DE102018111878B4 - Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und Steuerungsverfahren für diese - Google Patents

Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und Steuerungsverfahren für diese Download PDF

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Abstract

Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit:einem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul (48), welches ein Gehäuse (48a) und eine Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) aufweist, wobei ein Raum in dem Gehäuse (48a) durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) in einen ersten Raum und einen zweiten Raum aufgeteilt wird;einem ersten Leitungsabschnitt (43a), welcher eine erste Luftpassage bildet, welche ein Ende aufweist, bei dem eine Atmosphäre in das eine Ende einströmen kann, und ein anderes Ende aufweist, welches mit dem ersten Raum kommuniziert;einem zweiten Leitungsabschnitt (43b), welcher eine zweite Luftpassage bildet, deren eines Ende mit dem ersten Raum kommuniziert und deren anderes Ende mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors (10) kommuniziert;einem Pumpenabschnitt (62), welcher dazu ausgelegt ist, einen Druck in dem zweiten Raum durch das Zuführen einer Überdruckatmosphäre an den zweiten Raum zu erhöhen, und dazu ausgelegt ist, den Druck in dem zweiten Raum durch das Abgeben von Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) zu verringern; undeiner elektronischen Steuerungseinheit (70), welche dazu ausgelegt ist:(i) einen Antriebszustand des Pumpenabschnitts (62) zu steuern,(ii) von dem zweiten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) dem ersten Raum Luft zuzuführen, indem dem zweiten Raum die Hochdruckatmosphäre zugeführt wird, indem der Pumpenabschnitt (62) derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum zunimmt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist,(iii) eine Sauerstoffanreicherungssteuerung durchzuführen, um die dem ersten Raum zugeführten Luft mit der Atmosphäre zu vereinigen, welche durch die erste Luftpassage in den ersten Raum geströmt ist, und die vereinigte Luft und Atmosphäre durch die zweite Luftpassage der Brennkammer zuzuführen, wobei die Sauerstoffkonzentration der Luft höher als die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und(iv) eine Stickstoffanreicherungssteuerung durchzuführen, um Luft von dem ersten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) an den zweiten Raum abzugeben, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, um in dem ersten Raum Luft zu erzeugen, wobei eine Stickstoffkonzentration der Luft höher als eine Stickstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und um die Luft mit der höheren Stickstoffkonzentration durch die zweite Luftpassage der Brennkammer zuzuführen, indem die Luft in dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) aus dem zweiten Raum abgegeben wird, indem der Pumpenabschnitt (62) derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum abfällt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, welcher eine Atmosphäre in „mit Sauerstoff angereicherte Luft, welche eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre aufweist“ oder „mit Stickstoff angereicherte Luft, welche eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre aufweist“ reformiert und die reformierte Luft einer Brennkammer zuführt.
  • Stand der Technik
  • Wie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung JP 2016-166602 A beschrieben, ist aus dem Stand der Technik eine Gaszufuhrvorrichtung (im Folgenden auch als „herkömmliche Vorrichtung“ bezeichnet) für einen Verbrennungsmotor bekannt, welche mit einem Auflader (einem Turbolader), einer Gastrennungsvorrichtung, einer ersten Gasspeichervorrichtung, einer zweiten Gasspeichervorrichtung, einem ersten Ventil, einem zweiten Ventil und einem dritten Ventil ausgestattet ist. Die Gastrennungsvorrichtung weist eine Membranstruktur (eine Sauerstoffanreicherungsmembran) auf, welche die Atmosphäre (komprimierte Luft), welche durch einen Kompressor eines Aufladers unter Druck gesetzt worden ist bzw. aufgeladen wurde, in sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft trennt.
  • Die erste Gasspeichervorrichtung speichert die durch die Trennung durch die Gastrennungsvorrichtung erhaltene sauerstoffangereicherte Luft. Das erste Ventil steuert die Menge der sauerstoffangereicherten Luft, welche von der ersten Gasspeichervorrichtung einer Brennkammer zugeführt wird. Die zweite Gasspeichervorrichtung speichert die stickstoffangereicherte Luft, welche durch eine Trennung durch die Gastrennungsvorrichtung erhalten worden ist. Das zweite Ventil steuert die Menge der stickstoffangereicherten Luft, welche von der zweiten Gasspeichervorrichtung der Brennkammer zugeführt wird. Das dritte Ventil steuert die Menge der komprimierten Luft, welche von dem Kompressor der Brennkammer zugeführt wird, ohne die Gastrennungsvorrichtung zu passieren.
  • Die Druckschrift DE 699 34 397 T2 beschreibt ein System zum Steuern der Zusammensetzung einer Luftzufuhr an eine Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere bezieht sie sich auf ein System, das eine selektiv gaspermeable Membran verwendet, um einer Verbrennungskraftmaschine eine mit Sauerstoff oder Stickstoff angereicherte Luftzufuhr zuzuführen, um so die Leistung der Kraftmaschine positiv zu beeinflussen.
  • Die Druckschrift US 2003/0015185 A1 beschreibt ein Ansauglufttrennungssystem für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere beschreibt sie ein Ansauglufttrennsystem mit einer Lufttrennmembran, die in der Lage ist, aus der Ansaugluft in Gegenwart eines Spülluftstroms einen Strom sauerstoffangereicherter Luft und einen Strom stickstoffangereicherter Luft zu erzeugen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Um die Atmosphäre in sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft unter Verwendung einer Sauerstoffanreicherungsmembran zu trennen, muss eine Druckdifferenz (im Folgenden auch als „Membrandifferenzialdruck“ bezeichnet) zwischen den zwei Räumen erzeugt werden, welche voneinander über die Sauerstoffanreicherungsmembran getrennt sind. Die herkömmliche Vorrichtung erzeugt den Membrandifferenzialdruck, indem „Atmosphäre, welche durch den Auflader aufgeladen wurde“ in einen der zwei Räume eingespeist wird.
  • Wenn jedoch der Verbrennungsmotor in einem „Nicht-Aufladebereich, in dem der Auflader im Wesentlichen kein Aufladen (Kompression und Druckbeaufschlagung der Atmosphäre) ausführen kann“ betrieben wird, kann die herkömmliche Vorrichtung keinen ausreichend hohen Membrandifferenzialdruck erzeugen. Das heißt, wenn der Verbrennungsmotor in dem Nicht-Aufladebereich betrieben wird, kann die herkömmliche Vorrichtung der Brennkammer keine sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft zuführen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des vorstehenden Problems gemacht. Das heißt, die vorliegende Erfindung stellt eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (im Folgenden auch als „Vorrichtung gemäß der Erfindung“ bezeichnet) und ein Steuerungsverfahren für diese bereit, welche unabhängig von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors die Atmosphäre in „sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft“ reformieren und die reformierte Luft einer Brennkammer zuführen kann.
  • Daher wird gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Die Gaszufuhrvorrichtung ist mit einem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul, einem ersten Leitungsabschnitt, einem zweiten Leitungsabschnitt, einem Pumpenabschnitt und einer elektronischen Steuerungseinheit ausgestattet. Das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul umfasst ein Gehäuse und eine Sauerstoffanreicherungsmembran. Ein Raum in dem Gehäuse wird durch die Sauerstoffanreicherungsmembran in einen ersten Raum und in einen zweiten Raum aufgeteilt. Der erste Leitungsabschnitt bildet eine erste Luftpassage, welche ein Ende, an dem Atmosphäre in das eine Ende einströmen kann, und ein anderes Ende aufweist, welches mit dem ersten Raum kommuniziert. Der zweite Leitungsabschnitt bildet eine zweite Luftpassage, welche ein Ende, welches mit dem ersten Raum kommuniziert, und ein anderes Ende aufweist, welches mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors kommuniziert. Der Pumpenabschnitt ist dazu ausgelegt, einen Druck in dem zweiten Raum zu erhöhen, indem in dem zweiten Raum eine Hochdruck- bzw. Überdruckatmosphäre erzeugt wird, und ist weiterhin dazu ausgelegt, den Druck in dem zweiten Raum durch die Abgabe von Luft aus dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse zu reduzieren. Die elektronische Steuerungseinheit ist dazu ausgelegt: (i) den Antriebszustand der Pumpe zu steuern, (ii) Luft von dem zweiten Raum über die Sauerstoffanreicherungsmembran dem ersten Raum zuzuführen, indem in dem zweiten Raum eine Hochdruck- bzw. Überdruckatmosphäre durch ein Antreiben des Pumpenabschnitts erzeugt wird, so dass der Druck in dem zweiten Raum zunimmt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, (iii) eine Sauerstoffanreicherungssteuerung auszuführen, welche die dem ersten Raum zugeführte Luft mit der Atmosphäre vereint, welche durch die erste Luftpassage in den ersten Raum eingeströmt ist, und die derart vereinte Luft und Atmosphäre über die zweite Luftpassage der Brennkammer zuzuführen, wobei die Sauerstoffkonzentration der Luft höher als die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und (iv) eine Stickstoffanreicherungssteuerung auszuführen, welche Luft von dem ersten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran an den zweiten Raum abgibt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, in dem ersten Raum Luft erzeugt, wobei eine Stickstoffkonzentration der Luft höher als eine Stickstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und die Luft, welche die höhere Stickstoffkonzentration enthält, über die zweite Luftpassage der Brennkammer zuführt, indem die Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum aus dem Gehäuse nach außen abgegeben wird, indem der Pumpenabschnitt derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum abnimmt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Steuerungsverfahren für eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Die Gaszufuhrvorrichtung umfasst ein Sauerstoffanreicherungsmembranmodul, einen ersten Leitungsabschnitt, einen zweiten Leitungsabschnitt und einen Pumpenabschnitt. Das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul weist ein Gehäuse und eine Sauerstoffanreicherungsmembran auf. Ein Raum in dem Gehäuse wird durch die Sauerstoffanreicherungsmembran in einen ersten Raum und einen zweiten Raum getrennt bzw. aufgeteilt. Der erste Leitungsabschnitt bildet eine erste Luftpassage, welche ein Ende, an dem eine Atmosphäre in das eine Ende einströmen kann, und ein anderes Ende aufweist, welches mit dem ersten Raum kommuniziert. Der zweite Leitungsabschnitt bildet eine zweite Luftpassage, welche ein Ende, welches mit dem ersten Raum kommuniziert, und ein anderes Ende aufweist, welches mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors kommuniziert. Der Pumpenabschnitt ist dazu ausgelegt, einen Druck in dem zweiten Raum zu erhöhen, indem dem zweiten Raum eine Überdruckatmosphäre zugeführt wird, und ist dazu ausgelegt, den Druck in dem zweiten Raum durch die Abgabe von Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum auch nach außen aus dem Gehäuse zu verringern. Das Steuerungsverfahren umfasst: (i) Steuern eines Antriebszustands des Pumpenabschnittes, (ii) Zuführen von Luft von dem zweiten Raum durch die Sauerstoffspeichermembran an den ersten Raum durch das Zuführen einer Überdruckatmosphäre an den zweiten Raum durch ein Antreiben des Pumpenabschnitts, so dass der Druck in dem zweiten Raum zunimmt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, (iii) Durchführen einer Sauerstoffanreicherungssteuerung, welche die dem ersten Raum zugeführte Luft mit der Atmosphäre vereinigt, welche durch die erste Luftpassage in den ersten Raum eingeströmt ist, und die vereinte Luft und Atmosphäre über die zweite Luftpassage der Brennkammer zuführt, wobei die Sauerstoffkonzentration der Luft höher als die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und (iv) Ausführen einer Sauerstoffspeicherungssteuerung, welche Luft von dem ersten Raum über die Sauerstoffanreicherungsmembran an den zweiten Raum abgibt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, eine Luft in dem ersten Raum erzeugt, bei der eine Stickstoffkonzentration der Luft höher als eine Stickstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und die Luft von einer höheren Stickstoffkonzentration über die zweite Luftpassage der Brennkammer zuführt, indem die Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum aus dem Gehäuse nach außen abgegeben wird, indem der Pumpenabschnitt derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum abfällt.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung und dem vorstehend beschriebenen Steuerungsverfahren wird, wenn die Sauerstoffanreicherungssteuerung ausgeführt wird, dem zweiten Raum eine Überdruckatmosphäre zugeführt, indem der Pumpenabschnitt derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum zunimmt. Daher wird die Druckdifferenz (der Membrandifferenzialdruck), welcher dazu erforderlich ist, dass Luft von einer höheren Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre über die Sauerstoffanreicherungsmembran in den ersten Raum strömt, zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum erzeugt.
  • Wenn die Stickstoffanreicherungssteuerung ausgeführt wird, wird die Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse abgegeben, indem der Pumpenabschnitt derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum abfällt. Daher wird die Druckdifferenz (der Membrandifferenzialdruck), welche dazu erforderlich ist, die Luft, welche eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre enthält, aus dem zweiten Raum über die Sauerstoffanreicherungsmembran abzugeben, zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum erzeugt.
  • Sogar wenn sich der Verbrennungsmotor in dem Nicht-Aufladebereich befindet, kann, indem der Pumpenabschnitt derart angetrieben wird, der Brennkammer sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft zugeführt werden.
  • Weiterhin kann bei der Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Gehäuse ein erstes Kommunikationsloch und ein zweites Kommunikationsloch aufweisen. Das erste Kommunikationsloch kann eine Verbindung bzw. Kommunikation zwischen dem ersten Raum und dem anderen Ende der ersten Luftpassage bereitstellen. Das zweite Kommunikationsloch kann eine Verbindung bzw. Kommunikation zwischen dem ersten Raum und dem einen Ende der zweiten Luftpassage bereitstellen. Ebenso können das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch an Positionen vorgesehen sein, welche einander entgegengesetzt angeordnet sind. Der erste Leitungsabschnitt kann mit dem Gehäuse derart verbunden sein, dass das andere Ende der ersten Leitungspassage mit dem ersten Kommunikationsloch kommuniziert. Der zweite Leitungsabschnitt kann mit dem Gehäuse derart verbunden sein, dass das eine Ende der zweiten Luftpassage mit dem zweiten Kommunikationsloch kommuniziert.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung sind das vorstehend genannte erste Kommunikationsloch und das vorstehend genannte zweite Kommunikationsloch an Positionen ausgebildet, welche einander entgegengesetzt sind. Daher befindet sich die Atmosphäre, welche das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul in Richtung der Brennkammer passiert, über einen großen Bereich oder für eine lange Zeit in Kontakt mit der Sauerstoffanreicherungsmembran. Demgemäß kann die das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul in Richtung der Brennkammer passierende Atmosphäre effizient und wirksam in sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Darüber hinaus kann die Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Rückschlagventil ausgestattet sein, welches dazu ausgelegt ist, die Luft in dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse abzugeben, indem es sich öffnet, wenn der Druck in dem zweiten Raum gleich oder höher als ein vorbestimmter Ventilöffnungsdruck wird.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung wird, wenn der Druck in dem zweiten Raum gleich oder höher als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck wird, das Rückschlagventil geöffnet und die Luft in dem zweiten Raum wird nach außen abgegeben. Demgemäß kann die Möglichkeit, dass der Partialdruck des Sauerstoffs in der Luft in dem zweiten Raum übermäßig klein wird, reduziert werden, sodass die Luft angemessen in sauerstoffangereicherte Luft reformiert werden kann.
  • Die Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einem dritten Leitungsabschnitt, welcher eine dritte Luftpassage bildet, wobei ein Ende der dritten Luftpassage mit dem Pumpenabschnitt verbunden ist, und einem vierten Leitungsabschnitt ausgestattet sein, welcher eine vierte Luftpassage bildet, welche durch das Rückschlagventil geöffnet und geschlossen wird. Darüber hinaus kann das Gehäuse mit einem dritten Kommunikationsloch, welches eine Verbindung bzw. Kommunikation zwischen dem zweiten Raum und der dritten Luftpassage bereitstellt, und einem vierten Kommunikationsloch ausgestattet sein, welches eine Verbindung bzw. Kommunikation zwischen dem zweiten Raum und der vierten Luftpassage bereitstellt. Darüber hinaus können das dritte Kommunikationsloch und das vierte Kommunikationsloch an Positionen vorgesehen sein, welche einander entgegengesetzt sind. Darüber hinaus kann der dritte Leitungsabschnitt mit dem Gehäuse derart verbunden sein, dass das andere Ende der dritten Luftpassage mit dem dritten Kommunikationsloch kommuniziert, und der vierte Leitungsabschnitt kann mit dem Gehäuse derart verbunden sein, dass die vierte Luftpassage mit dem vierten Kommunikationsloch kommuniziert.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung sind das dritte Kommunikationsloch und das vierte Kommunikationsloch an Positionen ausgeformt, welche einander entgegengesetzt sind. Daher befindet sich die Atmosphäre, welche von dem Pumpenabschnitt aufgeladen wird, über einen großen Bereich und für eine lange Zeit in Kontakt mit der Sauerstoffanreicherungsmembran. Demgemäß kann dem ersten Raum eine große Menge Luft von einer hohen Sauerstoffkonzentration zugeführt werden, sodass die die Sauerstoffmembran in Richtung der Brennkammer passierende Atmosphäre effizient in sauerstoffangereicherte Luft reformiert werden kann.
  • Bei der Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Sauerstoffanreicherungsmembran die Form eines hohlen Rohrs annehmen, bei der beide Endoberflächen des hohlen Rohrs offen sind, und kann derart angeordnet sein, dass sie das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch miteinander verbindet. Somit kann ein Raum innerhalb der Sauerstoffanreicherungsmembran den ersten Raum bilden und ein anderer Raum als der erste Raum in dem Gehäuse kann den zweiten Raum bilden. Das Gehäuse kann mit dem ersten Kommunikationsloch, dem zweiten Kommunikationsloch, dem dritten Kommunikationsloch und dem vierten Kommunikationsloch derart ausgestattet sein, dass eine Richtung, in der das dritte Kommunikationsloch und das vierte Kommunikationsloch miteinander verbunden sind, parallel zu einer Oberfläche verläuft, welche rechtwinklig zu einer Richtung verläuft, in der das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch miteinander verbunden sind.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung ist die Richtung, in der das dritte Kommunikationsloch und das viere Kommunikationsloch miteinander verbunden sind, parallel zu der Oberfläche, welche rechtwinklig zu der Richtung verläuft, in der das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch miteinander verbunden sind. Demgemäß kann die Atmosphäre, welche das Sauerstoffanreicherungsmodul passiert, effizient in sauerstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Die Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin mit einem Kompressor, einem ersten Drosselventil und einem zweiten Drosselventil ausgestattet sein. Der Kompressor kann ein Kompressor eines Aufladers des Verbrennungsmotors sein, welcher in dem ersten Leitungsabschnitt angeordnet ist. Das erste Drosselventil kann in dem ersten Leitungsabschnitt zwischen dem Kompressor und dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul angeordnet sein und kann dazu ausgelegt sein, eine Querschnittsfläche der ersten Luftpassage durch Verändern des Öffnungsgrads des ersten Drosselventils zu verändern. Das zweite Drosselventil kann in dem zweiten Leitungsabschnitt zwischen dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul und der Brennkammer des Verbrennungsmotors angeordnet und dazu ausgelegt sein, eine Querschnittsfläche der zweiten Luftpassage durch ein Verändern des Öffnungsgrads des zweiten Drosselventils zu verändern. Die elektronische Steuerungseinheit kann dazu ausgelegt sein, bei der Ausführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung (i) den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils in Übereinstimmung mit einer zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate als einer Strömungsrate der angeforderten Luft der Brennkammer des Verbrennungsmotors einzustellen und (ii) den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils auf einen Öffnungsgrad zu einem Zeitpunkt einzustellen, wenn das zweite Drosselventil vollständig geöffnet ist, bzw. das zweite Drosselventil vollständig zu öffnen. Ebenso kann die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt sein: bei der Durchführung der Stickstoffanreicherungssteuerung (i) den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils auf einen Öffnungsgrad zu einem Zeitpunkt einzustellen, wenn das erste Drosselventil vollständig geöffnet ist, bzw. das erste Drosselventil vollständig zu öffnen, und (ii) den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils in Übereinstimmung mit der zylinderinternen angeforderten Ansaugluftströmungsrate zu verändern.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung werden, wenn eine Sauerstoffanreicherungssteuerung ausgeführt wird, der Öffnungsgrad des ersten Drosselventils und der Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils wie vorstehend beschrieben eingestellt. Daher ist der Druck in dem ersten Raum des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls negativ bzw. ein Unterdruck. Demgemäß kann der Membrandifferenzialdruck sogar ohne eine wesentliche Druckbeaufschlagung durch den Pumpenabschnitt erzeugt werden, sodass mit einer hohen Energieeffizienz sauerstoffangereicherte Luft bereitgestellt werden kann.
  • Weiterhin werden bei der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung, wenn eine Stickstoffanreicherungssteuerung ausgeführt wird, der Öffnungsgrad des ersten Drosselventils und der Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils wie vorstehend beschrieben eingestellt. Daher ist der Druck in dem ersten Raum des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls positiv bzw. ein Überdruck. Demgemäß kann der Membrandifferenzialdruck ohne eine wesentliche Druckreduktion durch den Pumpenabschnitt erzeugt werden und so kann mit einer hohen Energieeffizienz stickstoffangereicherte Luft bereitgestellt werden.
  • Bei der Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgelegt sein: (i) einen Antrieb des Pumpenabschnitts zu stoppen, (ii) den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils auf den Öffnungsgrad zu dem Zeitpunkt einzustellen, wenn das erste Drosselventil vollständig geöffnet ist, bzw. das erste Drosselventil vollständig zu öffnen, (iii) den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils in Übereinstimmung mit der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate zu verändern, und (iv) eine normale Steuerung, ohne dass die Luft reformiert wird, zur Zufuhr der in den ersten Raum strömenden Luft von der ersten Luftpassage durch die zweite Luftpassage an die Brennkammer durchzuführen.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung wird die vorstehend genannte normale Steuerung durchgeführt, wenn der Pumpenabschnitt gestoppt ist bzw. nicht angetrieben wird. Demgemäß wird verhindert, dass der Pumpenabschnitt unnötig Energie verbraucht.
  • Darüber hinaus kann die Gaszufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin mit einem fünften Leitungsabschnitt und einem dritten Drosselventil ausgestattet sein. Der fünfte Leitungsabschnitt kann eine fünfte Luftpassage bilden, welche ein Ende, welches mit einem Abschnitt zwischen dem Kompressor in der ersten Luftpassage und dem ersten Drosselventil kommuniziert, und ein anderes Ende aufweist, welches mit einem Abschnitt zwischen dem zweiten Drosselventil in der zweiten Luftpassage und der Brennkammer kommuniziert. Darüber hinaus kann das dritte Drosselventil in dem fünften Leitungsabschnitt angeordnet sein und einen Passagenquerschnitt der fünften Luftpassage durch Verändern eines Öffnungsgrads des dritten Drosselventils verändern. Die elektronische Steuerungseinheit kann dazu ausgelegt sein, bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung oder der Stickstoffanreicherungssteuerung den Öffnungsgrad des dritten Drosselventils auf einen Öffnungsgrad zu einem Zeitpunkt einzustellen, zu dem das dritte Drosselventil vollständig geschlossen ist bzw. das dritte Drosselventil vollständig zu schließen. Die elektronische Steuerungseinheit kann dazu ausgelegt sein, den Öffnungsgrad des dritten Drosselventils in Übereinstimmung mit der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate vor der Durchführung der normalen Steuerung zu verändern.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung strömt, wenn die normale Steuerung ausgeführt wird, keine Luft durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul, sodass kein Druckverlust auftritt, welcher während des Strömens von Luft durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul erzeugt würde. Demgemäß wird nicht unnötig Energie verschwendet und somit kann die Kraftstoffeffizienz verbessert werden.
  • Figurenliste
  • Merkmale, Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.
    • 1 ist eine allgemeine Ansicht eines Verbrennungsmotors, auf den eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird;
    • 2A ist eine allgemeine Ansicht eines Längsschnittes eines Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls, welches in 1 gezeigt ist;
    • 2B ist eine andere allgemeine Ansicht des Längsschnittes des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls, welches in 1 gezeigt ist;
    • 3A ist eine allgemeine Ansicht, welche die Konfiguration des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls zeigt;
    • 3B ist eine schematische Ansicht, welche einen Mechanismus einer Sauerstoffanreicherungsmembran zeigt;
    • 4 ist ein Zeitdiagramm, welches den Verfahrensfluss des Betriebs der Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 5A ist eine allgemeine Ansicht, welche den Verfahrensfluss des Betriebs der Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 5B ist eine andere allgemeine Ansicht, welche den Verfahrensfluss des Betriebs der Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
    • 5C ist eine weitere allgemeine Ansicht, welche den Verfahrensfluss des Betriebs der Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
    • 6 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen einem Druck in einem Raum außerhalb der Membran (Extramembranraum) des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls (einen Extramembrandruck) und eine Sauerstoffkonzentration in dem Extramembranraum des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls (eine Extramembransauerstoffkonzentration) zeigt;
    • 7 ist eine allgemeine Ansicht eines Verbrennungsmotors, auf welchen die Gaszufuhrvorrichtung gemäß einem Bezugsbeispiel (aus dem Stand der Technik) der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung angewandt wird;
    • 8 ist ein Graph, welcher die Zusammensetzung, Strömungsraten und Drücke der Ansaugluft und Ähnliches zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem die Gaszufuhrvorrichtung gemäß dem Bezugsbeispiel (des Stands der Technik) eine Sauerstoffanreicherungssteuerung ausführt;
    • 9 ist ein Graph, welcher die Zusammensetzung, Strömungsraten und Drücke der Ansaugluft und Ähnliches zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem die Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Sauerstoffanreicherungssteuerung ausführt,
    • 10 ist ein Graph, welcher die Zusammensetzung, Strömungsraten und Drücke der Ansaugluft und Ähnliches zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem die Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß dem vorliegenden Bezugsbeispiel die Stickstoffanreicherungssteuerung ausführt;
    • 11 ist ein Graph, welcher die Zusammensetzung, Strömungsraten und Drücke der Ansaugluft und Ähnliches zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem die Gaszufuhrvorrichtung des Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die Stickstoffanreicherungssteuerung ausführt;
    • 12 ist ein Flussdiagramm, welches eine Routine zeigt, welche durch eine CPU einer ECU der Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird;
    • 13 ist eine allgemeine Ansicht eines Verbrennungsmotors, auf den eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung angewandt wird; und
    • 14 ist eine allgemeine Ansicht eines Verbrennungsmotors, auf den eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung angewandt wird.
  • Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden wird eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer jeden der Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Hierbei werden bei allen Ausführungsformen der Erfindung in allen Figuren gleiche Komponenten durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
  • Als Erstes wird die Konfiguration der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung (im Folgenden manchmal auch als „erste Gaszufuhrvorrichtung“ bezeichnet) wird auf einen „Verbrennungsmotor 10, wie er in 1 gezeigt ist“ angewandt, welcher in einem (nicht gezeigten) Fahrzeug montiert ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist ein Mehrzylinder- (Vierzylinder-Reihenmotor bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung) Viertakt-Dieselmotor mit sich hin-und-herbewegenden Kolben. Der Verbrennungsmotor 10 kann aber auch ein Benzinmotor bzw. Ottomotor sein. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorkörperabschnitt 20, ein Ansaugsystem 40 und ein Abgassystem 50 auf.
  • Der Motorkörperabschnitt 20 umfasst einen Körper, welcher einen nicht gezeigten Zylinderblock, einen (nicht gezeigten) Zylinderkopf, ein (nicht gezeigtes) Kurbelgehäuse und Ähnliches aufweist. In dem Körper sind vier Zylinder 22 ausgeformt. Nicht gezeigte Kraftstoffeinspritzventile sind jeweils an den oberen Abschnitten der Zylinder 22 ausgebildet. Die Kraftstoffeinspritzventile öffnen sich in Erwiderung auf einen Befehl einer elektronischen Steuerungseinheit (einer Motor-ECU) 70, welche später beschrieben wird, und spritzen Kraftstoff direkt in die jeweiligen Zylinder 22 ein.
  • Das Ansaugsystem 40 umfasst einen Ansaugkrümmer 41, einen Ausgleichstank 42, eine Ansaugleitung 43, welche einen ersten Leitungsabschnitt 43a und einen zweiten Leitungsabschnitt 43b aufweist, einen Luftreiniger 44a, einen Kompressor 45a eines Aufladers 45, einen Ladeluftkühler 46, ein erstes Drosselventil 47a, einen ersten Drosselventilaktuator 47b, ein Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48, ein zweites Drosselventil 49a und einen zweiten Drosselventilaktuator 49b.
  • Der Ansaugkrümmer 41 besteht aus einer Mehrzahl verzweigter Kanäle, welche jeweils mit den Zylindern 22 derart verbunden sind, dass sie miteinander kommunizieren. Ein jeder dieser verzweigten Kanäle ist an seinem einen Ende mit dem Ausgleichstank 42 als einem Zusammenbauabschnitt dieser Kanäle und an seinem anderen Ende mit einem jeden der Zylinder 22 verbunden. Weiterhin kommuniziert der Ausgleichstank 42 mit dem zweiten Leitungsabschnitt 43b der Ansaugleitung 43. Der Ansaugkrümmer 41, der Ausgleichstank 42 und die Ansaugleitung 43 bilden eine Ansaugpassage bzw. Ansaugtrakt. Die Ansaugpassage, welcher durch den ersten Leitungsabschnitt 43a stromaufwärts von dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 gebildet wird, wird aus Gründen der Einfachheit auch als „erste Luftpassage“ bezeichnet. Die Ansaugpassage, welche durch den zweiten Leitungsabschnitt 43b stromabwärts von der dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 49 ausgebildet wird, wird aus Gründen der Einfachheit auch als „zweite Luftpassage“ bezeichnet.
  • In der Ansaugleitung 43 sind ein Luftreiniger 44a, ein Kompressor 45a, ein Ladeluftkühler 46, ein erstes Drosselventil 47a, ein Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 und ein zweites Drosselventil 49a in dieser Reihenfolge in der Strömungsrichtung der Ansaugluft, welche durch einen Pfeil a1 wiedergegeben wird, angeordnet. Ebenso ist das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 in einem Zusatzkanal 61 angeordnet, welcher einen dritten Leitungsabschnitt 61a und einen vierten Leitungsabschnitt 61b umfasst. Konkret gesagt ist das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 an einem Zusammenflussabschnitt der Ansaugleitung 43 und des Zusatzkanals 61 angeordnet. In dem Zusatzkanal 61 sind ein Luftreiniger 44b, eine herkömmliche Rotationspumpe 62, ein Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 und ein Rückschlagventil 63 in dieser Reihenfolge in der Strömungsrichtung der Zusatzluft, welche durch einen Pfeil a2 wiedergegeben wird, angeordnet.
  • Der Zusatzkanal 61 bildet eine Luftpassage, welche Luft passiert (im Folgenden auch manchmal als „externe Route“ bezeichnet). Eine Luftpassage, welche durch den dritten Leitungsabschnitt 61a stromaufwärts von dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 ausgebildet wird, wird aus Gründen der Einfachheit auch als „dritte Luftpassage“ bezeichnet. Ebenso wird eine Luftpassage, welche durch den vierten Leitungsabschnitt 61b stromabwärts des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls ausgebildet wird, aus Gründen der Einfachheit auch als „vierte Luftpassage“ bezeichnet.
  • Wenn sie sich positiv bzw. vorwärts dreht, pumpt die Rotationspumpe 62 Hochdruck-Zusatzluft stromabwärts der Rotationspumpe 62 und presst somit die Zusatzluft durch die dritte Luftpassage zu dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48. Wenn die Rotationspumpe 62 negativ bzw. rückwärts rotiert, saugt die Rotationspumpe 62 Zusatzluft an und gibt diese von dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 über die dritte Luftpassage ab. Die Rotationspumpe 62 wird aus Gründen der Einfachheit auch als „Pumpenabschnitt“ bezeichnet.
  • Das Rückschlagventil 63 ist in der externen Route „in einer Position stromabwärts des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls 48“ angeordnet. Wenn der Gasdruck (der Luft), welche aus dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 ausströmt, gleich oder höher als ein vorbestimmter Ventilöffnungsdruck ist, öffnet sich das Rückschlagventil 63, um es dem Gas (der Luft) zu ermöglichen, aus dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 zu dem Rückschlagventil 63 zu strömen. In anderen Worten ist, wenn der Gasdruck (der Luft), welche aus dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 ausströmt, niedriger als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck ist, das Rückschlagventil 63 geschlossen, um das Gas (bzw. die Luft) zurückzuhalten und zu verhindern, dass es von dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 zu dem Rückschlagventil 63 strömt. Demgemäß hält das Rückschlagventil 63 das Gas (bzw. die Luft) zurück und verhindert, dass es von dem Rückschlagventil 63 zu dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 strömt.
  • Sowohl der Luftreiniger 44a als auch der Luftreiniger 44b ist eine Filtervorrichtung, welche Fremdkörper aus der Zusatzluft entfernt. Der Kompressor 45a und die Turbine 45b bilden den Auflader 45. Eine Drehwelle der Turbine 45b ist mit einer Drehwelle des Kompressors 45a gekoppelt. Die Turbine 45b dreht sich, wenn sie das durch eine Abgaspassage strömende Abgas aufnimmt und dreht dadurch den Kompressor 45a. Die die Ansaugpassage passierende Luft wird durch die Drehung des Kompressors 45a komprimiert (aufgeladen).
  • Der Ladeluftkühler 46 ist eine Kühlvorrichtung für die Ansaugluft und ist zwischen einem Auslass des Aufladers 45 (des Kompressors 45a) und des Ansaugkrümmers 41 angeordnet. Der Ladeluftkühler 46 verringert die Temperatur der Ansaugluft.
  • Das erste Drosselventil 47a passt die die Ansaugpassage passierende Luftmenge an, indem sie den Öffnungsquerschnitt der Ansaugpassage in einem Bereich verändert, in dem das erste Drosselventil 47a angeordnet ist. Der erste Drosselventilaktuator 47b verändert den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils 47a (im Folgenden als „ein erster Drosselventilöffnungsgrad“ bezeichnet) in Übereinstimmung mit einem Befehl der ECU 70. Das erste Drosselventil 47a wird aus Gründen der Einfachheit auch als „erstes Ventil“ bezeichnet und der erste Drosselventilöffnungsgrad wird aus Gründen der Einfachheit auch als „erster Ventilöffnungsgrad“ bezeichnet. Weiterhin weist der erste Drosselventilaktuator 47b einen ersten Drosselöffnungsgradsensor 47c auf, um den ersten Drosselventilöffnungsgrad zu erfassen.
  • Das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 reformiert falls erforderlich die Atmosphäre in „sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft“. Sauerstoffangereicherte Luft enthält eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre und enthält eine niedrigere Stickstoffkonzentration als die Atmosphäre. Stickstoffangereicherte Luft enthält eine höhere Stickstoffkonzentration als die Atmosphäre und enthält eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre. Wie in den 2A, 2B und 3A gezeigt, ist das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 mit einem Gehäuseabschnitt 48a und einer Sauerstoffanreicherungsmembran (einer Polymermembran) 48b ausgestattet.
  • Der Gehäuseabschnitt 48a ist aus einem Metall gefertigt und hat im Wesentlichen die Form eines Zylinders. Das Innere des Gehäuseabschnitts 48a besteht aus einem Raum (einem Hohlraum). Der Gehäuseabschnitt 48a ist in der Ansaugleitung 43 angeordnet (dazwischen angeordnet), sodass eine Axialrichtung des Gehäuseabschnitts 48a mit einer Axialrichtung der Ansaugleitung 43 zusammenfällt.
  • Eine Mehrzahl von ersten Kommunikationslöchern 48a1 ist eine Endoberfläche des Gehäuseabschnitts 48a durchdringend ausgeformt. Eine Mehrzahl von zweiten Kommunikationslöchern 48a2 ist die andere Endoberfläche des Gehäuseabschnitts 48a durchdringend ausgeformt. Ein jedes der ersten Kommunikationslöcher 48a1 und ein jedes der zweiten Kommunikationslöcher 48a2 sind an Positionen angeordnet, welche einander entgegengesetzt sind. Das heißt, „eines der ersten Kommunikationslöcher 48a1 und eines der zweiten Kommunikationslöcher 48a2“, welche einander entgegengesetzt sind, sind derart ausgeformt, dass ihre Mittelachse mit einer geraden Linie zusammenfällt, welche parallel zu der Axialrichtung des Gehäuseabschnitts 48a verläuft.
  • Ein drittes Kommunikationsloch 48a3 ist einen Teil einer seitlichen Oberfläche des Gehäuseabschnitts 48a durchdringend ausgeformt. Ein viertes Kommunikationsloch 48a4 ist den anderen Teil der Seitenoberfläche des Gehäuseabschnitts 48a durchdringend ausgeformt. Das dritte Kommunikationsloch 48a3 und das vierte Kommunikationsloch 48a4 sind derart ausgeformt, dass ihre Mittelachse mit einer geraden Linie zusammenfällt, welche rechtwinklig zu der Axialrichtung des Gehäuseabschnitts 48a verläuft, so dass sie einander in der Nachbarschaft der Mitte in der Axialrichtung entgegengesetzt sind.
  • Die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b ist eine herkömmliche Membran, welche aus einem Polymer, wie beispielsweise einem Polyimid-Harz, Silikon oder Ähnlichem besteht (siehe beispielsweise die Druckschriften JP 2007-113459 A und JP 2013-32708 A ). Diese Sauerstoffanreicherungsmembran 48b verändert die Sauerstoffkonzentration in der Luft und die Stickstoffkonzentration in der Luft unter Verwendung der Tatsache, dass die Durchdringungsgeschwindigkeit (Permeationsgeschwindigkeit) von Sauerstoffmolekülen durch die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b höher als die Permeationsgeschwindigkeit der Stickstoffmoleküle durch die Sauerstoffanreicherungsmembran bei den Prozessen der Auflösung (Dissolution), Diffusion und Desorption der Sauerstoffmoleküle und Stickstoffmoleküle in / aus der Luft (Atmosphäre) an der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b ist.
  • Die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b hat die Form eines Hohlzylinders und ist so ausgebildet, dass ihre beiden Endoberflächen geöffnet sind. Eine Endoberfläche der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b ist in einem jeden der ersten Kommunikationslöcher 48a1 angeordnet und die andere Endoberfläche der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b ist in einem jeden der zweiten Kommunikationslöcher 48a2 angeordnet. Das heißt, „ein jedes der ersten Kommunikationslöcher 48a1 und ein jedes der zweiten Kommunikationslöcher 48a2“, welche einander entgegengesetzt sind, werden miteinander über die röhrenförmige Sauerstoffanreicherungsmembran 48b verbunden.
  • Somit kommuniziert ein jedes der ersten Kommunikationslöcher 48a1 und ein jedes der zweiten Kommunikationslöcher 48a2 mit dem Hohlraum innerhalb der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b. Andererseits kommuniziert der Raum innerhalb des Gehäuseabschnitts 48a und außerhalb der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b mit sowohl dem dritten Kommunikationsloch 48a3 als auch dem vierten Kommunikationsloch 48a4. Der Raum innerhalb des Gehäuseabschnitts 48a und das Äußere der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b werden im Folgenden manchmal auch als „Extramembranraum“ bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird der Raum innerhalb der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b manchmal als „Intramembranraum“ bezeichnet. Der Intramembranraum wird aus Gründen der Einfachheit auch als „erster Raum“ und der Extramembranraum wird auch als „zweiter Raum“ bezeichnet.
  • Das dritte Kommunikationsloch 48a3 ist mit dem Zusatzkanal 61 (dem dritten Leitungsabschnitt 61a) auf der Seite der Rotationspumpe 62 verbunden und kommuniziert mit einer Luftpassage (einer externen Route), welche durch den Zusatzkanal 61 ausgeformt wird. Das vierte Kommunikationsloch 48a4 ist mit dem Zusatzkanal 61 (dem vierten Leitungsabschnitt 61b) auf der Seite des Rückschlagventils 63 verbunden und kommuniziert mit der Luftpassage (der externen Route), welche durch den Zusatzkanal 61 ausgeformt wird.
  • Der Druck in dem Extramembranraum kann unter Verwendung der Rotationspumpe 62 erhöht werden (Druckbeaufschlagung) und der Druck kann verringert werden (Druckreduktion bzw. Druckabbau). In anderen Worten kann der Druck in dem Extramembranraum durch die Rotationspumpe 62 höher oder niedriger als der Druck in dem Intramembranraum gemacht werden. Das heißt, zwischen dem Intramembranraum und dem Extramembranraum, welche voneinander über die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b getrennt sind, kann eine Druckdifferenz erzeugt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben kann die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b die Sauerstoffkonzentration in der Luft und die Stickstoffkonzentration in der Luft verändern. Konkreter gesagt werden, wie in 3B gezeigt, wenn über die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b eine Druckdifferenz erzeugt wird, die „Sauerstoffmoleküle und Stickstoffmoleküle“, welche sich in Kontakt mit einer überdruckseitigen (Druckaufbauseite) Oberfläche der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b befinden, an der überdruckseitigen Oberfläche in die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b gelöst, diffundieren in die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b und desorbieren daraufhin von einer unterdruckseitigen (druckabbauseitigen) Oberfläche der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Permeationskoeffizient ZO2 des Sauerstoffs durch die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b größer als ein Permeationskoeffizient ZN2 des Stickstoffs durch die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b.
  • Demgemäß durchdringen Sauerstoffmoleküle die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b schneller als Stickstoffmoleküle. In anderen Worten ist die Menge an Sauerstoffmolekülen, welche pro Zeiteinheit die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b von der Überdruckseite durchdringen und sich zu der Unterdruckseite bewegen, größer als die Menge der Stickstoffmoleküle, welche pro Zeiteinheit die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b von der Überdruckseite durchdringen und sich zu der Unterdruckseite bewegen. Daher wird die Luft, welche die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b durchdrungen hat, eine sauerstoffangereicherte Luft und die Luft, welche die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b nicht durchdrungen hat, wird eine stickstoffangereicherte Luft. Eine Durchdringungs- bzw. Permeationsmenge QO2 des Sauerstoffs durch die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b wird durch die in 3B gezeigte Gleichung (1) wiedergegeben. Eine Permeationsmenge QN2 des Stickstoffs durch die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b wird durch die in 3B gezeigte Gleichung (2) wiedergegeben.
  • Die erste Gaszufuhrvorrichtung reformiert die dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 zugeführte Ansaugluft unter Verwendung der Eigenschaften der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b in sauerstoffangereicherte Luft, welche eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Ansaugluft hat, und stickstoffangereicherte Luft, welche eine niedrigere Sauerstoffkonzentration (aber eine höhere Stickstoffkonzentration) als die Ansaugluft hat. Daraufhin führt die erste Gaszufuhrvorrichtung entweder die sauerstoffangereicherte Luft oder die stickstoffangereicherte Luft (d. h. die reformierte Ansaugluft) einer jeden der Brennkammern der Zylinder 22 zu.
  • Konkret gesagt dreht die erste Gaszufuhrvorrichtung bei der Reformierung der Ansaugluft, welche von den ersten Kommunikationslöchern 48a1 in den Intramembranraum strömt, in sauerstoffangereicherte Luft die Rotationspumpe 62 in einer ersten (positiven) Richtung und gibt die sauerstoffangereicherte Luft aus den zweiten Kommunikationslöchern 48a2 ab. Infolgedessen wird der Druck der Zusatzluft, welche von der externen Route und dem dritten Kommunikationsloch 48a3 in den Extramembranraum eingespeist worden ist, höher als der Druck der Ansaugluft in dem Intramembranraum. Demgemäß wird die Zusatzluft in dem Extramembranraum in die die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b durchdringende Luft, welche an den Intramembranraum abgegeben wird und eine hohe Sauerstoffkonzentration hat, und die in dem Extramembranraum verbleibende Luft aufgeteilt, welche eine hohe Stickstoffkonzentration hat. Daraufhin wird, wie in 2A gezeigt, die in den Intramembranraum abgegebenen Luft, welche eine hohe Sauerstoffkonzentration hat, mit der Ansaugluft vermischt, welche von den ersten Kommunikationslöchern 48a1 in den Intramembranraum geströmt ist. Daraufhin wird die Ansaugluft, welche von den ersten Kommunikationslöchern 48a1 in den Intramembranraum eingeströmt ist, in sauerstoffangereicherte Luft reformiert und die sauerstoffangereicherte Luft wird von den zweiten Kommunikationslöchern 48a2 abgegeben. Die sauerstoffangereicherte Luft wird durch die Ansaugleitung 43 (den zweiten Leitungsabschnitt 43b) einer jeden der Brennkammern der Zylinder 22 und dem Ausgleichstank 42 zugeführt.
  • Im Gegensatz dazu dreht die erste Gaszufuhrvorrichtung bei der Reformierung der in den Intramembranraum von den ersten Kommunikationslöchern 48a1 einströmenden Ansaugluft in stickstoffangereicherte Luft die Rotationspumpe 62 in einer zweiten Richtung (rückwärts) und gibt die stickstoffangereicherte Luft aus den zweiten Kommunikationslöchern 48a2 ab. Infolgedessen wird der Druck, der von den ersten Kommunikationslöchern 48a1 in den Intramembranraum eingeführten Ansaugluft höher als der Druck der Zusatzluft in dem Extramembranraum. Demgemäß wird, wie in 2B gezeigt, die Ansaugluft in dem Intramembranraum in die die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b durchdringende Luft, welche an die Extramembran abgegeben wird und eine hohe Sauerstoffkonzentration hat, und die in dem Intramembranraum verbleibende Luft mit einer hohen Stickstoffkonzentration aufgeteilt. Daher wird die von den ersten Kommunikationslöchern 48a1 in den Intramembranraum geströmte Ansaugluft in eine stickstoffangereicherte Luft reformiert und die stickstoffangereicherte Luft wird von den zweiten Kommunikationslöchern 48a2 abgegeben. Die stickstoffangereicherte Luft wird über die Ansaugleitung 43 (den zweiten Leitungsabschnitt 43b) einer jeden der Brennkammern der Zylinder 22 und dem Ausgleichstank 42 zugeführt.
  • Wie in 1 gezeigt, passt das zweite Drosselventil 49a die Luftmenge an, welche die Ansaugpassage passiert, indem es die Öffnungsquerschnittsfläche der Ansaugpassage in einem Bereich verändert, in dem das zweite Drosselventil 49a angeordnet ist. Der zweite Drosselventilaktuator 49b verändert den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils 49a (im Folgenden auch als „zweiter Drosselventilöffnungsgrad“ bezeichnet) in Übereinstimmung mit einem Befehl der ECU 70. Das Drosselventil 49a wird aus Gründen der Einfachheit auch als „zweites Ventil“ bezeichnet und der zweite Drosselventilöffnungsgrad wird aus Gründen der Einfachheit auch als „zweiter Ventilöffnungsgrad“ bezeichnet. Darüber hinaus weist der zweite Drosselventilaktuator 49b einen zweiten Drosselöffnungsgradsensor 49c zum Erfassen des zweiten Drosselventilöffnungsgrads auf.
  • Das Abgassystem 50 bzw. Auslasssystem 50 weist einen Abgaskrümmer 51, eine Abgasleitung 52 und die Turbine 45b des Aufladers 45 auf.
  • Der Abgaskrümmer 51 weist „jeweils mit den Zylindern 22 verbundene Abzweigungsabschnitte“ und einen „Zusammenbauabschnitt dieser Abzweigungsabschnitte“ auf. Die Abgasleitung 52 ist mit dem Zusammenbauabschnitt des Abgaskrümmers 51 verbunden. Der Abgaskrümmer 51 und die Abgasleitung 52 bilden die Abgaspassage. Die Turbine 45b ist in der Abgasleitung 52 angeordnet.
  • Die ECU 70 ist ein elektronischer Schaltkreis, welcher einen bekannten Mikrocomputer umfasst und weist eine CPU, einen ROM, einen RAM, einen Backup-RAM, eine Schnittstelle und Ähnliches auf. Die ECU 70 ist mit einer Sensorgruppe verbunden, welche später beschrieben wird, und empfängt Signale von diesen Sensoren (welche in diese eingegeben werden). Zudem gibt die ECU 70 Befehls-(Antriebs-) Signale an verschiedene Aktuatoren aus und steuert den Verbrennungsmotor 10.
  • Die ECU 70 ist mit dem ersten Drosselöffnungsgradsensor 47c und dem zweiten Drosselöffnungsgradsensor 49c verbunden. Der erste Drosselöffnungsgradsensor 47c erfasst den ersten Drosselventilöffnungsgrad des ersten Drosselventils 47a und gibt ein Signal aus, welches den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 wiedergibt. Der zweite Drosselöffnungsgradsensor 49c erfasst den zweiten Drosselventilöffnungsgrad des zweiten Drosselventils 49a und gibt ein Signal aus, welches den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 wiedergibt.
  • Darüber hinaus ist die ECU 70 mit den Ansaugleitungsdrucksensoren 75a bis 75d, einem Zusatzkanaldrucksensor 75e, einem Sauerstoffkonzentrationssensor 76, einem Motordrehzahlsensor 77, einem Flüssigkeitstemperatursensor 78 und einem Gaspedalbetätigungsmengensensor 79 verbunden.
  • Der Ansaugleitungsdrucksensor 75a gibt ein Signal aus, welches einen Druck P1 der Ansaugluft in der Ansaugpassage stromabwärts des Ladeluftkühlers 46 und in der Ansaugpassage 43 stromaufwärts des ersten Drosselventils 47a wiedergibt. Der Ansaugleitungsdrucksensor 75b gibt ein Signal aus, welches einem Druck P2 in der Ansaugpassage stromabwärts des ersten Drosselventils 47a und in der Ansaugpassage 43 stromaufwärts des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls 48 entspricht. Der Ansaugleitungsdrucksensor 75c gibt ein Signal aus, welches einem Druck P3 der Ansaugluft in der Einlasspassage stromabwärts des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls 48 und in der Ansaugpassage 43 stromaufwärts des zweiten Drosselventils 49a entspricht. Der Ansaugleitungsdrucksensor 75d gibt ein Signal aus, welches einen Druck P4 der Ansaugluft in der Ansaugpassage stromabwärts von dem Drosselventil 49a und in der Ansaugpassage stromabwärts des Ausgleichstanks 42 wiedergibt. Der Zusatzkanaldrucksensor 75e gibt ein Signal aus, welches einen Druck P5 in der externen Route stromabwärts der Rotationspumpe 62 und in dem Zusatzkanal 61 stromaufwärts des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls 48 wiedergibt.
  • Der Sauerstoffkonzentrationssensor 76 gibt ein Signal aus, welches eine Sauerstoffkonzentration Oair der Ansaugluft (d. h. der Atmosphäre) wiedergibt, welche in die Ansaugpassage durch den Luftreiniger 44a eingeströmt ist.
  • Der Motordrehzahlsensor 77 misst eine Drehzahl (eine Rotationsgeschwindigkeit des Motors) NE des Verbrennungsmotors 10 und gibt ein Signal aus, welches dieser Motordrehzahl NE entspricht.
  • Der Flüssigkeitstemperatursensor 78 ist in einem jeden Zylinderabschnitt des Motorkörperabschnitts 20 angeordnet. Der Flüssigkeitstemperatursensor 78 misst eine Temperatur (eine Kühlflüssigkeitstemperatur THW) des Kühlmittels zum Kühlen des Motorkörperabschnitts 20 und gibt ein Signal aus, welches der Kühlflüssigkeitstemperatur THW entspricht.
  • Der Gaspedalbetätigungsmengensensor 79 erfasst eine Betätigungsmenge (eine Durchtretmenge) eines Gaspedals 79a des Fahrzeugs und gibt ein Signal aus, welches der Gaspedalbetätigungsmenge AP entspricht.
  • Übersicht des Betriebs
  • Als Nächstes wird eine Übersicht des Betriebs beschrieben, welcher durch die erste Gaszufuhrvorrichtung ausgeführt wird. Die erste Gaszufuhrvorrichtung verändert die Konzentration des Sauerstoffs (und die Konzentration des Stickstoffs) in der einer jeden der Brennkammern zugeführten Ansaugluft in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10.
  • Konkret gesagt bestimmt die ECU 70 einen Sollwert einer Sauerstoffkonzentration (d. h. eine Sollsauerstoffkonzentration Otg) der einer jeden der Brennkammern der Zylinder 22 zugeführten Ansaugluft auf der Grundlage des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10. Die ECU 70 vergleicht „die Sauerstoffkonzentration Oair der Ansaugluft (der Atmosphäre)“ welche durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 76 erfasst worden ist, mit der „Sollsauerstoffkonzentration Otg“.
  • Die Sauerstoffkonzentration Oair der Ansaugluft (der Atmosphäre), welche durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 76 erfasst worden ist, wird im Folgenden als „erfasste Sauerstoffkonzentration Oair“ bezeichnet. Die letztendlich einem jeden der Zylinder 22 zugeführte Ansaugluft wird als „Zylinderansaugluft“ bezeichnet. Die Ansaugluft, welche kurz davorsteht, durch die Ansaugpassage 43 in das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 einzuströmen, wird als „Anreicherungsmembraneinströmluft“ bezeichnet. Die Luft, welche dieselbe Zusammensetzung wie die Atmosphäre hat, wird als „normale Luft“ bezeichnet. Der Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, zu dem das erste Drosselventil 47a vollständig geöffnet ist, wird als ein „erster Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ bezeichnet. Der Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, zu dem das zweite Drosselventil 49a vollständig geöffnet ist, wird als „zweiter Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ bezeichnet.
  • Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair gleich wie die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, führt die ECU 70 eine „normale Steuerung“ durch, um einem jeden der Zylinder 22 die Anreicherungsmembraneinströmluft als Zylinderansaugluft zuzuführen ohne die Sauerstoffkonzentration der Anreicherungsmembraneinströmluft durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 zu verändern. Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair niedriger als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, führt die ECU 70 eine „Sauerstoffanreicherungssteuerung“ zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration der Zylinderansaugluft durch, indem sie die Sauerstoffkonzentration der Anreicherungsmembraneinströmluft durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhöht. Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair niedriger als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, erzeugt die ECU 70 eine Sauerstoffanreicherungsanforderung. Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair höher als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, führt die ECU 70 eine „Stickstoffanreicherungssteuerung“ durch, um die Sauerstoffkonzentration in der Zylinderansaugluft zu verringern (und die Stickstoffkonzentration zu erhöhen), indem die Sauerstoffkonzentration der Anreicherungsmembraneinströmluft durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 verringert wird. Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair höher als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, erzeugt die ECU 70 eine Stickstoffanreicherungsanforderung.
  • Beispielsweise ist bei dem in 4 gezeigten Beispiel die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair gleich wie die Sollsauerstoffkonzentration Otg während einer Periode von einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor einem Zeitpunkt t1. Während dieser Periode wird weder eine Sauerstoffanreicherungsanforderung noch eine Stickstoffanreicherungsanforderung erzeugt.
  • Wenn weder eine Sauerstoffanreicherungsanforderung noch eine Stickstoffanreicherungsanforderung erzeugt wird, führt die ECU 70 den folgenden in 5A gezeigten Betrieb durch, (i) Die ECU 70 stoppt die Rotationspumpe 62. (ii) Die ECU 70 stellt den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 des ersten Drosselventils 47a auf den „ersten Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ ein. (iii) Die ECU 70 bestimmt den Sollwert des Drucks in dem Bereich, in dem der Ansaugleitungsdrucksensor 75d angeordnet ist, als einen Sollansaugdruck Pim4 auf der Grundlage der „Motordrehzahl NE und einer zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate“. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die zylinderintern angeforderte Ansaugluftströmungsrate eine Strömungsrate der Zylinderansaugluft ist, welche von einem jeden der Zylinder 22 angefordert worden ist. (iv) Die ECU 70 berechnet separat die zylinderintern angeforderte Ansaugluftströmungsrate auf der Grundlage einer „der Motordrehzahl NE und der Gaspedalbetätigungsmenge AP“. (v) Die ECU 70 steuert den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2, sodass der Druck P4, der durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75d erfasst worden ist, mit dem Sollansaugdruck Pim4 zusammenfällt.
  • In diesem Fall wird bei dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 keine spürbare Druckdifferenz zwischen dem Intramembranraum und dem Extramembranraum erzeugt. Daher passiert, wie durch den Block B1 in 5A gezeigt, Anreicherungsmembraneinströmluft den Intramembranraum wie normale Luft, ohne die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b zu durchdringen und wird von den zweiten Kommunikationslöchern 48a2 in die Ansaugpassage der Ansaugleitung 43 abgegeben. Demgemäß passiert Anreicherungsmembraneinströmluft das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 und wird Zylinderansaugluft, wobei ihre Sauerstoffkonzentration unverändert bleibt. Die derart das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 passierende und von den zweiten Kommunikationslöchern 48a2 an die Ansaugpassage 43 abgegebene Ansaugluft bzw. Luft wird aus Gründen der Einfachheit auch als „Abgabeansaugluft“ bezeichnet.
  • Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist die Sollsauerstoffkonzentration Otg zu dem Zeitpunkt t1 hoch. Infolgedessen wird die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair zu dem Zeitpunkt t1 niedriger als die Sollsauerstoffkonzentration Otg, sodass sauerstoffangereicherte Luft angefordert wird. Das heißt, zu dem Zeitpunkt t1 wird eine Sauerstoffanreicherungsanforderung erzeugt. Daher beginnt die ECU 70 zu dem Zeitpunkt t1 mit einer Sauerstoffanreicherungssteuerung.
  • In diesem Fall führt die ECU 70 den folgenden in 5B gezeigten Betrieb aus. Die ECU 70 (i) stellt den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 des zweiten Drosselventils 49a auf den „zweiten Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ ein. Die ECU 70 (ii) bestimmt den Sollwert des Drucks in dem Bereich, in dem der Ansaugleitungsdrucksensor 75b angeordnet ist, als den Sollansaugdruck Pim2 auf der Grundlage der Motordrehzahl NE und der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate. Die ECU 70 (iii) steuert den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 des ersten Drosselventils 47a, sodass der Druck P2 der Ansaugluft, welcher durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75b erfasst worden ist, mit dem Sollansaugdruck Pim2 zusammenfällt. Die ECU 70 (iv) bestimmt einen Sollmembrandifferenzialdruck Pd auf der Grundlage einer zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate und der Sollsauerstoffkonzentration Otg. In diesem Falle ist der Sollmembrandifferenzialdruck Pd ein positiver Wert. Die ECU 70 (v) stellt einen Sollpumpendruck Ppump als den Sollwert des Drucks der Zusatzluft (d. h. den Sollwert des Drucks in dem Extramembranraum) auf einen Druck (Pim2 + Pd) ein, welcher durch das Aufsummieren des Sollansaugdrucks Pim2 und des Sollmembrandifferenzialdrucks Pd erhalten worden ist. Die ECU 70 (vi) dreht die Rotationspumpe 62 vorwärts, sodass der Druck P5 der Zusatzluft, welche durch die Rotationspumpe 62 ausgepresst wird (der Druck P5, welcher durch den Zusatzkanaldrucksensor 75e erfasst wird), mit dem Sollpumpendruck Ppump zusammenfällt.
  • Daraufhin fällt der Druck in dem Extramembranraum mit dem Sollpumpendruck Ppump (= Pim2 + Pd) zusammen und der Druck in dem Intramembranraum fällt mit dem Sollansaugdruck Pim2 zusammen. Demgemäß werden der Extramembranraum und der Intramembranraum jeweils die Überdruckseite und die Unterdruckseite, sodass der Membrandifferenzialdruck Pd erhalten wird, welcher durch das Subtrahieren von Pim2 von Ppump (= Ppump - Pim2 > 0) erzeugt wird.
  • Infolgedessen durchdringt, wie durch einen Block B2 in 5B gezeigt, die dem Extramembranraum durch den Zusatzkanal 61 und das dritte Kommunikationsloch 48a3 zugeführte Zusatzluft die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b und wird in den Intramembranraum abgegeben. Die an den Intramembranraum abgegebene Zusatzluft enthält eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Zusatzluft (normale Luft), welche die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b noch nicht durchdrungen hat. Andererseits enthält die Zusatzluft in dem Extramembranraum eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als normale Luft.
  • Infolgedessen wird Anreicherungsmembraneinströmluft in sauerstoffangereicherte Luft reformiert und die sauerstoffangereicherte Luft, welche durch die Reformierung erhalten worden ist, wird einem jeden der Zylinder 22 als Zylinderansaugluft (Abgabeansaugluft) zugeführt. Diese „Steuerung von dem Zeitpunkt t1 aus“ ist eine Sauerstoffanreicherungssteuerung.
  • Wie in 4 gezeigt, nimmt aufgrund dieser Sauerstoffanreicherungssteuerung der Membrandifferenzialdruck (P5 - P2) auf den Sollmembrandifferenzialdruck Pd (= Ppump (Überdruck) - Pim (Unterdruck) > 0) zu und die Sauerstoffkonzentration Od in einem jeden der Abgabeansaugluft und Zylinderansaugluft nimmt ausgehend von dem Zeitpunkt t1 auf die Sollsauerstoffkonzentration Otg zu. Darüber hinaus fällt der Membrandifferenzialdruck (P5 - P2) mit dem Sollmembrandifferenzialdruck Pd zusammen und die Konzentration Od des Sauerstoffes in einer jeden von der Abgabeansaugluft und der Zylinderansaugluft fällt mit der Sollsauerstoffkonzentration Otg zu und nach dem Zeitpunkt t2 zusammen.
  • Wenn der Extramembrandruck P5, welcher auf das Rückschlagventil 63 wirkt, infolge der weiteren positiven Rotation bzw. Vorwärtsrotation der Rotationspumpe 62 nach dem Start der vorstehend beschriebenen Sauerstoffanreicherungssteuerung höher als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck wird, wird das Rückschlagventil 63 geöffnet. Daher wird die „Zusatzluft, welche eine hohe Stickstoffkonzentration und eine niedrige Sauerstoffkonzentration hat“ in dem Extramembranraum durch das vierte Kommunikationsloch 48a4 nach außen (zur Atmosphäre) abgegeben und normale Luft strömt durch das dritte Kommunikationsloch 48a3 in den Extramembranraum ein. Demgemäß wird, wie durch einen Graphen der 6 gezeigt, die Sauerstoffkonzentration in dem Extramembranraum derart gehalten, dass sie einem unteren Grenzwert des Sauerstoffs O2 entspricht. Infolgedessen fällt die Sauerstoffkonzentration in dem Extramembranraum nicht zu sehr ab. Daher wird eine Differenz (eine Differenz der Partialdrücke) zwischen dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Extramembranraum und dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Intramembranraum derart gehalten, dass er gleich oder höher als ein Partialdruck ist, welcher für die Durchdringung der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b durch Sauerstoff erforderlich ist.
  • Bei dem in 4 gezeigten Beispiel wird die Sollsauerstoffkonzentration Otg zu dem Zeitpunkt t3 niedrig. Infolgedessen wird zu dem Zeitpunkt t3 die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair höher als die Sollsauerstoffkonzentration Otg, sodass stickstoffangereicherte Luft angefordert wird. Das heißt, zu dem Zeitpunkt t3 wird eine Stickstoffanreicherungsanforderung erzeugt. Daher beginnt die ECU 70 zu dem Zeitpunkt t3eine Stickstoffanreicherungssteuerung.
  • In diesem Fall führt die ECU 70 den folgenden in 5C gezeigten Betrieb aus. Die ECU 70 (i) stellt den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 des ersten Drosselventils 47a auf den „ersten Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ ein. Die ECU 70 (ii) bestimmt den Sollwert des Druckes in dem Bereich, in dem der Ansaugleitungsdrucksensor 75d angeordnet ist, als den Sollansaugdruck Pim4 auf der Grundlage der Motordrehzahl NE und der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate. Die ECU 70 (iii) steuert den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 des zweiten Drosselventils 49a derart, dass der durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75d erfasste Druck P4 der Ansaugluft mit dem Sollansaugdruck Pim4 zusammenfällt. Die ECU 70 (iv) bestimmt den Sollmembrandifferenzialdruck Pd auf der Grundlage der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate und der Sollsauerstoffkonzentration Otg. In diesem Fall ist der Sollmembrandifferenzialdruck Pd ein negativer Wert. Die ECU 70 (v) stellt den Sollpumpendruck Ppump als den Sollwert des Drucks der Zusatzluft (d. h. den Sollwert des Drucks in dem Extramembranraum) auf einen Druck (P1 + Pd) ein, welcher durch ein Addieren des „Drucks P1 unmittelbar nach dem Passieren des Ladeluftkühlers, wie er durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75a erfasst worden ist“ und des „Sollmembrandifferenzialdrucks Pd“ erhalten wird. In diesem Fall entspricht der erste Drosselventilöffnungsgrad TA1 dem „ersten Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“. Daher sind der Druck der Anreicherungsmembraneinströmluft (d. h. der Druck in dem Intramembranraum) und der Druck P1 einander im Wesentlichen gleich. Die ECU 70 (vi) rotiert die Rotationspumpe 62 rückwärts, sodass der Druck P5 der durch die Rotationspumpe 62 gepumpten Zusatzluft (der Druck P5, welcher durch den Zusatzkanaldrucksensor 75e erfasst worden ist) mit dem Sollpumpendruck Ppump zusammenfällt. Das heißt, die ECU 70 verringert den Druck in dem Extramembranraum.
  • Daher fällt der Druck in dem Extramembranraum mit dem Sollpumpendruck Ppump (= P1 + Pd) zusammen. Andererseits ist, wie vorstehend beschrieben, der Druck in dem Intramembranraum im Wesentlichen gleich wie der Druck P1. Demgemäß werden der Extramembranraum und der Intramembranraum jeweils die Niederdruckseite und die Hochdruckseite und der Membrandifferenzialdruck Pd (= Ppump - P1 < 0), welcher durch ein Subtrahieren von P1 von Ppump erhalten wird, wird erzeugt.
  • Infolgedessen durchdringt, wie durch einen Block B3 in 5C gezeigt, die dem Intramembranraum durch die ersten Kommunikationslöcher 48a1 zugeführte Luft die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b und wird in den Extramembranraum abgegeben. Die an den Extramembranraum abgegebene Luft enthält eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Luft (normale Luft), welche die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b noch nicht passiert hat. Demgemäß wird die in dem Intramembranraum verbleibende Luft und dadurch strömende Luft eine stickstoffangereicherte Luft, welche eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als normale Luft hat.
  • Infolgedessen wird Anreicherungsmembraneinströmluft in stickstoffangereicherte Luft reformiert und die durch Reformierung erhaltene stickstoffangereicherte Luft wird einem jeden der Zylinder 22 als Zylinderansaugluft (Abgabeansaugluft) zugeführt. Diese Steuerung von dem Zeitpunkt t3 ist eine „Stickstoffanreicherungssteuerung“.
  • Wie in 4 gezeigt, fällt aufgrund dieser Stickstoffanreicherungssteuerung der Membrandifferenzialdruck (P5 - P2) auf den Sollmembrandifferenzialdruck Pd (= Ppump (negativer Druck) - P1 (positiver Druck)) und die Sauerstoffkonzentration Od in einem jeden der Abgabeansaugluft und der Zylinderansaugluft fällt von dem Zeitpunkt t3 auf die Sollsauerstoffkonzentration Otg. Darüber hinaus fällt der Membrandifferenzialdruck (P5 - P2) mit einem Sollmembrandifferenzialdruck Pd zusammen und die Sauerstoffkonzentration Od in der Abgabeansaugluft und der Zylinderansaugluft fällt zu und nach dem Zeitpunkt t4mit der Sollsauerstoffkonzentration Otg zusammen. Das Vorstehende ist der Verfahrensfluss der ersten Gaszufuhrvorrichtung.
  • Als Nächstes wird der Effekt der ersten Gaszufuhrvorrichtung beschrieben. Die erste Gaszufuhrvorrichtung hat bessere Effekte, welche nachstehend beschrieben werden, als beispielsweise eine typische Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor 200 gemäß einem Bezugsbeispiel (aus dem Stand der Technik) der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in 7 gezeigt ist.
  • Bei dem Bezugsbeispiel wird die Ansaugluft, die den Ladeluftkühler 46 passiert hat, in sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft aufgeteilt, wenn sie das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 passiert. Die sauerstoffangereicherte Luft wird in einem Sauerstofftank 221 gespeichert und die stickstoffangereicherte Luft wird in einem Stickstofftank 222 gespeichert. Eine (nicht gezeigte) ECU, welche in dem Bezugsbeispiel vorgesehen ist, führt eine Sauerstoffanreicherungssteuerung und eine Stickstoffanreicherungssteuerung durch, welche später beschrieben werden, indem sie Signale an die Drosselventilaktuatoren 211b bis 213b aussendet und angemessen die Drosselventilöffnungsgrade eines Sauerstoffdrosselventils 211a, eines Stickstoffdrosselventils 212a und eines Luftdrosselventils 213a steuert. Die Drosselventilöffnungsgrade der Drosselventile 211a bis 313a werden jeweils durch die Drosselöffnungsgradsensoren 211c bis 213c erfasst.
  • Als Nächstes wird ein Unterschied zwischen der Sauerstoffanreicherungssteuerung gemäß dem Bezugsbeispiel und der Sauerstoffanreicherungssteuerung gemäß der ersten Gaszufuhrvorrichtung beschrieben. Bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung stellt die ECU gemäß dem Bezugsbeispiel den Drosselventilöffnungsgrad des Luftdrosselventils 213a auf „einen vorbestimmten Drosselventilöffnungsgrad (d. h. im Wesentlichen einen Zwischenventilöffnungsgrad)“ ein, stellt den Drosselventilöffnungsgrad des Sauerstoffdrosselventils 211a auf einen „Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, zu dem das Sauerstoffdrosselventil 211a vollständig geöffnet ist“ ein und stellt den Drosselventilöffnungsgrad des Stickstoffdrosselventils 212a auf einen „Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, zu dem das Stickstoffdrosselventil 212a vollständig geschlossen ist“ ein.
  • In diesem Fall zeigt 8 Beispiele der Strömungsraten und Zusammensetzungen der „Gase Fa1 bis Fa3, eines Gases FN1 und eines Gases Fo1“, welche in 7 gezeigt sind und nachstehend beschrieben werden. (i) Das Gas Fa1 ist ein Gas, welches den Ladeluftkühler 46 passiert (die den Ladeluftkühler passierende Luft), (ii) Das Gas Fa2 ist ein Gas, welches von dem Gas Fa1 abzweigt und in das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 einströmt (die einen Sauerstoffabtrennungsabschnitt passierende Luft), (iii) Das Gas Fa3 ist ein Gas, welches von dem Gas Fa1 abzweigt und ein Luftdrosselventil 213a passiert (die ein drittes Ventil passierende Luft), (iv) Das Gas FN1 ist stickstoffangereicherte Luft, welche nach der Trennung des Gases Fa2 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten worden ist. (v) Das Gas Fo1 ist sauerstoffangereicherte Luft, welche nach der Trennung des Gases Fa2 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten worden ist. Wie vorstehend beschrieben, ist der Öffnungsgrad des Sauerstoffdrosselventils 211a ein Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses und der Öffnungsgrad des Stickstoffdrosselventils 212a ist ein vollständig geschlossener Öffnungsgrad. Daher ist das einem jeden der Zylinder 22 zugeführte Gas ein Gas (Fa3 + Fo1), welches durch ein Vereinen des Gases Fa3 und des Gases Fo1 (sauerstoffangereicherte Luft) miteinander erhalten worden ist.
  • In 8 entspricht das Balkendiagrammganz links der den Ladeluftkühler 46 passierenden Luft, das mittlere Balkendiagramm entspricht der Luft, welche nach der Trennung der den Ladeluftkühler passierenden Luft in die sich zu dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 bewegende Luft und die sich zu dem Luftdrosselventil 213a bewegende Luft erhalten wird, und das Balkendiagramm ganz rechts entspricht der einem jeden Zylinder 22 zugeführten Luft (der Luft, welche in den Ausgleichstank 42 strömt) und dem an die Atmosphäre abgegebenen Gas.
  • Wie die sich aus 8 ergibt, ist bei dem Bezugsbeispiel die Strömungsrate der Luft Fa1, welche den Ladeluftkühler passiert, wesentlich höher als die „Strömungsrate der sauerstoffangereicherten Luft (Fo1 + Fa3), als das einem jeden der Zylinder 22 zugeführte Gas“. Zur selben Zeit ist die Strömungsrate der Luft Fa1, welche den Ladeluftkühler passiert, wesentlich höher als die Strömungsrate des Gases FN1, welches an die Atmosphäre abgegeben wird. Das heißt, wenn eine Sauerstoffanreicherungssteuerung bei dem Bezugsbeispiel durchgeführt wird, ist die Strömungsrate der den Luftreiniger 44a, den Ladeluftkühler 46 und den Kompressor 45a passierenden Luft sehr hoch. Demgemäß müssen der Luftreiniger 44, der Ladeluftkühler 46 und der Kompressor 45a vergrößert werden.
  • Weiterhin wird bei dem Bezugsbeispiel nur der Kompressor 45a des Auflader 45 dazu benutzt, Luft aufzuladen (Druckbeaufschlagung zur Erzeugung eines Membrandifferenzialdrucks in der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b). Wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 20 gemäß dem Bezugsbeispiel ein Zustand (ein Nichtaufladezustand) ist, in dem sich der Kompressor 45a im Wesentlichen nicht in Betrieb befindet, kann der Membrandifferenzialdruck, welcher für die Trennung des Gases Fa2 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erforderlich ist, nicht erzeugt werden. Demgemäß kann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 200 der Nicht-Aufladezustand ist, die Atmosphäre nicht in sauerstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Im Gegensatz dazu zeigt 9 Beispiele gemäß der ersten Gaszufuhrvorrichtung der Strömungsraten und Zusammensetzungen der „Gase Fa11 und Fa12, eines Gases FN11 und eines Gases Fo11“, welche in 1 gezeigt sind und im Folgenden beschrieben werden. (i) Das Gas Fa11 ist das Gas, welches den Ladeluftkühler 46 passiert (die den Ladeluftkühler passierende Luft), (ii) Das Gas Fa12 ist das die Rotationspumpe 62 passierende Gas (die die Rotationspumpe passierende Luft), (iii) Das Gas FN11 ist sauerstoffangereicherte Luft, welche nach der Trennung des Gases Fa12 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten worden ist. (iv) Das Gas Fo11 ist sauerstoffangereicherte Luft, welche nach der Trennung des Gases Fa12 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten worden ist. (v) Das Gas (Fa11 + Fo11), welches durch das Vereinigen des Gases Fa11 und des Gases Fo11 miteinander erhalten worden ist, ist das einem jeden der Zylinder 22 zugeführte Gas.
  • In 9, welche ein Graph ist, welcher die Zusammensetzung, Strömungsrate und den Druck der Ansaugluft und Ähnliches zeigt, wenn die Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden ersten Ausführungsform der Erfindung eine Sauerstoffanreicherungssteuerung ausführt, entsprechen die drei Diagramme in dem oberen Teil jeweils in der Reihenfolge von links nach rechts der die Rotationspumpe 62 passierenden Luft (d. h. der Luft, welche noch nicht in sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft aufgetrennt worden ist), der Luft, welche in sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft aufgetrennt worden ist, und der an die Atmosphäre abgegebenen Luft. Darüber hinaus entsprechen in 9 drei Balkendiagramme im unteren Teil jeweils in der Reihenfolge von links nach rechts der den Ladeluftkühler passierenden Luft, der in das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 einströmenden Luft, und dem einem jeden der Zylinder 22 zugeführten Gas (der in den Ausgleichstank 42 strömenden Luft).
  • Wie sich aus 9 ergibt, ist bei der ersten Gaszufuhrvorrichtung die Strömungsrate der Luft Fa11, welche den Ladeluftkühler passiert, niedriger als „die Strömungsrate der sauerstoffangereicherten Luft (Fa11 + Fo11) als das einem jeden der Zylinder 22 zugeführte Gas“ im Vergleich zu dem vorstehenden Bezugsbeispiel. Das heißt, in dem Fall, in dem sauerstoffangereicherte Luft einem jeden der Zylinder 22 gemäß dem vorstehenden Bezugsbeispiel mit 100 (L/s) zugeführt wird, muss die Atmosphäre durch den Kompressor 45a mit 180 (L/s) Druck beaufschlagt werden. Im Gegensatz dazu muss in dem Fall, in dem durch die erste Gaszufuhrvorrichtung sauerstoffangereicherte Luft einem jeden der Zylinder 22 mit 100 (L/s) zugeführt wird, die Atmosphäre durch den Kompressor 45a nur mit 80 (L/s) Druck beaufschlagt werden. Demgemäß kann die erste Gaszufuhrvorrichtung den Luftreiniger 44a, den Ladeluftkühler 46 und den Kompressor 45a kleiner als das vorstehende Bezugsbeispiel ausführen.
  • Weiterhin erzeugt bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung die erste Gaszufuhrvorrichtung einen Membrandifferenzialdruck der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b, welcher dazu erforderlich ist, das Gas Fa12 in dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 aufzutrennen, indem sie die Rotationspumpe 62 betätigt (vorwärts rotiert). Demgemäß kann sogar dann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors der Nichtaufladezustand ist, die Atmosphäre in sauerstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Weiterhin stellt bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung die erste Gaszufuhrvorrichtung einen zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 auf den „zweiten Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ ein und stellt den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 auf einen „Drosselventilöffnungsgrad TAim ein, sodass der Druck P2 mit dem Sollansaugdruck Pim2 zusammenfällt“. Daher entsteht in dem Intramembranraum ein Unterdruck. Demgemäß kann der Membrandifferenzialdruck Pd sogar dann effizient erhöht werden, wenn der Druck in dem Extramembranraum (der Druck P5 der Zusatzluft, nämlich der Sollpumpendruck Ppump) nicht sehr hoch ist. Infolgedessen kann eine Luft, welche eine hohe Konzentration von Sauerstoff enthält, in den Intramembranraum eingelassen werden, ohne dass die durch die Rotationspumpe 62 verbrauchte Energie groß wird. Daher kann bei einer hohen Energieeffizienz sauerstoffangereicherte Luft erzeugt werden.
  • Als Nächstes werden die Unterschiede zwischen der Stickstoffanreicherungssteuerung gemäß dem vorgehenden Bezugsbeispiel und der Stickstoffanreicherungssteuerung der ersten Gaszufuhrvorrichtung beschrieben. Bei der Durchführung der Stickstoffanreicherungssteuerung stellt die ECU gemäß dem vorgehenden Bezugsbeispiel den Drosselventilöffnungsgrad des Luftdrosselventils 213a auf den „Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, wenn das Luftdrosselventil 213a vollständig geschlossen ist“ ein, stellt den Drosselventilöffnungsgrad des Sauerstoffdrosselventils 211a auf „den Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, wenn das Sauerstoffdrosselventil 211a vollständig geschlossen ist“ ein und stellt den Drosselventilöffnungsgrad des Stickstoffdrosselventils 212a auf den „vorbestimmten Drosselventilöffnungsgrad (d. h. im Wesentlichen einen Zwischendrosselventilöffnungsgrad)“ ein.
  • In diesem Fall zeigt die 10 Beispiele der Strömungsraten und Zusammensetzungen von einem „Gas Fa21, einem Gas Fo21 und einem Gas FN21“, welche in 7 gezeigt und nachstehend beschrieben sind. (i) Das Gas Fa21 ist das den Ladeluftkühler 46 passierende Gas (die den Ladeluftkühler passierende Luft), (ii) Das Gas F21 ist stickstoffangereicherte Luft, welche nach der Auftrennung des Gases Fa21 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten worden ist. (iii) Das Gas Fo21 ist sauerstoffangereicherte Luft, welche nach der Auftrennung des Gases Fa21 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten worden ist. Wie vorstehend beschrieben, entspricht der Öffnungsgrad des Sauerstoffdrosselventils 211a dem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad und der Öffnungsgrad des Luftdrosselventils 213a entspricht dem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad. Daher ist das jedem Zylinder 22 zugeführte Gas das Gas FN21 (stickstoffangereicherte Luft).
  • In 10 entspricht das Balkendiagramm ganz links der den Ladeluftkühler 46 passierenden Luft, das mittlere Balkendiagramm entspricht der Luft nach der Auftrennung der den Ladeluftkühler passierenden Luft in die sich zu dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 bewegende Luft und die sich zu dem Luftdrosselventil 213a bewegende Luft und das Balkendiagramm ganz rechts entspricht dem einem jeden der Zylinder 22 zugeführten Gas (der in den Ausgleichstank 42 strömenden Luft) und dem an die Atmosphäre abgegebenen Gas.
  • Im Gegensatz dazu zeigt 11 bei der ersten Gaszufuhrvorrichtung Beispiele der Strömungsraten und Zusammensetzungen von „einem Gas Fa31, einem Gas Fo31 und einem Gas FN31“, welche in 1 gezeigt sind und nachstehend beschrieben werden. (i) Das Gas Fa31 ist das den Ladeluftkühler 46 passierende Gas (die den Ladeluftkühler passierende Luft), (ii) Das Gas Fo31 ist sauerstoffangereicherte Luft, welche nach der Auftrennung des Gases Fa31 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten wird. (iii) Das Gas FN31 ist stickstoffangereicherte Luft, welche nach der Auftrennung des Gases Fa31 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erhalten wird und ist das einem jeden der Zylinder 22 zugeführte Gas.
  • In 11 entspricht das Balkendiagramm ganz links der den Ladeluftkühler passierenden Luft, das mittlere Balkendiagramm entspricht der Luft nach der Auftrennung der den Ladeluftkühler passierenden Luft durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 und das Balkendiagramm ganz rechts entspricht dem einem jeden der Zylinder 22 zugeführten Gas (der in den Ausgleichstank 42 strömenden Luft) und dem an die Atmosphäre abgegebenen Gas.
  • Wie sich aus einem Vergleich zwischen 10 und 11 ergibt, bestehen keine Unterschiede bei der Strömungsrate und der Zusammensetzung der Gase zwischen dem Bezugsbeispiel und der ersten Gaszufuhrvorrichtung, wenn eine Stickstoffanreicherungssteuerung ausgeführt wird.
  • Bei dem vorstehenden Bezugsbeispiel wird jedoch nur der Kompressor 45a des Turboladers 45 dazu verwendet, Ansaugluft aufzuladen (Druckbeaufschlagung zur Erzeugung des Membrandifferenzialdrucks der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b). Daher kann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 200 der Nicht-Aufladezustand ist, der Membrandifferenzialdruck, welcher für das Auftrennen des Gases Fa21 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 erforderlich ist, nicht erzeugt werden. Demgemäß kann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 20 der Nichtaufladezustand ist, die Atmosphäre nicht in stickstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Im Gegensatz dazu erzeugt bei der Durchführung der Stickstoffanreicherungssteuerung die erste Gaszufuhrvorrichtung den Membrandifferenzialdruck über die Sauerstoffanreicherungsmembran 48b, welcher dafür erforderlich ist, das Gas Fa31 durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 aufzutrennen, indem sie die Rotationspumpe 62 betätigt (rückwärts rotiert). Demgemäß kann sogar dann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 der Nichtaufladezustand ist, die Atmosphäre in stickstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Weiterhin stellt bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung die erste Gaszufuhrvorrichtung den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 auf den „ersten Öffnungsgrad des vollständigen Durchlasses“ ein und stellt den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 auf den „Drosselventilöffnungsgrad TAim, sodass der Druck P4 mit dem Sollansaugdruck Pim4 zusammenfällt“ ein. Demgemäß ist der Druck in dem Intramembranraum gleich wie der atmosphärische Druck oder höher als der atmosphärische Druck, wenn ein Aufladen ausgeführt wird. Infolgedessen kann der Membrandifferenzialdruck Pd sogar dann effizient erhöht werden, wenn der Druck in dem Extramembranraum (der Druck der Zusatzluft P5, nämlich der Sollpumpendruck Ppump) nicht sehr niedrig ist. Infolgedessen kann Luft von hoher Stickstoffkonzentration (stickstoffangereicherte Luft) in dem Intramembranraum mit einer hohen Energieeffizienz erzeugt werden, ohne dass die Rotationspumpe 62 viel Energie verbraucht.
  • Als Nächstes wird der konkrete Betrieb, welcher durch die erste Gaszufuhrvorrichtung ausgeführt wird, beschrieben. Die CPU der ECU 70 (im Folgenden einfach als „die CPU“ bezeichnet) führt zu vorbestimmten Zeitintervallen eine Routine bzw. einen Verfahrensfluss aus, welcher durch das Flussdiagramm von 12 wiedergegeben wird.
  • Die CPU startet das Verfahren in Schritt 1200 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, und führt daraufhin nacheinander die Verfahren der Schritte 1205 bis 1210 durch, welche nachstehend beschrieben werden, und rückt dann zu Schritt 1215 vor.
  • In Schritt 1205 erfasst die CPU eine Sauerstoffkonzentration (die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair) der Luft (Frischluft oder Atmosphäre), welche durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 76 erfasst worden ist.
  • In Schritt 1207 bestimmt die CPU die Sollsauerstoffkonzentration Otg aus dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10. Konkret gesagt stellt die CPU, wenn ein Kaltstart des Motors gerade beendet worden ist (wenn die Kühlflüssigkeitstemperatur THW niedriger als eine Flüssigkeitstemperatur THWth ist), in Hinblick auf ein frühzeitiges Aufwärmen eines Katalysators die Sollsauerstoffkonzentration Otg auf eine „Sauerstoffkonzentration (eine hohe Sauerstoffkonzentration) ausgewählt aus einem Bereich höher als 21 % und gleich oder niedriger als 26 %“ ein. Wenn der Motor aufgewärmt worden ist (wenn die Kühlflüssigkeitstemperatur THW gleich oder höher als die Flüssigkeitstemperatur THWth ist), stellt die CPU die Sollsauerstoffkonzentration Otg auf eine „Sauerstoffkonzentration (eine niedrige Sauerstoffkonzentration), ausgewählt aus einem Bereich gleich oder höher als 16 % und niedriger als 21 %“ ein, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Zunächst ist die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre 21 %.
  • In Schritt 1210 bestimmt die CPU den Sollansaugdruck Pim, indem die Motordrehzahl NE und die zylinderinterne angeforderte Ansaugluftströmungsrate in ein Kennfeld (bzw. eine Umsetzungstabelle) M1, welches durch einen Block B11 wiedergegeben wird, eingegeben werden. Dabei berechnet die CPU separat die zylinderintern angeforderte Ansaugströmungsrate durch das Anwenden der Motordrehzahl NE, welche von dem Motordrehzahlsensor 77 erfasst worden ist, und die Gaspedalbetätigungsmenge AP, welche von dem Gaspedalbetätigungsmengensensor 79 erfasst worden ist, auf ein (nicht gezeigtes) Kennfeld.
  • Wenn die CPU zu Schritt 1215 vorrückt, bestimmt die CPU, ob die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair und die Sollsauerstoffkonzentration Otg einander entsprechen.
  • Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair und die Sollsauerstoffkonzentration Otg einander gleich sind, bestimmt die CPU, dass das Ergebnis des Schritts 1215 „Ja“ ist, führt daraufhin die Verarbeitung der Schritte 1220 bis 1230 aus, welche nachstehend beschrieben werden, und rückt dann zu Schritt 1295 vor, um die vorliegende Routine vorübergehend zu beenden. Daraufhin wird die vorstehend genannte normale Steuerung ausgeführt.
  • In Schritt 1220 sendet die CPU ein Signal an den ersten Drosselventilaktuator 47b und stellt den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 auf den ersten vollständig geöffneten Öffnungsgrad ein. In Schritt 1225 stellt die CPU den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 auf den Drosselventilöffnungsgrad TAim ein, welcher dem Sollansaugdruck Pim, welcher in Schritt 1210 bestimmt worden ist, entspricht. Das heißt, die CPU sendet ein Signal an den zweiten Drosselventilaktuator 49b und steuert den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 derart, dass der Druck P4 der Ansaugluft, welcher durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75d erfasst worden ist, mit dem Sollansaugdruck Pim4 (= Pim) zusammenfällt. In Schritt 1230 stoppt die CPU die Rotationspumpe 62. Wenn die Rotationspumpe 62 zu diesem Zeitpunkt im Verfahrensfluss gestoppt wird, hält die CPU die Rotationspumpe 62 im gestoppten Zustand. Wenn die CPU eine normale Steuerung ausführt, ist der auf das Rückschlagventil 63 aufgebrachte Druck niedriger als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck, sodass das Rückschlagventil geschlossen ist.
  • Wenn sich andererseits die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair und die Sollsauerstoffkonzentration Otg voneinander unterscheiden, bestimmt die CPU, dass das Ergebnis dieses Schritts 1215 „Nein“ ist und rückt zu Schritt 1235 vor, um zu bestimmen, ob die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair niedriger als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist.
  • Wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair niedriger als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, bestimmt die CPU, dass das Ergebnis des Schritts 1235 „Ja“ ist, führt daraufhin nacheinander die Verfahren der Schritte 1240 bis 1255 aus, welche nachstehend beschrieben werden, und rückt dann zu Schritt 1295 vor, um vorübergehend den vorliegenden Verfahrensfluss zu unterbrechen. Daher wird die vorstehend beschriebene Sauerstoffanreicherungssteuerung ausgeführt.
  • In Schritt 1240 bestimmt die CPU den Sollmembrandifferenzialdruck Pd durch das Einlesen der Sollsauerstoffkonzentration Otg und der separat berechneten zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate in eine Umsetzungstabelle bzw. ein Kennfeld M2, welches durch einen Block B12 wiedergegeben wird. In Schritt 1245 betätigt die CPU die Rotationspumpe 62 (bzw. dreht diese vorwärts), sodass der Druck P4 für die durch die Rotationspumpe 62 aufgeladene Zusatzluft (der Druck, welcher durch den Zusatzkanaldrucksensor 75e erfasst worden ist) mit einem Druck (Pim + Pd) zusammenhält, welcher durch das Aufsummieren des Sollansaugdrucks Pim und des Sollmembrandifferenzialdrucks Pd erhalten worden ist. In Schritt 1250 sendet die CPU ein Signal an den zweiten Drosselventilaktuator 49b und stellt den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 auf den zweiten vollständig geöffneten Öffnungsgrad ein. In Schritt 1255 sendet die CPU ein Signal an den ersten Drosselventilaktuator 74b und stellt den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 auf den „Drosselventilöffnungsgrad TAim, welcher dem Sollansaugdruck Pim, welcher in Schritt 1210 erfasst worden ist, entspricht“ ein. Das heißt, die CPU steuert den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 derart, dass der Druck P2 der durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75b erfassten Ansaugluft mit dem Sollansaugdruck Pim2 (= Pim) zusammenfällt.
  • Wenn der Druck in dem Extramembranraum höher als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck des Rückschlagventils 63 ist, wenn die Sauerstoffanreicherungssteuerung ausgeführt wird, wird das Rückschlagventil 63 geöffnet. Wenn der Druck in dem Extramembranraum gleich oder niedriger als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck des Rückschlagventils 63 ist, ist das Rückschlagventil 63 geschlossen.
  • Wenn im Gegensatz dazu die erfasste Sauerstoffkonzentration Oair gleich oder höher als die Sollsauerstoffkonzentration Otg ist, bestimmt die CPU, dass das Ergebnis des Schritts 1235 „Nein“ ist, führt daraufhin die Verarbeitung der Schritte 1260 bis 1275 aus, welche später beschrieben werden, und rückt dann zu Schritt 1295 vor, um vorübergehend den vorliegenden Verfahrensfluss zu beenden. Daher wird die vorstehend beschriebene Stickstoffanreicherungssteuerung ausgeführt.
  • In Schritt 1260 bestimmt die CPU den Sollmembrandifferenzialdruck Pd durch das Anwenden der Sollsauerstoffkonzentration Otg und der separat berechneten zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate in die Umsetzungstabelle bzw. das Kennfeld M2, welches durch den Block B12 wiedergegeben ist.
  • In Schritt 1256 betätigt die CPU die Rotationspumpe 62 (dreht diese rückwärts), sodass der Druck P4 der durch die Rotationspumpe 62 druckentlasteten Luft mit einem Druck (P1 + Pd) zusammenfällt, welcher durch das Aufsummieren des Drucks P1 unmittelbar hinter dem Ladeluftkühler 46, welcher durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75a erhalten worden ist, und dem Sollmembrandifferenzialdruck Pd erhalten wird.
  • In Schritt 1270 sendet die CPU ein Signal an den ersten Drosselventilaktuator 47b und stellt den ersten Drosselventilöffnungsgrad TA1 auf den ersten vollständig geöffneten Öffnungsgrad ein. In Schritt 1275 sendet die CPU ein Signal an den zweiten Drosselventilaktuator 49b und stellt den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 auf den Drosselventilöffnungsgrad TAim ein, welcher dem Sollansaugdruck Pim, welcher in Schritt 1210 erfasst worden ist, entspricht. Das heißt, die CPU steuert den zweiten Drosselventilöffnungsgrad TA2 derart, dass der Druck P4 der Ansaugluft, welcher durch den Ansaugleitungsdrucksensor 75d erfasst worden ist, dem Sollansaugdruck Pim4 (= Pim) entspricht. Wenn die Stickstoffanreicherungssteuerung durchgeführt wird, ist der auf das Rückschlagventil 63 aufgebrachte Druck niedriger als der vorbestimmte Ventilöffnungsdruck, sodass das Rückschlagventil 63 geschlossen ist.
  • Gemäß der ersten Gaszufuhrvorrichtung kann der nachstehende Effekt erhalten werden. Das heißt, die erste Gaszufuhrvorrichtung erzeugt den Membrandifferenzialdruck der Sauerstoffanreicherungsmembran 48b, welcher dafür erforderlich ist, Gas durch das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 aufzutrennen, durch die Verwendung der Rotationspumpe 62 bei der Ausführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung oder der Stickstoffanreicherungssteuerung. Demgemäß kann sogar dann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 der Nichtaufladezustand ist, Luft in sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft reformiert werden.
  • Als Nächstes wird eine Gaszufuhrvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (im Folgenden auch manchmal als „zweite Gaszufuhrvorrichtung“ bezeichnet) beschrieben. Die zweite Gaszufuhrvorrichtung unterscheidet sich von der ersten Gaszufuhrvorrichtung nur in der folgenden Hinsicht.
  • Wie in 13 gezeigt, wird die zweite Gaszufuhrvorrichtung dadurch erhalten, dass die erste Gaszufuhrvorrichtung zusätzlich mit einer Normalluftansaugleitung 90, einem dritten Drosselventil 81a und einem dritten Drosselventilaktuator 81b ausgestattet wird, welche in der Normalluftansaugleitung 90 vorgesehen sind. Die Normalluftansaugleitung 90 bildet zwischen dem Ladeluftkühler 46 und einem Bereich stromabwärts des ersten Drosselventils 47a eine Luftpassage, welche Ansaugluft passiert, und ermöglicht eine Kommunikation zwischen einem Bereich stromabwärts des zweiten Drosselventils 49a und einem Bereich stromaufwärts des Ausgleichstanks 42.
  • Der dritte Drosselventilaktuator 81b weist einen dritten Drosselöffnungsgradsensor 81c zum Erfassen eines dritten Drosselventilöffnungsgrads auf. Der dritte Drosselöffnungsgradsensor 81c erfasst den dritten Drosselventilöffnungsgrad des dritten Drosselventils 81a und gibt an die ECU 70 ein Signal aus, welches einen dritten Drosselventilöffnungsgrad TA3 wiedergibt. Die Normalluftansaugpassage wird aus Gründen der Einfachheit auch als „fünfter Leitungsabschnitt“ beschrieben und ihre Luftpassage wird auch als „fünfte Luftpassage“ bezeichnet. Das dritte Drosselventil 81a wird aus Gründen der Einfachheit auch als „drittes Ventil“ beschrieben und der Drosselventilöffnungsgrad davon wird auch als „dritter Ventilöffnungsgrad“ bezeichnet.
  • Wenn eine Anforderung zum Zuführen von Normalluft an einen jeden der Zylinder 22 vorliegt (d. h., wenn eine normale Steuerung durchgeführt wird), stellt die zweite Gaszufuhrvorrichtung den Drosselventilöffnungsgrad des ersten Drosselventils 47a, des zweiten Drosselventils 49a und des dritten Drosselventils 81a, wie nachstehend beschrieben, ein. Somit führt die zweite Gaszufuhrvorrichtung die Ansaugluft, welche den Ladeluftkühler 46 passiert hat, einem jeden der Zylinder über die Normalluftansaugpassage 90 zu, ohne dass das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 dazwischengeschaltet ist.
  • Der erste Drosselventilöffnungsgrad TA1 des ersten Drosselventils 47a ist ein Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, wenn das erste Drosselventil 47a vollständig geschlossen ist. Der zweite Drosselventilöffnungsgrad TA2 des zweiten Drosselventils 49a ist ein Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, wenn das zweite Drosselventil 49a vollständig geschlossen ist. Der dritte Drosselventilöffnungsgrad TA des dritten Drosselventils 81a ist der Drosselventilöffnungsgrad TAim, welcher dem Sollansaugdruck Pim entspricht (d. h. der Drosselventilöffnungsgrad, welcher bewirkt, dass der Druck P4 mit dem Sollansaugdruck Pim4 (Pim) zusammenfällt).
  • Die zweite Gaszufuhrvorrichtung entspricht der ersten Gaszufuhrvorrichtung abgesehen davon, dass bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung und der Stickstoffanreicherungssteuerung der dritte Drosselventilöffnungsgrad des dritten Drosselventils 81a auf den Drosselventilöffnungsgrad zu dem Zeitpunkt eingestellt wird, wenn das dritte Drosselventil 81a vollständig geschlossen ist.
  • Wie die erste Gaszufuhrvorrichtung kann die zweite Gaszufuhrvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, Luft in sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft reformieren und kann sogar dann effizient Luft in sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft reformieren, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 der Nichtaufladezustand ist.
  • Bei der Durchführung der normalen Steuerung kann die zweite Gaszufuhrvorrichtung einem jeden der Zylinder 22 Ansaugluft zuführen, welchen den Ladeluftkühler 46 passiert hat, in ohne dass das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul 48 dazwischengeschaltet ist. Demgemäß kann die zweite Gaszufuhrvorrichtung das Auftreten eines Druckabfalls zu dem Zeitpunkt des Passierens des Sauerstoffanreicherungsmembranmoduls 48 bei der Ausführung der normalen Steuerung verhindern.
  • Als Nächstes wird eine Gaszufuhrvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (im Folgenden auch manchmal als „dritte Gaszufuhrvorrichtung“ bezeichnet) beschrieben. Die dritte Gaszufuhrvorrichtung unterscheidet sich von der ersten Gaszufuhrvorrichtung nur in der folgenden Hinsicht. Die Eigenschaften der dritten Gaszufuhrvorrichtung können auch auf die zweite Gaszufuhrvorrichtung angewandt werden. Wie in 14 gezeigt, wird die dritte Gaszufuhrvorrichtung erhalten, indem die erste Gaszufuhrvorrichtung zusätzlich mit einer Abgasrezirkulationsleitung (einer AGR-Leitung) 100, einem AGR-Ventil 101a, einem AGR-Ventilaktuator 101b und einem AGR-Kühler (einer AGR-Gaskühlvorrichtung) 102 ausgestattet wird.
  • Die Abgasrezirkulationsleitung 100 bildet eine AGR-Gaspassage, durch welche AGR-Gas strömt. Ein Ende der Abgasrezirkulationsleitung 100 kommuniziert mit der zweiten Luftpassage zwischen einem Bereich stromabwärts des zweiten Drosselventils 49a und einem Bereich stromaufwärts des Ausgleichstanks 42. Das andere Ende der Abgasrezirkulationsleitung 100 kommuniziert mit dem Abgaskrümmer 51 der Abgaspassage.
  • Der AGR-Ventilaktuator 101 b weist einen AGR-Ventilöffnungsgradsensor 101 c auf. Der AGR-Ventilöffnungsgradsensor 101c ist mit der ECU 70 verbunden, erfasst einen AGR-Ventilöffnungsgrad des AGR-Ventils 101a und gibt ein Signal aus, welches einen AGR-Ventilöffnungsgrad TAagr wiedergibt. Das AGR-Ventil 101a ist in der Abgasrezirkulationsleitung 100 angeordnet. Das AGR-Ventil 101a passt die Menge des AGR-Gases, welches durch die Abgasrezirkulationsleitung 100 strömt, in Erwiderung auf einen Befehl der ECU 70 an.
  • Der AGR-Kühler 102 ist in der Abgasrezirkulationsleitung 100 in einer Position stromaufwärts des AGR-Ventils 101a in einer Strömungsrichtung des AGR-Gases angeordnet. Der AGR-Kühler 102 verringert die Temperatur des AGR-Gases. Das AGR-Ventil 101a passt die Menge des AGR-Gases an, welches die AGR-Gaspassage passiert, indem es den Öffnungsquerschnitt der AGR-Gaspassage verändert. Der AGR-Ventilaktuator 91b verändert den AGR-Ventilöffnungsgrad TAagr eines AGR-Ventils 101a in Übereinstimmung mit dem Befehl der ECU 70. Die dritte Gaszufuhrvorrichtung öffnet bei der Durchführung der Stickstoffanreicherungssteuerung und der Sauerstoffanreicherungssteuerung das AGR-Ventil 101a und führt der Ansaugleitung 43 AGR-Gas zu.
  • Wie die erste Gaszufuhrvorrichtung kann die dritte Gaszufuhrvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, Ansaugluft in sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft reformieren und sogar dann effizient Ansaugluft in sauerstoffangereicherte Luft oder stickstoffangereicherte Luft reformieren, wenn sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 in einem Nicht-Aufladebereich befindet.
  • Darüber hinaus kann die dritte Gaszufuhrvorrichtung bei der Ausführung der Stickstoffanreicherungssteuerung AGR-Gas jedem der Zylinder 22 (jeder der Brennkammern) zuführen. Demgemäß kann die dritte Gaszufuhrvorrichtung die Sauerstoffkonzentration in dem einem jeden der Zylinder während der Stickstoffanreicherungssteuerung zugeführten Gas weiter verringern. Infolgedessen kann die dritte Gaszufuhrvorrichtung die Kraftstoffeffizienz verbessern und die NOx-Menge reduzieren. Darüber hinaus kann die dritte Gaszufuhrvorrichtung auch bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung einer jeden der Brennkammern der Zylinder 22 AGR-Gas zuführen. In diesem Fall wird der Stickstoff, welcher in dem einem jeden der Zylinder 22 zugeführten Gas enthalten ist, durch AGR-Gas ersetzt. Infolgedessen nimmt die spezifische Wärme (Kapazität) der Ansaugluft zu und die Temperatur der Verbrennung kann verringert werden, sodass die NOx-Menge verringert werden kann.
  • Obwohl vorstehend die jeweiligen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen, sondern kann auf verschiedene Varianten und Arten auf der Grundlage der technischen Lehre abgewandelt werden.
  • Beispielsweise kann eine jede der ersten bis dritten Gaszufuhrvorrichtung eine Membranpumpe oder eine Kolbenpumpe anstatt der Rotationspumpe 62 verwenden. Eine jede der ersten bis dritten Gaszufuhrvorrichtungen kann ein Drosselventil anstatt des Rückschlagventils verwenden und den Drosselventilöffnungsgrad des Drosselventils derart steuern, dass das Drosselventil denselben Betrieb wie das Rückschlagventil ausführt.
  • Wenn beispielsweise eine Veränderung zwischen der Druckbeaufschlagung und der Druckentlastung nicht durch ein Vorwärts- oder Rückwärtsrotieren der Rotationspumpe ausgeführt werden kann, kann eine jede der ersten bis dritten Gaszufuhrvorrichtungen eine Leitungsverbindung und die darin installierten Ventile verändern oder zwei oder mehr darin installierte Rotationspumpen aufweisen.
  • Beispielsweise ist bei einer jeden der ersten bis dritten Gaszufuhrvorrichtungen nicht zwingend erforderlich, dass das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul eine hohlfaserartige Sauerstoffanreicherungsmembran verwendet, solange Luft in sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft aufgetrennt werden kann. Das heißt, verschiedene Sauerstoffanreicherungsmembranmodule können verwendet werden. Beispielsweise kann das Sauerstoffanreicherungsmembranmodul, welches bei einer jeden der ersten bis dritten Gaszufuhrvorrichtungen verwendet wird, eine Modulstruktur, wie zum Beispiel eine Struktur mit einem Schichtaufbau flacher Membranen, eine bienenwabenartige Monolithstruktur oder Ähnliches aufweisen.
  • Zusammenfassend ist eine Gaszufuhrvorrichtung mit einem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul (48), einem Pumpenabschnitt (62) und einer elektronischen Steuerungseinheit (70) ausgestattet. Die elektronische Steuerungseinheit (70) führt eine Sauerstoffanreicherungssteuerung für das Vereinigen der von einem Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran einem ersten Raum (48b) zugeführten Luft, welche eine höhere Sauerstoffkonzentration als Atmosphäre aufweist, mit der Atmosphäre, welche in den ersten Raum geströmt ist, durch und führt durch ein Antreiben des Pumpenabschnitts (62) die vereinigte Luft und Atmosphäre einer Brennkammer des Zylinders (22) zu und führt eine Stickstoffanreicherungssteuerung für das Abgeben der Luft aus, welche eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphäre hat, von dem ersten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) an den zweiten Raum, wobei Luft von einer höheren Stickstoffkonzentration als die Atmosphäre in dem ersten Raum erzeugt wird, und führt daraufhin durch das Antreiben des Pumpenabschnitts (62) die Luft von höherer Stickstoffkonzentration der Brennkammer zu.

Claims (9)

  1. Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit: einem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul (48), welches ein Gehäuse (48a) und eine Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) aufweist, wobei ein Raum in dem Gehäuse (48a) durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) in einen ersten Raum und einen zweiten Raum aufgeteilt wird; einem ersten Leitungsabschnitt (43a), welcher eine erste Luftpassage bildet, welche ein Ende aufweist, bei dem eine Atmosphäre in das eine Ende einströmen kann, und ein anderes Ende aufweist, welches mit dem ersten Raum kommuniziert; einem zweiten Leitungsabschnitt (43b), welcher eine zweite Luftpassage bildet, deren eines Ende mit dem ersten Raum kommuniziert und deren anderes Ende mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors (10) kommuniziert; einem Pumpenabschnitt (62), welcher dazu ausgelegt ist, einen Druck in dem zweiten Raum durch das Zuführen einer Überdruckatmosphäre an den zweiten Raum zu erhöhen, und dazu ausgelegt ist, den Druck in dem zweiten Raum durch das Abgeben von Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) zu verringern; und einer elektronischen Steuerungseinheit (70), welche dazu ausgelegt ist: (i) einen Antriebszustand des Pumpenabschnitts (62) zu steuern, (ii) von dem zweiten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) dem ersten Raum Luft zuzuführen, indem dem zweiten Raum die Hochdruckatmosphäre zugeführt wird, indem der Pumpenabschnitt (62) derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum zunimmt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, (iii) eine Sauerstoffanreicherungssteuerung durchzuführen, um die dem ersten Raum zugeführten Luft mit der Atmosphäre zu vereinigen, welche durch die erste Luftpassage in den ersten Raum geströmt ist, und die vereinigte Luft und Atmosphäre durch die zweite Luftpassage der Brennkammer zuzuführen, wobei die Sauerstoffkonzentration der Luft höher als die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und (iv) eine Stickstoffanreicherungssteuerung durchzuführen, um Luft von dem ersten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) an den zweiten Raum abzugeben, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, um in dem ersten Raum Luft zu erzeugen, wobei eine Stickstoffkonzentration der Luft höher als eine Stickstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und um die Luft mit der höheren Stickstoffkonzentration durch die zweite Luftpassage der Brennkammer zuzuführen, indem die Luft in dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) aus dem zweiten Raum abgegeben wird, indem der Pumpenabschnitt (62) derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum abfällt.
  2. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuse (48a) ein erstes Kommunikationsloch und ein zweites Kommunikationsloch aufweist, wobei das erste Kommunikationsloch den ersten Raum mit dem anderen Ende der ersten Luftpassage verbindet und das zweite Kommunikationsloch den ersten Raum mit dem einen Ende der zweiten Luftpassage verbindet, und das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch in einander entgegengesetzten Positionen angeordnet sind, der erste Leitungsabschnitt (43a) mit dem Gehäuse (48a) derart verbunden ist, dass das andere Ende der ersten Luftpassage mit dem ersten Kommunikationsloch kommuniziert, und der zweite Leitungsabschnitt (43b) mit dem Gehäuse (48a) derart verbunden ist, dass das eine Ende der zweiten Luftpassage mit dem zweiten Kommunikationsloch kommuniziert.
  3. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 2, ferner mit einem Rückschlagventil (63), welches dazu ausgelegt ist, die Luft in dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) abzugeben, indem es sich öffnet, wenn der Druck in dem zweiten Raum gleich oder höher als ein vorbestimmter Ventilöffnungsdruck ist.
  4. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 3, ferner mit: einem dritten Leitungsabschnitt (61a), welcher eine dritte Luftpassage bildet, wobei das eine Ende der dritten Luftpassage mit dem Pumpenabschnitt (62) verbunden ist; und einem vierten Leitungsabschnitt (61b), welcher eine vierte Luftpassage bildet, welche durch das Rückschlagventil (63) geöffnet und geschlossen wird, wobei das Gehäuse (48a) mit einem dritten Kommunikationsloch, welches eine Kommunikation zwischen dem zweiten Raum und der dritten Luftpassage bereitstellt, und einem vierten Kommunikationsloch ausgestattet ist, welches eine Kommunikation zwischen dem zweiten Raum und der vierten Luftpassage bereitstellt, wobei das dritte Kommunikationsloch und das vierte Kommunikationsloch an einander entgegengesetzten Positionen angeordnet sind, der dritte Leitungsabschnitt (61a) derart mit dem Gehäuse (48a) verbunden ist, dass das andere Ende der dritten Luftpassage mit dem dritten Kommunikationsloch kommuniziert, und der vierte Leitungsabschnitt (61b) derart mit dem Gehäuse (48a) verbunden ist, dass die vierte Luftpassage mit dem vierten Kommunikationsloch kommuniziert.
  5. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 4, wobei die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) die Form eines hohlen Rohrs hat, wobei beide Endoberflächen des hohlen Rohrs offen sind, und derart angeordnet ist, dass sie das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch miteinander verbindet, ein Raum innerhalb der Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) den ersten Raum bildet, ein anderer Raum als der erste Raum in dem Gehäuse (48a) den zweiten Raum bildet, und das Gehäuse (48a) mit dem ersten Kommunikationsloch, dem zweiten Kommunikationsloch, dem dritten Kommunikationsloch und dem vierten Kommunikationsloch derart ausgestattet ist, dass eine Richtung, in der das dritte Kommunikationsloch und das vierte Kommunikationsloch miteinander verbunden sind, parallel zu einer Oberfläche verläuft, welche rechtwinklig zu einer Richtung verläuft, in der das erste Kommunikationsloch und das zweite Kommunikationsloch miteinander verbunden sind.
  6. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit: einem Kompressor (45a) eines Aufladers (45) des Verbrennungsmotors (10), welcher in dem ersten Leitungsabschnitt (43a) angeordnet ist; einem ersten Drosselventil (47a), welches in dem ersten Leitungsabschnitt (43a) zwischen dem Kompressor (45a) und dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul (48) angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Passagenquerschnittsfläche der ersten Luftpassage durch Verändern des Öffnungsgrads des ersten Drosselventils (47a) zu verändern; und einem zweiten Drosselventil (49a), welches in dem zweiten Leitungsabschnitt (43b) zwischen dem Sauerstoffanreicherungsmembranmodul (48) und der Brennkammer des Verbrennungsmotors (10) angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Passagenquerschnittsfläche der zweiten Luftpassage durch Verändern des Öffnungsgrads des zweiten Drosselventils (49a) zu verändern, wobei die elektronische Steuerungseinheit (70) dazu ausgelegt ist, bei der Durchführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung (i) den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils (47a) in Übereinstimmung mit einer zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate als eine Strömungsrate der angeforderten Luft der Brennkammer des Verbrennungsmotors (10) zu verändern, und (ii) den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils (49a) auf einen Öffnungsgrad zu einem Zeitpunkt, wenn das zweite Drosselventil (49a) vollständig geöffnet ist, einzustellen, und die elektronische Steuerungseinheit (70) dazu ausgelegt ist, bei der Durchführung der Stickstoffanreicherungssteuerung (i) den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils (47a) auf einen Öffnungsgrad zu einem Zeitpunkt, wenn das erste Drosselventil (47a) vollständig geöffnet ist, einzustellen, und (ii) den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils (49a) in Übereinstimmung mit der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate zu verändern.
  7. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 6, wobei die elektronische Steuerungseinheit (70) dazu ausgelegt ist: (i) den Antrieb des Pumpenabschnitts (62) zu stoppen, (ii) den Öffnungsgrad des ersten Drosselventils (47a) auf den Öffnungsgrad zu dem Zeitpunkt, wenn das erste Drosselventil (47a) vollständig geöffnet ist, einzustellen, (iii) den Öffnungsgrad des zweiten Drosselventils (49a) in Übereinstimmung mit der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate zu verändern, und (iv) eine normale Steuerung zur Zufuhr der von der ersten Luftpassage in den ersten Raum einströmenden Luft durch die zweite Luftpassage an die Brennkammer durchzuführen, ohne die Luft zu reformieren.
  8. Gaszufuhrvorrichtung für den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 7, ferner mit: einem fünften Leitungsabschnitt (90), welcher eine fünfte Luftpassage bildet, deren eines Ende mit einem Abschnitt zwischen dem Kompressor (45a) in der ersten Luftpassage und dem ersten Drosselventil (47a) kommuniziert und deren anderes Ende mit einem Abschnitt zwischen dem zweiten Drosselventil (49a) in der zweiten Luftpassage und der Brennkammer kommuniziert; und einem dritten Drosselventil (81a), welches in dem fünften Leitungsabschnitt (90) angeordnet ist und welches eine Passagenquerschnittsfläche der fünften Luftpassage durch eine Veränderung des Öffnungsgrads des dritten Drosselventils (81a) verändert, wobei die elektronische Steuerungseinheit (70) dazu ausgelegt ist, bei der Ausführung der Sauerstoffanreicherungssteuerung oder der Stickstoffanreicherungssteuerung den Öffnungsgrad des dritten Drosselventils (81a) auf einen Öffnungsgrad zu einem Zeitpunkt, wenn das dritte Drosselventil (81a) vollständig geschlossen ist, einzustellen, und die elektronische Steuerungseinheit (70) dazu ausgelegt ist, bei der Ausführungsform der normalen Steuerung den Öffnungsgrad des dritten Drosselventils (81a) in Übereinstimmung mit der zylinderintern angeforderten Ansaugluftströmungsrate zu verändern.
  9. Steuerungsverfahren für eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei die Gaszufuhrvorrichtung aufweist: ein Sauerstoffanreicherungsmembranmodul (48), welches ein Gehäuse (48a) und eine Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) aufweist, wobei ein Raum in dem Gehäuse (48a) durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) in einen ersten Raum und einen zweiten Raum aufgeteilt wird, einen ersten Leitungsabschnitt, welcher eine erste Luftpassage bildet, durch deren eines Ende Atmosphäre einströmen kann und deren anderes Ende mit dem ersten Raum kommuniziert, einen zweiten Leitungsabschnitt, welcher eine zweite Luftpassage bildet, deren eines Ende mit dem ersten Raum kommuniziert und deren anderes Ende mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors (10) kommuniziert, und einen Pumpenabschnitt (62), welcher dazu ausgelegt ist, einen Druck in dem zweiten Raum durch das Zuführen einer Überdruckatmosphäre an den zweiten Raum zu erhöhen, und welcher dazu ausgelegt ist, den Druck in dem zweiten Raum durch das Abgeben von Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) zu verringern, wobei das Steuerungsverfahren umfasst: (i) Steuern eines Antriebszustands des Pumpenabschnitts (62); (ii) Zuführen von Luft von dem zweiten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) zum ersten Raum, indem durch das Antreiben des Pumpenabschnitts (62) dem zweiten Raum eine Überdruckatmosphäre zugeführt wird, sodass der Druck in dem zweiten Raum zunimmt, wobei eine Sauerstoffkonzentration der Luft höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist; (iii) Durchführen einer Sauerstoffanreicherungssteuerung, welche die dem ersten Raum zugeführte Luft mit der Atmosphäre vereinigt, welche durch die erste Luftpassage in den ersten Raum geströmt ist, und die vereinigte Luft und Atmosphäre durch die zweite Luftpassage der Brennkammer zuführt, wobei die Sauerstoffkonzentration der Luft höher als die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist; und (iv) Durchführen einer Stickstoffanreicherungssteuerung, welche Luft von dem ersten Raum durch die Sauerstoffanreicherungsmembran (48b) dem zweiten Raum zuführt, wobei eine Sauerstoffkonzentration höher als eine Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ist, welche in dem ersten Raum Luft erzeugt, wobei eine Stickstoffkonzentration der Luft höher als eine Stickstoffkonzentration der Atmosphäre ist, und welche die Luft mit der höheren Stickstoffkonzentration durch die zweite Luftpassage der Brennkammer zuführt, indem die Luft in dem zweiten Raum aus dem zweiten Raum nach außen aus dem Gehäuse (48a) abgegeben wird, indem der Pumpenabschnitt (62) derart angetrieben wird, dass der Druck in dem zweiten Raum abfällt.
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