内燃機関の吸気制御装置
【課題】 排ガス中のＮＯｘを低減とエンジンの大きなトルクの実現とが両立する吸気制御装置は知られていない。
【解決手段】 内燃機関の吸気制御装置は、燃焼室１７に空気を供給する吸気管２１と、吸気管に酸素を供給し吸気管の空気と混合させる酸素供給手段２５，２９と、吸気管に不活性ガスを供給し吸気管の空気と混合させるガス供給手段２５，３８と、空気と酸素及び／又は不活性ガスとを混合した混合吸気中の酸素濃度を測定する酸素センサ５０と、酸素センサからの情報に基づき、酸素供給手段からの酸素供給量及び／又はガス供給手段からの不活性ガス供給量を制御する制御手段３１，４１，５２とを備える。
【解決手段】 内燃機関の吸気制御装置は、燃焼室１７に空気を供給する吸気管２１と、吸気管に酸素を供給し吸気管の空気と混合させる酸素供給手段２５，２９と、吸気管に不活性ガスを供給し吸気管の空気と混合させるガス供給手段２５，３８と、空気と酸素及び／又は不活性ガスとを混合した混合吸気中の酸素濃度を測定する酸素センサ５０と、酸素センサからの情報に基づき、酸素供給手段からの酸素供給量及び／又はガス供給手段からの不活性ガス供給量を制御する制御手段３１，４１，５２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に導入（供給）する吸気中の酸素濃度を制御する吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のエンジンなどの内燃機関では、吸気（通常は空気即ち大気）を吸気系で燃焼室に導入し、導入した吸気を燃焼室で燃料と混合して可燃混合気を生成する。可燃混合気に点火プラグで点火し爆発により得られるエネルギを動力として利用し、可燃混合気が燃焼した排ガスは排気系を通して車外に排出される。
【０００３】
近年、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等による大気への影響が問題になっており、ＮＯｘの排出を抑制するために種々の技術が開発されている。ＮＯｘの発生量は燃焼室内での可燃混合気の燃焼状態と関係があり、燃焼状態を決める一つの要因が吸気系から導入される吸気の成分、特に酸素の濃度である。
【０００４】
ＮＯｘを低減させるためには吸気中の酸素濃度を低くして、燃焼を抑制すれば良い。そのために従来の内燃機関（特許文献１参照）では、排気系の排ガスを排ガス還流装置（ＥＧＲ）で吸気系に戻し、吸気と混合している。排ガス中の酸素濃度は空気（大気）のそれよりも低いので、空気と排ガスとを混合した混合吸気の酸素濃度は空気の酸素濃度よりも低くなる。こうして、混合吸気の酸素濃度を下げることにより燃焼を抑制し、ＮＯｘの発生量を低減している。
【特許文献１】特開平５−２３１２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ＥＧＲによるＮＯｘの排出量の低減には以下の問題点がある。第１に、ＥＧＲで還流される排ガスは非常に高温であるため、これを吸気系の空気と混合するためには冷却して温度を下げることが必要になる。しかし、そのために冷却手段を取り付ければ、その分コストがかさむのみならず、取り付けスペースが必要となる。
【０００６】
第２に、排ガスと吸気との混合によりＮＯｘは低減できても、エンジンの大きな動力の（トルク）を得る上では有効と言えない。つまり、追い越しなどのために加速したいときは可燃混合気の活発な燃焼が必要であるが、酸素濃度が低い排ガスを混合してもトルクはあまり向上しない。これに関連して、排ガス中の窒素や酸素の含有量はエンジンの運転条件により変化し不安定であるので、排ガスを吸気と混合して混合吸気中の窒素濃度及び酸素濃度を所定値に制御するのは困難である。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、排ガス中のＮＯｘを低減できるとともに、大きなトルクが得られるように吸気中の酸素濃度を制御できる、吸気制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（イ）本発明者は、吸気管において、空気（大気）に必要に応じて酸素及び／又は不活性ガスを混合することを着想して本発明を完成した。本発明の内燃機関の吸気制御装置は請求項１に記載したように、内燃機関の燃焼室に空気を供給する吸気管と、吸気管に酸素を供給し空気と混合させる酸素供給手段と、吸気管に不活性ガスを供給し空気と混合させるガス供給手段と、空気と酸素及び／又は不活性ガスとを混合した混合吸気中の酸素濃度を測定する酸素センサと、酸素センサからの情報に基づき酸素供給手段からの酸素供給量及び／又はガス供給手段からの不活性ガス供給量を制御する制御手段と、を備えている。
【０００９】
なお、例えば特開２００１−１８２５７３号公報に記載された燃焼制御装置は、大気から酸素及び窒素を分離する酸素・窒素分離器と、蓄圧室と、燃焼室に臨んで取り付けられたガス噴射弁とを示す。分離した後蓄圧した所定量の酸素を含んだ噴射ガスを燃焼室内（筒内）に噴射している。但し、ガス供給量の確保の点から見ると、公開公報の技術のように噴射ガスを筒内に噴射するよりも、本発明のように酸素及び不活性ガスを吸気管に供給する方が、ガス供給量の確保が容易である。また、実現可能性の高さから見ても、公開公報の技術のように噴射ガスを筒内に噴射するために酸素を高圧にするよりも、本発明のように吸気管に、例えば吸気管上のタンクに供給する方が、実現性が高いと考えられる。
【００１０】
（ロ）以下、本発明の内燃機関の吸気制御装置の構成要素の種々の態様を説明する。代表的な内燃機関は車両のエンジンであるが、これに限定されない。ガソリンを燃料とするガソリンエンジンでも、軽油を燃料とするディーゼルエンジンでも良い。吸気制御装置は吸気管、酸素供給手段、ガス供給手段、酸素センサ及び制御手段を備えている。吸気管はその一端が大気に開口し、その他端が燃焼室に接続され、空気（大気）を燃焼室に導入するものである。
【００１１】
ａ．酸素供給手段
酸素供給手段は吸気管の途中に接続され、吸気管内を流れる空気に酸素を混合させ、酸素濃度が高い混合吸気を生成する。酸素濃度の向上により燃焼室内での可燃混合気中の燃焼が活発になる。酸素は分離器で大気から分離したり（第１タイプ）、予め酸素を貯えたタンクから供給できる（第２タイプ）。なお、第１タイプ又は第２タイプの酸素に、酸素を利用するためにＥＧＲで還流させた排ガスを混合しても良い（第３タイプ）。上述したように排ガスは非常に高温であるが、酸素や不活性ガスとともに空気に混合すれば、混合吸気の温度はそれほど上昇しない。また、酸素を排気管や車室内に供給することもできる（第４タイプ）。
【００１２】
酸素を供給する際は、吸気管の途中から分離しその後合流する分岐管に大気から酸素及び窒素を分離する分離器を配置したり（ａタイプ）、また一端が大気に開口し他端が吸気管の途中に接続された吸気管とは別の第１供給管に分離器や酸素タンクを取り付けること（ｂタイプ）ができる。
【００１３】
ｂ．ガス供給手段は吸気管の途中に接続され、吸気管内を流れる空気に不活性ガスを混合させ、不活性ガス濃度が高い即ち酸素濃度が低い混合吸気を生成する。燃焼室内の可燃混合気中の酸素濃度の低下により燃焼が抑制される。不活性ガスの代表例は窒素であるが、これに限定されない。窒素は分離器で大気から分離したり（第５タイプ）、予め窒素を貯えたタンクから供給できる（第６タイプ）。なお、第５タイプ又は第６タイプの窒素に、窒素を利用するためにＥＧＲで還流させた排ガスを混合しても良い（第７タイプ）。
【００１４】
不活性ガスの供給の際は、吸気管の途中から分離し、その後合流する分岐管に上記分離器を配置したり（ｃタイプ）、また一端が大気に開口し他端が吸気管の途中に接続された上記吸気管及び第１供給管とは別の第２供給管に分離器や窒素タンクを取り付ける（ｄタイプ）ことができる
混合吸気の成分には四つの態様がある。空気と酸素とから成る混合吸気は、酸素センサで検出された検出酸素濃度が、内燃機関の運転状態に応じてＥＣＵが記憶している目標酸素濃度よりも低く、酸素濃度を上げたい場合に有効である。酸素の供給により大気中の酸素濃度（含有量約２１％）を上回ることも可能である。一方、空気と不活性ガスとから成る混合吸気中は、検出酸素濃度が目標酸素濃度よりも高く、酸素濃度を下げたい場合に有効である。窒素の供給により大気中の窒素濃度（含有量約７８％）を上回ることも可能である。
【００１５】
空気、酸素及び不活性ガスから成る混合吸気は両者の中間の場合に有効である。更に、ＥＧＲで排ガスを還流させる場合その中に含まれている酸素を又は窒素を利用でき、それにより分離器などから供給する酸素及び窒素の量が少なくできる。なお、排ガス中の酸素量が多すぎるとき分離器などから窒素を供給し、また排ガスの温度が高すぎるときは空気又は分離などから窒素を供給できる。
【００１６】
以上要するに、酸素は混合吸気中の酸素濃度の上昇、排気管への供給、及び車室内への供給に利用される。窒素は混合吸気中の酸素濃度の低下や還流する排ガスの温度の低下に利用される。排ガスは空気や酸素又は窒素とともに不活性ガスとして利用できる。なお、空気量、酸素量、窒素量及び排ガス量は混合吸気が所定の酸素濃度となるように、調整すれば良い。
【００１７】
ｃ．酸素センサ、制御手段
酸素センサは混合吸気中の酸素の濃度を測定するもので、例えば酸化ジルコニア（ＺｒＯ2）を利用できる。ＺｒＯ2は酸素イオンを自由に通し酸素イオンと反応して起電力を発生するので、この起電力の大きさを調べることにより酸素濃度を測定できる。但し、酸化ジルコニア以外の汎用の酸素センサを使用できる。
【００１８】
酸素濃度の正確な測定のためには、吸気混合気が燃焼室に流入する直前、即ち吸気管の吸気口の上流に配置することが望ましい。排ガス中の酸素濃度と可燃混合気の酸素濃度との間には相関関係があるので、酸素センサを排気管の排気口の下流に配置しても、排ガス中の酸素濃度の測定に基づき混合吸気中の酸素濃度を推測できる。
【００１９】
制御手段は酸素センサからの情報に基づき、酸素供給量及び不活性ガス供給量を制御する。具体的には、内燃機関の運転条件に応じた最適の酸素濃度を目標酸素濃度とし、酸素センサで検出された検出酸素濃度を目標酸素濃度と比較する。比較結果に応じて、酸素供給手段及び／又はガス供給手段の開度を調整して、例えばタンクに貯蔵された酸素及び／又は窒素の吸気管への流入量を制御する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の内燃機関の吸気制御装置によれば、通常は排ガス中のＮＯｘを低減でき、しかも必要に応じて内燃機関の大きな動力を得るように吸気を制御できる。つまり、ＮＯｘの低減と大きなトルクとが両立できる。また、排ガス中のＥＧＲを利用しないで排ガスの冷却手段が不要であり、構造が簡単でコストが安価になる。
【００２１】
請求項２の内燃機関の吸気制御装置によれば、酸素及び窒素を大気から分離するので安価でしかも成分が安定している。請求項３の内燃機関の吸気制御装置によれば、吸気管から分岐管が分岐しているので、一部の空気をそのまま送り、残部を分離器で分離できる。
請求項４の内燃機関の吸気制御装置によれば、分離器で分離されタンクに貯蔵された酸素及び窒素のうちの所定量を、必要に応じて制御手段で制御して吸気管に容易に供給できる。請求項５の内燃機関の吸気制御装置によれば、吸気管の空気にＥＧＲにより排ガスを混合し、排ガスを不活性ガスとして利用でき、その分ガス供給手段の構造が簡単になる。
【００２２】
請求項６の内燃機関の吸気制御装置によれば、酸素センサが吸気孔の近くにあるので、混合吸気の酸素濃度を正確に測定できる。請求項７の内燃機関の吸気制御装置によれば、酸素センサの配置に融通性が生ずる。請求項８の内燃機関の吸気制御装置によれば、制御手段の目標酸素濃度に基づき酸素及び不活性ガスの供給量を決めれば、短時間にしかも正確な酸素濃度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の最良の形態による内燃機関の吸気制御装置について説明する。
【００２４】
＜第１の最良の形態＞
（イ）構成
図１にガソリンエンジン及びその吸気系を示す。ガソリンエンジン（以下、「エンジン」と呼ぶ）はシリンダ１０、ピストン１５、吸気弁２５、燃料噴射弁４４、排気弁５５及び点火プラグ６０などを含む。詳述すると、シリンダ１０のシリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２にピストン１５が摺動可能に滑合され、ピストン−クランク機構がピストン１５の往復運動をクランク１６の回転運動に変換している。シリンダボア１２の上部空間が燃焼室１７を形成している。
【００２５】
燃焼室１７に接続された吸気管２１の途中の分岐点２３で第１分岐管２４が分岐し、分岐点２３よりも下流側の混合槽３０で吸気管２１に合流している。第１分岐管２４上に大気から酸素及び窒素を分離する分離器２５が配置され、その下流側に酸素タンク２９が配置されている。図２に示すように、分離器２５は容器２６と、その内部に収容された窒素透過膜２７とを含む。両端が閉じた円筒形状の容器２６の両端壁に第１分岐管２４が接続され、周壁から第２分岐管３３が分岐している。円筒形状の窒素透過膜（ゼオライト膜）２７が容器と同心的に配置されている。導入された空気のうち、酸素は窒素透過膜２７の中空部を軸方向に流れ、窒素は窒素透過膜２７を半径方向外向きに透過する。
【００２６】
分離器２５から分岐し混合槽３０に合流する第２分岐路３３上に吸引ポンプ３５が接続され、分離器２５内の空気を半径方向外向きに吸引している。排気管５５内を流通する排ガスにより作動される駆動源３６が吸引ポンプ３５に接続されている。第２分岐管３３上の吸引ポンプ３５の下流側に窒素タンク３８が配置されている。上記酸素タンク２９及び窒素タンク３８はそれぞれ分離器２５で分離された酸素及び窒素を一時的に貯蔵できる。
【００２７】
第１分岐路２４の終端近傍に第１流量調整弁３１が配置され、第２分岐路３３の終端近傍に第２流量調整弁４１が配置されている。ＥＣＵ５２からの指令で第１流量調整弁３１及び第２流量調整弁４１の開度を調整することにより、酸素タンク２９及び窒素タンク３８から吸気管２１への酸素の流入量（合流量）を変更できる。
【００２８】
図１及び図３において、吸気管２１の吸気孔２２に配置された吸気弁４６はシリンダブロック１１を覆うシリンダヘッド１３内に収容された駆動機構４８により駆動され、所定時期に吸気孔２２を開閉する。吸気孔２２の付近に燃料を噴射する燃料噴射弁４４は燃料パイプ（不図示）を介して燃料タンクと接続されている。
【００２９】
混合槽３０の下流側で吸気口２２の上流側に酸素センサ５０が配置され、空気と、酸素及び／又は窒素とが混合した混合吸気中の酸素濃度を測定している。酸素センサ５０が接続されたＥＣＵ５２が図４に示す、エンジンの運転状態に応じた最適の酸素濃度を目標酸素濃度として記憶している。図４の低負荷域Ａは、回転数が０から約２５００ｒｐｍで、負荷率０から２５％の領域である。この低負荷域Ａでは、活発な燃焼が要求されないため、必要とされる酸素量が少ない。また、ＮＯｘの排出量が少ないことが必要とされるため、燃焼を促進する要因となる酸素濃度を低下させる必要がある。
【００３０】
負荷率が６０％を超える領域である高負荷域Ｃでは、燃焼を促進させる必要があるため、必要とされる酸素量が多くなる。中負荷域Ｂは低負荷域Ａと高負荷域Ｃとの中間の領域で、特に酸素量の増減が必要とされない。なお、これら低負荷域Ａ、高負荷域Ｂ及び中間域Ｃは、予め適合実験などで最適酸素濃度を導出し、ＥＣＵ５２に記憶しておく。
【００３１】
ＥＣＵ５２は第１流量調整弁３１及び第２流量調整弁４１に接続されこれらの開度を調整する。また、燃焼室１７に接続された排気管５５の吸気孔５６に配置された排気弁５８は、シリンダヘッド１３内に収容された駆動機構５９により駆動され、所定時期に排気孔５６を開閉する。上記シリンダヘッド１３の頂部に、可燃混合気に点火する点火プラグ６０が取り付けられている。
【００３２】
（ロ）作用
次に、この吸気制御装置の作用を説明する。吸気工程でシリンダ１０内のピストン１５が下降し、それに伴い大気（空気）が吸気管２１を通して燃焼室１７に導入される。吸気管２１を流れる空気の一部はそのまま混合槽３０に流入し、残部は分岐点２３で第１分岐管２４に分岐して分離器２５に流入する。分離器２５において、酸素は窒素透過膜２７の中空部を軸方向に流れて酸素タンク２９に流入し、窒素は窒素透過膜２７を半径方向外向きに通過し第２分岐管３３を流れて窒素タンク３８に流入し、それぞれ一時的に貯蔵される。
【００３３】
吸気管２１を流れる空気、第１分岐管２４を流れる酸素及び第２分岐管３３を流れる窒素が混合槽３０で合流され、混合吸気を生成する。吸気管２１からの空気供給量は流量調整弁（不図示）の開度で、第１分岐管２４からの酸素供給量は第１流量調整弁３１の開度で、第２分岐管３３からの窒素供給量は第２流量調整弁４１の開度で、それぞれ決まる。第１流量調整弁３１及び第２流量調整弁４１の開度は、酸素センサ５０が検知した酸素濃度に基づきＥＣＵ５２が決める。ピストン１５が上昇する圧縮行程で点火プラグ６０により混合吸気に点火される。
【００３４】
時間と酸素濃度との関係を示す図５において、ＥＣＵ５２に記憶された目標酸素濃度がＸで、酸素センサ５０が検出する検出酸素濃度がＹで示されている。例えば車両の発進時は、図４にＣで示すように負荷率が高く、図５にｘ１で示す高い目標酸素濃度に対して、ｙ１で示す酸素センサ５０による検出酸素濃度が低い。そのため、ＥＣＵ５２からの指令で第１流量調整弁３１を開き、第２流量調整弁４１を閉じる。すると、吸気管２１を流れる空気に第１分岐路２４及び酸素タンク２９からの酸素が混合槽３０に合流し、混合吸気を生成する。その結果、混合吸気中の酸素濃度が上昇し、図４にｙ１で示すように検出酸素濃度が上下動（脈動）しながら高い目標酸素濃度ｘ１に近づく。混合吸気と燃料噴射弁４４から噴射された燃料とが燃焼室１７内で混合された可燃混合気に点火プラグ６０で点火されると、可燃混合気が活発に燃焼し、大きなトルクが得られる。
【００３５】
これに対して、例えば定常走行時は、図４にＡで示すように負荷率が低く、図５の低い目標酸素濃度ｘ２に対して、検出酸素濃度ｙ２が高い。そのため、第１流量調整弁３１を閉じ第２流量調整弁４１を開くと、吸気管２１を流れる空気に第２分岐管３３及び窒素タンク３８からの窒素が混合槽３０で合流し、空気と酸素とで混合吸気が生成される。その結果、図５の検出酸素濃度ｙ２が低下し、低い目標酸素濃度ｘ２に近づき、混合吸気の酸素濃度が下降する。従って、燃焼室１７内の可燃混合気に点火プラグ６０で点火されると、可燃混合気の燃焼が抑制される。なお、図５の中負荷域Ｂでは、第１流量制御弁３１及び第２調整弁４１を何れも半開状態にする。
【００３６】
（ハ）効果
この吸気制御装置によれば、以下の効果が得られる。第１に、混合吸気中の酸素濃度をエンジンの運転状態に応じて変更できる。即ち、定常走行時等にＮＯｘを低減したいときは第２分岐管３３から窒素を吸気管２１の空気中に供給し、混合吸気中の酸素濃度を低くして可燃混合気の燃焼を抑制する。空気中の窒素の含有量は約７８％であるが、第２分岐管３３からの窒素の供給により含有量を７８％に近づけ、必要に応じて７８％より多くできる。これに対して、発進時等に大きなトルクを得たい場合は第１分岐管２４から酸素を吸気管２１の空気に供給し、酸素濃度を高くして可燃混合気を活発に燃焼させる。 空気中の酸素の含有量は約２１％であるが、第１分岐管２４からの酸素の供給により含有量を２１％に近づけ、必要に応じて２１％より多くできる。
【００３７】
第２に、酸素及び窒素は安価で、含有量は安定し、しかもＥＧＲによる排ガスの利用と異なり冷却は不要である。第１分岐管２４から供給する酸素及び第２分岐管３３から供給する窒素は、大気を分離器２５で分離しているからである。第３に、ＥＣＵ５２による第１流量制御弁３１及び第２流量制御弁４１の制御が正確である。酸素センサ５０を吸気管２１の吸気孔２２の上流側に配置し、燃焼室１７に流入する直前の混合吸気中の酸素濃度を測定し、測定結果をＥＣＵ５２にフィードバックしているからである。
【００３８】
＜第２の最良の形態＞
図６に示す第２の最良の形態は、上記第１の最良の形態と比べて、酸素タンク２９から供給する酸素を排気管５５に供給する点が異なり、その他の点は同じである。以下、異なる構成を中心に説明する。排気管５５の途中にＮＯｘを還元して窒素（Ｎ2）に浄化するＮＯｘ浄化触媒７０が配置されている。酸素タンク２９から延びた供給管７２の先端が排気管５５のＮＯｘ浄化触媒７０の上流側に接続されている。
【００３９】
第２の最良の形態によれば、酸素を排気管５５上のＮＯｘ触媒７０の上流側に供給して排ガスと混合させる。このように供給された酸素とＤＰＦとの組み合わせにより、排ガス中のすすの燃焼を促進できる。なお、酸素タンク２９の酸素を車室内に供給することもできる。そうすれば、乗員の脳内の血液中の酸素濃度を上げ、集中力の低下や居眠りを防止できる。
【００４０】
＜第３の最良の形態＞
図７及び図８に示す第３の最良の形態は、上記第１の最良の形態と比べて、混合槽３０に、ＥＧＲで排ガスを還流させる点が異なる。排ガス中の酸素濃度が比較的高い場合、排ガスを第１分岐管２４からの酸素の補助手段として利用するものである。詳述すると、排気管５５のＮＯｘ浄化触媒７０の下流側から延びた環流管８０（図６中二点鎖線参照）の先端が混合槽３０に接続されている。吸気管２１を流れる空気、第１分岐管２４を流れる酸素の他に、環流管８０により排ガスを混合槽３０に還流している。
【００４１】
第３の最良の形態において、図８にｘ１で示すように目標酸素濃度が高いときは、第１流量調整弁３１の他に流量調整弁８２を開く。すると、第１分岐管２１及び環流管８２から酸素が供給されるので、酸素センサ５０による検出酸素濃度がｙ１で示すように上昇する。また、目標酸素濃度がｘ２のように下がったときは、流量調整弁３１及び／又は８２を閉じる。
【００４２】
第３の最良の形態によれば、排ガス中の酸素により混合吸気の酸素濃度を調整できるので、その分第１分岐管２４からの酸素供給量が少なくて済む。なお排ガスは高温であるが、酸素とともに空気に混合され混合吸気中に占める排ガスの量は少ないので、混合吸気の温度がそれほど上昇する心配はない。
【００４３】
＜変形例＞
以下、上記最良の形態における変形例を示す。
【００４４】
第１変形例として、上記第１から第３の最良の形態において、大気から酸素及び窒素を分離する上記分離器２５の代わりに、図９に示す分離器１００を使用することができる。この分離器は、両端が閉じた円筒形状のケース１０２の軸方向中間部に円板形状の酸素透過膜１０４が配置されている。
【００４５】
第２変形例として、上記第１から第３の最良の形態において、酸素及び窒素は分離器２５などの代わりに、貯蔵タンクから供給することができる。図１０に示すように、第１分岐管２４に酸素タンク１１０を接続し、第２分岐管３３に窒素タンク１１５を接続すれば良い。このようにすれば、分離器２５等が不要となり、その分コストを低減できる。
【００４６】
第３変形例として、上記第１から第３の最良の形態において、酸素センサ５０は、吸気管２１の代わりに、排気管５５に取り付けることもできる。図１１に示すように、排気管５５の排気孔５６の下流に酸素センサ５０を取り付け、測定結果をＥＣＵ５２に出力する。排ガス中の酸素濃度と混合吸気中の酸素濃度との間には相関関係があるので、排ガス中の酸素濃度に基づき酸素及び窒素の供給量を決めても、大きな測定誤差は生じない。
【００４７】
第４変形例として、上記第３の最良の形態において、図１２に示すように混合槽３０の下流側に酸素センサ５０の他に温度センサ１２０を設け、その出力をＥＣＵ５２に出力する。ＥＧＲで還流される高温の排ガスは通常冷却手段で冷却されるが、冷却が不十分なことがある。そこで、混合槽３０の下流側に配置した温度センサ１２０で混合吸気の温度を検知する。
【００４８】
検出温度Ｙが目標温度Ｘを超えたときは、流量調整弁８２を閉じて環流管８０からの排ガスの還流量を減らすとともに、流量調整弁４１を開いて第２分岐管３３から窒素を供給する。窒素を供給した結果、Ｙで示すように混合吸気の温度が目標温度まで低下する。この変形例では、排ガスを不活性ガスとして利用でき、しかもその冷却手段が簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の最良の形態による内燃機関の吸気制御装置の全体説明図である。
【図２】図１における２−２断面図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【図４】第１の最良の形態のＥＣＵの記憶内容の説明図である。
【図５】第１の最良の形態の作動説明図である。
【図６】第２の最良の形態の吸気制御装置の説明図である。
【図７】第３の最良の形態の吸気制御装置の要部説明図である。
【図８】同じく作動説明図である。
【図９】第１変形例の構成説明図である。
【図１０】第２変形例の構成説明図である。
【図１１】第３変形例の構成説明図である。
【図１２】第４変形例の構成説明図である。
【図１３】第４変形例の作動説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０：シリンダ １５：ピストン
２１：吸気管 ２２：吸気孔
２４：第１分岐管 ２５：分離器
２８：酸素タンク ３１：第１流量調整弁
３３：第２分岐管 ３８：窒素タンク
４１：第２流量調整弁 ４４：燃料噴射弁
５０：酸素センサ ５２：ＥＣＵ
６０：点火プラグ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に導入（供給）する吸気中の酸素濃度を制御する吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のエンジンなどの内燃機関では、吸気（通常は空気即ち大気）を吸気系で燃焼室に導入し、導入した吸気を燃焼室で燃料と混合して可燃混合気を生成する。可燃混合気に点火プラグで点火し爆発により得られるエネルギを動力として利用し、可燃混合気が燃焼した排ガスは排気系を通して車外に排出される。
【０００３】
近年、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等による大気への影響が問題になっており、ＮＯｘの排出を抑制するために種々の技術が開発されている。ＮＯｘの発生量は燃焼室内での可燃混合気の燃焼状態と関係があり、燃焼状態を決める一つの要因が吸気系から導入される吸気の成分、特に酸素の濃度である。
【０００４】
ＮＯｘを低減させるためには吸気中の酸素濃度を低くして、燃焼を抑制すれば良い。そのために従来の内燃機関（特許文献１参照）では、排気系の排ガスを排ガス還流装置（ＥＧＲ）で吸気系に戻し、吸気と混合している。排ガス中の酸素濃度は空気（大気）のそれよりも低いので、空気と排ガスとを混合した混合吸気の酸素濃度は空気の酸素濃度よりも低くなる。こうして、混合吸気の酸素濃度を下げることにより燃焼を抑制し、ＮＯｘの発生量を低減している。
【特許文献１】特開平５−２３１２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ＥＧＲによるＮＯｘの排出量の低減には以下の問題点がある。第１に、ＥＧＲで還流される排ガスは非常に高温であるため、これを吸気系の空気と混合するためには冷却して温度を下げることが必要になる。しかし、そのために冷却手段を取り付ければ、その分コストがかさむのみならず、取り付けスペースが必要となる。
【０００６】
第２に、排ガスと吸気との混合によりＮＯｘは低減できても、エンジンの大きな動力の（トルク）を得る上では有効と言えない。つまり、追い越しなどのために加速したいときは可燃混合気の活発な燃焼が必要であるが、酸素濃度が低い排ガスを混合してもトルクはあまり向上しない。これに関連して、排ガス中の窒素や酸素の含有量はエンジンの運転条件により変化し不安定であるので、排ガスを吸気と混合して混合吸気中の窒素濃度及び酸素濃度を所定値に制御するのは困難である。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、排ガス中のＮＯｘを低減できるとともに、大きなトルクが得られるように吸気中の酸素濃度を制御できる、吸気制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（イ）本発明者は、吸気管において、空気（大気）に必要に応じて酸素及び／又は不活性ガスを混合することを着想して本発明を完成した。本発明の内燃機関の吸気制御装置は請求項１に記載したように、内燃機関の燃焼室に空気を供給する吸気管と、吸気管に酸素を供給し空気と混合させる酸素供給手段と、吸気管に不活性ガスを供給し空気と混合させるガス供給手段と、空気と酸素及び／又は不活性ガスとを混合した混合吸気中の酸素濃度を測定する酸素センサと、酸素センサからの情報に基づき酸素供給手段からの酸素供給量及び／又はガス供給手段からの不活性ガス供給量を制御する制御手段と、を備えている。
【０００９】
なお、例えば特開２００１−１８２５７３号公報に記載された燃焼制御装置は、大気から酸素及び窒素を分離する酸素・窒素分離器と、蓄圧室と、燃焼室に臨んで取り付けられたガス噴射弁とを示す。分離した後蓄圧した所定量の酸素を含んだ噴射ガスを燃焼室内（筒内）に噴射している。但し、ガス供給量の確保の点から見ると、公開公報の技術のように噴射ガスを筒内に噴射するよりも、本発明のように酸素及び不活性ガスを吸気管に供給する方が、ガス供給量の確保が容易である。また、実現可能性の高さから見ても、公開公報の技術のように噴射ガスを筒内に噴射するために酸素を高圧にするよりも、本発明のように吸気管に、例えば吸気管上のタンクに供給する方が、実現性が高いと考えられる。
【００１０】
（ロ）以下、本発明の内燃機関の吸気制御装置の構成要素の種々の態様を説明する。代表的な内燃機関は車両のエンジンであるが、これに限定されない。ガソリンを燃料とするガソリンエンジンでも、軽油を燃料とするディーゼルエンジンでも良い。吸気制御装置は吸気管、酸素供給手段、ガス供給手段、酸素センサ及び制御手段を備えている。吸気管はその一端が大気に開口し、その他端が燃焼室に接続され、空気（大気）を燃焼室に導入するものである。
【００１１】
ａ．酸素供給手段
酸素供給手段は吸気管の途中に接続され、吸気管内を流れる空気に酸素を混合させ、酸素濃度が高い混合吸気を生成する。酸素濃度の向上により燃焼室内での可燃混合気中の燃焼が活発になる。酸素は分離器で大気から分離したり（第１タイプ）、予め酸素を貯えたタンクから供給できる（第２タイプ）。なお、第１タイプ又は第２タイプの酸素に、酸素を利用するためにＥＧＲで還流させた排ガスを混合しても良い（第３タイプ）。上述したように排ガスは非常に高温であるが、酸素や不活性ガスとともに空気に混合すれば、混合吸気の温度はそれほど上昇しない。また、酸素を排気管や車室内に供給することもできる（第４タイプ）。
【００１２】
酸素を供給する際は、吸気管の途中から分離しその後合流する分岐管に大気から酸素及び窒素を分離する分離器を配置したり（ａタイプ）、また一端が大気に開口し他端が吸気管の途中に接続された吸気管とは別の第１供給管に分離器や酸素タンクを取り付けること（ｂタイプ）ができる。
【００１３】
ｂ．ガス供給手段は吸気管の途中に接続され、吸気管内を流れる空気に不活性ガスを混合させ、不活性ガス濃度が高い即ち酸素濃度が低い混合吸気を生成する。燃焼室内の可燃混合気中の酸素濃度の低下により燃焼が抑制される。不活性ガスの代表例は窒素であるが、これに限定されない。窒素は分離器で大気から分離したり（第５タイプ）、予め窒素を貯えたタンクから供給できる（第６タイプ）。なお、第５タイプ又は第６タイプの窒素に、窒素を利用するためにＥＧＲで還流させた排ガスを混合しても良い（第７タイプ）。
【００１４】
不活性ガスの供給の際は、吸気管の途中から分離し、その後合流する分岐管に上記分離器を配置したり（ｃタイプ）、また一端が大気に開口し他端が吸気管の途中に接続された上記吸気管及び第１供給管とは別の第２供給管に分離器や窒素タンクを取り付ける（ｄタイプ）ことができる
混合吸気の成分には四つの態様がある。空気と酸素とから成る混合吸気は、酸素センサで検出された検出酸素濃度が、内燃機関の運転状態に応じてＥＣＵが記憶している目標酸素濃度よりも低く、酸素濃度を上げたい場合に有効である。酸素の供給により大気中の酸素濃度（含有量約２１％）を上回ることも可能である。一方、空気と不活性ガスとから成る混合吸気中は、検出酸素濃度が目標酸素濃度よりも高く、酸素濃度を下げたい場合に有効である。窒素の供給により大気中の窒素濃度（含有量約７８％）を上回ることも可能である。
【００１５】
空気、酸素及び不活性ガスから成る混合吸気は両者の中間の場合に有効である。更に、ＥＧＲで排ガスを還流させる場合その中に含まれている酸素を又は窒素を利用でき、それにより分離器などから供給する酸素及び窒素の量が少なくできる。なお、排ガス中の酸素量が多すぎるとき分離器などから窒素を供給し、また排ガスの温度が高すぎるときは空気又は分離などから窒素を供給できる。
【００１６】
以上要するに、酸素は混合吸気中の酸素濃度の上昇、排気管への供給、及び車室内への供給に利用される。窒素は混合吸気中の酸素濃度の低下や還流する排ガスの温度の低下に利用される。排ガスは空気や酸素又は窒素とともに不活性ガスとして利用できる。なお、空気量、酸素量、窒素量及び排ガス量は混合吸気が所定の酸素濃度となるように、調整すれば良い。
【００１７】
ｃ．酸素センサ、制御手段
酸素センサは混合吸気中の酸素の濃度を測定するもので、例えば酸化ジルコニア（ＺｒＯ2）を利用できる。ＺｒＯ2は酸素イオンを自由に通し酸素イオンと反応して起電力を発生するので、この起電力の大きさを調べることにより酸素濃度を測定できる。但し、酸化ジルコニア以外の汎用の酸素センサを使用できる。
【００１８】
酸素濃度の正確な測定のためには、吸気混合気が燃焼室に流入する直前、即ち吸気管の吸気口の上流に配置することが望ましい。排ガス中の酸素濃度と可燃混合気の酸素濃度との間には相関関係があるので、酸素センサを排気管の排気口の下流に配置しても、排ガス中の酸素濃度の測定に基づき混合吸気中の酸素濃度を推測できる。
【００１９】
制御手段は酸素センサからの情報に基づき、酸素供給量及び不活性ガス供給量を制御する。具体的には、内燃機関の運転条件に応じた最適の酸素濃度を目標酸素濃度とし、酸素センサで検出された検出酸素濃度を目標酸素濃度と比較する。比較結果に応じて、酸素供給手段及び／又はガス供給手段の開度を調整して、例えばタンクに貯蔵された酸素及び／又は窒素の吸気管への流入量を制御する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の内燃機関の吸気制御装置によれば、通常は排ガス中のＮＯｘを低減でき、しかも必要に応じて内燃機関の大きな動力を得るように吸気を制御できる。つまり、ＮＯｘの低減と大きなトルクとが両立できる。また、排ガス中のＥＧＲを利用しないで排ガスの冷却手段が不要であり、構造が簡単でコストが安価になる。
【００２１】
請求項２の内燃機関の吸気制御装置によれば、酸素及び窒素を大気から分離するので安価でしかも成分が安定している。請求項３の内燃機関の吸気制御装置によれば、吸気管から分岐管が分岐しているので、一部の空気をそのまま送り、残部を分離器で分離できる。
請求項４の内燃機関の吸気制御装置によれば、分離器で分離されタンクに貯蔵された酸素及び窒素のうちの所定量を、必要に応じて制御手段で制御して吸気管に容易に供給できる。請求項５の内燃機関の吸気制御装置によれば、吸気管の空気にＥＧＲにより排ガスを混合し、排ガスを不活性ガスとして利用でき、その分ガス供給手段の構造が簡単になる。
【００２２】
請求項６の内燃機関の吸気制御装置によれば、酸素センサが吸気孔の近くにあるので、混合吸気の酸素濃度を正確に測定できる。請求項７の内燃機関の吸気制御装置によれば、酸素センサの配置に融通性が生ずる。請求項８の内燃機関の吸気制御装置によれば、制御手段の目標酸素濃度に基づき酸素及び不活性ガスの供給量を決めれば、短時間にしかも正確な酸素濃度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の最良の形態による内燃機関の吸気制御装置について説明する。
【００２４】
＜第１の最良の形態＞
（イ）構成
図１にガソリンエンジン及びその吸気系を示す。ガソリンエンジン（以下、「エンジン」と呼ぶ）はシリンダ１０、ピストン１５、吸気弁２５、燃料噴射弁４４、排気弁５５及び点火プラグ６０などを含む。詳述すると、シリンダ１０のシリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２にピストン１５が摺動可能に滑合され、ピストン−クランク機構がピストン１５の往復運動をクランク１６の回転運動に変換している。シリンダボア１２の上部空間が燃焼室１７を形成している。
【００２５】
燃焼室１７に接続された吸気管２１の途中の分岐点２３で第１分岐管２４が分岐し、分岐点２３よりも下流側の混合槽３０で吸気管２１に合流している。第１分岐管２４上に大気から酸素及び窒素を分離する分離器２５が配置され、その下流側に酸素タンク２９が配置されている。図２に示すように、分離器２５は容器２６と、その内部に収容された窒素透過膜２７とを含む。両端が閉じた円筒形状の容器２６の両端壁に第１分岐管２４が接続され、周壁から第２分岐管３３が分岐している。円筒形状の窒素透過膜（ゼオライト膜）２７が容器と同心的に配置されている。導入された空気のうち、酸素は窒素透過膜２７の中空部を軸方向に流れ、窒素は窒素透過膜２７を半径方向外向きに透過する。
【００２６】
分離器２５から分岐し混合槽３０に合流する第２分岐路３３上に吸引ポンプ３５が接続され、分離器２５内の空気を半径方向外向きに吸引している。排気管５５内を流通する排ガスにより作動される駆動源３６が吸引ポンプ３５に接続されている。第２分岐管３３上の吸引ポンプ３５の下流側に窒素タンク３８が配置されている。上記酸素タンク２９及び窒素タンク３８はそれぞれ分離器２５で分離された酸素及び窒素を一時的に貯蔵できる。
【００２７】
第１分岐路２４の終端近傍に第１流量調整弁３１が配置され、第２分岐路３３の終端近傍に第２流量調整弁４１が配置されている。ＥＣＵ５２からの指令で第１流量調整弁３１及び第２流量調整弁４１の開度を調整することにより、酸素タンク２９及び窒素タンク３８から吸気管２１への酸素の流入量（合流量）を変更できる。
【００２８】
図１及び図３において、吸気管２１の吸気孔２２に配置された吸気弁４６はシリンダブロック１１を覆うシリンダヘッド１３内に収容された駆動機構４８により駆動され、所定時期に吸気孔２２を開閉する。吸気孔２２の付近に燃料を噴射する燃料噴射弁４４は燃料パイプ（不図示）を介して燃料タンクと接続されている。
【００２９】
混合槽３０の下流側で吸気口２２の上流側に酸素センサ５０が配置され、空気と、酸素及び／又は窒素とが混合した混合吸気中の酸素濃度を測定している。酸素センサ５０が接続されたＥＣＵ５２が図４に示す、エンジンの運転状態に応じた最適の酸素濃度を目標酸素濃度として記憶している。図４の低負荷域Ａは、回転数が０から約２５００ｒｐｍで、負荷率０から２５％の領域である。この低負荷域Ａでは、活発な燃焼が要求されないため、必要とされる酸素量が少ない。また、ＮＯｘの排出量が少ないことが必要とされるため、燃焼を促進する要因となる酸素濃度を低下させる必要がある。
【００３０】
負荷率が６０％を超える領域である高負荷域Ｃでは、燃焼を促進させる必要があるため、必要とされる酸素量が多くなる。中負荷域Ｂは低負荷域Ａと高負荷域Ｃとの中間の領域で、特に酸素量の増減が必要とされない。なお、これら低負荷域Ａ、高負荷域Ｂ及び中間域Ｃは、予め適合実験などで最適酸素濃度を導出し、ＥＣＵ５２に記憶しておく。
【００３１】
ＥＣＵ５２は第１流量調整弁３１及び第２流量調整弁４１に接続されこれらの開度を調整する。また、燃焼室１７に接続された排気管５５の吸気孔５６に配置された排気弁５８は、シリンダヘッド１３内に収容された駆動機構５９により駆動され、所定時期に排気孔５６を開閉する。上記シリンダヘッド１３の頂部に、可燃混合気に点火する点火プラグ６０が取り付けられている。
【００３２】
（ロ）作用
次に、この吸気制御装置の作用を説明する。吸気工程でシリンダ１０内のピストン１５が下降し、それに伴い大気（空気）が吸気管２１を通して燃焼室１７に導入される。吸気管２１を流れる空気の一部はそのまま混合槽３０に流入し、残部は分岐点２３で第１分岐管２４に分岐して分離器２５に流入する。分離器２５において、酸素は窒素透過膜２７の中空部を軸方向に流れて酸素タンク２９に流入し、窒素は窒素透過膜２７を半径方向外向きに通過し第２分岐管３３を流れて窒素タンク３８に流入し、それぞれ一時的に貯蔵される。
【００３３】
吸気管２１を流れる空気、第１分岐管２４を流れる酸素及び第２分岐管３３を流れる窒素が混合槽３０で合流され、混合吸気を生成する。吸気管２１からの空気供給量は流量調整弁（不図示）の開度で、第１分岐管２４からの酸素供給量は第１流量調整弁３１の開度で、第２分岐管３３からの窒素供給量は第２流量調整弁４１の開度で、それぞれ決まる。第１流量調整弁３１及び第２流量調整弁４１の開度は、酸素センサ５０が検知した酸素濃度に基づきＥＣＵ５２が決める。ピストン１５が上昇する圧縮行程で点火プラグ６０により混合吸気に点火される。
【００３４】
時間と酸素濃度との関係を示す図５において、ＥＣＵ５２に記憶された目標酸素濃度がＸで、酸素センサ５０が検出する検出酸素濃度がＹで示されている。例えば車両の発進時は、図４にＣで示すように負荷率が高く、図５にｘ１で示す高い目標酸素濃度に対して、ｙ１で示す酸素センサ５０による検出酸素濃度が低い。そのため、ＥＣＵ５２からの指令で第１流量調整弁３１を開き、第２流量調整弁４１を閉じる。すると、吸気管２１を流れる空気に第１分岐路２４及び酸素タンク２９からの酸素が混合槽３０に合流し、混合吸気を生成する。その結果、混合吸気中の酸素濃度が上昇し、図４にｙ１で示すように検出酸素濃度が上下動（脈動）しながら高い目標酸素濃度ｘ１に近づく。混合吸気と燃料噴射弁４４から噴射された燃料とが燃焼室１７内で混合された可燃混合気に点火プラグ６０で点火されると、可燃混合気が活発に燃焼し、大きなトルクが得られる。
【００３５】
これに対して、例えば定常走行時は、図４にＡで示すように負荷率が低く、図５の低い目標酸素濃度ｘ２に対して、検出酸素濃度ｙ２が高い。そのため、第１流量調整弁３１を閉じ第２流量調整弁４１を開くと、吸気管２１を流れる空気に第２分岐管３３及び窒素タンク３８からの窒素が混合槽３０で合流し、空気と酸素とで混合吸気が生成される。その結果、図５の検出酸素濃度ｙ２が低下し、低い目標酸素濃度ｘ２に近づき、混合吸気の酸素濃度が下降する。従って、燃焼室１７内の可燃混合気に点火プラグ６０で点火されると、可燃混合気の燃焼が抑制される。なお、図５の中負荷域Ｂでは、第１流量制御弁３１及び第２調整弁４１を何れも半開状態にする。
【００３６】
（ハ）効果
この吸気制御装置によれば、以下の効果が得られる。第１に、混合吸気中の酸素濃度をエンジンの運転状態に応じて変更できる。即ち、定常走行時等にＮＯｘを低減したいときは第２分岐管３３から窒素を吸気管２１の空気中に供給し、混合吸気中の酸素濃度を低くして可燃混合気の燃焼を抑制する。空気中の窒素の含有量は約７８％であるが、第２分岐管３３からの窒素の供給により含有量を７８％に近づけ、必要に応じて７８％より多くできる。これに対して、発進時等に大きなトルクを得たい場合は第１分岐管２４から酸素を吸気管２１の空気に供給し、酸素濃度を高くして可燃混合気を活発に燃焼させる。 空気中の酸素の含有量は約２１％であるが、第１分岐管２４からの酸素の供給により含有量を２１％に近づけ、必要に応じて２１％より多くできる。
【００３７】
第２に、酸素及び窒素は安価で、含有量は安定し、しかもＥＧＲによる排ガスの利用と異なり冷却は不要である。第１分岐管２４から供給する酸素及び第２分岐管３３から供給する窒素は、大気を分離器２５で分離しているからである。第３に、ＥＣＵ５２による第１流量制御弁３１及び第２流量制御弁４１の制御が正確である。酸素センサ５０を吸気管２１の吸気孔２２の上流側に配置し、燃焼室１７に流入する直前の混合吸気中の酸素濃度を測定し、測定結果をＥＣＵ５２にフィードバックしているからである。
【００３８】
＜第２の最良の形態＞
図６に示す第２の最良の形態は、上記第１の最良の形態と比べて、酸素タンク２９から供給する酸素を排気管５５に供給する点が異なり、その他の点は同じである。以下、異なる構成を中心に説明する。排気管５５の途中にＮＯｘを還元して窒素（Ｎ2）に浄化するＮＯｘ浄化触媒７０が配置されている。酸素タンク２９から延びた供給管７２の先端が排気管５５のＮＯｘ浄化触媒７０の上流側に接続されている。
【００３９】
第２の最良の形態によれば、酸素を排気管５５上のＮＯｘ触媒７０の上流側に供給して排ガスと混合させる。このように供給された酸素とＤＰＦとの組み合わせにより、排ガス中のすすの燃焼を促進できる。なお、酸素タンク２９の酸素を車室内に供給することもできる。そうすれば、乗員の脳内の血液中の酸素濃度を上げ、集中力の低下や居眠りを防止できる。
【００４０】
＜第３の最良の形態＞
図７及び図８に示す第３の最良の形態は、上記第１の最良の形態と比べて、混合槽３０に、ＥＧＲで排ガスを還流させる点が異なる。排ガス中の酸素濃度が比較的高い場合、排ガスを第１分岐管２４からの酸素の補助手段として利用するものである。詳述すると、排気管５５のＮＯｘ浄化触媒７０の下流側から延びた環流管８０（図６中二点鎖線参照）の先端が混合槽３０に接続されている。吸気管２１を流れる空気、第１分岐管２４を流れる酸素の他に、環流管８０により排ガスを混合槽３０に還流している。
【００４１】
第３の最良の形態において、図８にｘ１で示すように目標酸素濃度が高いときは、第１流量調整弁３１の他に流量調整弁８２を開く。すると、第１分岐管２１及び環流管８２から酸素が供給されるので、酸素センサ５０による検出酸素濃度がｙ１で示すように上昇する。また、目標酸素濃度がｘ２のように下がったときは、流量調整弁３１及び／又は８２を閉じる。
【００４２】
第３の最良の形態によれば、排ガス中の酸素により混合吸気の酸素濃度を調整できるので、その分第１分岐管２４からの酸素供給量が少なくて済む。なお排ガスは高温であるが、酸素とともに空気に混合され混合吸気中に占める排ガスの量は少ないので、混合吸気の温度がそれほど上昇する心配はない。
【００４３】
＜変形例＞
以下、上記最良の形態における変形例を示す。
【００４４】
第１変形例として、上記第１から第３の最良の形態において、大気から酸素及び窒素を分離する上記分離器２５の代わりに、図９に示す分離器１００を使用することができる。この分離器は、両端が閉じた円筒形状のケース１０２の軸方向中間部に円板形状の酸素透過膜１０４が配置されている。
【００４５】
第２変形例として、上記第１から第３の最良の形態において、酸素及び窒素は分離器２５などの代わりに、貯蔵タンクから供給することができる。図１０に示すように、第１分岐管２４に酸素タンク１１０を接続し、第２分岐管３３に窒素タンク１１５を接続すれば良い。このようにすれば、分離器２５等が不要となり、その分コストを低減できる。
【００４６】
第３変形例として、上記第１から第３の最良の形態において、酸素センサ５０は、吸気管２１の代わりに、排気管５５に取り付けることもできる。図１１に示すように、排気管５５の排気孔５６の下流に酸素センサ５０を取り付け、測定結果をＥＣＵ５２に出力する。排ガス中の酸素濃度と混合吸気中の酸素濃度との間には相関関係があるので、排ガス中の酸素濃度に基づき酸素及び窒素の供給量を決めても、大きな測定誤差は生じない。
【００４７】
第４変形例として、上記第３の最良の形態において、図１２に示すように混合槽３０の下流側に酸素センサ５０の他に温度センサ１２０を設け、その出力をＥＣＵ５２に出力する。ＥＧＲで還流される高温の排ガスは通常冷却手段で冷却されるが、冷却が不十分なことがある。そこで、混合槽３０の下流側に配置した温度センサ１２０で混合吸気の温度を検知する。
【００４８】
検出温度Ｙが目標温度Ｘを超えたときは、流量調整弁８２を閉じて環流管８０からの排ガスの還流量を減らすとともに、流量調整弁４１を開いて第２分岐管３３から窒素を供給する。窒素を供給した結果、Ｙで示すように混合吸気の温度が目標温度まで低下する。この変形例では、排ガスを不活性ガスとして利用でき、しかもその冷却手段が簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の最良の形態による内燃機関の吸気制御装置の全体説明図である。
【図２】図１における２−２断面図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【図４】第１の最良の形態のＥＣＵの記憶内容の説明図である。
【図５】第１の最良の形態の作動説明図である。
【図６】第２の最良の形態の吸気制御装置の説明図である。
【図７】第３の最良の形態の吸気制御装置の要部説明図である。
【図８】同じく作動説明図である。
【図９】第１変形例の構成説明図である。
【図１０】第２変形例の構成説明図である。
【図１１】第３変形例の構成説明図である。
【図１２】第４変形例の構成説明図である。
【図１３】第４変形例の作動説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０：シリンダ １５：ピストン
２１：吸気管 ２２：吸気孔
２４：第１分岐管 ２５：分離器
２８：酸素タンク ３１：第１流量調整弁
３３：第２分岐管 ３８：窒素タンク
４１：第２流量調整弁 ４４：燃料噴射弁
５０：酸素センサ ５２：ＥＣＵ
６０：点火プラグ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室（１７）に空気を供給する吸気管（２１）と、
前記吸気管に酸素を供給し前記吸気管の空気と混合させる酸素供給手段（２５，２９）と、
前記吸気管に不活性ガスを供給し前記吸気管の空気と混合させるガス供給手段（２５，３８）と、
空気と酸素及び／又は不活性ガスとを混合した混合吸気中の酸素濃度を測定する酸素センサ（５０）と、
前記酸素センサからの情報に基づき、前記酸素供給手段からの酸素供給量及び／又は前記ガス供給手段からの不活性ガス供給量を制御する制御手段（３１，４１，５２）と、
を備えることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項２】
前記酸素供給手段が供給する酸素は空気から分離され、前記ガス供給手段が供給する不活性ガスは大気から分離した窒素である請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項３】
前記吸気管の途中から分岐した後吸気管に合流した分岐管（２４）に、空気から酸素及び窒素を分離する分離器（２５）が配置されている請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項４】
前記分岐管に、前記分離器で分離された酸素及び窒素を一時的に貯蔵する二つのタンク（２９，３８）が設けられ、該タンクに貯蔵した酸素及び／又は窒素を、必要に応じて前記制御手段で制御して前記吸気管に供給する請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項５】
排ガスを排出する排気管（５５）から排ガス還流装置（８０，８２）により排ガスを前記吸気管に還流させる請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項６】
前記酸素センサ（５０）は吸気管（２１）の吸気孔（２２）の上流に配置されている請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項７】
前記酸素センサ（５０）は排ガスを排出する排気管（５５）の排気口（５６）の下流に配置されている請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項８】
前記制御手段は内燃機関の運転状態に応じた目標酸素濃度を記憶している請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項１】
内燃機関の燃焼室（１７）に空気を供給する吸気管（２１）と、
前記吸気管に酸素を供給し前記吸気管の空気と混合させる酸素供給手段（２５，２９）と、
前記吸気管に不活性ガスを供給し前記吸気管の空気と混合させるガス供給手段（２５，３８）と、
空気と酸素及び／又は不活性ガスとを混合した混合吸気中の酸素濃度を測定する酸素センサ（５０）と、
前記酸素センサからの情報に基づき、前記酸素供給手段からの酸素供給量及び／又は前記ガス供給手段からの不活性ガス供給量を制御する制御手段（３１，４１，５２）と、
を備えることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項２】
前記酸素供給手段が供給する酸素は空気から分離され、前記ガス供給手段が供給する不活性ガスは大気から分離した窒素である請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項３】
前記吸気管の途中から分岐した後吸気管に合流した分岐管（２４）に、空気から酸素及び窒素を分離する分離器（２５）が配置されている請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項４】
前記分岐管に、前記分離器で分離された酸素及び窒素を一時的に貯蔵する二つのタンク（２９，３８）が設けられ、該タンクに貯蔵した酸素及び／又は窒素を、必要に応じて前記制御手段で制御して前記吸気管に供給する請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項５】
排ガスを排出する排気管（５５）から排ガス還流装置（８０，８２）により排ガスを前記吸気管に還流させる請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項６】
前記酸素センサ（５０）は吸気管（２１）の吸気孔（２２）の上流に配置されている請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項７】
前記酸素センサ（５０）は排ガスを排出する排気管（５５）の排気口（５６）の下流に配置されている請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項８】
前記制御手段は内燃機関の運転状態に応じた目標酸素濃度を記憶している請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２２００３８（Ｐ２００６−２２００３８Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３１８９（Ｐ２００５−３３１８９）
【出願日】平成１７年２月９日（２００５．２．９）
【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１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月９日（２００５．２．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]