(57)【要約】【課題】本発明は、大きな電力や駆動力を必要とせず、燃費を悪化させないでエンジンの吸入空気中の酸素濃度を増大させうる省エネルギの空気成分制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の空気成分制御装置１は、吸入空気Ａの酸素濃度を高める内燃機関Ｅ１の空気成分制御装置であって、外部空気Ｂを導入する外部空気導入路１６と、内燃機関Ｅ１の排気経路１４に設けられ外部空気導入路１６に連通し、導入された外部空気Ｂを排気熱により膨張させて高圧空気ｂとする昇圧手段１８と、この高圧空気ｂを酸素富化空気ａとするゼオライト膜を備える酸素富化手段２２とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の酸素濃度を高める内燃機関の空気成分制御装置であって、
外部空気を導入する外部空気導入路と、
前記内燃機関の排気経路に設けられ前記外部空気導入路に連通し導入された前記外部空気を排気熱により膨張させて高圧空気とする昇圧手段と、
前記高圧空気を酸素富化空気とするゼオライト膜を備える酸素富化手段とを有することを特徴とする空気成分制御装置。
【請求項２】
前記外部空気導入路の導入口は車両の走行方向に開口している請求項１に記載の空気成分制御装置。
【請求項３】
前記昇圧手段は前記排気経路に一体的に形成した放熱部と、該放熱部を収容して前記排気経路に固着され前記放熱部との間に前記外部空気の流通路を形成する殻体とを備える請求項１又は２に記載の空気成分制御装置。
【請求項４】
前記放熱部は、前記排気熱を吸収する吸熱フィンと、該吸熱フィンが吸収した熱を放熱する放熱フィンとを有する請求項３に記載の空気成分制御装置。
【請求項５】
前記酸素富化手段は、前記ゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体である請求項１〜４のいずれかに記載の空気成分制御装置。
【請求項６】
前記ハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルの該開口部と該封止部とが交互に隣り合うように並列されている請求項５に記載の空気成分制御装置。
【請求項７】
前記ハニカム構造体のセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ2（６２〜１４０個／ｃｍ2）である請求項５又は６に記載の空気成分制御装置。
【請求項８】
前記ゼオライト膜は孔径が０．３５〜０．７ｎｍの細孔を有する請求項１〜７のいずれかに記載の空気成分制御装置。
【請求項９】
前記基材は径が０．１〜５０μｍの通孔を有する多孔質体である請求項５〜８のいずれかに記載の空気成分制御装置。
【請求項１０】
前記多孔質体はセラミックである請求項９に記載の空気成分制御装置。
【請求項１１】
前記セラミックはコージェライトである請求項１０に記載の空気成分制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンに導入される空気の成分を制御する空気成分制御装置に関し、特に吸気中の酸素含有比率を増大させる酸素富化手段を備えたエンジンの空気成分制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両などの内燃機関では、燃焼空気の酸素濃度を高めることは、発生するトルクを増大できるので、内燃機関の燃費向上や燃料の燃焼を制御する上で有効な手段の一つである。特にディーゼルエンジンでは燃費向上とともに、その低速回転時に発生しやすい煤（ＰＭ）を削減する極めて効果的な方法である。
【０００３】
このような吸入空気中の酸素濃度を増大させる酸素濃度富化装置を備えた内燃機関についてはすでに多くの提案がなされている（特許文献１など参照）。
【０００４】
しかし、これらの従来技術では、酸素富化膜などを備えた酸素富化装置に空気を導入して酸素富化ガスを造るに当たっては、ポンプを使用して導入空気を加圧しなければならない。ところが、内燃機関の吸気に効果的に酸素富化ガスを供給するためには大量の空気を加圧して酸素富化空気としなければならない。このためポンプを駆動するための大量の電力や駆動力を必要とすることになるので燃費が大幅に悪化するという問題があり、酸素富化ガスを得るための省エネルギ技術の開発が望まれている。
【特許文献１】特開平０６−１７３７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来技術による上記の問題を解決するためになされたものであり、大きな電力や駆動力を必要とせず、燃費を悪化させないでエンジンの吸入空気中の酸素濃度を増大させうる省エネルギの空気成分制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、空気成分制御装置の省エネルギを実現するために、酸素富化空気を得る加圧手段として内燃機関の排気熱を利用することに着目した。つまり、排気熱によって導入空気を熱膨張させてその膨張エネルギを導入空気の加圧力にしようとするものである。
【０００７】
周知の通り、気体の圧力（Ｐ）と体積（Ｖ）と温度（絶対温度Ｔ）との関係は、ＰＶ＝ｎＲＴ（但し、ｎ：気体のモル数、Ｒ：気体定数）と表わされ、この式を変換して、Ｐ＝ｎＲＴ／Ｖと表すことができる。つまり、気体の体積（容積）Ｖを一定とすれば圧力Ｐは絶対温度Ｔに比例して増加するわけで、導入空気を一定の容積を持つ空間に閉塞して排気熱によって常温から所定温度まで加熱すれば、所望の圧力Ｐを有する高圧空気を得ることができる。
【０００８】
このため、本発明者は、酸素富化手段の酸素富化膜に高温の排気熱に耐えられる耐熱性の高いゼオライト膜を使用することに想到して本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明の空気成分制御装置は、吸入空気の酸素濃度を高める内燃機関の空気成分制御装置であって、外部空気を導入する外部空気導入路と、内燃機関の排気経路に設けられ外部空気導入路に連通し導入された外部空気を排気熱により膨張させて高圧空気とする昇圧手段と、この高圧空気を酸素富化空気とするゼオライト膜を備える酸素富化手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
このような構成を持つ本発明の空気成分制御装置は、排気熱による外部空気の膨張エネルギで酸素富化に必要な加圧力を得ることができるので、酸素富化空気を造るために必要な加圧力に、ポンプを回転させる電力やエンジンなどの駆動力を用いることがないので燃費を悪化させることがなく、極めて省エネルギである。
【００１１】
本発明の空気成分制御装置においては、酸素富化手段に空気中の酸素または窒素のいずれかを選択的に透過するゼオライト膜を備えている。ゼオライト膜はその細孔径を選択することで気体分子の大きさにより成分を分離する分子ふるいとしての機能を有する。
【００１２】
また、ゼオライト膜は気体成分により異なる吸着特性を有する。すなわち、空気中の窒素と酸素とではゼオライトへの吸着特性は大きく異なり、ゼオライト膜へ流入する空気の圧力を増加するとゼオライトへの窒素吸着量は飛躍的に増大するが、酸素の吸着量の増加は非常に小さい。つまり、空気を加圧してゼオライト膜を通過させることで酸素富化空気と窒素富化空気とを造ることができる。さらに、ゼオライトは耐熱性が高く高温の排気温度にあっても安定した特性を発揮することができる。
【００１３】
また、本発明の空気成分制御装置において、外部空気導入路の導入口は車両の走行方向に開口していることが望ましい。外部空気の導入口が車両の走行方向に開口していることで、外部空気を走行風として取り入れることができるのでさらに省エネルギである。
【００１４】
本発明の空気成分制御装置において、昇圧手段は、排気経路に一体的に形成した放熱部と、この放熱部を収容して排気経路に固着され放熱部との間に外部空気の流通路を形成する殻体とを備え、放熱部は、排気熱を吸収する吸熱フィンと、吸熱フィンが吸収した熱を放熱する放熱フィンとを有することが望ましい。
【００１５】
このような構成の昇圧手段とすることで、外部空気を効率よく加熱することができ、また加圧力となる大きな膨張エネルギを容易に得ることができる。
【００１６】
本発明の空気成分制御装置において、酸素富化手段は、ゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることが望ましい。
【００１７】
酸素富化手段がゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であるので、小体積で広い酸素分離面積を実現することができる。従って、小型で高効率の酸素富化手段とすることができる。
【００１８】
このようなハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルを、開口部と封止部とが交互に隣り合うように並列されていることが望ましい。隣り合うセルの開口部を交互に封止することでハニカム構造体は空気の自由な流通を阻止することができ、酸素濃度の高い酸素富化空気を得ることができる。
【００１９】
また、ハニカム構造体のセル密度は４００〜９００個／ｉｎｃｈ2であることが好ましい。ハニカム構造体のセル密度を上記のような範囲とすることで、透過面積が大きく、かつ空気の圧力損失の少ない酸素富化手段とすることができる。
【００２０】
ゼオライト膜は孔径が０．３５〜０．７ｎｍの細孔を有することが望ましい。このような細孔径のゼオライト膜により空気中の酸素と窒素とを効率よく分離して酸素濃度の高い酸素富化空気を得ることができる。
【００２１】
また、ゼオライト膜を支持しハニカム構造体を形成する基材は、多孔質のセラミックであることが望ましく、中でも、コージュライトが好適である。コージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることができかつ安価であるので優れた基材である。
【００２２】
このような基材は、径が１０〜５０μｍの細孔を有することが望ましい。径が１０〜５０μｍの細孔とすることで空気の圧力損失が小さくかつ所定の強度を有するハニカム構造体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下本発明の好適な一実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態である空気成分制御装置１の概略構成を示す。図１は、空気成分制御装置１を装着した筒内噴射方式のガソリンエンジンの一例である。
【００２５】
本発明の吸気制御装置１は、外部空気Ｂを導入する外部空気導入路１６と、エンジンＥ１の排気管１４に固設され外部空気導入路１６に連通し、導入された外部空気Ｂを排気熱により膨張させて高圧空気ｂとする昇圧手段１８と、高圧空気ｂ中の酸素と窒素とを分離して酸素富化空気ａと窒素富化空気ｂ’とにする酸素富化手段２２とを備えている。
【００２６】
外部空気導入路１６は、車両の走行方向に開口する導入口１６ａを有し、また外部空気Ｂを除塵するフィルタ３４と第１の制御弁３２ａとを介して昇圧手段１８に連通している。
【００２７】
酸素富化手段２２と昇圧手段１８とは、吸気管１２に合流する酸素富化流路２０で連通しており、酸素富化流路２０には高圧空気ｂの上流から順に酸素富化手段２２、第２の制御弁３２ｃ、酸素富化空気貯留タンク２４、第４の制御弁３２ｄが配置されている。また、昇圧手段１８と酸素富化流路２０との接続部分には、窒素富化空気ｂ’を外部へ排出（掃気）する掃気口１７が開口しており、第３の制御弁３２ｂを開閉することで適時に窒素富化空気ｂ’を掃気することができる。
【００２８】
なお、図中、３はシリンダ、５はピストン、７は燃焼室、９は燃料インジェクタ、１１は吸気Ａを調整するスロットル弁、１３は点火栓、１５は排気弁である。また、２６は排気ガスＧの排気温度を測定する温度センサ、２８は昇圧手段１８内の圧力を測定する圧力センサであり、３０は昇圧手段１８内の酸素濃度を測定する酸素濃度センサである。これらのセンサは図示しない制御手段に接続されており、それぞれの測定結果を入力情報として制御手段のＥＣＵなどへ入力する。このような制御手段は、上記の各測定結果の他に冷却水の温度やエンジンの回転数、燃料噴射量などを入力情報として、所定の演算処理により第１〜４の制御弁３２ａ〜ｄの開閉などを出力情報として指示してエンジンＥ１の吸気成分（主として酸素濃度）の制御を行う。
【００２９】
以上のような構成を持つ本発明の吸気制御装置によれば、外部空気Ｂは車両の走行中にフィルタ３４、第１の制御弁３２ａを介して昇圧手段１８内へ導入され、排気ガスＧの排気熱により膨張して加圧力を有する高圧空気ｂとなり、酸素富化手段２２へ流入する。酸素富化手段２２は後述するゼオライト膜を備えており、このゼオライト膜は酸素分子は透過できるが窒素分子は透過できない分子ふるいであるので、高圧空気ｂ中の酸素分子は透過して酸素富化手段２２の下流で酸素富化空気ａとなる。しかし、窒素分子は透過できないので酸素富化手段２２の上流側に滞留して窒素富化空気ｂ’となる。このようにして得られた酸素富化空気ａは酸素富化空気貯留タンク２４に蓄えられ、必要に応じて第４の制御弁３２ｄを開弁することで吸気Ａに混入してエンジンＥ１へ供給される。
【００３０】
本発明の空気成分制御装置１は、車両の走行中に外部空気Ｂを昇圧手段１８内に取り込み、排気熱による外部空気の膨張エネルギで酸素富化に必要な加圧力を得るようにしている。従って、従来技術のように、酸素富化空気を造るために必要な加圧力に、ポンプを回転させる電力やエンジンなどの駆動力を用いることがない。従って、燃費を悪化させることがなく極めて省エネルギである。
【００３１】
次に、昇圧手段１８について図２を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
図２は昇圧手段１８の具体的な構成例を模式的に示したものである。図２（ａ）は排気管１４の軸方向断面模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。
【００３３】
昇圧手段１８は、排気管１４に一体的形成した放熱部１８ａと、放熱部１８ａを収容して排気管１４に固着され外部空気Ｂの流通路１８ｃを放熱部１８ａとの間に形成する殻体１８ｂとから構成されている。
【００３４】
放熱部１８ａには、排気管１４の内壁に排気熱を吸収する吸熱フィン４８が軸心を指向して立設されるとともに、排気管１４の外周部には吸熱フィン４８が吸収した熱を効率よく排気管１４の外部へ放熱する放熱フィン４６が排気管１４の半径方向に突出するように立設されている。
【００３５】
ここで、吸熱フィン４８には排気ガスＧに対する耐食性を考慮してステンレスを用いるのがよい。また、排気ガスの圧損が上昇するとエンジン出力が低下するおそれがあるので、吸熱フィン４８は排気管１４内への突出量を抑えて軸線方向に延伸するように配置するとよく、さらに、放熱部では排気流路１４Ｇの断面積を減少させないように、前後の排気管径よりもフィンの断面積分径を大きくすることがより好ましい。また、放熱フィン４６には銅又はアルミニウムなど熱伝導の良好な材料を用いることが望ましい。
【００３６】
殻体１８ｂは、断熱性と耐食性とが良好なステンレスを用い、さらに断熱性を高めるために真空又は空気による断熱空間４４を形成するように二重構造とするとよい。
【００３７】
続いて、酸素富化手段２２について図３および図４を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
酸素富化手段２２は、図３（ａ）に示すように外殻５２と多数のセル５４とを一体的に形成したハニカム構造体Ｈである。
【００３９】
図３（ｂ）はハニカム構造体Ｈの軸方向の部分断面を模式的に示したものである。ハニカム状に形成された各セル５４は、その一端側を封止し他端側は開口のままとして、ハニカム構造Ｈの端面Ｘにおいて、各セル５４の封止部５６と開口部５８とが千鳥状に交互に並列するように形成されている。つまり、ハニカム構造体Ｈは、各セル５４の封止部５６によってハニカム構造体Ｈの一端Ｘ側から他端Ｘ’側への空気の自由な流通を阻止するように形成されている。
【００４０】
ハニカム構造体Ｈのセル５４は、図３（ｃ）に示すように、正方形（ア）、六角形（イ）、三角形（ウ）など適宜の形状とすることができるが、端面Ｘ、Ｘ’におけるセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ2（６２〜１４０個／ｃｍ2）であることが望ましい。セル密度が４００個／ｉｎｃｈ2未満では、酸素分子の透過面積が不十分であり酸素富化手段を小型化できない。また、９００個／ｉｎｃｈ2を越えると流通する空気の圧力損失が大きくなるので好ましくない。より好ましくは４００〜６００個／ｉｎｃｈ2（６２〜９３個／ｃｍ2）である。
【００４１】
このようなハニカム構造体Ｈにおいて、セル隔壁６０の厚さは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。セル隔壁６０の厚さが０．０５ｍｍ未満では強度的に不十分であり、また１．０ｍｍを越えて厚い場合には、同じ表面積を得るためにはハニカム構造体Ｈが大きく重くなるので適当ではない。
【００４２】
図３（ｂ）に示すように、ハニカム構造体Ｈの隔壁６０の表面には、高圧空気ｂ中の酸素分子Ｏ2を選択的に透過して分離するゼオライト膜６２が基材（以後、隔壁と称することもある）６０と一体的に形成されている。ゼオライト膜６２は高圧空気ｂの流れに対して隔壁６０の上流側に形成されており、ゼオライト膜６２を透過した酸素分子Ｏ2は多孔質の基材からなる隔壁６０の通孔を通ってハニカム構造体Ｈの下流側に富化される。
【００４３】
ゼオライト膜６２は、耐熱性の高い分子ふるい膜である。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる気体成分を選別することができる。
【００４４】
図４は、ゼオライトの分子ふるい膜６２で空気中の酸素分子Ｏ２と窒素分子Ｎ２とを分離する様子を概念的に示したものである。空気中には酸素Ｏ２、窒素Ｎ２、二酸化炭素ＣＯ２、水蒸気Ｈ２Ｏなど多くの気体成分が混在している。ところが、これらの各気体成分は分子レベルで大きさが異なり、周知のようにその分子径は、水蒸気＜二酸化炭素＜酸素＜窒素の順に大きい。酸素の分子径は約０．３５ｎｍであり窒素のそれは０．３７ｎｍである。従って、分子ふるい膜（ゼオライト膜）６２の細孔径を酸素の分子径よりも大きく、かつ窒素の分子径よりも小さくすることにより、酸素のみを透過して窒素と分離し、ゼオライト膜６２の出側の空気を酸素富化空気ａに、また、入り側の空気を窒素富化空気ｂ’とすることができる。酸素の透過効率などを考慮すると、具体的にはこの分子ふるい（ゼオライト膜）６２の細孔径（目開き）は０．３５〜０．７ｎｍであることが望ましく、より好ましくは０．３５〜０．３７ｎｍである。
【００４５】
このようなゼオライト膜６２の厚さは０．１〜１００μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍ未満では強度不足やピンホール等の欠陥が発生することがあり、また、１００μｍを越えると透過するための圧力差が大きくなって適当ではない。より好ましくは１〜５０μｍである。
【００４６】
上記のように、多孔質の基材表面に一体的に形成した透過膜により、高圧空気ｂ中の酸素を富化することができる。従って、基材は、透過膜の透過性を阻害しない程度の多孔質体であることが望ましい。このような多孔質体の材質は特に限定はなく、金属、金属酸化物などのセラミックス、カーボンおよび有機ポリマなどを用いることができる。強度や剛直性の観点からは、金属及び金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などのセラミックスが好ましく、ゼオライト膜との熱膨張率の差が少ないこと、あるいはゼオライト膜との親和性が高いこと等を考慮すると金属としては、ステンレス製の燒結金属、金属酸化物としてはアルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライト、チタニア、ゼオライトまたはゼオライト類似物等を挙げることができる。中でも、多孔質のセラミックであるコージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性（通孔径や通孔密度など）や強度を得ることができるので好適である。このような多孔質体の平均通孔径は１００μｍ以下が強度的に好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図５に本発明の第２の実施の形態である空気成分制御装置２の概略構成を示す。図５は、空気成分制御装置２を装着したディーゼルエンジンの一例である。
【００４８】
空気成分制御装置２は、酸素富化手段２２を酸素富化流路２０内ではなく、窒素富化空気ｂ’を外部へ排出（掃気）する掃気流路１９に配置した以外は基本的に図１に示した空気成分制御装置１と同様の構成である。しかし、この空気成分制御装置２には、車両の停車時にも外部空気Ｂを取り入れ可能なように導入流路１６の導入口１６ａに対向してファン２１を備えている。また、酸素濃度センサ３０は昇圧手段１８にではなく酸素富化流路２０に設けられている。その他の箇所については図１と同様であるので同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
第１の実施の形態では酸素分子を透過し窒素分子を透過しないゼオライトの分子ふるい機能を利用して酸素富化空気ａを得るようにしたが、第２の実施の形態の酸素富化手段２２では、酸素分子と窒素分子とのゼオライトへの吸着特性の違いを利用して酸素富化空気ａを得るようにしている。
【００５０】
空気は主として窒素と酸素との混合物であるが、図６に示すように元素によりゼオライトへの吸着特性が大きく異なる。つまり、ゼオライト膜を透過する空気の圧力を増加すると空気中の窒素分子Ｎ２の吸着量は飛躍的に増大するが、酸素分子Ｏ２の吸着量の増加量は小さい。例えば、差圧を８００ｔｏｒｒとすると、窒素分子Ｎ２の吸着量は、約１５Ｌ／ｋｇ（ただし、Ｌは付着する窒素分子体積、ｋｇはゼオライトの重量である。）であり、酸素分子Ｏ２の吸着量は約３Ｌ／ｋｇと非常に小さく、窒素分子Ｎ２の吸着量の約１／５．４にすぎない。例えば、ハニカム構造体Ｈの透過膜形成側Ｘを高圧空気ｂと接触するように配置すると（図５では下向き）、外部空気Ｂが排気熱により膨張して高圧空気ｂとなりハニカム構造体Ｈを高圧で透過することになる。このため酸素Ｏ２はゼオライト膜側（Ｘ側）、すなわち、酸素富化流路２０内に富化されることになる。
【００５１】
図７にゼオライト膜６２の酸素富化作用を模式的に示す。ゼオライト膜６２はセルの隔壁６０の表面に形成されており、ゼオライト膜６２を貫通する細孔６４が多孔質からなる隔壁６０の通孔６６に連通している（隔壁６０の通孔６６は、ゼオライト膜６２を貫通する細孔６４よりもはるかに大径であるので図７の断面図では単に空間６６としている。）。なお、高圧空気ｂの圧力はゼオライト膜６２の表面６８側で高く隔壁６０側で低くなっている。高圧空気ｂ中の窒素分子Ｎ２（●）はゼオライトに吸着されるのでゼオライト膜表面６８に濃縮される。細孔６４はその径が０．３〜０．７ｎｍと極めて小さいので、吸着された窒素はゼオライト膜前後の圧力差で細孔６４の表面上を矢印Ｚ方向に移動してゼオライト膜６２を通過して窒素富化空気ｂ’となる。しかし、酸素分子Ｏ２（○）はゼオライト膜に吸着されにくいので細孔６４を通過することなく、ゼオライト膜表面６８近傍に滞留する。その結果ゼオライト膜６２側の高圧空気ｂは酸素富化空気ａとなる。
【００５２】
また、図示はしていないが、空気成分制御装置２もまた第１の実施の形態と同様に制御弁の開閉などを制御する制御手段を備えており、図８のフローチャートに沿って以下のように吸気成分を制御することができる。
【００５３】
まず、運転者がエンジンを始動すると（ステップＳ１）、制御手段（以後，ＥＣＵという）は、温度センサ２６で排気温度を測定する（ステップＳ２）。
【００５４】
次に、ＥＣＵは測定された排気温度が所定の温度条件であるか否かを判定し（ステップＳ３）、排気温度が、外部空気Ｂを加熱膨張して酸素富化手段２２で酸素と窒素とを分離可能な圧力を有する高圧空気ｂを得ることのできる温度（所定値条件、例えば１００℃以上）であれば（ステップＳ３でＹＥＳ）、第１の制御弁３２ａと第３の制御弁３２ｂとを開弁する（ステップＳ４）。所定値条件に満たない場合は（ステップＳ３でＮＯ）、ステップＳ２に戻って温度測定を続行する。第１の制御弁３２ａと第３の制御弁３２ｂとを開弁すると、フィルタ３４で除塵された外部空気Ｂが昇圧手段１８に導入される。外部空気Ｂは、昇圧手段１８の流路１８ｃを流通する間に放熱部１８ａによって排気ガスＧの排気熱と熱交換して加熱され高圧空気ｂとなる。高圧空気ｂは、酸素富化手段２２によって酸素と窒素とを分離され、酸素濃度の高い酸素富化空気ａは酸素富化流路２０内に充満し、一方、ゼオライト膜に吸着した後ゼオライト膜を透過した窒素は窒素富化空気ｂ’となって掃気口１７から排出される。
【００５５】
続いて、ＥＣＵは酸素濃度センサ３０で酸素富化流路２０内の酸素濃度を測定し（ステップＳ５）、酸素濃度が所定値以上であるかを判断する（ステップＳ６）。酸素濃度が所定値以上（例えば、２０体積％以上）であれば、ＥＣＵは第１の制御弁３２ａと第３の制御弁３２ｂとを閉弁する（ステップＳ７）。このことにより、酸素富化空気ａは昇圧手段１８と酸素富化流路２０内に充満する。なお、酸素濃度が所定値未満の場合には（ステップＳ６でＮＯ）、ステップＳ５に戻って酸素濃度測定を続行する。
【００５６】
次いで、ＥＣＵは圧力センサ２８で充満した酸素富化空気ａの圧力を測定し（ステップＳ８）、圧力が所定値以上であるかを判断する（ステップＳ９）。圧力が所定値以上（例えば、０．１５ＭＰａ以上）であれば、ＥＣＵは第２の制御弁３２ｃを開弁して（ステップＳ１０）、酸素富化空気ａを富化空気貯留タンク２４へ貯留する。なお、圧力が所定値未満の場合には（ステップＳ９でＮＯ）、ステップＳ８に戻って圧力測定を続行する。
【００５７】
次に、ＥＣＵは酸素濃度センサ３０で酸素富化空気ａの酸素濃度を測定し（ステップＳ１１）、酸素濃度が所定値以下となっているかを判断する（ステップＳ１２）。酸素濃度が所定値以下（例えば、３０体積％以下）であれば、ＥＣＵは第２の制御弁３２ｃを閉弁する（ステップＳ１３）。なお、酸素濃度が所定値以上の場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１１に戻って酸素濃度測定を続行する。
【００５８】
ＥＣＵはステップＳ１３で第２の制御弁３２ｃを閉弁したら、ステップＳ２へ戻って温度センサ２６で排気温度を測定する。以後、上記の一連の作業を繰り返して富化空気貯留タンク２４へ酸素富化空気ａを貯留する。
【００５９】
一方、ＥＣＵはエンジンＥ２の回転数や冷却水温度、燃料噴射量などによりエンジンＥ２の運転状態を判断して、所定のロジックに従い第４の制御弁３２ｄを開閉して吸気Ａに酸素富化空気ａを混入させる。
【００６０】
以上のように必要に応じて酸素富化空気ａを吸気Ａに混入させることにより、エンジンＥ２の発生トルクを高めたり、煤の発生を抑制することができる。
【００６１】
本第２の実施の形態では、外部空気Ｂを走行風として導入できるとともに、ファン２１を回転することで車両の停止時にも外部空気Ｂを取り入れて酸素富化空気ａを補給することができる。ファン２１は車両停止時のみの運転であるから、ファンの回転に電力を用いても燃費の悪化に及ぼす影響は僅かなものである。
【００６２】
本発明の空気成分制御装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、図３（ａ）では円柱形状のハニカム構造体Ｈを示したが、ハニカム構造体Ｈを収容する気体流路の形状に合わせて角柱形状でもその他の形状を採用してもよい。
【００６３】
なお、本実施の形態では酸素富化空気をエンジンの吸気に混入させて吸気の空気成分を制御する空気成分制御装置について説明したが、酸素富化空気を排気側に加えてＰＭ燃焼を促進する等への適用も同様に可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は車両のガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃焼空気を酸素富化する空気成分制御装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図２】昇圧手段の構成例を示す概要図である。（ａ）は軸心方向の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ’断面を示す。
【図３】ハニカム構造体Ｈの概要を説明する図である。（ａ）はハニカム構造体Ｈの斜視図であり、（ｂ）はセルの部分断面模式図、（ｃ）はハニカム構造体の一端面を模式的に示した正面図である。
【図４】ゼオライト膜による酸素分子Ｏ2と窒素分子Ｎ2の分離原理（分子ふるい効果）を説明する説明図である。
【図５】第２の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図６】ゼオライト膜に対する差圧による吸着量の変化を窒素と酸素について比較して示したグラフである。
【図７】ゼオライト膜における窒素と酸素との吸着による透過の違いを説明する断面模式図である。
【図８】第２の実施の形態の制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１２：吸気管  １４：排気管  １６：外部空気導入路  １８：昇圧手段  １８ａ：殻体  １８ｂ：放熱部  １８ｃ：外部空気流路  １９：掃気管  ２０：酸素富化流路  ２１：ファン  ２２：酸素富化手段  ２４：富化空気貯留タンク  ２６：温度センサ  ２８：圧力センサ  ３０：酸素濃度センサ  ３２：制御弁  ３４：フィルタ  ４６：放熱フィン  ４８：吸熱フィン  ５４：セル  ５６：封止部６０：隔壁  ６２：ゼオライト膜  ６４：細孔
Ａ：吸気  Ｂ：外部空気  ａ：酸素富化空気  ｂ：高圧空気  ｂ’：窒素富化空気  Ｇ：排気ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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