(57)【要約】【課題】装置が大型化することを抑制することのできる内燃機関の窒素富化気体供給装置および窒素富化気体供給方法を提供する。【解決手段】窒素富化気体供給装置は、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により窒素濃度の高められた排気（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とを備える。窒素富化気体生成装置３０は、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより排気の窒素濃度を高める。【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の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する供給通路と
を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化気体供給装置。
【請求項２】
前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。
【請求項３】
前記誘導通路内の前記排気を加圧して前記窒素富化手段に送出するポンプを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。
【請求項４】
前記ポンプは前記排気の流量を調節可能なポンプであり、
前記機関の運転状態に基づいて前記ポンプにより送出される前記排気の流量を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。
【請求項５】
前記吸気通路に供給される前記排気の流量を調節する流量調節弁を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。
【請求項６】
前記吸気通路に供給される前記排気の窒素濃度を調節する濃度調節弁を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の窒素富化気体供給装置。
【請求項７】
内燃機関の排気通路から窒素富化手段に排気を誘導する工程と、
前記窒素富化手段によって、前記排気の窒素濃度を高める工程と、
前記窒素富化手段によって窒素濃度の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する工程と
を備えることを特徴とする内燃機関の窒素富化気体供給方法。
【請求項８】
前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の窒素富化気体供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素濃度を高めた窒素富化気体を内燃機関に供給する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置において、吸入空気中の酸素の一部を分離膜により除去して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ものがある（例えば、特許文献１，２参照）。これらの特許文献１，２に記載のものは、大気からなる自然吸気と窒素富化吸気との割合を調節して、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を行っている。その結果、窒素富化吸気を供給しない場合と比較して吸気量を増大させることができるため、内燃機関のポンピングロスを低下させて燃費を改善することができる。また、余剰酸素が存在しない状態で燃料の燃焼が行われるため、窒素酸化物の生成を抑制することができるとともに、三元触媒による排気浄化効率が低下することを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０５７０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】
【０００４】
ところで、特許文献１，２に記載のものは、吸入空気中の酸素を分離膜により除去する際に、分離膜に対する窒素と酸素との透過性の差異を利用している。ここで、分離膜に対する透過性に関して、窒素と酸素との差異は、窒素と酸素以外の物質との差異に比べると小さい。このため、分離膜により窒素と酸素とを分離するためには、比較的高圧で吸入空気を加圧する必要があり、特許文献１，２に記載のものでは、ターボチャージャのコンプレッサを吸入空気の加圧に用いている。したがって、特許文献１，２に記載のものは、装置が大型化することが避けられず、未だ改善の余地を残すものとなっている。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、装置が大型化することを抑制することのできる内燃機関の窒素富化気体供給装置および窒素富化気体供給方法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】
【０００６】
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。
【０００７】
請求項１に記載の発明は、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の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する供給通路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、誘導通路を通じて内燃機関の排気通路から窒素富化手段に排気が誘導され、窒素富化手段にて排気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の高められた排気（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。
【０００９】
ここで、内燃機関におい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、二酸化炭素およ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、例えば窒素富化手段を例えば酸素富化膜又は中空糸膜を含む構成とした場合には、二酸化炭素および水蒸気の方が酸素や窒素よりも膜透過性が高い。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場合と比較して、排気から二酸化炭素およ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行うことができる。したがって、本発明によれば、気体の分離装置が大型化することを抑制することができる。
【００１０】
特に、窒素富化手段を酸素富化膜や中空糸膜を含む構成とした場合には、窒素富化手段の気体分離効率が被分離ガスの温度に依存し、気体温度が高いほど、窒素濃度を高める際の分離効率が高くなると考えられる。このため、高温の排気を用いて窒素富化気体を生成する場合には、常温の自然吸気を用いて窒素富化気体を生成する場合に比べて分離効率を向上させることができ、分離装置の小型化を図るといった効果を好適に得ることができる。
【００１１】
なお、窒素富化手段としては、例えば分離部材に対する各気体の透過性の差異に基づいて気体の窒素濃度を高める構成を有するものの他、分離部材に対する各気体の吸着性の差異に基づいて気体の窒素濃度を高める構成を有するものを含む。
【００１２】
内燃機関において、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、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。
【００１３】
したがって、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めるといった構成を採用することにより、排気の窒素濃度をより高くすることができる。
【００１４】
ここで、内燃機関の熱効率は、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。そして、窒素は二酸化炭素および水蒸気よりも比熱比が大きいため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより、排気の比熱比を大きくすることができる。その結果、窒素濃度を高めていない排気を内燃機関に供給する場合と比較して、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【００１５】
ここで、窒素富化手段による気体分離は、窒素富化手段における気体導入側及び気体送出側の少なくともいずれか、又は窒素富化手段の内部の圧力を変化させることで、その気体分離能を高めることができる。ところが、吸気中の酸素と窒素とを分離する場合、両者の分離比率の差がさほど大きくないため、気体分離効率を高めるには、ターボチャージャのコンプレッサ等といった大型の加圧装置を用いる必要がある。そのため、装置の大型化が懸念される。
【００１６】
一方、上述したように、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離する場合には、自然吸気から酸素を分離する場合と比較して、その気体分離を容易にかつ精度よく実施することができる。さらに、高温の排気を用いて窒素富化気体を生成する場合には、常温の吸気を用いて窒素富化気体を生成する場合よりも、窒素富化手段による分離効率を向上させることができる。
【００１７】
したがって、請求項３に記載の発明のように、請求項１又は２に記載の発明において、前記誘導通路内の前記排気を加圧して前記窒素富化手段に送出するポンプを備えるといった構成によっても、気体分離を高効率で実施することができる。つまり、本発明では、ターボチャージャのコンプレッサ等を利用する場合と比較して、気体を加圧する加圧装置を小型化することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記ポンプは前記排気の流量を調節可能なポンプであるといった構成を採用し、前記機関の運転状態に基づいて前記ポンプにより送出される前記排気の流量を制御する制御手段を備えるため、排気を加圧するためのポンプを利用して、窒素富化手段に送出される排気の流量、ひいては機関の吸気通路に供給される窒素富化排気の流量を、機関の運転状態に応じて制御することができる。
【００１９】
あるいは、請求項３に記載の発明において、上記ポンプを、排気を所定流量で送出するポンプとして構成し、吸気通路に供給される排気の流量を調節する絞り弁と、内燃機関の運転状態に基づいて同絞り弁の開度を制御する制御手段とを備える構成としてもよい。この構成によれば、排気の流量を調節できない簡素なポンプを採用しつつ、機関の吸気通路に供給される窒素富化排気の流量を、機関の運転状態に応じて制御することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記吸気通路に供給される前記排気の流量を調節する流量調節弁を備える。この構成によれば、排気の流量を調節可能なポンプ等を有しない構成であっても、吸気通路に供給される排気の流量を調節することができ、装置の簡略化を図ることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記吸気通路に供給される前記排気の窒素濃度を調節する濃度調節弁を備える。この構成によれば、吸気通路に供給される排気の窒素濃度を調節することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、内燃機関の排気通路から窒素富化手段に排気を誘導する工程と、前記窒素富化手段によって前記排気の窒素濃度を高める工程と、前記窒素富化手段によって窒素濃度の高められた前記排気を前記機関の吸気通路に供給する工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
上記工程によれば、請求項１に記載の発明と同様にして、気体を分離する装置が大型化することを抑制することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記窒素富化手段は、前記排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより前記排気の窒素濃度を高めるといった工程を備えるため、請求項２に記載の発明と同様にして、排気の窒素濃度をより高くすることができるとともに、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】窒素富化気体供給装置の概要を示す模式図。
【図２】気体分離膜に対する各ガス成分の透過性を示す図。
【図３】窒素富化排気供給量制御の処理手順を示すフローチャート。
【図４】他の実施形態の窒素富化気体供給装置の概要を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
本実施形態は、車両に搭載された内燃機関の排気を窒素富化気体生成装置に誘導して、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に具体化している。
【００２８】
図１に示すように、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の開度が制御される。
【００２９】
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。
【００３０】
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、炭化水素および窒素酸化物が、二酸化炭素、水蒸気およ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。
【００３１】
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。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もの、すなわち気体を比較的低圧で加圧するものが採用されている。このため、気体を加圧する装置を小型化することができる。そして、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。
【００３２】
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）が接続されており、ポンプ３２により加圧された排気が誘導通路３１を通じて装置３０に導入される。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。
【００３３】
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おり、この中空糸膜に対する各気体の透過性がそれぞれ異なる。そして、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。
【００３４】
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、膜に気体の分子が溶け込む性質を有する例えばシリコン等からなる酸素富化膜（気体分離膜）を用い、この酸素富化膜に気体分子が溶解し、拡散し、離脱する速度が気体分子間で異なることを利用して二酸化炭素および水蒸気と窒素とを分離する。このとき、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。
【００３５】
また、装置３０において、同装置３０から送出される排気中の窒素濃度（分離濃度）は、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に導入する気体の圧力を高める必要があり、この場合、システム全体の大型化が懸念される。
【００３６】
ここで、本発明者らは、分離部材３０ａにより気体分離を実施する場合、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およ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できることに着目した。より具体的には、分離部材３０ａに対する透過性は気体分子間で異なり、二酸化炭素および水蒸気では、窒素や酸素に比べて膜透過性が高いことに着目した。
【００３７】
図２は、気体間の膜透過性の相違を表す一例として、気体分離膜に対する各ガス成分の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。
【００３８】
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、二酸化炭素および水蒸気では、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およ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。したがって、分離部材３０ａに導入する気体を排気とすることにより、分離部材３０ａによる気体分離を比較的低い圧力で実施可能である。換言すれば、内燃機関１０の排気を用いる場合には、気体の窒素濃度を高めるために気体を高圧まで加圧する必要性が低い。
【００３９】
そこで、本実施形態では、排気から窒素富化気体を生成し、その生成した窒素富化気体を内燃機関１０の吸気通路１１に供給している。具体的には、図１の窒素富化排気供給装置において、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、これにより、吸気の代わりに排気を利用して生成された窒素富化気体が吸気通路１１に供給されるようにしている。
【００４０】
さらに、吸気に代えて排気を用いる場合、透過膜を通過する被分離ガスが、混合気の燃焼により高温となっている。ここで、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と考えられる。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、吸気に代えて排気を用いる場合には、ポンプ３２として、小型の電動ポンプの採用が可能となり、また、気体分離に用いる透過膜の厚みを薄くする、すなわち分離部材３０ａの小型化が可能になる。
【００４１】
また、内燃機関１０の熱効率は、作動流体の比熱比κ（定圧比熱Ｃｐと定積比熱Ｃｖとの比）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は次式で表される。次式において、εは圧縮比であり、κ＝Ｃｐ／Ｃｖである。
【００４２】
η＝１−（１／ε）κ−１
【００４３】
ここで、窒素は二酸化炭素および水蒸気よりも比熱比κが大きく、具体的には、例えば気体温度が９００Ｋの場合には、二酸化炭素の比熱比がκｃｏ2＝１．１９、水蒸気の比熱比がκｈ2ｏ＝１．２６であるのに対し、窒素の比熱比はκｎ2＝１．３５である。このため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離した場合、その気体分離を行わない場合に比べて排気の比熱比κが大きくなる。したがって、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離して窒素濃度を高めた窒素富化排気を内燃機関１０に供給する場合に、窒素濃度の高められていない排気をそのまま内燃機関１０に供給する場合と比較して、内燃機関１０の熱効率が向上される。
【００４４】
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を調節する窒素富化排気バルブ３７（流量調節弁）が設けられており、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。そして、ＥＣＵ２０による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。
【００４５】
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、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、排気通路１６において浄化装置１７よりも排気の上流側の部分の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４４等の検出信号が入力される。そして、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、スロットルバルブ１２の開度制御、ポンプ３２により送出される排気の流量制御、窒素富化排気バルブ３７の開度制御等を実行する。
【００４６】
こうした構成を備える窒素富化排気供給装置において、図３のフローチャートに示す処理手順により、内燃機関１０に供給される窒素富化排気の量を制御する窒素富化排気供給量制御が実行される。この処理は、ＥＣＵ２０により所定の周期をもって繰り返し実行される。
【００４７】
まず、内燃機関１０の運転状態に基づいて窒素富化排気の目標供給量が設定される（Ｓ１１）。具体的には、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が設定される。このマップは、内燃機関１０の負荷としてのアクセルペダルの踏み込み量と、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規定している。そして、アクセルペダルの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されている。
【００４８】
これに併せて、内燃機関１０の運転状態に基づいてスロットルバルブ１２の開度が制御される（Ｓ１２）。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バルブ１２の目標開度が設定され、スロットルバルブ１２の開度を目標開度に制御するようにスロットルアクチュエータ１３が駆動される。
【００４９】
続いて、窒素富化排気の目標供給量に基づいてポンプ３２の駆動および窒素富化排気バルブ３７の開度が制御される（Ｓ１３）。具体的には、ポンプ３２の駆動を制御することにより、ポンプ３２から送出される排気の流量が制御される。すなわち、ポンプ３２は、排気を加圧して送出するとともに、送出される排気の流量を調節する。そして、窒素富化気体生成装置３０によって排気の窒素濃度が高められ、窒素富化排気バルブ３７の開度制御を通じて窒素富化排気の流量が制御される。なお、供給通路３６から吸気通路１１に供給される窒素富化排気の流量は、吸気通路１１内の圧力によって影響を受けるため、これを考慮してポンプ３２の駆動および窒素富化排気バルブ３７の開度が制御される。これにより、目標供給量の窒素富化排気が供給通路３６から吸気通路１１に供給される。こうして、本処理は終了される。
【００５０】
以上詳述した本実施形態は以下の利点を有する。
【００５１】
誘導通路３１を通じて内燃機関１０の排気通路１６から窒素富化気体生成装置３０に排気が誘導され、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の窒素濃度が高められる。そして、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。
【００５２】
ここで、内燃機関１０において燃料と吸入空気との混合気の燃焼により生じた排気は、窒素と二酸化炭素と水蒸気とを含んでおり、分離部材３０ａに対する二酸化炭素および水蒸気の透過性は酸素の透過性よりも高い。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場合と比較して、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離する場合には、分離部材３０ａによる気体分離を低圧で実施することができる。さらに、気体の温度が高いほど、分離部材３０ａにより窒素濃度を高める際の効率が高くなる。このため、高温の排気を用いて窒素富化気体を生成する場合には、常温の自然吸気を用いて窒素富化気体を生成する場合よりも効率を向上させることができる。その結果、気体を加圧する装置や気体を分離する装置が大型化することを抑制することができる。
【００５３】
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、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。
【００５４】
したがって、窒素富化気体生成装置３０は、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより排気の窒素濃度を高めるため、排気の窒素濃度をより高くすることができる。ここで、内燃機関１０の熱効率ηは、作動流体の比熱比κ（定圧比熱Ｃｐと定積比熱Ｃｖとの比）が大きいほど高くなる。そして、窒素は二酸化炭素および水蒸気よりも比熱比κが大きいため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することにより、排気の比熱比κを大きくすることができる。その結果、窒素濃度を高めていない排気を内燃機関１０に供給する場合と比較して、内燃機関１０の熱効率を向上させることができる。また、比熱比κを増大させるためのリーン燃焼といった特別な燃焼状態を形成する必要がない。
【００５５】
誘導通路３１内の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を備えるため、ターボチャージャのコンプレッサ等を利用する場合と比較して、気体を加圧する加圧装置を小型化することができる。
【００５６】
ポンプ３２は排気の流量を調節可能な電動ポンプであり、ＥＣＵ２０は内燃機関１０の運転状態に基づいてポンプ３２により送出される排気の流量を制御するため、排気を加圧するためのポンプ３２を利用して、窒素富化気体生成装置３０に送出される排気の流量、ひいては内燃機関１０の吸気通路１１に供給される窒素富化排気の流量を、内燃機関１０の運転状態に応じて制御することができる。
【００５７】
二酸化炭素および水蒸気と窒素とでは、酸素と窒素とに比べて分離比の差（膜透過性の差）が大きいため、排気から二酸化炭素および水蒸気を分離することで、大気からなる吸気（自然吸気）から酸素を分離する場合に比べて、分離精度を向上させることができ、その結果、窒素富化気体の窒素濃度を高めることができる。
【００５８】
上記実施形態に限定されず、例えば次のように実施することもできる。
【００５９】
・上記実施形態では、窒素富化排気バルブ３７の開度をＥＣＵ２０によって制御するようにしたが、開度を調節することのできる窒素富化排気バルブ３７に代えて開閉弁を採用し、ＥＣＵ２０によって開閉弁を開状態と閉状態とに切り換えることもできる。また、こうした窒素富化排気バルブ３７や開閉バルブを省略することもできる。これらの場合であっても、ポンプ３２により送出される排気の流量を制御することにより、吸気通路１１に供給される窒素富化排気の流量を制御することができる。
【００６０】
・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することもできる。この場合であっても、吸気通路１１に供給される排気の流量を調節する窒素富化排気バルブ３７（流量調節弁）と、内燃機関１０の運転状態に基づいて窒素富化排気バルブ３７の開度を制御するＥＣＵ２０とを備えることにより、排気の流量を調節できない簡素なポンプを採用しつつ、内燃機関１０の吸気通路１１に供給される窒素富化排気の流量を、内燃機関１０の運転状態に応じて制御することができる。
【００６１】
・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。
【００６２】
・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。
【００６３】
・上記実施形態の構成に加えて、又は上記実施形態の窒素富化排気バルブ３７に代えて、例えば図４に示すように、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）３９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バルブ３９の駆動を制御する。
【００６４】
・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。
【００６５】
・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】
【００６６】
１０…内燃機関、１１…吸気通路、１６…排気通路、３０…窒素富化手段としての窒素富化気体生成装置、３０ａ…分離部材、３１…誘導通路、３６…供給通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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