(57)【要約】【課題】内燃機関の燃費改善を図るとともに、実用性を高める。【解決手段】窒素富化気体供給装置は、気体の窒素濃度を高める窒素富化気体生成装置３０と、内燃機関１０の排気通路１６から装置３０に排気を誘導する誘導通路３１と、装置３０により窒素濃度が高められた排気（窒素富化排気）を内燃機関１０の吸気通路１１に供給する供給通路３６と、供給通路３６の流路断面積を調節する開閉弁３７とを備える。この窒素富化気体供給装置では、ＥＣＵ２０が、内燃機関１０の運転状態を含む車両の状態に基づいて、開閉弁３７の開度を制御することにより吸気通路１１への窒素富化排気の供給量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の窒素濃度を高める窒素富化手段と、内燃機関の排気通路から前記窒素富化手段に排気を誘導する誘導通路と、前記窒素富化手段により窒素濃度が高められた排気である窒素富化排気を前記内燃機関の吸気通路に供給する供給通路と、前記供給通路の流路断面積を調節する開閉弁とを備える内燃機関の窒素富化気体供給システムを搭載した車両に適用され、
前記内燃機関の運転状態を含む前記車両の状態に基づいて、前記開閉弁の開度を制御することにより前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給量を制御する供給量制御手段を備えることを特徴とする車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関では、同内燃機関の空燃比を目標空燃比に収束させるべく空燃比フィードバック制御が実施され、
前記吸気通路に設けられ前記吸気通路の流路断面積を調節するスロットル弁と、
前記窒素富化排気中の酸素濃度を検出する酸素検出手段と、を備え、
前記供給量制御手段は、前記内燃機関の空燃比を目標空燃比に収束させるべく、前記酸素検出手段により検出された窒素富化排気中の酸素濃度に基づいて前記開閉弁及び前記スロットル弁の開度を制御する手段である請求項１に記載の車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置。
【請求項３】
前記供給量制御手段は、前記目標空燃比が前記内燃機関の理論空燃比から所定のリーン空燃比までの弱リーン領域では、前記目標空燃比がリーン側ほど前記内燃機関に供給される気体中の窒素濃度が高くなるように前記開閉弁の開度を制御し、前記所定のリーン空燃比よりもリーン側の強リーン領域では、前記目標空燃比がリーン側ほど前記窒素濃度が低くなるように前記開閉弁の開度を制御する請求項２に記載の車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置。
【請求項４】
前記車両の加速状態を検出する加速検出手段を備え、
前記供給量制御手段は、前記加速検出手段により検出される車両の加速状態が急加速であるほど、前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給量を多くする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置。
【請求項５】
前記窒素富化排気の供給量に応じて前記内燃機関の点火時期を制御する手段を備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置。
【請求項６】
前記車両の走行性を優先するノーマルモードと、前記車両の燃費を優先するエコモードとをドライバの操作に基づき切り替えるモード切替手段を備え、
前記供給量制御手段は、前記ノーマルモードが設定されている場合に前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給を停止し、前記エコモードが設定されている場合に前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給を実施する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、気筒内での燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を低減させたりポンピングロスを低減させたりすべく、内燃機関の排気を吸気側に還流するＥＧＲシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。この種のＥＧＲシステムでは、内燃機関の排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路にて連通し、そのＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁を制御することで、内燃機関の回転速度及び負荷等に基づいて排気の還流量を制御する。
【０００３】
また、ＮＯｘ排出量の低減やポンピングロスの低減を図るための別の方法として、吸入空気中の酸素の一部を分離除去し、窒素濃度を高めた吸気（窒素富化吸気）を内燃機関に供給するシステムが提案されている（例えば特許文献２参照）。特許文献２に記載のシステムでは、吸気通路において、同吸気通路から分岐する分岐路が設けられており、その分岐路の途中に窒素富化器が設けられている。吸気通路から分岐路に導入された吸気は、窒素富化器にて酸素の一部が除去されることで窒素富化吸気として窒素富化器から排出され、吸気通路に戻される。つまり、大気に比べて窒素濃度が高められた吸気が燃焼に供されるようにする。これにより、内燃機関から排出されるＮＯｘ量の減少や、ポンピングロスの低減等を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３５１０６９号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関の理論熱効率は、作動流体の比熱比（定圧比熱と定積比熱との比）が大きいほど高くなる。しかしながら、内燃機関の排気は、大気（吸気）に比べて比熱比が小さい。そのため、ＥＧＲシステムでは、吸気通路に排気を還流させることにより燃焼に供される作動流体の比熱比が低下し、その結果、理論熱効率が低下して燃費が悪化する又は燃費の改善効果が小さくなることが懸念される。
【０００６】
また、吸気通路に排気を還流させる代わりに窒素富化吸気を供給することも考えられるが、窒素富化器により吸気から酸素を分離するには、例えばターボチャージャのコンプレッサ等といった大型の圧縮機等が必要になる。そのため、システムの大型化等の理由から実用性の点で劣る。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の燃費改善を図ることができ、かつ実用性の点で優れた車載内燃機関の窒素富化気体供給制御装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【０００９】
本発明における内燃機関の窒素富化気体供給制御装置は、気体の窒素濃度を高める窒素富化手段と、内燃機関の排気通路から前記窒素富化手段に排気を誘導する誘導通路と、前記窒素富化手段により窒素濃度が高められた排気である窒素富化排気を前記内燃機関の吸気通路に供給する供給通路と、前記供給通路の流路断面積を調節する開閉弁とを備える内燃機関の窒素富化気体供給システムを搭載した車両に適用される。そして、請求項１に記載の発明は、前記内燃機関の運転状態を含む前記車両の状態に基づいて、前記開閉弁の開度を制御することにより前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給量を制御する供給量制御手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明者らは、内燃機関のＮＯｘ排出量の低減やポンピングロスの低減を図るべく吸気通路に気体を供給するシステムにおいて、同吸気通路に供給する気体の比熱比を高めることにより、内燃機関の理論熱効率を向上させ、ひいては燃費を改善させることに着目した。
【００１１】
つまり、内燃機関の排気には、燃料と吸入空気との混合気の燃焼により主に窒素と二酸化炭素と水蒸気とが含まれている。これらの気体成分のうち、窒素は二酸化炭素及び水蒸気よりも比熱比が大きいことから、排気について、二酸化炭素及び水蒸気を取り除いて窒素濃度を高めることにより、窒素濃度を高めていない排気（通常排気）に比べ、排気の比熱比を高めることが可能となる。
【００１２】
加えて、燃料と吸入空気との混合気の燃焼により生じた排気では、吸気に比べ、酸素含有量が少ない反面、二酸化炭素及び水蒸気の含有量が多い。また、これらのガス成分同士では、気体性状の相違等に起因して窒素富化手段に対する気体の分離比率が異なり、一般に、大気からなる吸気（自然吸気）から酸素を分離する場合と比較して、排気から二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合には、気体分離を容易にかつ精度よく実施できる。故に、システムの大型化を抑制することが可能となる。
【００１３】
その点、上記の窒素富化気体供給システムでは、内燃機関の排気が誘導通路を通じて窒素富化手段に誘導された後、窒素富化手段にて排気中の窒素濃度が高められる。そして、窒素富化手段により窒素濃度が高められた排気（窒素富化排気）が、供給通路を通じて内燃機関の吸気通路に供給されるとともに、その供給量が内燃機関の運転状態を含む車両の状態に応じて制御される。つまり、通常排気よりも比熱比が高い窒素富化排気を、内燃機関の運転状態を含む車両の運転状態に応じて吸気通路に供給することができる。これにより、内燃機関の理論熱効率を向上させることができ、ひいては燃費を改善させることができる。また、排気を用いることにより、吸気に比べ、窒素濃度を容易にかつ精度よく高めることができ、システムの大型化を抑制することができる。したがって、実用性の点で優れている。
【００１４】
窒素富化排気中に含まれる酸素が比較的多い場合、その酸素量を考慮せずにスロットル弁の開度を制御すると、内燃機関に導入される混合気中の酸素量が、目標空燃比に対応する酸素量よりも多くなり、空燃比フィードバック制御が適切に実施されないことが懸念される。
【００１５】
その点に鑑み、請求項２に記載の発明では、前記内燃機関を、同内燃機関の空燃比を目標空燃比に収束させるべく空燃比フィードバック制御が実施されるものとし、前記吸気通路に設けられ前記吸気通路の流路断面積を調節するスロットル弁と、前記窒素富化排気中の酸素濃度を検出する酸素検出手段と、を備え、前記供給量制御手段が、前記内燃機関の空燃比を目標空燃比に収束させるべく、前記酸素検出手段により検出された窒素富化排気中の酸素濃度に基づいて前記開閉弁及び前記スロットル弁の開度を制御する。こうすることで、内燃機関の空燃比制御を精度よく実施することができる。特に、内燃機関の目標空燃比がリーン側の場合には、排気中の酸素濃度が高くなることによって窒素富化排気中の酸素濃度が高くなりやすいと考えられる。したがって、目標空燃比が理論空燃比よりもリーン側の場合に上記構成を採用するとより好ましい。なお、ここでいう空燃比は、窒素濃度が約７５％、酸素濃度が約２５％の標準的な大気を基準として、空気と燃料との質量比として表したものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、前記供給量制御手段が、前記目標空燃比が前記内燃機関の理論空燃比から所定のリーン空燃比までの弱リーン領域では、前記目標空燃比がリーン側ほど前記内燃機関に供給される気体中の窒素濃度が高くなるように前記開閉弁の開度を制御し、前記所定のリーン空燃比よりもリーン側の強リーン領域では、前記目標空燃比がリーン側ほど前記窒素濃度が低くなるように前記開閉弁の開度を制御する。
【００１７】
排気中のＮＯｘ量は内燃機関の空燃比に応じて異なり、内燃機関の理論空燃比よりもリーン側の空燃比（例えば１７付近）で排気中のＮＯｘ量が最大になる。また、窒素富化気体の供給によりＮＯｘ排出量を低減できるが、その反面、窒素富化気体の供給量が過剰であると、内燃機関の燃焼に供される気体中の窒素濃度が高くなりすぎ、失火の発生が懸念される。したがって、上記構成のように、目標空燃比に応じて窒素富化排気の供給量、すなわち内燃機関の燃焼に供される気体中の窒素濃度を変更することにより、窒素富化排気の供給によるＮＯｘ排出の低減と、窒素富化排気の供給に伴う失火発生の抑制とをバランスよく実施することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記車両の加速状態を検出する加速検出手段を備え、前記供給量制御手段が、前記加速検出手段により検出される車両の加速状態が急加速であるほど、前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給量を多くする。車両が急加速であるほど、内燃機関の負荷増大に伴い気筒内温度が高くなり、その結果、ＮＯｘ排出量が多くなることが考えられる。したがって、急加速時ほど窒素富化排気の供給量を増加することにより、気筒内温度の低下によってＮＯｘ排出量を低減させることができ、また、内燃機関１０の熱効率向上による燃費改善を図ることができる。ここで、車両の加速状態は、例えばアクセル操作量の変化率に基づいて検出したり、加速度を直接検出したりすることにより行う。
【００１９】
吸気通路への窒素富化気体の供給量によって内燃機関の燃焼安定性が異なり、窒素富化気体の供給量が多いほど燃焼安定性が低下することが考えられる。また、燃焼安定性の低下により失火等が発生した場合には、ドライバビリティの悪化を招くことが懸念される。したがって、請求項５に記載の発明のように、前記窒素富化排気の供給量に応じて前記内燃機関の点火時期を制御するとよい。こうすることで、吸気通路への窒素富化排気の供給時であっても、内燃機関において燃焼を安定化させることができ、ドライバビリティの悪化を抑制することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、前記車両の走行性を優先するノーマルモードと、前記車両の燃費を優先するエコモードとをドライバの操作に基づき切り替えるモード切替手段を備え、前記供給量制御手段は、前記ノーマルモードが設定されている場合に前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給を停止し、前記エコモードが設定されている場合に前記吸気通路への前記窒素富化排気の供給を実施する。この構成によれば、車両の走行性を重視するか、あるいは車両の燃費改善やＮＯｘ排出の低減を重視するかをドライバの意思に応じて設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】窒素富化気体供給制御システムの全体概略を示す構成図。
【図２】気体分離膜を用いた場合における各気体の膜透過性を示す図。
【図３】窒素富化排気供給ルーチンの処理手順を示すフローチャート。
【図４】負荷と機関回転速度と窒素富化排気の目標供給量との関係を示す図。
【図５】アクセル開度の変化量と目標供給量との関係を示す図。
【図６】第２実施形態での窒素富化気体供給制御システムの全体概略を示す構成図。
【図７】第２実施形態での窒素富化排気供給ルーチンの処理手順を示すフローチャート。
【図８】目標空燃比と目標窒素濃度との関係の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
本実施形態は、車両に搭載された内燃機関について、その排気を窒素富化気体生成装置（窒素富化手段）に誘導して、その窒素濃度を高めた上で内燃機関の吸気通路に供給する窒素富化排気供給装置を対象に、その装置を制御する制御システムを構築するものとしている。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として窒素富化気体供給装置にかかる各種制御を実施する。この窒素富化気体供給装置の制御システムの全体概略構成図を図１に示す。
【００２４】
図１において、内燃機関１０には、その燃焼室に吸入空気を供給する吸気通路１１が接続されている。内燃機関１０は、燃料としてのガソリンと吸入空気との混合気に点火プラグ１４による点火を行って燃焼させるガソリンエンジンが採用されている。吸気通路１１には、吸入空気の流量（吸気通路１１の流路断面積）を調節するスロットルバルブ１２が設けられており、スロットルバルブ１２はスロットルアクチュエータ１３によって駆動される。アクチュエータ１３は、電気モータ及びギア等により構成されており、ＥＣＵ（電子制御装置）２０からの駆動信号に基づいて駆動される。そして、ＥＣＵ２０によるアクチュエータ１３の駆動を通じて、スロットルバルブ１２の開度（スロットル開度）が制御される。
【００２５】
内燃機関１０には、点火プラグ１４が取り付けられている。点火プラグ１４には、点火コイル等よりなる点火装置（図示略）を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、点火プラグ１４の対向電極間に火花放電が発生し、内燃機関１０の燃焼室内の混合気が着火され燃焼に供される。
【００２６】
内燃機関１０には、混合気の燃焼により生じた排気を排出する排気通路１６が接続されている。排気通路１６には、排気を浄化する浄化装置１７が設けられている。浄化装置１７は、排気中の一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物を低減する三元触媒等により構成されている。
【００２７】
排気通路１６には、浄化装置１７の上流側において、排気を検出対象として混合気の空燃比（酸素濃度）を検出するための空燃比センサ４４が設けられている。空燃比センサ４４について詳しくは、センサ素子への電圧印加により排気中の酸素濃度に比例した広域の空燃比信号を出力する広域検出タイプのＡ／Ｆセンサである。
【００２８】
排気通路１６は、配管を介して吸気通路１１と連通されている。これにより、吸気通路１１に排気が還流される。つまり、吸気通路１１へ排気を供給することにより、内燃機関１０の燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量の低減を図るとともに、スロットル開度が僅少時（例えばアイドル運転時）でのポンピングロスの低減を図っている。
【００２９】
ここで、内燃機関１０の排気は、燃料と吸入空気との混合気の燃焼により、主に窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含んでおり、空気（吸気）に比べて比熱比（定圧比熱Ｃｐと定積比熱Ｃｖとの比：Ｃｐ／Ｃｖ）が小さい。一方、内燃機関１０の理論熱効率は、作動流体の比熱比が大きいほど高くなる。具体的には、ガソリンエンジンの理論熱効率ηは以下の式（１）で表される。式（１）において、εは圧縮比であり、κ＝Ｃｐ／Ｃｖである。
【００３０】
η＝１−（１／ε）κ−１    …（１）
【００３１】
したがって、ＮＯｘ排出量の低減等を図るべく吸気通路１１に排気を還流させた場合、内燃機関１０の燃焼室に導入される混合気の比熱比が小さくなり、その結果、内燃機関１０の熱効率が低下して燃費が悪化したり、燃費の改善効果が小さくなったりすることが懸念される。
【００３２】
上記問題を解決すべく、本発明者らは、内燃機関１０の排気に主に含まれる気体成分のうち、窒素では、二酸化炭素及び水蒸気よりも比熱比が大きいことに着目した。各気体の比熱比について具体的には、例えば気体温度が９００Ｋの場合、二酸化炭素の比熱比が１．１９、水蒸気の比熱比が１．２６であるのに対し、窒素の比熱比は１．３５である。したがって、排気について、二酸化炭素及び水蒸気を取り除いて窒素濃度を高めることにより、窒素濃度を高めていない通常の排気に比べて比熱比を高めることができる。
【００３３】
また、吸気通路１１に窒素富化気体を供給する場合、吸気を用いることも考えられる。しかしながら、窒素富化気体生成装置によって気体分離を実施するに際し、吸気中に主に含まれる酸素と窒素とを分離するよりも、排気中に主に含まれる水蒸気及び二酸化炭素と窒素とを分離する方が容易にかつ精度よく実施可能と考えられる。その理由を以下に説明する。
【００３４】
図２は、気体分離において一般に用いられる気体分離膜（酸素富化膜）における各気体の膜透過性を示す図である。なお、図２では、窒素に対する各ガス成分の分離比として膜透過性を表しており、分離比が大きいほど、気体分離膜に対して窒素よりも透過性が高いことを示す。
【００３５】
図２において、窒素に対する酸素の分離比は２．５であり、その分離比はさほど大きくない。これに対し、窒素に対する炭酸ガスの分離比は１２．６、水蒸気の分離比は２２であり、二酸化炭素及び水蒸気では、酸素に比べて窒素に対する分離比が大きい。このため、大気からなる吸気（自然吸気）から酸素を分離するよりも、排気から二酸化炭素及び水蒸気を分離する方が、気体分離が容易であり、かつ分離精度が高いと言える。
【００３６】
そこで、本実施形態では、窒素富化気体生成装置３０により排気中の窒素濃度を高め、その窒素濃度が高められた排気（窒素富化排気）を内燃機関１０の吸気通路１１に供給している。具体的には、本システムにおいて、窒素富化気体生成装置３０と、内燃機関１０の排気通路１６から窒素富化気体生成装置３０に排気を誘導する誘導通路３１と、窒素富化気体生成装置３０から送出される排気を吸気通路１１に供給する供給通路３６とを設け、窒素富化排気が吸気通路１１に供給されるようにしている。
【００３７】
詳しくは、図１に示すように、排気通路１６には、排気の一部を窒素富化気体生成装置３０に誘導する誘導通路３１が接続されている。誘導通路３１は、排気通路１６において浄化装置１７よりも排気の下流側の部分に接続されている。このため、誘導通路３１には、浄化装置１７によって浄化された排気、すなわち一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物が、二酸化炭素、水蒸気及び窒素に浄化された排気が導入される。また、内燃機関１０において、吸気中の酸素と燃料とが過不足なく反応する状態で燃焼が行われた場合には、燃料が完全に燃焼するとともに窒素酸化物の生成が抑制されるため、その排気は主に窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含むこととなる。換言すれば、その場合には排気中の酸素が比較的少ない状態となる。
【００３８】
誘導通路３１には、排気を加圧して窒素富化気体生成装置３０に送出するポンプ３２が設けられている。ポンプ３２は、送出する排気の流量を調節可能な電動ポンプからなり、ＥＣＵ２０からの駆動信号に基づいて駆動される。すなわち、ＥＣＵ２０によるポンプ３２の駆動を通じて、ポンプ３２により送出される排気の流量が制御される。ポンプ３２は、ターボチャージャのコンプレッサ等と比較して、気体を加圧する能力が低い電動ポンプ、すなわち気体を比較的低圧で加圧する電動ポンプが採用されている。
【００３９】
誘導通路３１のポンプ３２よりも下流側には、窒素富化気体生成装置３０（窒素富化手段）が接続されている。この装置３０には、ポンプ３２により加圧された排気が誘導通路３１を通じて導入される。装置３０は、分離部材３０ａに対する各気体の透過性の差異に基づいて排気中の窒素濃度を高める。また、装置３０には供給通路３６が接続されており、装置３０により窒素濃度の高められた排気（窒素富化排気）が、供給通路３６を通じて内燃機関１０の吸気通路１１に供給される。
【００４０】
具体的には、装置３０の分離部材３０ａは、ポリイミド樹脂等からなる中空糸状の高分子膜（中空糸膜）を束にして構成されている。この中空糸膜に対する各気体の透過性は、気体間でそれぞれ異なる。具体的には、中空糸膜の中空部に排気が導入され、中空糸膜の中空部を排気が流通する間に、二酸化炭素や水蒸気等、窒素分子よりも分子径の小さな気体は中空糸膜をより速やかに透過する。このため、中空糸膜において排気の下流側の端部からは、窒素濃度の高められた排気が流出する。一方、中空糸膜を透過した気体は、装置３０の排出通路３０ｂを通じて大気中に排出される。
【００４１】
なお、分離部材３０ａの材質や形状は上記に限定されず、他の樹脂からなる平板状の分離膜等、その他の材質や形状のものを適宜用いることができる。具体的には、気体分子が透過する性質を有する例えばシリコン等からなる酸素富化膜を用い、この酸素富化膜に対する気体分子の透過速度が気体分子間で異なることを利用して、排気について、二酸化炭素及び水蒸気と窒素とを分離する。そして、この膜によって二酸化炭素や水蒸気が取り除かれた排気、すなわち窒素富化排気を、供給通路３６を通じて内燃機関１０の吸気通路１１に供給する。なお、水蒸気や二酸化炭素の方が、窒素や酸素よりも酸素富化膜に対する透過速度が高い。
【００４２】
供給通路３６は、吸気通路１１においてスロットルバルブ１２よりも吸気の下流側の部分に接続されている。供給通路３６には、窒素富化排気の流量（供給通路３６の流路断面積）を調節する窒素富化排気バルブ３７（開閉弁）が設けられている。この窒素富化排気バルブ３７は、バルブアクチュエータ３８によって駆動される。バルブアクチュエータ３８は、電磁ソレノイド等により構成されており、ＥＣＵ２０からの駆動信号に基づいて駆動される。このバルブアクチュエータ３８の駆動を通じて、窒素富化排気バルブ３７の開度が制御される。
【００４３】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入出力インターフェース等により構成されるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ２０には、上述の空燃比センサ４４の他、車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ４１、内燃機関１０の回転速度を検出する回転速度センサ４２、吸気通路１１における吸気の流量を検出する吸気流量センサ４３等の検出信号が入力される。ＥＣＵ２０のＣＰＵは、これらの検出信号に基づいてＲＯＭに記憶されたマップやプログラム等を用いて、内燃機関１０の燃料噴射量制御や、点火時期制御、スロットルバルブ１２の開度制御、ポンプ３２の駆動制御等を実行する。
【００４４】
また、ＥＣＵ２０は、上記各種センサの検出信号に基づいて、窒素富化排気バルブ３７の開度制御を実行する。以下、窒素富化排気バルブ３７の開度制御について、フローチャートを用いて詳しく説明する。
【００４５】
図３は、窒素富化排気供給処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０により所定周期で繰り返し実行される。
【００４６】
図３において、まずステップＳ１１及びＳ１２では、吸気通路１１への窒素富化排気の供給を実施するための実施条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１１で、車両が減速状態か否かを判定し、ステップＳ１２で、車両が登坂状態にあるか否かを判定する。そして、ステップＳ１１又はＳ１２で肯定判定された場合、すなわち車両減速中であるか又は車両登坂状態の場合には、ステップＳ１３へ進み、バルブアクチュエータ３８の駆動により窒素富化排気バルブ３７を全閉して本ルーチンを終了する。つまり、車両減速時には燃料減量が行われるため、内燃機関１０の燃焼に供される気体中の窒素濃度の増加によって内燃機関１０の回転速度が不安定になること等を回避すべく、窒素富化排気の還流を停止させる。また、車両登坂時には、内燃機関１０の燃焼に供される気体中の窒素濃度の増加によって内燃機関１０の出力が低下して車両走行性が悪化するのを回避すべく、窒素富化排気の還流を停止させる。
【００４７】
なお、車両が減速状態であることは、例えばアクセルセンサ４１によりアクセルペダルの踏み込み量の減少が検出されたことによって判定する。あるいは、車速を検出する車速センサを搭載し、同車速センサの出力値に基づき判定してもよい。また、車両が登坂状態にあることは、例えば本システムに勾配センサを設け、同センサの検出値に基づき算出される路面勾配に基づいて判定する。あるいは、車速センサの検出値や加速度センサの検出値に基づき判定したり、カーナビゲーションシステムの情報に基づき判定したりしてもよい。
【００４８】
一方、ステップＳ１１及びＳ１２で否定判定された場合、つまり車両減速中でなく、かつ車両登坂状態でない場合には、ステップＳ１４へ進み、内燃機関１０の運転状態に基づいて、窒素富化排気の吸気通路１１への目標供給量を設定する。本実施形態では、内燃機関１０の運転状態として機関負荷及び機関回転速度を検出することとし、アクセルセンサ４１及び回転速度センサ４２の検出信号に基づいて、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されたマップを参照することにより、窒素富化排気の目標供給量を設定する。
【００４９】
図４は、内燃機関１０の負荷（アクセル踏み込み量）と内燃機関１０の回転速度と窒素富化排気の目標供給量との関係を示すマップの一例である。図４によれば、アクセル踏み込み量が大きいほど、また内燃機関１０の回転速度が高いほど、窒素富化排気の目標供給量が多くなるように規定してある。より具体的には、アイドリング領域（例えば内燃機関１０の回転速度が１０００ｒｐｍ以下の低回転速度領域であって、かつ内燃機関１０の負荷が極低負荷の領域）では、窒素富化排気の供給量を低減させることにより、燃焼安定性を優先させる。一方、低／中負荷領域では、窒素富化排気の供給量を増加させることにより、燃焼室内に導入される混合気の比熱比を向上させて燃費改善を図る。高負荷領域では、更に窒素富化排気の供給量を増加させることにより、比熱比の増加による燃費改善及びＮＯｘ低減が促進されるようにする。さらに、高負荷領域で窒素富化排気の供給量を増加させることにより、燃料速度を低下させてノッキングを抑制する。
【００５０】
また、本実施形態では、内燃機関１０の運転状態（車両の状態）として加速状態を検出し、その検出した加速状態に応じて窒素富化排気の目標供給量を設定する。図５は、アクセル開度の変化量と目標供給量との関係を示すマップの一例である。図５によれば、アクセル開度の変化量が大きいほど、つまり急加速であるほど、窒素富化排気の目標供給量が多くなるように規定してある。より詳しくは、アクセル開度変化量が所定値Ａ１までは、アクセル開度変化量が増加しても窒素富化排気の目標供給量は僅かに増加するだけであるのに対し、アクセル開度変化量が所定値Ａ１よりも大きい場合には、所定値Ａ１以下の場合に比べ、アクセル開度変化量の増加に対する窒素富化排気の目標供給量の増加量が大きくなるように規定してある。このように、加速時には、窒素富化排気の供給量を増加することで、気筒内温度を低下させ、ＮＯｘ排出量の低減及び内燃機関１０の熱効率向上による燃費改善を図っている。ただし、このような窒素富化排気の供給量の増加は、ドライバの加速要求を満たすことができる範囲内で実施することが望ましい。
【００５１】
なお、加速状態に基づき目標供給量を設定するには、図４のマップに基づき、内燃機関１０の負荷及び回転速度から算出した窒素富化排気の目標供給量に対し、アクセル開度変化量に応じた補正を行ってもよい。この場合、図５において、アクセル開度変化量と補正係数との関係を規定しておく。あるいは、内燃機関１０の負荷と回転速度とアクセル開度変化量と目標供給量との関係を予め規定しておき、同関係に基づいて目標供給量を設定してもよい。
【００５２】
図３のフローチャートの説明に戻り、ステップＳ１５では、内燃機関１０の運転状態に基づいてスロットルバルブ１２の開度（スロットル開度）を制御する。具体的には、アクセルセンサ４１、回転速度センサ４２及び吸気流量センサ４３等の検出信号に基づいてスロットル開度を設定し、その設定したスロットル開度を目標開度に一致させるべく、スロットルアクチュエータ１３を駆動する。
【００５３】
続いて、窒素富化排気の目標供給量に基づいて、ポンプ３２の駆動及び窒素富化排気バルブ３７の開度を制御する。具体的には、窒素富化排気の目標供給量が多いほど、排気通路１６から窒素富化気体生成装置３０へ送出される排気流量が多くなるようにポンプ３２を駆動する。また、窒素富化排気の目標供給量が多いほど、窒素富化気体生成装置３０から吸気通路１１へ供給される排気流量が多くなるようにスロットル開度を制御する。これにより、目標供給量に応じた流量の窒素富化排気が吸気通路１１に供給される。こうして本ルーチンを終了する。
【００５４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５５】
窒素富化気体生成装置３０により排気中の窒素濃度を高め、その窒素濃度が高められた排気（窒素富化排気）を内燃機関１０の吸気通路１１に供給するとともに、その供給量を内燃機関１０の運転状態を含む車両の状態に基づいて制御する構成としたため、通常排気よりも比熱比が高い窒素富化排気を、車両の運転状態に応じて吸気通路１１に供給することができる。これにより、内燃機関１０の熱効率を向上させることができ、ひいては燃費改善を図ることができる。
【００５６】
また、窒素富化排気の供給量制御を窒素富化排気バルブ３７の開度制御により行う構成としたため、例えばポンプ３２の吐出量制御のみによって窒素富化排気の供給量制御を行う場合に比べ、その制御を簡単にかつ精度よく実施することができる。
【００５７】
窒素富化気体を排気から生成する構成としたため、吸気から生成する場合に比べ、窒素濃度を容易にかつ精度よく高めることができる。その結果、システムの大型化を抑制することができ、実用面で好適である。
【００５８】
車両が急加速であるほど、吸気通路１１への窒素富化排気の供給量を多くする構成としたため、気筒内温度の低下によってＮＯｘ排出量を低減させつつ、内燃機関１０の熱効率向上による燃費改善を図ることができる。
【００５９】
アクセル踏み込み量が大きいほど、また内燃機関１０の回転速度が高いほど、窒素富化排気の供給量を多くする構成としたため、ＮＯｘ低減及び燃費改善を好適に図ることができる。具体的には、アイドリング領域では、高負荷時や高回転速度時に比べて窒素富化排気の供給量を少なくすることにより、内燃機関１０の燃焼を安定させることができる。一方、低／中負荷領域では、窒素富化排気の供給量を増加させることにより、燃焼室内に導入される混合気の比熱比が向上され、燃費の改善を図ることができる。高負荷領域では、更に窒素富化排気の供給量を増加させることにより、比熱比の増加による燃費改善と、ＮＯｘ低減とを促進させることができる。さらに、高負荷領域で窒素富化排気の供給量を増加させることにより、燃料速度を低下させてノッキングを抑制することができる。
【００６０】
車両減速中又は車両登坂状態の場合には、窒素富化排気の吸気通路１１への供給を実施しない構成としたため、車両減速時のように燃料減量が行われる場合には、機関回転速度が不安定にならないようにすることができる。また、車両登坂時には、窒素富化排気の供給による出力低下を回避することができ、車両の走行性を確保することができる。
【００６１】
分離部材３０ａとしての透過膜の性質として、透過膜に導入される気体の温度が高いほど、透過膜により窒素濃度を高める際の効率が高くなる。このため、混合気の燃焼により生じた高温の排気が透過膜に導入される場合には、常温の自然吸気が透過膜に導入される場合と比較して、窒素濃度を高める際の分離効率が高くなる。したがって、窒素富化気体を吸気通路１１に供給するに際し、排気から窒素富化気体を生成することにより、ポンプ３２として、小型の電動ポンプの採用することができ、また、気体分離に用いる透過膜の厚みを薄くでき、分離部材３０ａの小型化を図ることができる。
【００６２】
分離部材３０ａとして透過膜を用いる窒素富化気体生成装置３０では、同装置３０から送出される排気中の窒素濃度（分離濃度）が、装置３０に供給される排気の圧力に応じて異なり、排気圧力が高圧であるほど、窒素濃度が高くなる。逆に言えば、窒素分離の分離効率が低い場合には、例えばターボチャージャのコンプレッサ等といった比較的大型の装置により、装置３０に導入される気体の圧力を高める必要があり、システム全体の大型化が懸念される。その点、本実施形態では、排気から窒素富化気体を生成することにより、窒素富化気体生成装置３０での気体分離効率が高くなり、その結果、ポンプ３２の大型化を抑制することができる。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、上述した第１の実施形態との相違点を中心に説明する。上記第１の実施形態では、窒素富化排気中の残留酸素を考慮せずに窒素富化排気バルブ３７の開度制御を実施したが、本実施形態では、同残留酸素の濃度（含有量）に基づいて窒素富化排気バルブ３７の開度制御を実施する。以下、本実施形態における窒素富化排気バルブ３７の開度制御について詳細に説明する。
【００６４】
図６は、本実施形態の窒素富化気体供給制御システムの全体概略を示す構成図である。本システムの供給通路３６には、窒素富化気体生成装置３０の下流側であってかつ窒素富化排気バルブ３７の上流側において、窒素富化排気を検出対象として同排気中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ４５が設けられている。
【００６５】
ＥＣＵ２０は、空燃比センサ４４の出力値に基づいて、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）が目標空燃比に一致するように空燃比フィードバック制御を実施する。つまり、ＥＣＵ２０は、実空燃比を目標空燃比に収束させるべく、内燃機関１０の燃焼室内への吸入空気量の制御や燃料噴射量の制御等を実施する。ここでは、窒素濃度が約７５％、酸素濃度が約２５％の標準的な大気を基準として、空気と燃料との質量比である空燃比を設定している。
【００６６】
吸入空気量制御について本実施形態では、スロットルバルブ１２を通過する新気中の酸素量と窒素富化排気中の酸素量との合計量が、目標空燃比に対応する酸素量になるようにスロットルバルブ１２及び窒素富化排気バルブ３７の開度を制御する。換言すれば、窒素富化排気中の酸素濃度（酸素量）に基づいて、実空燃比が目標空燃比に収束するようスロットルバルブ１２及び窒素富化排気バルブ３７の開度を制御する。
【００６７】
図７は、窒素富化排気供給処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０により所定周期で繰り返し実行される。
【００６８】
図７において、まずステップＳ２１では、内燃機関１０の運転状態（負荷や回転速度など）に基づいて目標空燃比を設定する。続くステップＳ２２では、設定した目標空燃比が理論空燃比（１４．６）よりもリーン側か否かを判定する。目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側であれば、ステップＳ２３〜Ｓ２５において、上記図２のステップＳ１４〜Ｓ１６と同様の処理を実施する。つまり、内燃機関１０の負荷及び回転速度等に基づいて設定した目標量の窒素富化排気が吸気通路１１に供給されるよう窒素富化排気バルブ３７の開度を制御するとともに、内燃機関１０の運転状態に基づいてスロットル開度を制御して本ルーチンを終了する。目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の場合には、混合気中の酸素量が過剰でない状態で燃焼が実施されるため、窒素富化排気の酸素濃度を略０とみなすことができ、窒素富化排気を供給しても空燃比は変化しないとみなすことができる。
【００６９】
一方、目標空燃比が理論空燃比よりもリーン側の場合には、ステップＳ２６へ進み、目標空燃比に基づいて、内燃機関１０の燃焼室に供給する混合気中の目標窒素濃度を設定する。具体的には、目標空燃比と目標窒素濃度との関係を、例えばマップとして予めＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶しておき、同マップを参照することにより目標窒素濃度を設定する。
【００７０】
図８は、目標空燃比と目標窒素濃度との関係の一例を示すマップである。図８によれば、目標空燃比が、ＮＯｘ排出量が最大となる所定のリーン空燃比ＡＦＬ（例えば１７付近の空燃比）に近付くほど、内燃機関１０の燃焼室内に供給される気体の窒素濃度が高くなるように目標窒素濃度が規定してある。すなわち、理論空燃比よりも大きく、かつリーン空燃比ＡＦＬ以下の弱リーン領域Ａでは、目標空燃比がリーン側になるほど、内燃機関１０の燃焼室内に供給される気体の窒素濃度が高くなるように目標窒素濃度が規定してある。これにより、目標空燃比の増大に伴いＮＯｘ排出量が増大されるのが抑制されるようにしている。一方、リーン空燃比ＡＦＬよりも大きい強リーン領域Ｂでは、目標空燃比がリーン側になるほど、内燃機関１０の燃焼室内に供給される気体の窒素濃度が低くなるように目標窒素濃度が規定してある。これにより、失火の抑制を図るようにしている。換言すれば、本実施形態では、スロットルバルブ１２を通過する新気中の酸素量と窒素富化排気中の酸素量との合計量が、目標空燃比に対応する酸素量になるようにしているため、混合気の窒素濃度を高くするほど内燃機関１０の燃焼室内への窒素の供給量が多くなる。
【００７１】
さて、ステップＳ２７では、窒素富化気体生成装置３０から排出される窒素富化排気の酸素濃度を酸素濃度センサ４５の出力値に基づき算出する。そして、ステップＳ２８で、スロットルバルブ１２を通過する新気中の酸素量と窒素富化排気中の酸素量との合計量が目標空燃比に対応する酸素量になり、かつ内燃機関１０の燃焼室に供給される混合気中の窒素濃度が目標窒素濃度になるように、スロットルバルブ１２及び窒素富化排気バルブ３７の開度を制御する。こうして本ルーチンを終了する。
【００７２】
なお、ポンプ３２の駆動については、酸素濃度センサ４５により検出される窒素富化排気中の酸素濃度に基づき制御してもよいし、目標窒素濃度に基づき制御してもよい。あるいは、窒素富化排気中の酸素濃度や目標窒素濃度とは無関係に、一定の制御量で駆動してもよい。ポンプ駆動については、図示しない別ルーチンで実施される。
【００７３】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果を有する。
【００７４】
窒素富化排気中の酸素濃度に基づいて窒素富化排気バルブ３７及びスロットルバルブ１２の開度を制御する構成としたため、スロットルバルブ１２を通過する新気中の酸素量と窒素富化排気中の酸素量との合計量が目標空燃比に対応する酸素量になるようにすることができる。したがって、空燃比制御を好適に実施することができる。
【００７５】
内燃機関１０の目標空燃比がリーン側の場合には、排気中の酸素濃度が高くなることによって窒素富化排気中の酸素濃度が高くなりやすいところ、内燃機関１０の目標空燃比が理論空燃比よりもリーン側の場合に、窒素富化排気中の酸素濃度に基づく開度制御を実施する構成としたため、空燃比制御を好適に実施する上で特に有意義である。
【００７６】
目標空燃比が、理論空燃比よりも大きくかつ所定のリーン空燃比以下となる弱リーン領域Ａでは、目標空燃比がリーン側ほど、内燃機関１０の燃焼室内に供給される気体の窒素濃度が高くなるように目標窒素濃度を設定する構成としたため、目標空燃比の増大に伴いＮＯｘ排出量が増大されるのを好適に抑制することができる。一方、目標空燃比が所定のリーン空燃比よりも大きい強リーン領域Ｂでは、目標空燃比がリーン側になるほど、内燃機関１０の燃焼室内に供給される気体の窒素濃度が低くなるように目標窒素濃度を設定する構成としたため、失火の抑制を好適に図ることができる。
【００７７】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【００７８】
・上記実施形態において、窒素富化排気の目標供給量に応じて、点火プラグ１４の点火時期を制御する構成とする。吸気通路１１へ窒素富化排気を供給する場合、窒素富化排気の供給量が多いほど燃焼安定性が低下すると考えられる。したがって、上記構成とすることにより、窒素富化排気の供給に伴う燃焼安定性の低下を抑制することができる。具体的には、内燃機関１０の燃焼室内に供給する混合気中における目標窒素濃度が高いほど（窒素富化排気の目標供給量が多いほど）、点火時期を進角側にする。
【００７９】
・上記実施形態において、車両の走行性を優先するノーマルモードと、車両の燃費を優先するエコモードとをドライバの操作に基づき切り替え可能に構成し、ノーマルモードが設定されている場合には、吸気通路１１への窒素富化排気の供給を停止し、エコモードが設定されている場合には、吸気通路１１への窒素富化排気の供給を実施する構成とする。この構成によれば、車両の走行性を重視するか、あるいは燃費改善やＮＯｘ排出の低減を重視するかをドライバの意思に応じて設定することができる。
【００８０】
・上記第２の実施形態では、目標空燃比に応じて内燃機関１０の燃焼室に導入される混合気中の目標窒素濃度を設定する構成としたが、目標窒素濃度については、内燃機関１０の負荷や回転速度に基づいて設定する構成としてもよい。
【００８１】
・窒素富化排気の目標供給量の設定に際し、内燃機関１０の負荷や回転速度、加速状態以外の内燃機関１０の運転状態に関するパラメータ、例えば、内燃機関１０の温度等に基づいて窒素富化排気の目標供給量を設定する。
【００８２】
・上記実施形態では、ポンプ３２として、排気の流量を調節可能な電動ポンプを採用したが、排気を所定流量で送出するポンプを採用してもよい。排気の流量を調節できない簡素なポンプであれば、システムの大型化を抑制する観点で好ましい。
【００８３】
・上記実施形態では、ポンプ３２により排気を加圧して送出するようにしたが、窒素富化気体生成装置３０に導入される排気において窒素濃度を高めるために必要な圧力を確保することができれば、ポンプ３２を省略することもできる。その場合には、排気通路１６において誘導通路３１の接続部分よりも排気の下流側に、排気の流量を調節する排気絞り弁を設けて、窒素富化気体生成装置３０に導入される排気の圧力を上昇させるようにしてもよい。また、排気を窒素富化気体生成装置３０に誘導する誘導通路を、排気通路１６において浄化装置１７よりも排気の上流側に接続することによっても、装置３０に導入される排気の圧力を上昇させることができる。なお、反対に、窒素富化気体生成装置３０に導入される排気の圧力をより高めたい場合には、ポンプ３２よりも排気を加圧する能力の高いコンプレッサ等を採用することもできる。
【００８４】
・上記実施形態の構成に加えて、窒素富化気体生成装置３０（窒素富化手段）を迂回して内燃機関１０の排気を吸気通路１１に還流させる還流通路と、供給通路３６から吸気通路１１に窒素濃度の高められた排気が供給される状態及び還流通路から吸気通路１１に排気が供給される状態を切換える切換えバルブ（切換手段）とを備えるといった構成を採用することにより、内燃機関１０の運転状態に応じて窒素富化排気が供給される状態と窒素濃度の高められていない排気が供給される状態とを切り換えるようにしてもよい。
【００８５】
・上記実施形態の構成に加えて、窒素富化気体生成装置３０内、又は供給通路３６において窒素富化気体生成装置３０の下流側に、窒素富化排気の窒素濃度を調節するバルブ（濃度調節弁）を設け、そのバルブ開度をＥＣＵ２０により制御することで、窒素富化気体生成装置３０から送出される窒素富化排気の窒素濃度を制御する構成する。窒素濃度の調節機構として例えば、ＥＣＵ２０により濃度調節弁のバルブ開度を調節することで、窒素富化気体生成装置３０における排気の滞留時間を変更する。このとき、排気の滞留時間が長くなるほど、窒素の透過量に対して二酸化炭素や水蒸気の透過量が多くなり、結果として、窒素富化気体生成装置３０から送出される窒素富化排気の窒素濃度が高くなると考えられる。したがって、吸気通路１１に供給する窒素富化排気中の窒素濃度を高くするには、バルブ開度が小さくなるよう濃度調節弁の開度を制御する。
【００８６】
・上記実施形態では、窒素富化気体生成装置３０の分離部材３０ａを中空糸膜や酸素富化膜により構成し、気体分子間で膜透過速度が異なる性質を利用して排気の気体分離を実施する構成としたが、排気の気体分離方法はこれに限定しない。例えば、気体分子間で吸着能が異なる性質を利用して気体分離を実施するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式を採用する。この場合、ゼオライトや活性炭といった微多孔物質により分離部材３０ａを構成する。なお、一般にゼオライトは、窒素分子や酸素分子よりも二酸化炭素を選択的に吸着しやすいことから、排気中の二酸化炭素と窒素とを容易にかつ高精度で分離することができる。
【００８７】
・上記実施形態では、内燃機関１０としてガソリンエンジンを採用したが、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンを採用することもできる。その場合には、浄化装置１７は、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）やＮＯｘ吸蔵還元触媒等により構成される。こうした構成によっても、排気中の二酸化炭素や水蒸気を分離して窒素濃度を高めた排気（窒素富化排気）を内燃機関１０に供給することができる。
【符号の説明】
【００８８】
１０…内燃機関、１１…吸気通路、１６…排気通路、３０…窒素富化気体生成装置（窒素富化手段）、３０ａ…分離部材、３１…誘導通路、３６…供給通路、３７…窒素富化気体供給バルブ（開閉弁）。
【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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