CN108952978A - 内燃机的气体供给装置及其控制方法 - Google Patents

内燃机的气体供给装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种内燃机的气体供给装置及其控制方法，该气体供给装置具备富氧膜模块(48)、泵部(62)以及电子控制单元(70)。电子控制单元(70)执行富氧化控制和富氮化控制，所述富氧化控制是如下控制：驱动泵部(62)来使从第二空间通过富氧膜(48b)向第一空间供给的氧浓度升高为比大气的氧浓度高的空气与流入第一空间的大气合流并将其向汽缸(22)的燃烧室供给，所述富氮化控制是如下控制：驱动泵部(62)来使得从第一空间通过富氧膜(48b)向第二空间排出氧浓度升高为比大气的氧浓度高的空气并且在第一空间生成氧浓度升高为比大气的氮浓度高的空气，将该氮浓度升高后的空气向燃烧室供给。

Description

内燃机的气体供给装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机的气体供给装置，所述内燃机的气体供给装置将大气(空气)改质成“氧浓度比大气的氧浓度高的富氧空气”或“氧浓度比大气的氧浓度低的富氮空气”，并将该改质后的空气向燃烧室供给。
背景技术
例如像在日本特开2016-166602中记载的那样，以往已知的这种内燃机的气体供给装置之一(以下，称为“以往装置”)具备增压器(涡轮增压器)、气体分离装置、第一气体储存装置、第二气体储存装置、第一气门、第二气门以及第三气门。气体分离装置具有将由增压器的压缩机加压后的大气(压缩空气)分离成富氧空气和富氮空气的膜构造(富氧膜)。
第一气体储存装置储存通过气体分离装置分离出的富氧空气。第一气门控制从第一气体储存装置向燃烧室供给的富氧空气的量。第二气体储存装置储存通过气体分离装置分离出的富氮空气。第二气门控制从第二气体储存装置向燃烧室供给的富氮空气的量。第三气门控制从压缩机不通过气体分离装置地向燃烧室供给的压缩空气的量。
发明内容
为了使用富氧膜将大气分成富氧空气和富氮空气，需要使得在以富氧膜为界而划分出的两个空间之间产生压力差(以下，称为“膜差压”)。以往装置通过向该两个空间中的一方的空间导入“由增压器加压后的大气”来产生膜差压。
然而，在内燃机在“增压器实质上无法进行增压(大气的压缩·加压)的非增压区域”中运转的情况下，以往装置无法产生足够大小的膜差压。即，在内燃机在非增压区域中运转的情况下，以往装置无法向燃烧室供给富氧空气或富氮空气。
本发明是鉴于上述的问题而做出的发明。即，本发明提供一种内燃机的气体供给装置(以下，也称为“本发明装置”)及其控制方法，所述内燃机的气体供给装置能够不依赖于内燃机的运转状态地将大气改质成“富氧空气或富氮空气”，并且能够将该改质后的空气向燃烧室内供给。
因此，根据本发明的一个观点，提供一种具备富氧膜模块、第一管部、第二管部、泵部以及电子控制单元的内燃机的气体供给装置。所述富氧膜模块具有壳体和富氧膜，并且该壳体内的空间通过该富氧膜分成第一空间和第二空间。所述第一管部构成第一空气通路，所述第一空气通路具有大气能够流入的一端、和与所述第一空间连通的另一端。所述第二管部构成第二空气通路，所述第二空气通路具有与所述第一空间连通的一端、和与内燃机的燃烧室连通的另一端。所述泵部构成为通过向所述第二空间供给高压的大气来使所述第二空间的压力增加，并且构成为通过使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出来使所述第二空间的压力减小。所述电子控制单元被构成为：即，(i)控制所述泵部的驱动状态，(ii)驱动所述泵部来向所述第二空间供给所述高压的大气以使得所述第二空间的压力增加，从而从所述第二空间通过所述富氧膜向所述第一空间供给空气，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，(iii)执行如下富氧化控制：使被供给到该第一空间的空气与通过所述第一空气通路而流入所述第一空间的大气合流，并通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，以及(iv)执行如下富氮化控制：驱动所述泵部来使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出以使得该第二空间的压力减小，从而从所述第一空间通过所述富氧膜向所述第二空间排出空气，在此该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，并在该第一空间生成空气，在此该空气的氮浓度升高为比大气的氮浓度高，使该氮浓度升高后的空气通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给。
根据本发明的另一观点，提供一种内燃机的气体供给装置的控制方法。该气体供给装置具有富氧膜模块、第一管部、第二管部以及泵部。所述富氧膜模块具有壳体和富氧膜。该壳体内的空间通过该富氧膜分成第一空间和第二空间。所述第一管部构成第一空气通路，所述第一空气通路具有大气能够流入的一端、和与所述第一空间连通的另一端。所述第二管部构成第二空气通路，所述第二空气通路具有与所述第一空间连通的一端、和与内燃机的燃烧室连通的另一端。所述泵部构成为通过向所述第二空间供给高压的大气来使所述第二空间的压力增加，并且构成为通过使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出来使所述第二空间的压力减小。并且，所述气体供给装置的控制方法执行以下控制。即，(i)控制所述泵部的驱动状态，(ii)驱动所述泵部来向所述第二空间供给所述高压的大气以使得所述第二空间的压力增加，从而从所述第二空间通过所述富氧膜向所述第一空间供给空气，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，(iii)执行如下富氧化控制：使被供给到该第一空间的空气与通过所述第一空气通路而流入所述第一空间的大气合流，并通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给，该空气的氧浓度升高为比向所述第一空间供给的大气的氧浓度高，以及(iv)执行如下富氮化控制：驱动所述泵部来使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出以使得该第二空间的压力减小，从而从所述第一空间通过所述富氧膜向所述第二空间排出空气，在此该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，并在该第一空间生成空气，在此该空气的氮浓度升高为比大气的氮浓度高，该氮浓度升高后的空气通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给。
根据上述那样的气体供给装置及其控制方法，在执行富氧化控制时，驱动泵部来向第二空间供给高压的大气以使得第二空间的压力增加，从而在第一空间与第二空间之间产生通过富氧膜向第一空间流入氧浓度升高为比大气的氧浓度高的空气所需要的压力差(膜差压)。
在执行富氮化控制时，驱动泵部来使第二空间的空气从第二空间向壳体的外部排出以使得第二空间的压力减小，从而使得在第一空间与第二空间之间产生了为了通过富氧膜向第二空间排出氧浓度升高为比大气的氧浓度高的空气而需要的压力差(膜差压)。
因此，即使内燃机处于非增压区域，也能够通过驱动泵部来向燃烧室供给富氧空气和富氮空气。
另外，在本发明的气体供给装置中，所述壳体可以具有第一连通孔和第二连通孔。该第一连通孔可以将所述第一空间与所述第一空气通路的所述另一端连通。该第二连通孔可以将所述第一空间与所述第二空气通路的所述一端连通。并且，所述第一连通孔和所述第二连通孔可以设置于彼此相对的位置。所述第一管部可以以使得所述第一空气通路的所述另一端与所述第一连通孔连通的方式连接于所述壳体。所述第二管部可以以使得所述第二空气通路的所述一端与所述第二连通孔连通的方式连接于所述壳体。
根据上述那样的气体供给装置，上述第一连通孔和上述第二连通孔形成于彼此相对的位置。因此，朝向燃烧室通过富氧膜模块的大气与富氧膜接触的面积大、或者接触的时间长。因此，能够高效地将朝向燃烧室通过富氧膜模块的大气改质成富氧空气或富氮空气。
另外，本发明装置的气体供给装置也可以具备止回阀，所述止回阀构成为，在所述第二空间的压力成为预定开阀压力以上时开阀，从而使所述第二空间的空气向所述壳体的外部排出。
根据上述那样的气体供给装置，在第二空间的压力成为预定开阀压力以上时止回阀开阀，第二空间的空气向外部排出。因此，能够降低第二空间的空气中的氧的分压变得过小的可能性，因此，能够充分地实现向富氧空气的改质。
另外，本发明装置的气体供给装置也可以具备第三管部和第四管部，所述第三管部构成第三空气通路，该第三空气通路的一端连接于所述泵部，所述第四管部构成通过所述止回阀来开闭的第四空气通路。并且，所述壳体也可以具备第三连通孔和第四连通孔，所述第三连通孔将所述第二空间与所述第三空气通路连通，所述第四连通孔将所述第二空间与所述第四空气通路连通。并且，也可以是，所述第三连通孔和所述第四连通孔设置于彼此相对的位置。并且，也可以是，所述第三管部以使得所述第三空气通路的另一端与所述第三连通孔连通的方式连接于所述壳体，所述第四管部以使得所述第四空气通路与所述第四连通孔连通的方式连接于所述壳体。
根据上述那样的气体供给装置，第三连通孔和第四连通孔形成于彼此相对的位置。因此，从泵部压送的大气与富氧膜接触的面积大、或者接触的时间长。因此，能够向第一空间供给的升高了氧浓度的空气的量增多，因此，能够高效地将朝向燃烧室通过富氧膜模块的大气改质成富氧空气。
在本发明装置的气体供给装置中，可以是，所述富氧膜是两端面开放的中空的筒状，配设成将所述第一连通孔与所述第二连通孔连接，由此所述富氧膜的内侧的空间构成所述第一空间，并且所述壳体内的空间中的所述第一空间以外的空间构成所述第二空间。可以是，在所述壳体，以使得将所述第三连通孔与所述第四连通孔连结的方向成为与下述面平行的方向的方式，设置所述第一连通孔、所述第二连通孔、所述第三连通孔以及所述第四连通孔，所述面是和将所述第一连通孔与所述第二连通孔连结的方向正交的面。
根据上述那样的气体供给装置，将第三连通孔与第四连通孔连结的方向成为平行于和将第一连通孔与第二连通孔连结的方向正交的面的方向。因此，能够高效地将通过富氧膜模块的大气改质成富氧空气。
在本发明装置的气体供给装置中，也可以还具备压缩机、第一节气门以及第二节气门。可以是，该压缩机是配设于所述第一管部的所述内燃机的增压器的压缩机。可以是，该第一节气门配设于所述第一管部，且配设于所述压缩机与所述富氧膜模块之间，并且构成为通过改变其开度来改变所述第一空气通路的通路截面面积。可以是，该第二节气门配设于所述第二管部，且配设于所述富氧膜模块与所述内燃机的燃烧室之间，并且构成为通过改变其开度来改变所述第二空气通路的通路截面面积。可以是，所述电子控制单元被构成为：在执行所述富氧化控制的情况下，(i)根据所述内燃机的燃烧室所要求的空气的流量，即缸内要求吸入空气流量来改变所述第一节气门的开度，和(ii)将所述第二节气门的开度设定为使该第二节气门全开时的开度。并且，可以是，所述电子控制单元被构成为：在执行所述富氮化控制的情况下，(i)将所述第一节气门的开度设定为使该第一节气门全开时的开度，和(ii)根据所述缸内要求吸入空气流量来改变所述第二节气门的开度。
根据上述那样的气体供给装置，在执行富氧化控制时，像上述那样设定第一节气门的开度和第二节气门的开度。因此，富氧膜模块的第一空间成为负压。因此，即使不通过泵部进行大幅加压也能够产生膜差压，因此，能够高能效地供给富氧空气。
进而，根据上述那样的气体供给装置，在执行富氮化控制时，像上述那样设定第一节气门的开度和第二节气门的开度。因此，富氧膜模块的第一空间成为正压。因此，即使不通过泵部进行大幅减压也能够产生膜差压，因此，能够高能效地供给富氮空气。
在本发明装置的气体供给装置中，可以是，所述电子控制单元被构成为：(i)停止所述泵部的驱动，(ii)将所述第一节气门的开度设定为使该第一节气门全开时的开度，并且，(iii)根据所述缸内要求吸入空气流量来改变所述第二节气门的开度，并且(iv)执行通常控制，所述通常控制是不对从所述第一空气通路流入所述第一空间的空气进行改质而使该空气通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给的控制。
根据上述那样的气体供给装置，停止泵部的驱动而执行上述通常控制。因此，不会不必要地由泵部消耗能量。
进而可以是，在本发明装置的气体供给装置中还具备第五管部和第三节气门。可以是，该第五管部构成第五空气通路，所述第五空气通路的一端连通于所述第一空气通路的所述压缩机与所述第一节气门之间，并且所述第五空气通路的另一端连通于所述第二空气通路的所述第二节气门与所述燃烧室之间。并且，可以是，该第三节气门配设于所述第五管部，并且通过改变其开度来改变所述第五空气通路的通路截面面积。可以是，所述电子控制单元在执行所述富氧化控制和所述富氮化控制中的任一方的情况下，将所述第三节气门的开度设定为使该第三节气门全闭时的开度。可以是，所述电子控制单元被构成为：在执行所述通常控制的情况下，根据所述缸内要求吸入空气流量来改变所述第三节气门的开度。
根据上述那样的气体供给装置，在进行通常控制时，在富氧膜模块中没有空气流动，所以没有当空气在富氧膜模块中流动时产生的压力损失。因此，不会不必要地消耗能量，所以能够提高燃料经济性。
附图说明
以下将参照附图说明本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和产业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：
图1是应用本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的内燃机的概略图。
图2A是图1所示的富氧膜模块的纵截面的概略图。
图2B是图1所示的富氧膜模块的纵截面的概略图。
图3A是表示所述富氧膜模块的构成的概略图。
图3B是用于说明富氧膜的机理的示意图。
图4是用于说明本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的工作的概要的时间图。
图5A是用于说明本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的工作的概要的概略图。
图5B是用于说明本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的工作的概要的概略图。
图5C是用于说明本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的工作的概要的概略图。
图6是表示富氧膜模块的膜外部空间的压力(膜外部压力)与富氧膜模块的膜外部空间的氧浓度(膜外部氧浓度)的关系的图表。
图7是应用本实施方式的参考例(RELATED ART)的气体供给装置的内燃机的概略图。
图8是表示所述参考例(RELATED ART)的气体供给装置执行富氧化控制时的吸入空气等的组成、流量及压力的图表。
图9是表示本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置执行富氧化控制时的吸入空气等的组成、流量及压力的图表。
图10是表示参考例的内燃机的气体供给装置执行富氮化控制时的吸入空气等的组成、流量及压力的图表。
图11是表示本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置执行富氮化控制时的吸入空气等的组成、流量及压力的图表。
图12是表示本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的ECU的CPU所执行的例程的流程图。
图13是应用本发明的第二实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的内燃机的概略图。
图14是应用本发明的第三实施方式涉及的内燃机的气体供给装置的内燃机的概略图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的各实施方式涉及的内燃机的气体供给装置进行说明。此外，在实施方式的所有附图中，对相同或相对应的部分标注相同的标号。
对本发明的第一实施方式的构成进行说明。本发明的第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置(以下，有时称为“第一气体供给装置”)应用于搭载于未图示的车辆的“图1所示的内燃机10”。内燃机10为多汽缸内燃机，在本实施方式中为直列四汽缸、四循环、活塞往复运动型的柴油内燃机。此外，内燃机10也可以是汽油内燃机。内燃机10包括内燃机主体部20、进气系统40以及排气系统50。
内燃机主体部20包括主体，该主体包括未图示的汽缸体、汽缸盖以及曲轴箱等。在主体中形成有四个汽缸22的燃烧室22。在各汽缸22的上部配设有未图示的燃料喷射阀(喷射器)。燃料喷射阀响应后述的发动机电子控制单元(ENGINE ECU)70的指示而开阀，向汽缸22内直接喷射燃料。
进气系统40包括进气歧管(intake manifold)41、稳压罐(surge tank)42、包括第一管部43a和第二管部43b的进气管43、空气过滤器(air cleaner)44a、(作为增压器的)涡轮增压器45的压缩机45a、中冷器46、第一节气门47a、第一节气门致动器47b、富氧膜模块48、第二节气门49a以及第二节气门致动器49b。
进气歧管41是以能够与各气缸22连通的方式连接于各汽缸22的多个枝状的导管。关于该枝状的导管，其一端连接于作为这些导管的集合部的稳压罐42，其另一端连接于汽缸22。进而，稳压罐42与进气管43的第二管部43b连通。进气歧管41、稳压罐42以及进气管43构成进气通路。此外，为了方便，也将比富氧膜模块48靠上游侧的第一管部43a所构成的进气通路称为“第一空气通路”。为了方便，也将比富氧膜模块49靠下游侧的第二管部43b所构成的进气通路称为“第二空气通路”。
在进气管43，从由箭头a1表示的吸入空气的流动的上游朝向下游依次配设(安装)有空气过滤器44a、压缩机45a、中冷器46、第一节气门47a、富氧膜模块48以及第二节气门49a。进而，富氧膜模块48也配设于包括第三管部61a和第四管部61b的辅助导管61。具体而言，富氧膜模块48配设于进气管43与辅助导管61的合流部。在辅助导管61，从由箭头a2表示的辅助空气的流动的上游朝向下游依次配设(安装)有空气过滤器44b、周知的回转泵(rotary pump)62、富氧膜模块48以及止回阀63。
辅助导管61构成供空气通过的空气通路(以下，有时称为“外部路径”)。此外，为了方便，也将比富氧膜模块48靠上游侧的第三管部61a所构成的空气通路称为“第三空气通路”。此外，为了方便，也将比富氧膜模块48靠下游侧的第四管部61b所构成的空气通路称为“第四空气通路”。
回转泵62在正转时向回转泵62的下游排出加压后的辅助空气，由此通过第三空气通路向富氧膜模块48压送辅助空气。进而，回转泵62在反转时通过第三空气通路从富氧膜模块48吸引/排出辅助空气。为了方便，也将回转泵62称为“泵部”。
止回阀63配设于外部路径的“比富氧膜模块48靠下游侧的位置”。止回阀63在从富氧膜模块48流出的气体(空气)的压力是预定开阀压力以上时开阀，允许从富氧膜模块48向止回阀63的气体(空气)的流动。换言之，止回阀63在从富氧膜模块48流出的气体(空气)的压力小于预定开阀压力时闭阀，切断/阻止从富氧膜模块48向止回阀63的气体(空气)的流动。因此，止回阀63也切断/阻止从止回阀63向富氧膜模块48的气体(空气)的流动。
空气过滤器44a和空气过滤器44b分别是除去辅助空气中的异物的过滤装置。压缩机45a与涡轮45b一起构成涡轮增压器45。涡轮45b的旋转轴与压缩机45a的旋转轴连结。涡轮45b通过接受在排气通路中流动的排气(废气)而旋转，并由此使压缩机45a旋转。通过压缩机45a旋转，通过进气通路的空气被压缩(增压)。
中冷器46是设置于涡轮增压器45(压缩机45a)的出口与进气歧管41之间的吸入空气的冷却装置。中冷器46使吸入空气的温度降低。
第一节气门47a通过将配设有第一节气门47a的部分的进气通路的开口截面面积设为可变来调节通过进气通路的空气的量。第一节气门致动器47b根据ECU70的指示来改变第一节气门47a的开度(以下，称为“第一节气门开度”)。此外，为了方便，也将第一节气门47a称为“第一气门”，为了方便，也将第一节气门开度称为“第一气门开度”。进而，第一节气门致动器47b包括用于检测第一节气门开度的第一节气门开度传感器47c。
富氧膜模块48根据需要将大气改质成“富氧空气和富氮空气中的某一方”。富氧空气是氧浓度比大气的氧浓度高且氮浓度比大气的氮浓度低的空气。富氮空气是氮浓度比大气的氮浓度高且氧浓度比大气的氧浓度低的空气。如图2A、图2B以及图3A所示，富氧膜模块48具备外壳部48a和富氧膜(高分子膜)48b。
外壳部48a为金属制，具有大致圆筒的形状。外壳部48a的内部是空间(空腔)。外壳部48a以其轴向与进气管43的轴向一致的方式配设(安装)于进气管43。
在外壳部48a的一端面形成有多个第一连通孔48a1。在外壳部48a的另一端面形成有多个第二连通孔48a2。各第一连通孔48a1与各第二连通孔48a2形成于彼此相对的位置。即，彼此相对的“一个第一连通孔48a1和一个第二连通孔48a2”形成为以与外壳部48a的轴向平行的直线为中心轴。
在外壳部48a的侧面的一部分形成有第三连通孔48a3。在外壳部48a的侧面的另一部分形成有第四连通孔48a4。第三连通孔48a3和第四连通孔48a4在外壳部48a的轴向的中央附近以彼此相对的方式形成为以与该轴向正交的直线为中心轴。
富氧膜48b是由聚酰亚胺树脂和硅酮等聚合物构成的周知的膜(例如，参照日本特开2007-113459号公报和日本特开2013-32708号公报)。富氧膜48b利用在空气(大气)中的氧分子和氮分子分别相对于富氧膜48b溶解、扩散、脱离的过程中，氧分子相对于富氧膜48b的透过速度比氮分子相对于富氧膜的透过速度快这一点来使空气的氧浓度和氮浓度发生变化。
富氧膜48b为中空的圆筒状并且形成为两端面开放。富氧膜48b的一端面配设于第一连通孔48a1，富氧膜48b的另一端面配设于第二连通孔48a2。即，彼此相对的“第一连通孔48a1和第二连通孔48a2”由筒状的富氧膜48b连接。
因此，各第一连通孔48a1和各第二连通孔48a2与富氧膜48b的内侧的中空连通。另一方面，处于外壳部48a的内部并且处于富氧膜48b的外侧的空间分别与第三连通孔48a3和第四连通孔48a4连通。以下，有时将处于外壳部48a的内部并且处于富氧膜48b的外侧的空间称为“膜外部空间”。与此相对，有时将富氧膜48b的内侧的空间称为“膜内部空间”。此外，为了方便，也将膜内部空间称为“第一空间”。为了方便，也将膜外部空间称为“第二空间”。
第三连通孔48a3与回转泵62侧的辅助导管61(第三管部61a)连接，与该辅助导管61所形成的空气通路(外部路径)连通。第四连通孔48a4与止回阀63侧的辅助导管61(第四管部61b)连接，与该辅助导管61所形成的空气通路(外部路径)连通。
能够使用回转泵62使膜外部空间的空间的压力上升(加压)、或者使该空间的压力降低(减压)。换言之，能够利用回转泵62使膜外部空间的压力比膜内部空间的压力高、或者使膜外部空间的压力比膜内部空间的压力低。即，能够使得在以富氧膜48b为界的膜内部空间与膜外部空间之间产生压力差。
如上所述，富氧膜48b能够使空气的氧浓度和氮浓度发生变化。更具体而言，如图3B所示，在以富氧膜48b为界而产生了压力差时，与富氧膜48b的高压侧(加压侧)的面接触的“氧分子和氮分子”从该加压侧的面在富氧膜48b溶解而在富氧膜48b中扩散，接着从富氧膜48b的低压侧(减压侧)的面脱离。此时，氧相对于富氧膜48b的透过系数ZO2比氮相对于富氧膜48b的透过系数ZN2大。
因此，氧分子比氮分子更快地透过富氧膜48b。换言之，每单位时间从高压侧透过富氧膜48b向低压侧移动的氧分子的量比每单位时间从高压侧透过富氧膜48b向低压侧移动的氮分子的量多。由此，透过富氧膜48b后的一侧的空气成为富氧空气，未透过富氧膜48b的一侧的空气成为富氮空气。此外，氧的富氧膜48b的透过量QO2由图3B中所示出的式子(1)来表示。氮的富氧膜48b的透过量QN2由图3B中所示出的式子(2)来表示。
第一气体供给装置利用这样的富氧膜48b的特性，将向富氧膜模块48供给的吸入空气改质成氧浓度比该吸入空气的氧浓度高的富氧空气、及氧浓度比该吸入空气的氧浓度低的(氮浓度高的)富氮空气。并且，第一气体供给装置将该富氧空气和该富氮空气中的一方(即，改质后的吸入空气)向汽缸22的燃烧室内供给。
具体而言，在将从第一连通孔48a1流入膜内部空间的吸入空气改质成富氧空气，并将该富氧空气从第二连通孔48a2排出的情况下，第一气体供给装置使回转泵62正转。结果，从外部路径和第三连通孔48a3导入到膜外部空间的辅助空气的压力变得比膜内部空间的吸入空气的压力高。因此，膜外部空间的辅助空气被分离成透过富氧膜48b而向膜内部空间释放的氧浓度高的空气、和残存于膜外部空间的氮浓度高的空气。并且，如图2A所示，向膜内部空间释放的氧浓度高的空气与从第一连通孔48a1流入膜内部空间的吸入空气混合。由此，从第一连通孔48a1流入膜内部空间的吸入空气被改质成富氧空气，该富氧空气从第二连通孔48a2排出。该富氧空气通过进气管43(第二管部43b)和稳压罐42向汽缸22的燃烧室供给。
与此相对，在将从第一连通孔48a1流入膜内部空间的吸入空气改质成富氮空气，并将该富氮空气从第二连通孔48a2排出的情况下，第一气体供给装置使回转泵62反转。结果，从第一连通孔48a1导入到膜内部空间的吸入空气的压力变得比膜外部空间的辅助空气的压力高。因此，如图2B所示，膜内部空间的吸入空气被分离成透过富氧膜48b而向膜外部空间释放的氧浓度高的空气、和残存于膜内部空间的氮浓度高的空气。由此，从第一连通孔48a1流入膜内部空间的吸入空气被改质成富氮空气，该富氮空气从第二连通孔48a2排出。该富氮空气通过进气管43(第二管部43b)和稳压罐42向汽缸22的燃烧室供给。
再次参照图1，第二节气门49a通过将配设有第二节气门49a的部分的进气通路的开口截面面积设为可变来调节通过进气通路的空气的量。第二节气门致动器49b根据ECU70的指示来改变第二节气门49a的开度(以下，称为“第二节气门开度”)。此外，为了方便，也将第二节气门49a称为“第二气门”，为了方便，也将第二节气门开度称为“第二气门开度”。进而，第二节气门致动器49b包括用于检测第二节气门开度的第二节气门开度传感器49c。
排气系统50包括排气歧管(exhaust manifold)51、排气管52以及涡轮增压器45的涡轮45b。
排气歧管51包括“连接于各汽缸22的支部”和“支部集合而成的集合部”。排气管52连接于排气歧管51的集合部。排气歧管51和排气管52构成排气通路。涡轮45b配设于排气管52。
ECU70是包括周知的微计算机的电子电路，包括CPU、ROM、RAM、备用(back up)RAM以及接口等。ECU70与以下所叙述的传感器类连接，接收(输入)来自这些传感器的信号。进而，ECU70向各种致动器发送指示(驱动)信号，从而控制内燃机10。
ECU70连接于第一节气门开度传感器47c和第二节气门开度传感器49c。第一节气门开度传感器47c检测第一节气门47a的第一节气门开度，输出表示第一节气门开度TA1的信号。第二节气门开度传感器49c检测第二节气门49a的第二节气门开度，输出表示第二节气门开度TA2的信号。
进而，ECU70与进气管压力传感器75a～75d、辅助导管压力传感器75e、氧浓度传感器76、内燃机转速传感器77、液体温度传感器78以及加速器踏板操作量传感器79连接。
进气管压力传感器75a输出表示进气通路内的比中冷器46靠下游且比第一节气门47a靠上游的进气管43内的吸入空气的压力P1的信号。进气管压力传感器75b输出表示进气通路内的比第一节气门47a靠下游且比富氧膜模块48靠上游的进气管43内的吸入空气的压力P2的信号。进气管压力传感器75c输出表示进气通路内的比富氧膜模块48靠下游且比第二节气门49a靠上游的进气管43内的吸入空气的压力P3的信号。进气管压力传感器75d输出表示进气通路内的比第二节气门49a靠下游且比稳压罐42靠上游的进气管内的吸入空气的压力P4的信号。辅助导管压力传感器75e输出表示外部路径内的比回转泵62靠下游且比富氧膜模块48靠上游的辅助导管61内的辅助空气的压力P5的信号。
氧浓度传感器76输出表示通过空气过滤器44a导入到进气通路内的吸入空气(即大气)中的氧浓度Oair的信号。
内燃机转速传感器77测定内燃机10的转速(内燃机转速)NE，并且输出表示该内燃机转速NE的信号。
液体温度传感器78配设于内燃机主体部20的汽缸体部。液体温度传感器78测定对内燃机主体部20进行冷却的冷却水的温度(冷却液温度THW)，输出表示该冷却液温度THW的信号。
加速器踏板操作量传感器79检测车辆的加速器踏板79a的操作量(加速器开度)，输出表示加速器踏板操作量AP的信号。
(工作的概要)
接着，对第一气体供给装置所进行的工作的概要进行说明。第一气体供给装置根据内燃机10的运转状态来改变向燃烧室内供给的吸入空气的氧浓度(和氮浓度)。
具体而言，ECU70基于内燃机10的运转状态来决定向汽缸22的燃烧室内供给的吸入空气的氧浓度的目标值(即，目标氧浓度Otg)。ECU70将由氧浓度传感器76取得的“吸入空气(大气)的氧浓度Oair”与“目标氧浓度Otg”进行比较。
此外，以下将由氧浓度传感器76取得的吸入空气(大气)的氧浓度Oair称为“检测氧浓度Oair”。将最终供给到汽缸22的吸入空气称为“汽缸吸入空气”。将通过进气管43即将流入富氧膜模块48内前的状态的吸入空气称为“富化膜流入空气”。将与大气为相同组成的空气称为“通常空气”。将第一节气门47a全开时的节气门开度称为“第一全开开度”。将第二节气门49a全开时的节气门开度称为“第二全开开度”。
在检测氧浓度Oair的大小与目标氧浓度Otg相同的情况下，ECU70不利用富氧膜模块48来改变富化膜流入空气的氧浓度，而进行将富化膜流入空气作为汽缸吸入空气向汽缸22供给的“通常控制”。在检测氧浓度Oair比目标氧浓度Otg小的情况下，ECU70进行通过利用富氧膜模块48使富化膜流入空气的氧浓度上升来使汽缸吸入空气的氧浓度上升的“富氧化控制”。此外，在检测氧浓度Oair比目标氧浓度Otg小的情况下，ECU70产生富氧化要求。在检测氧浓度Oair比目标氧浓度Otg大的情况下，ECU70进行通过利用富氧膜模块48使富化膜流入空气的氧浓度降低来使汽缸吸入空气的氧浓度降低的(氮浓度上升的)“富氮化控制”。此外，在检测氧浓度Oair比目标氧浓度Otg大的情况下，ECU70产生富氮化要求。
例如，在图4所示的例子中，从时刻t0到即将到时刻t1前的时间点为止的期间中，检测氧浓度Oair的大小与目标氧浓度Otg相同。因此，在该期间中，富氧化要求和富氮化要求均没有产生。
在富氧化要求和富氮化要求均没有产生的情况下，ECU70进行图5A所示的以下的工作。ECU70，(i)使回转泵62停止，(ii)将第一节气门47a的第一节气门开度TA1设定为“第一全开开度”，(iii)基于“内燃机转速NE和缸内要求进气流量”将配设有进气管压力传感器75d的部分的压力的目标值决定为目标进气压力Pim4，在此，缸内要求进气流量是汽缸22所要求的汽缸吸入空气的流量，(iv)基于“内燃机转速NE和加速器踏板操作量AP”来另行算出缸内要求进气流量，(v)控制第二节气门开度TA2以使得由进气管压力传感器75d检测出的吸入空气的压力P4与目标进气压力Pim4一致。
在该情况下，在富氧膜模块48中，在膜内部空间与膜外部空间之间没有实质上产生压力差。因此，如图5A的框B1所示，作为通常空气的富化膜流入空气不透过富氧膜48b地通过膜内部空间，从第二连通孔48a2向进气管43的进气通路释放。因此，富化膜流入空气在其氧浓度没有发生变化的状态下通过富氧膜模块48而成为汽缸吸入空气。此外，为了方便，也将像这样通过富氧膜模块48而从第二连通孔48a2向进气管43排出的空气称为“排出吸入空气”。
在图4所示的例子中，在时刻t1目标氧浓度Otg变大。结果，在时刻t1，检测氧浓度Oair变得比目标氧浓度Otg小，所以要求富氧空气。即，在时刻t1产生富氧化要求。因此，ECU70在时刻t1开始富氧化控制。
在该情况下，ECU70进行图5B所示的以下的工作。ECU70，(i)将第二节气门49a的第二节气门开度TA2设定为“第二全开开度”，(ii)基于内燃机转速NE和缸内要求进气流量将配设有进气管压力传感器75b的部分的压力的目标值决定为目标进气压力Pim2，(iii)控制第一节气门47a的第一节气门开度TA1以使得由进气管压力传感器75b检测出的吸入空气的压力P2与目标进气压力Pim2一致，(iv)基于缸内要求进气流量和目标氧浓度Otg来决定目标膜差压Pd，在该情况下，目标膜差压Pd是正值，(v)将辅助空气的压力的目标值(即，膜外部空间的压力的目标值)即目标泵压Ppump设定为目标进气压力Pim2与目标膜差压Pd相加而得到的压力(Pim2+Pd)，(vi)使回转泵62正转以使得由回转泵62压送的辅助空气的压力P5(由辅助导管压力传感器75e检测出的压力P5)与目标泵压Ppump一致。
由此，膜外部空间的压力与目标泵压Ppump(＝Pim2+Pd)一致，膜内部空间的压力与目标进气压力Pim2一致。因此，膜外部空间成为高压侧，膜内部空间成为低压侧，产生从Ppump减去Pim2而得到的膜差压Pd(＝Ppump-Pim2>0)。
结果，如图5B的框B2所示，通过辅助导管61和第三连通孔48a3向膜外部空间供给的辅助空气透过富氧膜48b而向膜内部空间释放。该向膜内部空间释放的辅助空气的氧浓度变得比透过富氧膜48b前的辅助空气(通常空气)的氧浓度大。另一方面，膜外部空间的辅助空气的氧浓度变得比通常空气的氧浓度小。
结果，富化膜流入空气被改质成富氧空气，该改质后的富氧空气成为汽缸吸入空气(排出吸入空气)而向汽缸22供给。这样的“时刻t1以后的控制”是富氧化控制。
通过该富氧化控制，如图4所示，从时刻t1起膜差压(P5-P2)朝向目标膜差压Pd(＝Ppump(正压)-Pim(负压)>0)上升，并且排出吸入空气和汽缸吸入空气的氧浓度Od朝向目标氧浓度Otg上升。进而，在时刻t2以后，膜差压(P5-P2)与目标膜差压Pd一致，排出吸入空气和汽缸吸入空气的氧浓度Od与目标氧浓度Otg一致。
此外，在开始上述的富氧化控制后，当回转泵62持续正转并最终使得向止回阀63施加的膜外部压力P5成为预定开阀压力以上时，止回阀63开阀。由此，膜外部空间的“氮浓度高且氧浓度低的辅助空气”通过第四连通孔48a4向外部(大气)排出，通常空气通过第三连通孔48a3流入膜外部空间。因此，如图6的图表所示出的那样，膜外部空间的氧浓度维持在O2下限。因此，膜外部空间的氧浓度没有过度降低，所以膜外部空间的氧的分压与膜内部空间的氧的分压之差(分压差)维持在为了使氧透过富氧膜48b所需要的分压差以上的值。
在图4所示的例子中，在时刻t3目标氧浓度Otg变小。结果，在时刻t3，检测氧浓度Oair变得比目标氧浓度Otg大，所以要求富氮空气。即，在时刻t3产生富氮化要求。因此，ECU70在时刻t3开始富氮化控制。
在该情况下，ECU70进行图5C所示的以下的工作。ECU70，(i)将第一节气门47a的第一节气门开度TA1设定为“第一全开开度”，(ii)基于内燃机转速NE和缸内要求进气流量将配设有进气管压力传感器75d的部分的压力的目标值决定为目标进气压力Pim4，(iii)控制第二节气门49a的第二节气门开度TA2以使得由进气管压力传感器75d检测出的吸入空气的压力P4与目标进气压力Pim4一致，(iv)基于缸内要求进气流量和目标氧浓度Otg来决定目标膜差压Pd，在该情况下，目标膜差压Pd是负值，(v)将辅助空气的压力的目标值(即，膜外部空间的压力的目标值)即目标泵压Ppump设定为“由进气管压力传感器75a检测出的刚通过中冷器后的压力P1”与“目标膜差压Pd”相加而得到的压力(P1+Pd)，此外，在该情况下，第一节气门开度TA1是“第一全开开度”，所以富化膜流入空气的压力(即，膜内部空间的压力)与压力P1实质上相等，(vi)使回转泵62反转以使得由回转泵62压送的辅助空气的压力P5(由辅助导管压力传感器75e检测出的压力P5)与目标泵压Ppump一致，即，使膜外部空间的压力降低。
由此，膜外部空间的压力与目标泵压Ppump(＝P1+Pd)一致。另一方面，如上所述，膜内部空间的压力与压力P1实质上相等。因此，膜外部空间成为低压侧，膜内部空间成为高压侧，产生Ppump减去P1而得到的膜差压Pd(＝Ppump-P1<0)。
结果，如图5C的框B3所示，通过第一连通孔48a1向膜内部空间供给的空气透过富氧膜48b而向膜外部空间释放。向该膜外部空间释放的空气的氧浓度变得比透过富氧膜48b前的空气(通常空气)的氧浓度大。因此，残存于膜内部空间并在该膜内部空间流通的空气成为氧浓度比通常空气小的富氮空气。
结果，富化膜流入空气被改质成富氮空气，该改质后的富氮空气成为汽缸吸入空气(排出吸入空气)而向汽缸22供给。这样的“时刻t3以后的控制”是富氮化控制。
通过该富氮化控制，如图4所示，从时刻t3起膜差压(P5-P2)朝向目标膜差压Pd(＝Ppump(负压)-P1(正压))减小，并且排出吸入空气和汽缸吸入空气的氧浓度Od朝向目标氧浓度Otg减小。进而，在时刻t4以后，膜差压(P5-P2)与目标膜差压Pd一致，排出吸入空气和汽缸吸入空气的氧浓度Od与目标氧浓度Otg一致。以上是第一气体供给装置的工作的概要。
接着，对第一气体供给装置的效果进行说明。例如，与图7所示的典型的内燃机200的气体供给装置即本第一实施方式的参考例(RELATED ART)相比，第一气体供给装置像以下所叙述的那样具有优异的效果。
在所述参考例中，通过中冷器46后的吸入空气在通过富氧膜模块48时被分离成富氧空气和富氮空气。该富氧空气储存于氧罐221，该富氮空气储存于氮罐222。所述参考例所具备的ECU(省略图示)向节气门致动器211b～213b发送信号，通过分别适当地控制氧用节气门211a、氮用节气门212a以及空气用节气门213a的节气门开度，从而进行以下所叙述的富氧化控制和富氮化控制。此外，节气门211a～213a的节气门开度分别由节气门开度传感器211c～213c来检测。
接着，对所述参考例的富氧化控制与第一气体供给装置的富氧化控制的对比进行说明。所述参考例的ECU在进行富氧化控制时，将空气用节气门213a的节气门开度设定为“预定的节气门开度(例如，中间程度的节气门开度)”，将氧用节气门211a的节气门开度设定为“氧用节气门211a全开时的节气门开度”，将氮用节气门212a的节气门开度设定为“氮用节气门212a全闭时的节气门开度”。
在图8中示出在该情况下图7所示出并且以下所规定的“气体Fa1～气体Fa3、气体FN1和气体Fo1”的流量和组成的一个例子。(i)气体Fa1是通过中冷器46的气体(中冷器通过空气)。(ii)气体Fa2是气体Fa1分支出的气体、并且是流入富氧膜模块48的气体(氧分离部通过空气)。(iii)气体Fa3是气体Fa1分支出的气体、并且是通过空气用节气门213a的气体(第三气门通过空气)。(iv)气体FN1是气体Fa2通过富氧膜模块48进行分离后的富氮空气。(v)气体Fo1是气体Fa2通过富氧膜模块48进行分离后的富氧空气。此外，如上所述，氧用节气门211a的开度是全开的开度，氮用节气门212a的开度是全闭的开度，所以向汽缸22内供给的气体成为气体Fa3与气体Fo1(富氧空气)合流而得到的气体(Fa3+Fo1)。
在图8中，最左侧的条形图对应于中冷器通过空气，中央的条形图对应于中冷器通过空气分离成朝向富氧膜模块48的空气和朝向空气用节气门213a的空气后的空气，最右侧的条形图对应于向汽缸22供给的气体(流入稳压罐42的空气)和向大气释放的气体。
根据图8可知，在所述参考例中，相对于“向汽缸22供给的气体即富氧空气(Fo1+Fa3)的流量”而言，中冷器通过空气Fa1的流量非常大。同时，相对于向大气释放的气体FN1的流量而言，中冷器通过空气Fa1的流量非常大。即，在所述参考例执行富氧化控制时，通过空气过滤器44a、中冷器46以及压缩机45a的空气的流量变得非常大。因此，需要使空气过滤器44a、中冷器46以及压缩机45a大型化。
进而，所述参考例仅将涡轮增压器45的压缩机45a用于吸入空气的加压(用于产生富氧膜48b的膜差压的加压)。因此，在所述参考例的内燃机200的运转状态为压缩机45a实质上未工作的状态(非增压状态)时，无法产生通过富氧膜模块48对气体Fa2进行分离时所需要的膜差压。因此，在内燃机200的运转状态为非增压状态时，无法将大气改质成富氧空气。
与此相对，在图9中示出在第一气体供给装置中气体的流量和组成的一个例子，该气体为图1所示出并且以下所规定的“气体Fa11～气体Fa12、气体FN11以及气体Fo11的气体”。(i)气体Fa11是通过中冷器46的气体(中冷器通过空气)。(ii)气体Fa12是通过回转泵62的气体(回转泵通过空气)。(iii)气体FN11是气体Fa12通过富氧膜模块48进行分离后的富氮空气。(iv)气体Fo11是气体Fa12通过富氧膜模块48进行分离后的富氧空气。(v)气体Fa11与气体Fo11合流而得到的气体(Fa11+Fo11)成为向汽缸22内供给的气体。
图9是表示本第一实施方式涉及的内燃机的气体供给装置执行富氧化控制时的吸入空气等的组成、流量以及压力的图表，在图9中，上方的3个条形图从左向右依次对应于回转泵通过空气(即，分离成富氧空气和富氮空气前的空气)、分离成富氧空气和富氮空气后的空气、以及向大气释放的空气。进而，在图9中，下方的3个条形图从左向右依次对应于中冷器通过空气、流入富氧膜模块48的空气、以及向汽缸22供给的气体(流入稳压罐42的空气)。
根据图9可知，与所述参考例相比，在第一气体供给装置中，相对于“向汽缸22供给的气体即富氧空气(Fa11+Fo11)的流量”而言，中冷器通过空气Fa11的流量较少。也就是说，根据所述参考例，在将100[L/s]的富氧空气向汽缸22供给的情况下需要通过压缩机45a对180[L/s]的大气进行加压。与此相对，在通过第一气体供给装置向汽缸22供给100[L/s]的富氧空气的情况下，通过压缩机45a仅对80[L/s]的大气进行加压即可。因此，与所述参考例相比，第一气体供给装置能够使空气过滤器44a、中冷器46以及压缩机45a小型化。
进而，第一气体供给装置在执行富氧化控制的情况下，通过使回转泵62工作(正转)来产生在富氧膜模块48中对气体Fa12进行分离时所需要的富氧膜48b的膜差压。因此，即使内燃机10的运转状态为非增压状态，也能够将大气改质成富氧空气。
进而，第一气体供给装置在执行富氧化控制时，将第二节气门开度TA2设定为“第二全开开度”，将第一节气门开度TA1设定为“用于使压力P2与目标进气压力Pim2一致的节气门开度TAim”。由此，膜内部空间成为负压。因此，即使膜外部空间的压力(辅助空气的压力P5，即目标泵压Ppump)没有增大那么多，也能够高效地增大膜差压Pd的大小。结果，能够不增加回转泵62的耗能地向膜内部空间导入氧浓度高的空气，因此，能够高能效地生成富氧空气。
接着，对所述参考例的富氮化控制与所述第一气体供给装置的富氮化控制的对比进行说明。所述参考例的ECU在进行富氮化控制时，将空气用节气门213a的节气门开度设定为“空气用节气门213a全闭时的节气门开度”，将氧用节气门211a的节气门开度设定为“氧用节气门211a全闭时的节气门开度”，将氮用节气门212a的节气门开度设定为“预定的节气门开度(例如，中间程度的节气门开度)”。
在图10中示出在该情况下图7所示出并且以下所规定的“气体Fa21、气体Fo21以及气体FN21”的流量和组成的一个例子。(i)气体Fa21是通过中冷器46的气体(中冷器通过空气)。(ii)气体FN21是气体Fa21通过富氧膜模块48进行分离后的富氮空气。(iii)气体Fo21是气体Fa21通过富氧膜模块48进行分离后的富氧空气。此外，如上所述，氧用节气门211a的开度是全闭的开度，空气用节气门213a的开度也是全闭的开度，所以向汽缸22内供给的气体成为气体FN21(富氮空气)。
在图10中，最左侧的条形图对应于中冷器通过空气，中央的条形图对应于中冷器通过空气分离成朝向富氧膜模块48的空气和朝向空气用节气门213a的空气后的空气，最右侧的条形图对应于向汽缸22供给的气体(流入稳压罐42的空气)和向大气释放的气体。
与此相对，在图11中示出在第一气体供给装置中，图1所示出并且以下所规定的“气体Fa31、气体Fo31以及气体FN31”的流量和组成的一个例子。(i)气体Fa31是通过中冷器46的气体(中冷器通过空气)。(ii)气体Fo31是气体Fa31通过富氧膜模块48进行分离后的富氧空气。(iii)气体FN31是气体Fa31通过富氧膜模块48进行分离后的富氮空气、并且是向汽缸22供给的气体。
在图11中，最左侧的条形图对应于中冷器通过空气，中央的条形图对应于中冷器通过空气在富氧膜模块48中分离后的空气，最右侧的条形图对应于向汽缸22供给的气体(流入稳压罐42的空气)和向大气释放的气体。
根据图10与图11的比较可知，在进行富氮化控制时，在比较例与第一气体供给装置之间没有发现气体的流量和组成的差别。
然而，所述参考例仅将涡轮增压器45的压缩机45a用于吸入空气的加压(用于产生富氧膜48b的膜差压的加压)。因此，在内燃机200的运转状态为非增压状态时，无法产生在通过富氧膜模块48对气体Fa21进行分离时所需要的膜差压。因此，在内燃机200的运转状态为非增压状态时，无法将大气改质成富氮空气。
与此相对，第一气体供给装置在执行富氮化控制时，通过使回转泵62工作(反转)来产生在通过富氧膜模块48对气体Fa31进行分离时所需要的富氧膜48b的膜差压。因此，即使内燃机10的运转状态为非增压状态，也能够将大气改质成富氮空气。
进而，第一气体供给装置在执行富氮化控制时，将第一节气门开度TA1设定为“第一全开开度”，将第二节气门开度TA2设定为“用于使压力P4与目标进气压力Pim4一致的节气门开度TAim”。因此，膜内部空间的压力成为大气压、或者在进行增压的情况下成为比大气压高的压力。因此，即使膜外部空间的压力(辅助空气的压力P5，即目标泵压Ppump)没有减小那么多，也能够高效地增大膜差压Pd的大小。结果，能够不增加回转泵62的耗能地在膜内部空间高能效地生成氮浓度高的空气(富氮空气)。
接着，对第一气体供给装置所进行的具体的工作进行说明。ECU70的CPU(以下，简称为“CPU”)每经过预定时间便执行由图12的流程图所示出的例程。
当成为预定的正时时，CPU从步骤1200起开始进行处理，在依次执行了以下所叙述的步骤1205～步骤1210的处理后前进至步骤1215。
步骤1205：CPU取得氧浓度传感器76所检测出的空气(新气·大气)的氧浓度(检测氧浓度Oair)。
步骤1207：CPU根据内燃机10的运转状态来决定目标氧浓度Otg。具体而言，在当前时间点为刚冷起动后的情况下(冷却液温度THW比预热液体温度THWth低的情况下)，为了快速地对催化剂进行预热，CPU将目标氧浓度Otg设定为“从大于21％且在26％以下的范围选出的氧浓度(高氧浓度)”。在当前时间点为预热完成后的情况下(在冷却液温度THW为预热液体温度THWth以上的情况下)，为了提高燃料经济性，CPU将目标氧浓度Otg设定为“从在16％以上且小于21％的范围选出的氧浓度(低氧浓度)”。此外，大气的氧浓度为21％。
步骤1210：CPU通过将内燃机转速NE和缸内要求进气流量应用于框B11所示的查找表(look up table)(也称为“映射”)M1来决定目标进气压力Pim。此外，CPU将从内燃机转速传感器77取得的内燃机转速NE、和从加速器踏板操作量传感器79取得的加速器踏板操作量AP应用于未图示的查找表来另行算出缸内要求进气流量。
CPU在前进至步骤1215时，判定检测氧浓度Oair与目标氧浓度Otg是否相等。
在检测氧浓度Oair与目标氧浓度Otg相等的情况下，CPU在步骤1215中判定为“是”，依次执行以下所叙述的步骤1220～步骤1230的处理，之后前进至步骤1295并暂时结束本例程。由此执行上述的通常控制。
步骤1220：CPU向第一节气门致动器47b发送信号，将第一节气门开度TA1设定为第一全开开度。步骤1225：CPU将第二节气门开度TA2设定为与在步骤1210中决定的目标进气压力Pim相应的节气门开度TAim。即，CPU向第二节气门致动器49b发送信号，控制第二节气门开度TA2以使得由进气管压力传感器75d检测出的吸入空气的压力P4与目标进气压力Pim4(＝Pim)一致。步骤1230：CPU使回转泵62停止。此外，在该处理的时间点下回转泵62停止了的情况下，CPU使回转泵62继续停止。此外，在CPU进行通常控制时，对止回阀63施加的压力比预定开阀压力小，所以止回阀成为闭阀状态。
与此相对，在检测氧浓度Oair与目标氧浓度Otg不同的情况下，CPU在步骤1215中判定为“否(NO)”而前进至步骤1235，判定检测氧浓度Oair的大小是否比目标氧浓度Otg小。
在检测氧浓度Oair的大小比目标氧浓度Otg小的情况下，CPU在步骤1235中判定为“是”，依次执行以下所叙述的步骤1240～步骤1255的处理，之后前进至步骤1295并暂时结束本例程。由此执行上述的富氧化控制。
步骤1240：CPU通过将目标氧浓度Otg和另行算出的缸内要求进气流量应用于框B12所示的查找表M2来决定目标膜差压Pd。
步骤1245：CPU使回转泵62工作(正转)以使得由回转泵62加压的辅助空气的压力P4(由辅助导管压力传感器75e检测出的压力)与目标进气压力Pim和目标膜差压Pd相加而得到的压力(Pim+Pd)一致。
步骤1250：CPU向第二节气门致动器49b发送信号，将第二节气门开度TA2设定为第二全开开度。
步骤1255：CPU向第一节气门致动器47b发送信号，将第一节气门开度TA1设定为“与在步骤1210中决定的目标进气压力Pim相应的节气门开度TAim”。即，CPU控制第一节气门开度TA1以使得由进气管压力传感器75b检测出的吸入空气的压力P2与目标进气压力Pim2(＝Pim)一致。
此外，在执行富氧化控制时，在膜外部空间的压力变得比止回阀63的预定开阀压力大的情况下，止回阀63成为开阀状态，在膜外部空间的压力成为止回阀63的预定开阀压力以下的情况下，止回阀63成为闭阀状态。
与此相对，在检测氧浓度Oair的大小为目标氧浓度Otg以上的情况下，CPU在步骤1235中判定为“否”，依次执行以下所叙述的步骤1260～步骤1275的处理，之后前进至步骤1295并暂时结束本例程。由此执行上述的富氮化控制。
步骤1260：CPU通过将目标氧浓度Otg和另行算出的缸内要求进气流量应用于框B12所示的查找表M2来决定目标膜差压Pd。
步骤1265：CPU使回转泵62工作(反转)以使得由回转泵62减压的辅助空气的压力P4与由进气管压力传感器75a检测出的刚通过中冷器46后的压力P1和目标膜差压Pd相加而得到的压力(P1+Pd)一致。
步骤1270：CPU向第一节气门致动器47b发送信号，将第一节气门开度TA1设定为第一全开开度。
步骤1275：CPU向第二节气门致动器49b发送信号，将第二节气门开度TA2设定为与在步骤1210中决定的目标进气压力Pim相应的节气门开度TAim。即，CPU控制第二节气门开度TA2以使得由进气管压力传感器75d检测出的吸入空气的压力P4与目标进气压力Pim4(＝Pim)一致。
此外，在执行富氮化控制时，对止回阀63施加的压力比预定开阀压力小，所以止回阀63成为闭阀状态。
根据第一气体供给装置，能够获得以下所说明的效果。即，第一气体供给装置在执行富氧化控制或富氮化控制时，通过使用回转泵62来产生在利用富氧膜模块48对气体进行分离时所需要的富氧膜48b的膜差压。因此，即使在内燃机10的运转状态为非增压状态时，也能够将空气改质成富氧空气或富氮空气。
接着，对本发明的第二实施方式涉及的气体供给装置(以下，有时称为“第二气体供给装置”)进行说明。该第二气体供给装置仅在以下方面与第一气体供给装置不同。
如图13所示，相对于第一气体供给装置，第二气体供给装置追加设置有通常空气用进气管90、配设于该通常空气用进气管90的第三节气门81a、以及第三节气门致动器81b。通常空气用进气管90构成供吸入空气通过的空气通路，将中冷器46与第一节气门47a的下游之间和第二节气门49a的下游与稳压罐42的上游之间连通。
第三节气门致动器81b包括用于检测第三节气门开度的第三节气门开度传感器81c。第三节气门开度传感器81c检测第三节气门81a的第三节气门开度，向ECU70输出表示第三节气门开度TA3的信号。此外，为了方便，也将通常空气用进气管90称为“第五管部”，也将其空气通路称为“第五空气通路”。为了方便，也将第三节气门81a称为“第三气门”，也将其节气门开度称为“第三气门开度”。
第二气体供给装置在存在向汽缸22内供给通常空气的要求时(即，进行通常控制时)，像以下所叙述的那样设定第一节气门47a、第二节气门49a以及第三节气门81a的节气门开度。由此，第二气体供给装置使通过了中冷器46的吸入空气不经由富氧膜模块48而通过通常空气用进气管90向汽缸22内供给。
第一节气门47a的第一节气门开度TA1：第一节气门47a全闭时的节气门开度。
第二节气门49a的第二节气门开度TA2：第二节气门49a全闭时的节气门开度。
第三节气门81a的第三节气门开度TA3：与目标进气压力Pim相应的节气门开度TAim(即，使压力P4与目标进气压力Pim4(＝Pim)一致那样的节气门开度)。
此外，除了在进行富氧化控制和富氮化控制时，将第三节气门81a的第三节气门开度设定为第三节气门81a全闭时的节气门开度这一点以外，第二气体供给装置与第一气体供给装置相同。
这样构成的第二气体供给装置与第一气体供给装置同样，即使内燃机10的运转状态为非增压状态，也能够将空气改质成富氧空气或富氮空气，并且，能够高效地将空气改质成富氧空气或富氮空气。
进而，第二气体供给装置在进行通常控制时，能够使通过了中冷器46的吸入空气不经由富氧膜模块48地向汽缸22内供给。因此，第二气体供给装置在进行通常控制的情况下，能够不产生在通过富氧膜模块48时所产生的压力损失。
接着，对本发明的第三实施方式涉及的气体供给装置(以下，有时称为“第三气体供给装置”)进行说明。该第三气体供给装置仅在以下方面与第一气体供给装置不同。此外，第三气体供给装置的特征也能够应用于第二气体供给装置。如图14所示，相对于第一气体供给装置，第三气体供给装置追加设置有排气回流管(EGR管(Exhaust Gas RecirculationPipe))100、EGR阀101a、EGR阀致动器101b以及EGR冷却器(EGR气体冷却装置)102。
排气回流管100构成供EGR气体流通的EGR气体通路。排气回流管100的一端连通于第二空气通路的第二节气门49a的下游与稳压罐42的上游之间。排气回流管100的另一端连通于排气通路的排气歧管51。
EGR阀致动器101b包括EGR阀开度传感器101c。EGR阀开度传感器101c连接于ECU70，检测EGR阀101a的EGR阀开度，输出表示EGR阀开度TAegr的信号。EGR阀101a配设于排气回流管100。EGR阀101a响应ECU70的指示来调整在排气回流管100中流动的EGR气体的量。
EGR冷却器102在EGR气体的流通方向上比EGR阀101a靠上游的位置配设于排气回流管100。EGR冷却器102使EGR气体的温度降低。EGR阀101a通过将EGR气体通路的开口截面面积设为可变来调节通过EGR气体通路的EGR气体的量。EGR阀致动器91b根据ECU70的指示来改变EGR阀101a的EGR阀开度TAegr。第三气体供给装置在进行富氮化控制和富氧化控制中的各控制时，使EGR阀101a开阀，向进气管43供给EGR气体。
这样构成的第三气体供给装置与第一气体供给装置同样，即使在内燃机10的运转状态处于非增压区域时，也能够将吸入空气改质成富氧空气或富氮空气，并且，能够高效地将吸入空气改质成富氧空气或富氮空气。
进而，第三气体供给装置能够在进行富氮化控制时向汽缸22的燃烧室内供给EGR气体。因此，第三气体供给装置能够使在富氮化控制中向汽缸22供给的气体的氧浓度进一步降低。结果，第三气体供给装置能够提高燃料经济性并且能够减少NOx。进而，第三气体供给装置在进行富氧化控制时也能够向汽缸22的燃烧室内供给EGR气体。在该情况下，向汽缸22供给的气体所包含的氮被EGR气体替换。因此，吸入空气的比热提高并且能够降低燃烧温度，所以能够减少NOx。
以上，对本发明的各实施方式进行了具体的说明，但本发明不限定于上述的各实施方式，能够进行基于本发明的技术思想的各种变形。
例如，在第一～第三气体供给装置中，也可以使用隔膜泵、活塞泵来替代回转泵62。在第一～第三气体供给装置中，也可以使用节气门来替代止回阀，并控制该节气门的节气门开度以使得该节气门进行与止回阀同样的动作。
例如，在第一～第三气体供给装置中，在无法通过回转泵的正转和反转来切换加压和减压的情况下，也可以对配管连接和气门进行切换、或设置两个以上的回转泵等。
例如，在第一～第三气体供给装置中，富氧膜模块能够将空气分离成富氧空气和富氮空气即可，不限定于使用中空线状的富氧膜的富氧膜模块，可以使用各种富氧膜模块。例如，富氧膜模块也可以是平膜层叠型或蜂窝一体型(honeycomb monolith-type)等模块构造。

Claims (9)

1.一种内燃机的气体供给装置，包括：
富氧膜模块，其具有壳体和富氧膜，该壳体内的空间通过该富氧膜分成第一空间和第二空间；
第一管部，其构成第一空气通路，所述第一空气通路具有大气能够流入的一端、和与所述第一空间连通的另一端；
第二管部，其构成第二空气通路，所述第二空气通路具有与所述第一空间连通的一端、和与内燃机的燃烧室连通的另一端；以及
泵部，其构成为通过向所述第二空间供给高压的大气来使所述第二空间的压力增加，并且构成为通过使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出来使所述第二空间的压力减小，
所述气体供给装置的特征在于，还具备电子控制单元，
所述电子控制单元被构成为：
(i)控制所述泵部的驱动状态；
(ii)驱动所述泵部来向所述第二空间供给所述高压的大气以使得所述第二空间的压力增加，从而从所述第二空间通过所述富氧膜向所述第一空间供给空气，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高；
(iii)执行如下富氧化控制：使被供给到该第一空间的空气与通过所述第一空气通路而流入所述第一空间的大气合流，并通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高；以及，
(iv)执行如下富氮化控制：驱动所述泵部来使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出以使得该第二空间的压力减小，从而从所述第一空间通过所述富氧膜向所述第二空间排出空气，在此该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，并在该第一空间生成空气，在此该空气的氮浓度升高为比大气的氮浓度高，使该氮浓度升高后的空气通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给。
2.根据权利要求1所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述壳体具有第一连通孔和第二连通孔，该第一连通孔将所述第一空间与所述第一空气通路的所述另一端连通，该第二连通孔将所述第一空间与所述第二空气通路的所述一端连通，并且，所述第一连通孔和所述第二连通孔设置于彼此相对的位置，
所述第一管部以使得所述第一空气通路的所述另一端与所述第一连通孔连通的方式连接于所述壳体，并且
所述第二管部以使得所述第二空气通路的所述一端与所述第二连通孔连通的方式连接于所述壳体。
3.根据权利要求2所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述气体供给装置还具备止回阀，所述止回阀构成为，在所述第二空间的压力成为预定开阀压力以上时开阀，从而使所述第二空间的空气向所述壳体的外部排出。
4.根据权利要求3所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述气体供给装置还具备：
第三管部，其构成第三空气通路，该第三空气通路的一端连接于所述泵部；和
第四管部，其构成通过所述止回阀来开闭的第四空气通路，
所述壳体具备第三连通孔和第四连通孔，所述第三连通孔将所述第二空间与所述第三空气通路连通，所述第四连通孔将所述第二空间与所述第四空气通路连通，并且，所述第三连通孔和所述第四连通孔设置于彼此相对的位置，
所述第三管部以使得所述第三空气通路的另一端与所述第三连通孔连通的方式连接于所述壳体，并且
所述第四管部以使得所述第四空气通路与所述第四连通孔连通的方式连接于所述壳体。
5.根据权利要求4所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述富氧膜是两端面开放的中空的筒状，配设成将所述第一连通孔与所述第二连通孔连接，所述富氧膜的内侧的空间构成所述第一空间，并且所述壳体内的空间中的所述第一空间以外的空间构成所述第二空间，并且，在所述壳体，以使得将所述第三连通孔与所述第四连通孔连结的方向成为与下述面平行的方向的方式，设置所述第一连通孔、所述第二连通孔、所述第三连通孔以及所述第四连通孔，所述面是和将所述第一连通孔与所述第二连通孔连结的方向正交的面。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述气体供给装置还具备：
配设于所述第一管部的所述内燃机的增压器的压缩机；
第一节气门，其配设于所述第一管部，且配设于所述压缩机与所述富氧膜模块之间，并且构成为通过改变所述第一节气门的开度来改变所述第一空气通路的通路截面面积；以及
第二节气门，其配设于所述第二管部，且配设于所述富氧膜模块与所述内燃机的燃烧室之间，并且构成为通过改变其开度来改变所述第二空气通路的通路截面面积，
所述电子控制单元被构成为：
在执行所述富氧化控制的情况下，
(i)根据所述内燃机的燃烧室所要求的空气的流量，即缸内要求吸入空气流量来改变所述第一节气门的开度；和
(ii)将所述第二节气门的开度设定为使该第二节气门全开时的开度，并且
所述电子控制单元被构成为：
在执行所述富氮化控制的情况下，
(i)将所述第一节气门的开度设定为使该第一节气门全开时的开度；和
(ii)根据所述缸内要求吸入空气流量来改变所述第二节气门的开度。
7.根据权利要求6所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述电子控制单元被构成为：
(i)停止所述泵部的驱动；
(ii)将所述第一节气门的开度设定为使该第一节气门全开时的开度；
(iii)根据所述缸内要求吸入空气流量来改变所述第二节气门的开度；以及
(iv)执行通常控制，所述通常控制是不对从所述第一空气通路流入所述第一空间的空气进行改质而使该空气通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给的控制。
8.根据权利要求7所述的内燃机的气体供给装置，其特征在于，
所述气体供给装置还具备：
第五管部，其构成第五空气通路，所述第五空气通路的一端连通于所述第一空气通路的所述压缩机与所述第一节气门之间，并且所述第五空气通路的另一端连通于所述第二空气通路的所述第二节气门与所述燃烧室之间；和
第三节气门，其配设于所述第五管部，并且通过改变其开度来改变所述第五空气通路的通路截面面积，
所述电子控制单元被构成为：在执行所述富氧化控制和所述富氮化控制中的任一方的情况下，将所述第三节气门的开度设定为使该第三节气门全闭时的开度，并且，所述电子控制单元被构成为：在执行所述通常控制的情况下，根据所述缸内要求吸入空气流量来改变所述第三节气门的开度。
9.一种内燃机的气体供给装置的控制方法，该气体供给装置包括：
富氧膜模块，其具有壳体和富氧膜，并且该壳体内的空间通过该富氧膜分成第一空间和第二空间；
第一管部，其构成第一空气通路，所述第一空气通路具有大气能够流入的一端、和与所述第一空间连通的另一端；
第二管部，其构成第二空气通路，所述第二空气通路具有与所述第一空间连通的一端、和与内燃机的燃烧室连通的另一端；以及
泵部，其构成为通过向所述第二空间供给高压的大气来使所述第二空间的压力增加，并且构成为通过使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出来使所述第二空间的压力减小，所述控制方法按以下方式构成：
(i)控制所述泵部的驱动状态；
(ii)驱动所述泵部来向所述第二空间供给所述高压的大气以使得所述第二空间的压力增加，从而从所述第二空间通过所述富氧膜向所述第一空间供给空气，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高；
(iii)执行如下富氧化控制：使空气与通过所述第一空气通路而流入所述第一空间的大气合流，并通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给，该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高；以及
(iv)执行如下富氮化控制：驱动所述泵部来使所述第二空间的空气从该第二空间向所述壳体的外部排出以使得该第二空间的压力减小，从而从所述第一空间通过所述富氧膜向所述第二空间排出空气，在此该空气的氧浓度升高为比大气的氧浓度高，并在该第一空间生成空气，在此该空气的氮浓度升高为比大气的氮浓度高，该氮浓度升高后的空气通过所述第二空气通路向所述燃烧室供给。
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