制御する。これにより、エンジンの気筒に取り込まれるガスを極低窒素濃度とし、排気中の窒素酸化物を大幅に減らすことができる。
【００１８】
請求項１２に記載の発明では、作動ガス供給手段は、作動ガスを貯留する作動ガスタンクと、作動ガスタンク内と混合手段とを連通する第４通路を有する第４通路部材と、第４通路を開閉可能な第３アクチュエータとから構成される。また、第３アクチュエータの作動を制御することで作動ガスタンクから第４通路を経由して混合手段に供給する作動ガス量を調整する作動ガス供給量制御手段を備える。
これにより、外気より窒素濃度が低い作動ガスと外気とが混合された混合ガスをエンジンの気筒に取り込み、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。
【００１９】
請求項１３に記載の発明では、作動ガスは、水蒸気、アルゴンガス又は二酸化炭素ガスである。これにより、エンジンの気筒に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。特に、単原子分子であるアルゴンガスを用いる場合、エンジンの熱効率を大幅に改善することができる。
【００２０】
請求項１４に記載の発明では、作動ガス供給量制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、気筒内の窒素濃度が５％以下になるように第３アクチュエータの作動を制御する。これにより、エンジンの気筒に取り込まれるガスを極低窒素濃度とし、排気中の窒素酸化物を大幅に減らすことができる。
【００２１】
請求項１５に記載の発明では、混合手段の連通室は、第１通路の横断面積および第２通路の横断面積より大きい横断面積を有する。また、連通室の圧力を検出する圧力センサと、第１通路を開閉可能なスロットル弁と、連通室の圧力が一定値になるようにスロットル弁の開度を制御するスロットル開度制御手段とを備える。これにより、エンジンの気筒に安定的に混合ガスを供給することができる。
【００２２】
請求項１６に記載の発明では、第１通路の途中に設けられる窒素吸着膜と、窒素吸着膜で吸着される窒素ガスを第１通路外に排出する窒素排出通路とを備える。これにより、酸素ガス供給量を比較的少なくしつつ排気中の窒素酸化物を低減可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態のエンジンシステムを示す概略図である。
【図２】図１の電子制御ユニットでエンジンの負荷状態を算出するために使用されるマップを示す図である。
【図３】図１の電子制御ユニットでエンジンの気筒内の酸素濃度の目標値を算出するために使用されるマップを示す図である。
【図４】図１の電子制御ユニットで酸素ガス噴射弁装置を開作動させるパルス幅を算出するために使用されるマップを示す図である。
【図５】図１の電子制御ユニットが通常モードから遷移モードに切り替えたときのエンジンのサイクル数と気筒内窒素濃度との関係を示す図である。
【図６】図１の電子制御ユニットの制御作動のうちメイン処理を示すフローチャート図である。
【図７】図１の電子制御ユニットの制御作動のうち酸素ガス供給量算出処理を示すフローチャート図である。
【図８】図１の電子制御ユニットの制御作動のうち気筒内窒素濃度算出処理を示すフローチャート図である。
【図９】本発明の第２実施形態のエンジンシステムを示す概念図である。
【図１０】本発明の第３実施形態のエンジンシステムを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のエンジンシステムを図１に示す。エンジンシステムは、車両用のものである。図１に示すように、エンジンシステム１０は、エンジン１１、吸気装置１２、排気装置１３、過給機１４、ＥＧＲ装置１５、酸素ガス供給装置１６および電子制御ユニット（Electric Control Unit；以下、「ＥＣＵ」という）１７等を備えている。
【００２５】
エンジン１１は、例えばガソリン等を燃料として用い、車両の駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン１１は、空気を含む混合ガスと燃料とが混ざり合った燃料ガスを気筒１８内に入れ、この燃料ガスをピストン１９で圧縮した後に点火燃焼させる。そして、気筒１８内で膨張する燃焼ガスにより押されるピストン１９の力を運動エネルギーとして取り出す。この運動エネルギーが車両の駆動力として利用される。エンジン１１には、吸気装置１２および排気装置１３が接続されている。なお、エンジン１１は複数の気筒を有しているが、便宜上、図１には気筒１８を１つだけ図示している。
【００２６】
吸気装置１２は、エアクリーナ２０、インタークーラ２１、スロットル弁装置２２、サージタンク２３、吸気マニホールド２４、及び、これらを接続する複数のインテークパイプ２５、２６、２７、２８から構成されている。インテークパイプ２５は外気取込口２９を有している。エアクリーナ２０は、取り込んだ外気中の異物を除去するフィルタである。インタークーラ２１は、インテークパイプ２７とインテークパイプ２８との間に設けられ、インテークパイプ２７から流入する外気を冷却する熱交換器である。スロットル弁装置２２は、インテークパイプ２８の内部通路を開閉可能なスロットル弁３０と、このスロットル弁３０を駆動するスロットルアクチュエータ３１とを有している。
【００２７】
インテークパイプ２５、エアクリーナ２０、インテークパイプ２６、過給機１４の図示しないコンプレッサホイールを収容するハウジング３２、インテークパイプ２７、インタークーラ２１およびインテークパイプ２８は、全体として外気の流通路としての第１通路３３を形成している。インテークパイプ２５、エアクリーナ２０、インテークパイプ２６、ハウジング３２、インテークパイプ２７、インタークーラ２１およびインテークパイプ２８は、特許請求の範囲の「第１通路部材」に相当する。
【００２８】
サージタンク２３は、インテークパイプ２８や吸気マニホールド２４の内部通路の横断面積より大きい横断面積を有する連通室３４を有する。サージタンク２３は、インテークパイプ２８から流入する外気と排気還流パイプ３５から流入する排気とを混合する混合手段として機能する。
吸気マニホールド２４は、サージタンク２３とエンジン１１とを接続し、サージタンク２３の連通室３４と各気筒１８とを連通する第２通路３６を有する分岐管である。吸気マニホールド２４は、サージタンク２３で混合された外気と排気との混合ガスを各気筒１８に導く。吸気マニホールド２４は、特許請求の範囲の「第２通路部材」に相当する。
【００２９】
排気装置１３は、排気マニホールド３７およびエキゾーストパイプ３８等から構成されている。排気マニホールド３７は、エンジン１１の各気筒１８から排出される排気を集合させる。エキゾーストパイプ３８は、排気マニホールド３７に接続され、排気マニホールド３７が集合させた排気を大気中に放出する。排気マニホールド３７の内部通路およびエキゾーストパイプ３８の内部通路は互いに連通しており、排気を導く排気通路３９を形成する
【００３０】
過給機１４は、排気駆動式であり、排気により回される図示しないタービンホイールと、このタービンホイールと一体に回転し空気を圧縮する図示しないコンプレッサホイールと、これらタービンホイールおよびコンプレッサホイールを収容するハウジング３２等から構成されている。過給機１４は、外気を圧縮することによりエンジン１１の各気筒１８により多くの外気を送り込む、すなわち過給する装置である。
【００３１】
ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置１５は、排気還流パイプ３５、排気用絞り弁装置４０およびＥＧＲ弁装置４１から構成されている。排気還流パイプ３５は、エキゾーストパイプ３８とサージタンク２３とを接続し、排気通路３９とサージタンク２３の連通室３４とを連通する排気還流通路４０を有する。排気還流パイプ３５は、特許請求の範囲の「排気還流通路部材」に相当する。
排気用絞り弁装置４０は、エキゾーストパイプ３８と排気還流パイプ３５との接続位置の後流側に設けられ排気通路３９を開閉可能な絞り弁４３と、この絞り弁４３を駆動するアクチュエータ４４とを有する。排気用絞り弁装置４０は、電動式であり、ＥＣＵ１７に作動が制御される。
【００３２】
ＥＧＲ弁装置４１は、排気還流通路４０の途中に設けられ、排気還流通路４０を開閉可能である。ＥＧＲ弁装置４１は、電磁駆動式であり、ＥＣＵ１７に作動が制御される。ＥＧＲ弁装置４１は、特許請求の範囲の「第２アクチュエータ」に相当する。
ＥＧＲ装置１５は、外気より窒素濃度が低い排気の一部をサージタンク２３に戻すことでエンジン１１が吸い込む混合ガスの窒素濃度を低下させる。これによりエンジン１１の燃焼温度を下げる。第１実施形態では、ＥＧＲ装置１５は、特許請求の範囲の「作動ガス供給手段」に相当する。またエンジン１１の排気は、特許請求の範囲の「作動ガス」に相当する。
ＥＣＵ１７は、排気用絞り弁装置４０の作動を制御することでエキゾーストパイプ３８から排気還流パイプ３５へ送り出す排気量を調整し、ＥＧＲ弁装置４１の作動を制御することでサージタンク２３に流入する排気量を調整する「排気供給量制御手段」として機能する。
【００３３】
酸素ガス供給装置１６は、酸素ガスを貯留する酸素ガスタンク４５、酸素ガス流通管４６、サブタンク４７、レギュレータ４８および酸素ガス噴射弁装置４９から構成されている。酸素ガス流通管４６は、酸素ガスタンク４５とサブタンク４７とを接続する。レギュレータ４８は、サブタンク４７内の圧力を一定値に調整する。酸素ガス噴射弁装置４９は、サブタンク４７内の酸素ガスを吸気マニホールド２４の第２通路に噴射する。酸素ガス噴射弁装置４９は、電磁駆動式であり、ＥＣＵ１７に作動が制御される。酸素ガス噴射弁装置４９は、特許請求の範囲の「第１アクチュエータ」に相当する。酸素ガス供給装置１６は、特許請求の範囲の「酸素ガス供給手段」に相当する。
ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御することで酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６に供給する酸素ガス供給量を調整し、エンジン１１の気筒１８内の酸素濃度を調整する「酸素ガス供給量制御手段」として機能する。
【００３４】
ＥＣＵ１７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータから構成されている。ＥＣＵ１７には、エンジン回転数センサ５０、アクセル開度センサ５１、タンク内圧力センサ５２、タンク内温度センサ５３、「第１酸素濃度検出手段」としてのタンク内酸素濃度センサ５４、「二酸化炭素濃度検出手段」としてのタンク内二酸化炭素濃度センサ５５、排気管内圧力センサ５６、および、「第２酸素濃度検出手段」としての排気管内酸素濃度センサ５７が電気的に接続している。ＥＣＵ１７は、各センサ５０〜５７から供給された種々の信号に基づき、ＲＯＭに記録されている所定の制御プログラムに従いスロットル弁装置２２、排気用絞り弁装置４０、ＥＧＲ弁装置４１、レギュレータ４８および酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御する。ＥＣＵ１７は、特許請求の範囲の「酸素ガス供給量制御手段」、「混合ガス窒素濃度算出手段」、「気筒内窒素濃度算出手段」、「遅角制御手段」、「排気供給量制御手段」および「スロットル開度制御手段」として機能する。
【００３５】
エンジン回転数センサ５０は、エンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］を検出し、検出したエンジン回転数ＮＥを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
アクセル開度センサ５１は、アクセルペダル５８の操作量に対応するアクセル開度ＡＣＣ［％］を検出し、検出したアクセル開度ＡＣＣを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
【００３６】
タンク内圧力センサ５２は、サージタンク２３内の圧力すなわち連通室３４の混合ガスの圧力Ｐ１［ＭＰａ］を検出し、検出した圧力Ｐ１を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
タンク内温度センサ５３は、サージタンク２３内の温度すなわち連通室３４の混合ガスの温度Ｔ［℃］を検出し、検出した温度Ｔを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
タンク内酸素濃度センサ５４は、サージタンク２３内の酸素濃度すなわち連通室３４の混合ガスの酸素濃度ＤＯ１［ｖｏｌ％］を検出し、検出した酸素濃度Ｄ１を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。タンク内酸素濃度センサ５４は、特許請求の範囲の「第１酸素濃度センサ」に相当する。
【００３７】
タンク内二酸化炭素濃度センサ５５は、サージタンク２３内の二酸化炭素濃度すなわち連通室３４の混合ガスの二酸化炭素濃度ＤＣＯ［ｖｏｌ％］を検出し、検出した二酸化炭素濃度ＤＣＯを電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
排気管内圧力センサ５６は、排気還流パイプ３５内の圧力すなわち排気の圧力Ｐ２［ＭＰａ］を検出し、検出した圧力Ｐ２を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。
排気管内酸素濃度センサ５７は、排気還流パイプ３５内の酸素濃度すなわち排気の酸素濃度ＤＯ２［ｖｏｌ％］を検出し、検出した酸素濃度ＤＯ２を電気信号としてＥＣＵ１７に出力する。排気管内酸素濃度センサ５７は、特許請求の範囲の「第２酸素濃度センサ」に相当する。
【００３８】
以下、ＥＣＵ１７の機能を詳しく説明する。
＜エンジン負荷算出＞
ＥＣＵ１７は、マップや演算式から例えばエンジントルクＴＥ［Ｎ・ｍ］およびエンジン回転数ＮＥに基づき、エンジン１１の負荷すなわちエンジン負荷ＬＥを算出する。またＥＣＵ１７は、例えば図２に示すマップからエンジントルクＴＥおよびエンジン回転数ＮＥに基づき、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上でどの負荷領域に属するかを算出する。この負荷領域は、図２に示すように縦軸がエンジントルクＴＥ、横軸がエンジン回転数ＮＥの二次元座標内で低負荷領域Ａ１、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３で表される。
【００３９】
低負荷領域Ａ１は、エンジントルクＴＥが相対的に低く、エンジン回転数ＮＥが相対的に低い領域である。高負荷領域Ａ３は、エンジントルクＴＥが相対的に高く、エンジン回転数ＮＥが相対的に高い領域である。中負荷領域Ａ２は、低負荷領域Ａ１と高負荷領域Ａ３との間の領域である。
【００４０】
＜目標気筒内酸素濃度算出＞
ＥＣＵ１７は、例えば図３に示すマップからエンジン負荷ＬＥに基づき、エンジン１１の気筒１８内の酸素濃度の目標値すなわち目標気筒内酸素濃度ＤＴを決定する。図３に示すマップは、エンジン負荷ＬＥが高いほど目標気筒内酸素濃度ＤＴが大きくなるように定められている。目標気筒内酸素濃度ＤＴは、特許請求の範囲の「所定値」に相当する。
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１にあるとき目標気筒内酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以下に設定する。またＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が高負荷領域Ａ３にあるとき目標気筒内酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以上に設定する。
【００４１】
＜酸素ガス供給量算出＞
ＥＣＵ１７は、目標気筒内酸素濃度ＤＴ、混合ガスの酸素濃度ＤＯ１および排気の酸素濃度ＤＯ２に基づき、酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６への酸素ガスの噴射量すなわち酸素ガス供給量ＳＯを算出する。具体的には、ＥＣＵ１７は、先ず、気筒容積と、吸気圧すなわち混合ガスの圧力Ｐ１と、目標気筒内酸素濃度ＤＴとに基づき、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込む酸素量の目標値すなわち目標酸素量ＶＯＴを算出する。
【００４２】
次に、ＥＣＵ１７は、ストローク容積（ピストンストローク×ボア面積）と、混合ガスの圧力Ｐ１と、混合ガスの酸素濃度ＤＯ１とに基づき、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込まれる混合ガスの酸素量ＶＯ１を算出する。
次に、ＥＣＵ１７は、燃焼室容積と、排気の圧力Ｐ２と、排気の酸素濃度ＤＯ２とに基づき、直前のサイクルでエンジン１１の燃焼室に残留した酸素量ＶＯ２を算出する。
次に、ＥＣＵ１７は次式（１）から酸素ガス供給量ＳＯを算出する。
ＳＯ ＝ ＶＯＴ − ＶＯ１ −ＶＯ２・・・（１）
【００４３】
＜酸素ガス供給＞
ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御することで第２通路３６に供給する酸素ガス供給量ＳＯを調整する。具体的には、ＥＣＵ１７は、例えば図４に示すマップから酸素ガス供給量ＳＯに基づき酸素ガス噴射弁装置４９の開動作を制御するパルス幅を算出し、その開動作のパルス幅に基づき酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御する。ＥＣＵ１７は、エンジン１１の各気筒１８内の酸素濃度が目標酸素濃度ＤＴになるように酸素ガス噴射弁装置の開弁時間を制御する。
【００４４】
＜作動ガス供給＞
ＥＣＵ１７は、排気用絞り弁装置４０の作動を制御することでエキゾーストパイプ３８から排気還流パイプ３５へ送り出す排気量を調整する。
またＥＣＵ１７は、ＥＧＲ弁装置４１の作動を制御することでサージタンク２３に供給する排気量を調整する。サージタンク２３に供給する排気量は、例えばエンジン負荷ＬＥ等に応じて変化させる。
【００４５】
＜混合ガス窒素濃度算出＞
ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の混合ガスの酸素濃度ＤＯ１および二酸化炭素濃度ＤＣＯに基づきサージタンク２３内の混合ガスの窒素濃度を算出する。具体的には、ＥＣＵ１７は、先ず、サージタンク２３内の混合ガスの二酸化炭素濃度ＤＣＯに基づきサージタンク２３内の二酸化炭素量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の二酸化炭素量と燃料組成とに基づきサージタンク２３内の水蒸気量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の混合ガスの酸素濃度ＤＯ１に基づきサージタンク２３内の酸素量を算出する。
【００４６】
次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の圧力Ｐ１および温度Ｔに基づきサージタンク内のガス総量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の二酸化炭素量、水蒸気量、酸素量およびガス総量に基づきサージタンク内の窒素量を算出する。次に、ＥＣＵ１７は、サージタンク内の窒素量およびガス総量に基づきサージタンク内の混合ガスの窒素濃度を算出する。
＜気筒内窒素濃度算出＞
ＥＣＵ１７は、混合ガスの窒素濃度と酸素ガス供給量ＳＯとに基づきエンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出する。
【００４７】
＜通常モード作動＞
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１にあるとき、エンジンシステム１０を通常モードで作動させる。この通常モードは、スロットル弁装置２２を制御して外気を導入しつつＥＧＲ弁装置４１を制御してエンジン１１の排気の一部をサージタンク２３に還流させる運転モードである。通常モードでは酸素ガスの供給が為されない。
【００４８】
＜遷移モード作動＞
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２にあるとき、エンジンシステム１０を遷移モードで作動させる。この遷移モードは、スロットル弁装置２２を制御して外気を導入し、ＥＧＲ弁装置４１を制御してエンジン１１の排気の一部をサージタンク２３に還流させながら、酸素ガス噴射弁装置４９を制御して第２通路３６に酸素ガスを供給する運転モードである。例えば、遷移モードでは、通常モードに比べてスロットル弁開度を小さくしつつＥＧＲ率を２０％にする。図５に示すように、通常モードから遷移モードに切り替わるとサージタンク２３内の混合ガスの窒素濃度が約４０サイクルで１０％に収束する。
【００４９】
＜高出力モード作動＞
ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で高負荷領域Ａ３にあるとき、エンジンシステム１０を高出力モードで作動させる。この高出力モードは、スロットル弁装置２２を全閉に近い状態とし、ＥＧＲ弁装置４１を制御してエンジン１１の排気を比較的多くサージタンク２３に還流させながら、酸素ガス噴射弁装置４９を制御して第２通路３６に酸素ガスを比較的多く供給する運転モードである。ＥＣＵ１７は、高出力モードでは各気筒１８内の窒素濃度ＤＮが５％以下の極低窒素濃度になるようにＥＧＲ弁装置４１の作動を制御する。
【００５０】
＜遅角燃焼制御＞
ＥＣＵ１７は、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが所定の閾値を超えるとき、エンジン１１の吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる。前記所定の閾値は例えば１０％に設定される。
＜スロットル弁制御＞
ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の圧力Ｐ１が一定値になるようにスロットル弁３０の開度を制御する。
【００５１】
次に、ＥＣＵ１７の作動を図６〜図８に基づき説明する。
図６のフローはメイン処理の流れを示し、図７および図８のフローはそれぞれメイン処理のサブルーチン処理の流れを示している。図６に示すメイン処理は、エンジン１１の作動している間、繰り返し実行される。その際ＥＣＵ１７は、随時各センサ値を読み込み、それら各センサ値を各処理で使用する。
【００５２】
図６のメイン処理が開始されると、先ずステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す。）では、ＥＣＵ１７はエンジン１１の負荷を算出する。Ｓ１０１の後、処理は酸素ガス供給量算出処理としてのＳ２００に移行する。
Ｓ２００は、酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６への酸素ガスの噴射量すなわち酸素ガス供給量ＳＯを算出するための処理である。図７に示すように、Ｓ２００が開始されると、処理は先ずＳ２０１に移行する。
【００５３】
Ｓ２０１では、ＥＣＵ１７は、目標気筒内酸素濃度ＤＯＴを決定する。Ｓ２０１の後、処理はＳ２０２に移行する。
Ｓ２０２では、ＥＣＵ１７は、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込む目標酸素量ＶＯＴを算出する。Ｓ２０２の後、処理はＳ２０３に移行する。
Ｓ２０３では、ＥＣＵ１７は、次のサイクルでエンジン１１の全気筒１８内に取り込まれる混合ガスの酸素量ＶＯ１を算出する。Ｓ２０３の後、処理はＳ２０４に移行する。
【００５４】
Ｓ２０４では、ＥＣＵ１７は、直前のサイクルでエンジン１１の燃焼室に残留した酸素量ＶＯ２を算出する。Ｓ２０４の後、処理はＳ２０５に移行する。
Ｓ２０５では、ＥＣＵ１７は、前記式（１）から酸素ガス供給量ＳＯを算出する。Ｓ２０５の後、酸素ガス供給量算出処理（Ｓ２００）を終了してメイン処理へ戻る。
【００５５】
図６に戻って、Ｓ２００の後、処理は気筒内窒素濃度算出処理としてのＳ３００に移行する。
Ｓ３００は、エンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出するための処理である。図８に示すように、Ｓ３００が開始されると、処理は先ずＳ３０１に移行する。
Ｓ３０１では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の二酸化炭素量を算出する。Ｓ３０１の後、処理はＳ３０２に移行する。
Ｓ３０２では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の水蒸気量を算出する。Ｓ３０２の後、処理はＳ３０３に移行する。
Ｓ３０３では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の酸素量を算出する。Ｓ３０３の後、処理はＳ３０４に移行する。
【００５６】
Ｓ３０４では、ＥＣＵ１７は、サージタンク内のガス総量を算出する。Ｓ３０４の後、処理はＳ３０５に移行する。
Ｓ３０５では、ＥＣＵ１７は、サージタンク内の窒素量を算出する。Ｓ３０５の後、処理はＳ３０６に移行する。
Ｓ３０６では、ＥＣＵ１７は、サージタンク内の混合ガスの窒素濃度を算出する。Ｓ３０６の後、処理はＳ３０７に移行する。
Ｓ３０７では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出する。Ｓ３０７の後、気筒内窒素濃度算出処理（Ｓ３００）を終了してメイン処理へ戻る。
【００５７】
図６に戻って、Ｓ３００の後、処理はＳ１０２に移行する。
Ｓ１０２では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１であるか否かを判定する。エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１であると判断した場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、処理はＳ１０３へ移行する。一方、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で低負荷領域Ａ１にないと判断した場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、処理はＳ１０４へ移行する。
【００５８】
Ｓ１０３では、ＥＣＵ１７は、エンジンシステム１０を通常モードで作動させる。Ｓ１０３の処理が実行されると、処理はＳ１０７へ移行する。
Ｓ１０４では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２であるか否かを判定する。エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２であると判断した場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、処理はＳ１０５へ移行する。一方、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で中負荷領域Ａ２にないと判断した場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、処理はＳ１０６へ移行する。
【００５９】
Ｓ１０５では、ＥＣＵ１７は、エンジンシステム１０を遷移モードで作動させる。Ｓ１０５の処理が実行されると、処理はＳ１０７へ移行する。
Ｓ１０６では、ＥＣＵ１７は、エンジンシステム１０を高出力モードで作動させる。Ｓ１０６の処理が実行されると、処理はＳ１０７へ移行する。
【００６０】
Ｓ１０７では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の気筒１８内の窒素濃度ＤＮが１０［％］より小さいか否かを判定する。窒素濃度ＤＮが１０［％］より小さいと判断した場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、処理はＳ１０８へ移行する。一方、窒素濃度ＤＮが１０［％］以上であると判断した場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、処理はＳ１０９へ移行する。
【００６１】
Ｓ１０８では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の吸入弁および排気弁の開閉タイミングを通常通り制御する。Ｓ１０８の処理が実行されると、メイン処理が終了する。
Ｓ１０９では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる遅角制御を実施する。Ｓ１０９の処理が実行されると、メイン処理が終了する。
【００６２】
以上説明したように、第１実施形態のエンジンシステム１０では、ＥＧＲ装置１５から供給される排気と外気とがサージタンク２３で混合され、エンジン１１の気筒１８に供給される。また、酸素ガス供給装置１６は、第２通路３６の混合ガスに酸素ガスを供給可能である。ＥＣＵ１７は、酸素ガス噴射弁装置４９の作動を制御して酸素ガス供給装置１６から第２通路３６に供給する酸素ガス供給量を調整することでエンジン１１の気筒１８内の酸素濃度を調整する。
【００６３】
この構成では、外気より窒素濃度が低い排気と外気とが混合された混合ガスをエンジン１１の気筒１８に取り込む。そのため、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。また、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガスに酸素ガスを加えることで、そのガス中の酸素量を増やすことが可能である。よって、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らしつつ酸素量を増やすことが可能である。これにより、エンジン１１の高温燃焼を実現しつつ排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【００６４】
また、第１実施形態では、酸素ガス供給装置１６は、酸素ガスタンク４５に貯留された酸素ガスを酸素ガス流通管４６およびサブタンク４７を経由して酸素ガス噴射弁装置４９から第２通路３６に供給可能である。
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の気筒１８内の酸素濃度が所定値になるように酸素ガス噴射弁装置４９の開弁時間、すなわち開作動を制御するパルス幅を制御する。このように酸素ガス噴射弁装置４９の開弁時間を制御することで第２通路３６に供給される酸素ガス量を微調整することができる。
【００６５】
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の負荷が高いほど目標酸素濃度ＤＴを大きく設定する。これにより、エンジン１１の負荷が高いほどエンジン１１の気筒１８内の酸素濃度が高くなり、エンジン１１の負荷に応じた適当な制御が可能となる。
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が相対的に低負荷の低負荷領域にあるとき目標酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以下に設定する。またＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき目標酸素濃度ＤＴを外気の酸素濃度以上に設定する。これにより、エンジン１１の負荷に応じた適当な制御が可能となる。
【００６６】
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、サージタンク２３内の酸素濃度ＤＯ１および二酸化炭素濃度ＤＣＯに基づき気筒１８内の窒素濃度ＤＮを算出する。これにより、窒素濃度センサを用いなくても気筒１８内の窒素濃度ＤＮを求めることができる。
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが所定の閾値を超えるとき、エンジン１１の吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる。前記所定の閾値は例えば１０％に設定される。この遅角制御を実施することでエンジン１１の燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【００６７】
また、第１実施形態では、ＥＣＵ１７は、エンジン１１の運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが５％以下になるようにＥＧＲ弁装置４１の作動を制御する。これにより、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガスを極低窒素濃度とし、排気中の窒素酸化物を大幅に減らすことができる。
また、第１実施形態では、サージタンク２３の連通室３４は、第１通路３３の横断面積および第２通路３６の横断面積より大きい横断面積を有する。また、ＥＣＵ１７は、連通室３４の圧力が一定値になるようにスロットル弁３０の開度を制御する。これにより、エンジン１１の気筒１８に安定的に混合ガスを供給することができる。
【００６８】
（第２実施形態）
第２実施形態のエンジンシステムを図９に示す。第２実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、アルゴンガス供給装置６０を備える。アルゴンガス供給装置６０は、特許請求の範囲の「作動ガス供給手段」に相当する。
アルゴンガス供給装置６０は、「作動ガス」としてのアルゴンガスを貯留するアルゴンガスタンク６１と、アルゴンガスタンク６１内とサージタンク２３とを連通する連通路を有するアルゴンガス供給管６２と、アルゴンガス供給管６２を開閉可能な電磁弁６３とを有する。電磁弁６３は、特許請求の範囲の「第３アクチュエータ」に相当する。
【００６９】
第２実施形態のＥＣＵ６４は、第１実施形態の機能に加え、アルゴンガス供給量制御手段として機能する。アルゴンガス供給量制御手段は、特許請求の範囲の「作動ガス供給量制御手段」に相当するものであり、電磁弁６３の作動を制御することでアルゴンガスタンク６１からアルゴンガス供給管６２を経由してサージタンク２３に供給するアルゴンガス量を調整する。ＥＣＵ６４は、エンジン１１の運転状態が図２のマップ上で高負荷領域Ａ３にあるとき、気筒１８内の窒素濃度ＤＮが５％以下になるように電磁弁６３の作動を制御する。
【００７０】
第２実施形態では、外気より窒素濃度が低い排気、外気およびアルゴンガスが混合された混合ガスをエンジン１１の気筒１８に取り込み、エンジン１１の気筒１８に取り込まれるガス中の窒素量を外気より減らすことができる。
また、第２実施形態では、単原子分子であるアルゴンガスを混合ガスに付加することでエンジン１１の熱効率を大幅に改善することができる。
【００７１】
（第３実施形態）
第３実施形態のエンジンシステムを図１０に示す。第３実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、窒素吸着膜７０、窒素排出通路部材７１および窒素排出弁装置７３を備える。窒素吸着膜７０は、インテークパイプ２７の途中に設けられ、第１通路３３を流れる外気の窒素を吸着する。窒素吸着膜７０を通過した外気は窒素濃度が低下する。窒素排出通路部材７１は、窒素吸着膜７０で吸着される窒素ガスを第１通路３３外すなわち大気に排出するための窒素排出通路７２を有する。
第３実施形態のＥＣＵ７４は、第１実施形態の機能に加え、窒素排出弁装置７３の作動を制御して窒素排出通路７２を開放し、窒素吸着膜７０で吸着される窒素ガスを大気に排出する機能を備えている。
【００７２】
第３実施形態では、インテークパイプ２７の途中に設けられる窒素吸着膜７０で窒素濃度が低下させられた外気がサージタンク２３に供給されるので、酸素ガス供給装置１６の酸素ガス供給量を比較的少なくしつつ排気中の窒素酸化物を低減可能である。
【００７３】
（他の実施形態）
また、本発明の他の実施形態では、サージタンクが設けられなくてもよい。その場合、インテークパイプおよびと排気還流パイプの下流側の端部が吸気マニホールドの上流側の端部に接続されればよい。
第３実施形態では、アルゴンガスが供給されるように構成されていた。これに対し、本発明の他の実施形態では、たとえば水蒸気や二酸化炭素ガスなどの他の作動ガスが供給されてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、ＥＣＵは、エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、必ずしも気筒内の窒素濃度が５％以下になるように制御する必要はない。
【００７４】
また、本発明の他の実施形態では、混合ガスの圧力、温度、酸素濃度および二酸化炭素濃度を検出する各センサが吸気マニホールドの第２通路のうち酸素ガス噴射弁装置の上流側に設けられてもよい。
また、第１〜第３実施形態における酸素濃度および二酸化炭素濃度を直接的に検出する各センサに代えて、本発明の他の実施形態では、他の情報に基づいて演算等で間接的に酸素濃度および二酸化炭素濃度を算出する濃度検出手段を設けてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、ＥＣＵは、必ずしもサージタンク内の圧力が一定値になるようにスロットル開度を制御する必要はない。
また、本発明の他の実施形態では、過給器やインタークーラが設けられなくてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、窒素濃度センサを用いても良い。
また、第１〜第３実施形態における酸素ガス噴射弁装置４９およびＥＧＲ弁装置４１、及び、第２実施形態における電磁弁６３に代えて、本発明の他の実施形態では、例えばモータ等で作動する他のアクチュエータが用いられてもよい。
【００７５】
以上、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０・・・エンジンシステム
１１・・・エンジン
１５・・・ＥＧＲ装置（作動ガス供給手段）
１６・・・酸素ガス供給装置（酸素ガス供給手段）
１７・・・ＥＣＵ（酸素ガス供給量制御手段）
１８・・・気筒
２０・・・エアクリーナ（第１通路部材）
２１・・・インタークーラ（第１通路部材）
２３・・・サージタンク（混合手段）
２４・・・吸気マニホールド（第２通路部材）
２５，２６，２７，２８・・・インテークパイプ
３２・・・ハウジング（第１通路部材）
３３・・・第１通路
３４・・・連通室
３６・・・第２通路
６０・・・アルゴンガス供給装置（作動ガス供給手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気を取り込み可能であり、取り込んだ外気が流れる第１通路を有する第１通路部材と、
外気より窒素濃度が低い作動ガスを供給可能な作動ガス供給手段と、
前記第１通路と前記作動ガス供給手段とを連通する連通室を有し、前記第１通路から流入する外気と前記作動ガス供給手段から流入する前記作動ガスとを前記連通室で混合する混合手段と、
前記混合手段の前記連通室とエンジンの気筒とを連通する第２通路を有し、外気と前記作動ガスとの混合ガスを前記気筒に導く第２通路部材と、
前記第２通路に酸素ガスを供給可能な酸素ガス供給手段と、
前記酸素ガス供給手段から前記第２通路に供給される酸素ガス供給量を調整することで前記気筒内の酸素濃度を調整する酸素ガス供給量制御手段と、
を備えることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
前記酸素ガス供給手段は、
酸素ガスを貯留する酸素ガスタンクと、
前記酸素ガスタンク内と前記第２通路とを連通する第３通路を有する第３通路部材と、
前記第３通路を開閉可能な第１アクチュエータと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記気筒内の酸素濃度が所定値になるように前記第１アクチュエータの開弁時間を制御することを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記エンジンの負荷が高いほど前記所定値を大きく設定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記エンジンの運転状態が低負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以下に設定し、前記エンジンの運転状態が高負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以上に設定することを特徴とする請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記連通室の混合ガス、又は、前記第２通路のうち当該第２通路と前記第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段と、
前記エンジンが排出する排気の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段と、
をさらに備え、
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記所定値、前記混合ガスの酸素濃度、及び、前記排気の酸素濃度に基づき前記酸素ガス供給量を算出することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
前記連通室の混合ガス、又は、前記第２通路のうち当該第２通路と前記第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段と、
前記第１酸素濃度検出手段が検出する前記混合ガスの酸素濃度、及び、前記二酸化炭素濃度検出手段が検出する前記混合ガスの二酸化炭素濃度に基づき前記混合ガスの窒素濃度を算出する混合ガス窒素濃度算出手段と、
前記混合ガス窒素濃度算出手段が算出する前記混合ガスの窒素濃度と前記酸素ガス供給量とに基づき前記気筒内の窒素濃度を算出する気筒内窒素濃度算出手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記気筒内の窒素濃度が所定の閾値を超えるとき、前記エンジンの吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる遅角制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のエンジンシステム。
【請求項９】
前記所定の閾値は１０％であることを特徴とする請求項８に記載のエンジンシステム。
【請求項１０】
前記作動ガス供給手段は、前記エンジンの排気通路と前記混合手段とを連通する排気還流通路を有する排気還流通路部材と、前記排気還流通路を開閉可能な第２アクチュエータと、を有するＥＧＲ装置から構成され、
前記第２アクチュエータの作動を制御することで前記排気通路から前記排気還流通路を経由して前記混合手段に流入する排気量を調整する排気供給量制御手段をさらに備え、
前記作動ガスは前記エンジンの排気であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１１】
前記排気供給量制御手段は、前記エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、前記気筒内の窒素濃度が５％以下になるように前記第２アクチュエータの作動を制御することを特徴とする請求項１０に記載のエンジンシステム。
【請求項１２】
前記作動ガス供給手段は、前記作動ガスを貯留する作動ガスタンクと、前記作動ガスタンク内と前記混合手段とを連通する第４通路を有する第４通路部材と、前記第４通路を開閉可能な第３アクチュエータと、を有し、
前記第３アクチュエータの作動を制御することで前記作動ガスタンクから前記第４通路を経由して前記混合手段に供給する作動ガス量を調整する作動ガス供給量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１３】
前記作動ガスは、水蒸気、アルゴンガス又は二酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項１〜１０、１２のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１４】
前記作動ガス供給量制御手段は、前記エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、前記気筒内の窒素濃度が５％以下になるように前記第３アクチュエータの作動を制御することを特徴とする請求項１２に記載のエンジンシステム。
【請求項１５】
前記連通室は、前記第１通路の横断面積および前記第２通路の横断面積より大きい横断面積を有し、
前記連通室の圧力を検出する圧力センサと、
前記第１通路の途中に設けられ、前記第１通路の開度を調整可能なスロットル弁と、
前記連通室の圧力が一定値になるように前記スロットル弁の開度を制御するスロットル開度制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１６】
前記第１通路の途中に設けられる窒素吸着膜と、
前記窒素吸着膜で吸着される窒素ガスを前記第１通路外に排出する窒素排出通路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１】
外気を取り込み可能であり、取り込んだ外気が流れる第１通路を有する第１通路部材と、
外気より窒素濃度が低い作動ガスを供給可能な作動ガス供給手段と、
前記第１通路と前記作動ガス供給手段とを連通する連通室を有し、前記第１通路から流入する外気と前記作動ガス供給手段から流入する前記作動ガスとを前記連通室で混合する混合手段と、
前記混合手段の前記連通室とエンジンの気筒とを連通する第２通路を有し、外気と前記作動ガスとの混合ガスを前記気筒に導く第２通路部材と、
前記第２通路に酸素ガスを供給可能な酸素ガス供給手段と、
前記酸素ガス供給手段から前記第２通路に供給される酸素ガス供給量を調整することで前記気筒内の酸素濃度を調整する酸素ガス供給量制御手段と、
を備えることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
前記酸素ガス供給手段は、
酸素ガスを貯留する酸素ガスタンクと、
前記酸素ガスタンク内と前記第２通路とを連通する第３通路を有する第３通路部材と、
前記第３通路を開閉可能な第１アクチュエータと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記気筒内の酸素濃度が所定値になるように前記第１アクチュエータの開弁時間を制御することを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記エンジンの負荷が高いほど前記所定値を大きく設定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記エンジンの運転状態が低負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以下に設定し、前記エンジンの運転状態が高負荷領域にあるとき前記所定値を外気の酸素濃度以上に設定することを特徴とする請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記連通室の混合ガス、又は、前記第２通路のうち当該第２通路と前記第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段と、
前記エンジンが排出する排気の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段と、
をさらに備え、
前記酸素ガス供給量制御手段は、前記所定値、前記混合ガスの酸素濃度、及び、前記排気の酸素濃度に基づき前記酸素ガス供給量を算出することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
前記連通室の混合ガス、又は、前記第２通路のうち当該第２通路と前記第３通路との合流位置より上流を流れる混合ガスの二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段と、
前記第１酸素濃度検出手段が検出する前記混合ガスの酸素濃度、及び、前記二酸化炭素濃度検出手段が検出する前記混合ガスの二酸化炭素濃度に基づき前記混合ガスの窒素濃度を算出する混合ガス窒素濃度算出手段と、
前記混合ガス窒素濃度算出手段が算出する前記混合ガスの窒素濃度と前記酸素ガス供給量とに基づき前記気筒内の窒素濃度を算出する気筒内窒素濃度算出手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記気筒内の窒素濃度が所定の閾値を超えるとき、前記エンジンの吸入弁および排気弁の一方または両方の開閉タイミングを遅らせる遅角制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のエンジンシステム。
【請求項９】
前記所定の閾値は１０％であることを特徴とする請求項８に記載のエンジンシステム。
【請求項１０】
前記作動ガス供給手段は、前記エンジンの排気通路と前記混合手段とを連通する排気還流通路を有する排気還流通路部材と、前記排気還流通路を開閉可能な第２アクチュエータと、を有するＥＧＲ装置から構成され、
前記第２アクチュエータの作動を制御することで前記排気通路から前記排気還流通路を経由して前記混合手段に流入する排気量を調整する排気供給量制御手段をさらに備え、
前記作動ガスは前記エンジンの排気であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１１】
前記排気供給量制御手段は、前記エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、前記気筒内の窒素濃度が５％以下になるように前記第２アクチュエータの作動を制御することを特徴とする請求項１０に記載のエンジンシステム。
【請求項１２】
前記作動ガス供給手段は、前記作動ガスを貯留する作動ガスタンクと、前記作動ガスタンク内と前記混合手段とを連通する第４通路を有する第４通路部材と、前記第４通路を開閉可能な第３アクチュエータと、を有し、
前記第３アクチュエータの作動を制御することで前記作動ガスタンクから前記第４通路を経由して前記混合手段に供給する作動ガス量を調整する作動ガス供給量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１３】
前記作動ガスは、水蒸気、アルゴンガス又は二酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項１〜１０、１２のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１４】
前記作動ガス供給量制御手段は、前記エンジンの運転状態が相対的に高負荷の高負荷領域にあるとき、前記気筒内の窒素濃度が５％以下になるように前記第３アクチュエータの作動を制御することを特徴とする請求項１２に記載のエンジンシステム。
【請求項１５】
前記連通室は、前記第１通路の横断面積および前記第２通路の横断面積より大きい横断面積を有し、
前記連通室の圧力を検出する圧力センサと、
前記第１通路の途中に設けられ、前記第１通路の開度を調整可能なスロットル弁と、
前記連通室の圧力が一定値になるように前記スロットル弁の開度を制御するスロットル開度制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１６】
前記第１通路の途中に設けられる窒素吸着膜と、
前記窒素吸着膜で吸着される窒素ガスを前記第１通路外に排出する窒素排出通路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１１１９８（Ｐ２０１３−１１１９８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４３２３７（Ｐ２０１１−１４３２３７）
【出願日】平成２３年６月２８日（２０１１．６．２８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２８日（２０１１．６．２８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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