JP2002155770A - 酸素富化空気を用いる内燃機関、およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 NOx生成量を低く抑えながら燃料消費率の大
きな不利を招かない内燃機関を提供する。 【解決手段】 内燃機関本体１と、吸気ガスを内燃機関
本体１に導く吸気系２と、内燃機関本体１からの排気ガ
スを排出する排気系３と、排気系３から排出された排気
ガスを吸気系２に還流させる排気ガス還流路１３と、還
流される排気ガスの流量を調節する排気ガス還流路に設
けられた排気ガス再循環量調節弁１５と、空気中の酸素
濃度を高めて原料酸素富化空気とする酸素富化装置５
と、この原料酸素富化空気を吸気系に導く原料酸素富化
空気供給通路５ａと、この原料酸素富化空気供給通路５
ａに設けられた原料酸素富化空気供給量調節弁６と、酸
素富化されていない通常の空気と原料酸素富化空気とが
混合されて生成される酸素富化空気中の酸素濃度を検知
する酸素センサ８と、この酸素センサ８によって検知さ
れた酸素濃度に基づいて原料酸素富化空気供給量調節弁
６の開度を調節する制御装置１１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスの一部を
吸気系にもどす排気ガス還流路を備え、吸気系に酸素富
化空気を供給する酸素富化装置をも備えた、自動車用エ
ンジンなどの内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】火花点火機関や圧縮点火機関などの内燃
機関では、エネルギー資源の有効利用や大気環境の保護
の立場から、熱効率の向上と排気ガスの清浄化がともに
求められている。この課題にこたえる技術として、希薄
燃焼および排気ガス再循環（以下、ときにEGRと略記す
る）が用いられてきた。燃料−空気の均一予混合混合気
を燃焼させるガソリンエンジンでは、燃焼によって生成
する窒素酸化物（以下、NOxと略記する）の量は、空燃
比１６付近で最大になり、それよりも空燃比を大きくし
ていくと減少しつづける（図３）。空燃比２０付近を越
えるとNOx生成量は許容できるほど小さくなる（これをN
Ox許容限界ということにする）。一方、燃料消費率も燃
料濃度の希薄化により改善される。しかしながら、空燃
比を大きくしすぎると燃焼が不安定になり、部分燃焼や
失火のため、排気ガス中の炭化水素濃度の増加や燃料消
費率の悪化を招く。このような燃焼のサイクル変動は、
特別に希薄燃焼用に設計されたエンジンでも、空燃比が
２５を越える付近から許容できないほど大きくなる（こ
れを希薄燃焼限界ということにする）。したがって、効
果的に希薄燃焼を適用できるのは、これら二つの限界に
はさまれた空燃比の範囲に限られており、通常、エンジ
ンなどのばらつきや気象条件などの変動を考慮して、空
燃比は２２〜２３に設定されている。NOx許容限界とい
ったが、これは概念的なものであって、定まったある値
に固定されているものではない。エンジン内でのNOx生
成量の許容値は、触媒などによる排気ガスの後処理が可
能かどうかで大きく変化するし、最終的なNOx排出量の
許容値も、時代や地域など内燃機関が置かれた社会的環
境によって変化するからである。しかし、近年、内燃機
関に対する排ガス規制は強化される傾向にあり、希薄燃
焼の適用領域をより大きな空燃比の領域へ拡大していく
ことが希薄燃焼システムの一つの課題になっている。

【０００３】NOx生成量は、燃焼温度が高くなるほど大
きくなる。燃料濃度の希薄化によるNOx生成量の減少は
燃焼温度の低下の結果である。そこで、上記の空燃比−
NOx生成量の関係を、排気ガス再循環を行った場合とも
比較できる燃焼温度−NOx生成量の関係に変換するため
に、空燃比を２５．０，２２．５，２０．０、および、
理論空燃比燃焼の１４．７５とした場合について、燃焼
温度と熱発生率の計算を行った。結果は比較例１〜４と
して表１および図４に示す。計算では、燃料分子の分子
式はC8H16であり、その燃焼反応は C8H16+12O2 →8CO2+8H2O+Q kJ …（１） Q=4904 kJ/mol であるとした。燃料分子はすみやかに完全燃焼するの
で、発熱は一定容積下で起こり、熱損失は無視できると
した。このように仮定すると、燃焼による温度上昇度
を、発生した熱量と燃焼ガスの組成と各成分気体の定容
モル比熱に基づいて計算できる。（本明細書では、燃焼
後のガスについて、エンジンの作動気体としてこれから
働こうとしている高温状態のガスを燃焼ガスと呼び、一
方、作動気体としては働き終わった、比較的低温のガス
を排気ガスと呼んで区別することにする。両者の組成は
同じである。）燃焼温度は、温度上昇度を予熱温度に加
えたものになる。予混合混合気は、エンジンの圧縮行程
での加熱により６５０Kに予熱されているものとした。
（ここで求めた燃焼温度は断熱最高温度である。エンジ
ン内の燃焼では、上記の仮定は完全には成り立たないの
で、実際に達成される温度上昇度は計算値よりも小さく
なり、しかも、燃焼温度は一定ではない。しかし、実際
の燃焼温度と計算値とのずれは、ここで取り上げる各燃
焼例でそんなに大きく変化することはないと予想でき
る。そこで、各燃焼例におけるNOx生成量を、燃焼温度
に基づいて半定量的に推定して比較しようという目的に
は、上記の計算値で十分と考えられる。）表１の比較例
２の結果から、計算による温度上昇度が１８４０K付近
になるような燃焼であれば、空燃比２２〜２３の希薄燃
焼の場合と同程度のNOx生成量に抑え得ることがわか
る。熱発生率は、次の（２）式で定義し、（３）式で計
算した。 熱発生率＝（実際に発生した熱量）／（エンジンの最大熱発生量）…（２） 熱発生率＝（燃焼に使われた空気量）／（全空気量） ＝理論空燃比／空燃比＝１４．７５／空燃比 …（３） 熱発生率は、エンジンの最大熱発生量（つまり、エンジ
ン容積分の空気を吸入し、その空気を全部使って理論空
燃比燃焼したときに発生する熱量）を１とし、それに対
する比として表した熱発生量である。希薄燃焼の場合
は、吸入した空気の一部は燃焼に使われないので、
（３）式が成り立つ。比較例１〜４を図示した図４を見
ると、温度上昇度は熱発生率の増加にほぼ比例して増加
し、発生する熱量が理論空燃比燃焼の０．７４倍を越え
るあたりからNOx生成量が許容できないほど大きくなる
ことがわかる。

【０００４】

【表１】 表１には、参考までに、オットーサイクルの熱効率を与
える式 ｋ＝１−（Ｖ2／Ｖ1）^ｒ−１ … （４） を用いて求めた熱効率kの値も示した。圧縮比V1／V2は
１０で一定とし、比熱比ｒには膨張行程の温度範囲にお
ける平均値を用いた。熱効率ｋは、空燃比２０〜２５の
希薄燃焼では、比熱比ｒの増加により、理論空燃比燃焼
に比べて２．３％〜３．９％増加する。実際の希薄燃焼
エンジンの燃料消費率はそれ以上に改善されることが知
られていて、それには、（４）式では考慮されていな
い、燃焼温度の低下による冷却損失の低減や、ポンプ損
失の低減も寄与している。

【０００５】次に、現在、自動車用ガソリンエンジンと
して最も多く使われている、理論混合比の燃料−空気均
一予混合混合気を燃焼させ、排気ガスの一部を再循環さ
せるエンジンの場合を考えてみる。このとき、再循環さ
れる排気ガスの分だけエンジンに吸入される空気量は減
少するので、理論混合比燃焼を行っても発生する熱量は
小さくなり、温度上昇度は小さくなる。つまり、再循環
された排気ガスが、希薄燃焼における過剰の空気と同じ
役割を果たし、燃料濃度を減少させ、燃焼で発生した熱
を「希釈」する。燃焼温度の低下によって、NOx生成量
が低減され燃料消費率が改善される仕組みも、希薄燃焼
の場合と同じである。本明細書では、再循環される排気
ガスの、新しく吸入される空気に対する体積比を再循環
率と定義することにする。再循環率が０．３１の場合
（つまり、空気の体積の３１％の体積の排気ガスを再循
環した場合）につき、比較例１〜４と同様の計算を行っ
た。結果は比較例５として表１と表２に示す。熱発生率
の定義および意味するところは希薄燃焼の場合と同じで
あるが、ここでは、エンジンに吸入される気体には空気
のほかに排気ガスが含まれ、一方、空気中の酸素は全量
が燃焼に使われるので、熱発生率は次の（５）式で計算
した。 熱発生率＝（吸入空気量）／｛（吸入空気量）+（排気ガスの再循環量）｝ ＝１／（１＋再循環率） …（５） 表１の比較例３と比較例５を比べると、空燃比２０．０
の希薄燃焼と再循環率０．３１の理論空燃比燃焼が、ほ
ぼ同じ熱発生率（それぞれ、０．７３８と０．７６５）
で、同じ温度上昇度を与えることがわかる。これは、空
気であっても排気ガスであっても燃焼熱を「希釈」する
働きに大差がないことを意味している。その原因は、通
常の空気の場合、大部分を窒素が占めていることにあ
る。そのため、含有率の小さい酸素が全て二酸化炭素や
水に変化しても、表１の燃焼ガス（排気ガス）の組成の
項に示したように、燃焼ガス全体で見ると組成の変化は
小さく、比熱の変化も小さい。

【０００６】

【表２】 一方、表２の比較例５の吸気ガスの組成の項に示したよ
うに、吸気ガスにおける酸素濃度は排気ガス再循環で減
少する（本明細書では、エンジンに吸入される直前の気
体、または、すでに吸入され燃焼室を満たしている気体
について、まだ燃料分子を含まない場合は吸気ガスと呼
び、すでに燃料が混合され燃料分子も含めた全体を言う
場合は予混合混合気と呼んで区別することにする）。こ
れは、NOx生成量が抑制される付加的要因にもなるが、
燃焼速度が減少する原因となる。その結果、再循環率が
０．３付近を越えると燃焼のサイクル変動が許容できな
いほど大きくなってしまう。したがって、空燃比が２０
を越える希薄燃焼と同等のNOx低減効果を、排気ガス再
循環で達成することはむつかしい。この燃焼方式の利点
は、三元触媒による排気ガスの後処理によって、比較的
容易にNOx排出量を低減できる点にある。しかし、NOx排
出量の低減を触媒法に大きく依存するため、長期使用に
よる触媒性能の劣化や、低温始動時など触媒が活性化し
ていない時にNOx排出量が多くなるなどの問題点があ
る。

【０００７】最後に、デイーゼルエンジンや筒内噴射式
ガソリンエンジンでの燃焼を考えてみる。これらのエン
ジンでは、燃焼室全体の空燃比でみた場合、２５を大き
く上回る空燃比での希薄燃焼が実現されている。しか
し、同じ空燃比で比べた場合、均一混合気を燃焼させる
ガソリンエンジンよりも多くのNOxを生成する。それ
は、燃焼室内の燃料の濃度が不均一な状態で燃焼が進行
するので、燃料濃度の大きい領域が局所的に高温にな
り、多量のNOxを生成するためである。燃料濃度の大き
い領域の生成は、これらの燃焼方式にとって本質的で不
可欠なことであるので、排気ガス再循環によって燃料濃
度の大きい領域を解消することはできない。排気ガス再
循環によって酸素濃度を下げることはできるが、これに
よって局所的に起こる過剰な燃焼を制限しようとする
と、酸素不足・燃料過多の領域を生じ、粒子状物質など
の不完全燃焼生成物が生成しやすくなる。局所的な高温
を抑制する、よりクリーンなNOx抑制技術が望まれてい
る。

【０００８】以上、内燃機関で採用されている主な三つ
の燃焼方式が、通常の空気による燃焼では超えることの
できない、それぞれの限界に達しているのは明らかであ
る。この課題に対処するために、空気中の酸素濃度を増
大させる酸素富化装置を吸気系に備えた内燃機関がすで
に知られていて、実開昭６４−４１６４１号公報には排
気ガス再循環によるNOx生成抑制法と組み合わせたエン
ジンが示されている。しかしながら、この公報に開示さ
れた方法では、十分な量の酸素富化空気を十分な濃度で
供給できず、広い範囲にわたって酸素濃度を適切な値に
調節することはできない。また、酸素富化空気による燃
焼を排気ガス再循環と組み合わせた場合、なぜNOx生成
量を減少させることができるのか、という理論的解析も
不十分である。その結果、この方法の持っている可能性
のごく一部の応用しか示されていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、NOx生成量を低く抑えながら
燃料消費率の大きな不利を招かない内燃機関を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関は、内
燃機関本体（１）と、酸素源となる吸気ガスを内燃機関
本体に導く吸気系（２）と、内燃機関本体からの排気ガ
スを排出する排気系（３）と、排気系から排出された排
気ガスを吸気系に還流させる排気ガス還流路（１３）
と、還流される排気ガスの流量を調節する排気ガス還流
路に設けられた排気ガス再循環量調節弁（１５）と、空
気の酸素濃度を高めて原料酸素富化空気とする酸素富化
装置（５）と、この原料酸素富化空気を吸気系に導く原
料酸素富化空気供給通路（５ａ）と、この原料酸素富化
空気供給通路に設けられた原料酸素富化空気供給量調節
弁（６）と、酸素富化されていない通常の空気と原料酸
素富化空気とが混合されて生成される酸素富化空気中の
酸素濃度を検知する酸素センサ（８）と、この酸素セン
サによって検知された酸素濃度に基づいて原料酸素富化
空気供給量調節弁の開度を調節する制御装置（１１）と
を備えていることを特徴とする。（本明細書では、酸素
富化装置でつくられたままの酸素富化空気を原料酸素富
化空気と呼び、一方、これと酸素富化されていない通常
の空気との混合によって所定の酸素濃度に調製された酸
素富化空気を単に酸素富化空気と呼んで区別することに
する）。本発明では、前記酸素富化空気と還流された排
気ガスとが混合されて生成される吸気ガス中の酸素濃度
を検知する第二の酸素センサ（１０）が設けられ、前記
制御装置は、前記第二の酸素センサによって検知された
酸素濃度に基づいて排気ガス再循環量調節弁の開度を調
節することができるような構成を採用することもでき
る。また、本発明の内燃機関は、内燃機関本体（１）
と、酸素源となる吸気ガスを内燃機関本体に導く吸気系
（２）と、内燃機関本体からの排気ガスを排出する排気
系（３）と、排気系から排出された排気ガスを吸気系に
還流させる排気ガス還流路（１３）と、還流される排気
ガスの流量を調節する排気ガス還流路に設けられた排気
ガス再循環量調節弁（１５）と、空気の酸素濃度を高め
て原料酸素富化空気とする酸素富化装置（５）と、この
原料酸素富化空気を吸気系に導く原料酸素富化空気供給
通路（５ａ）と、この原料酸素富化空気供給通路に設け
られた原料酸素富化空気供給量調節弁（６）と、前記酸
素富化装置で生成した前記原料酸素富化空気中の酸素濃
度を検知する酸素センサ（５０）と、前記原料酸素富化
空気供給通路内を流れる前記原料酸素富化空気の流量を
検知する第一流量計（５１）と、酸素富化されていない
通常の空気を吸気系に導く通常空気供給通路（４）と、
前記通常空気供給通路内を流れる前記通常の空気の流量
を検知する第二流量計（５２）と、前記通常の空気と前
記原料酸素富化空気とが混合されて生成される酸素富化
空気中の酸素濃度が目標NOx低減率から逆算される濃度
になるように、前記酸素センサによって検知された前記
原料酸素富化空気中の酸素濃度に基づいて混合比を計算
するとともに、前記第一流量計によって検知された前記
原料酸素富化空気の流量と前記第二流量計によって検知
された前記通常の空気の流量とに基づいて、前記混合比
が達成されるように前記原料酸素富化空気供給量調節弁
の開度を調節する制御装置（１１）とを備えていること
を特徴とする。本発明の内燃機関の運転方法は、上記内
燃機関を運転する方法であって、前記酸素センサによっ
て検知された前記酸素富化空気中の酸素濃度に基づい
て、前記酸素富化空気中の酸素濃度が目標NOx低減率か
ら逆算される濃度になるように前記原料酸素富化空気供
給量調節弁の開度を調節し、前記吸気ガス中の酸素濃度
が、前記内燃機関本体の燃焼室内で燃料が完全燃焼でき
る下限値になるように、前記排気ガス再循環量調節弁の
開度を調節することを特徴とする。また、前記内焼機関
には、前記吸気ガス中の酸素濃度を検知する第二の酸素
センサ（１０）が設けられ、前記第二の酸素センサによ
って検知された前記吸気ガス中の酸素濃度に基づいて、
前記吸気ガス中の酸素濃度が、前記内燃機関本体の燃焼
室内で燃料が完全燃焼できる、予め算出しておいた下限
値になるように、前記排気ガス再循環量調節弁の開度を
調節するようにしてもよい。

【００１１】酸素富化の方法には、２１％〜６０％の酸
素濃度の原料酸素富化空気を効率よく生成し得る方法、
具体的には、吸着剤としてゼオライトを用いる急速圧力
スイング吸着法（Rapid Pressure Swing Adsrption法,R
apid PSA法）を用いることができる。急速圧力スイング
吸着法については、公開特許公報昭５５−５７８９など
に示されている。現在実用化されている酸素富化膜法で
は、本発明の効果を完全に発揮させることはできないと
思われるが、比較的低濃度の酸素富化空気で可能な範囲
で応用する場合や、将来、もっと性能の優れた酸素富化
膜が実用化された場合には、酸素富化膜法も用いること
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の内燃機関の一実
施形態の概念図である。１は内燃機関本体であるエンジ
ン、２と３は、それぞれ、内燃機関の吸気系と排気系で
ある。吸気系２には、通常の空気取り入れ通路４に加え
て、酸素富化装置５で酸素濃度が高められた原料酸素富
化空気を供給する原料酸素富化空気供給通路５ａが接続
されている。吸気系２には、ガス流通方向に間隔をおい
て第一および第二酸素センサ８、１０が設けられてい
る。第一酸素センサ８は、その設置位置における吸気系
２内ガスの酸素濃度に応じた検知信号を制御装置１１に
出力することができるようになっている。制御装置１１
は、原料酸素富化空気供給通路５ａに設けられた原料酸
素富化空気供給量調節弁６に接続されており、第一酸素
センサ８からの検知信号に応じた調節信号を調節弁６に
出力し、調節弁６の開度を、第一酸素センサ８における
酸素濃度に応じた値に調節することができるように構成
されている。ここに示す内燃機関では、酸素富化装置５
でつくられた原料酸素富化空気が、原料酸素富化空気供
給量調節弁６を介して通常の空気と第一混合器７で混合
され、目標とするNOx生成量低減率から逆算される酸素
濃度の酸素富化空気が調製される。混合比は、原料酸素
富化空気および酸素富化空気の酸素濃度から決定され、
制御装置１１が、第一酸素センサ８の信号を監視しなが
ら、原料酸素富化空気供給量調節弁６の開閉および開度
調節を行うことにより調節される。図１には示されてい
ないが、酸素富化空気の酸素濃度を原料酸素富化空気の
酸素濃度と同じ、または、それに近い値に調節する必要
がある場合には、通常の空気の流量を制限するための弁
を空気取り入れ通路４に付加することが必要である。

【００１３】さらに、排気通路１２には、還流される排
気ガスを冷却するEGRガス冷却器１４と排気ガス再循環
量調節弁１５（以下、EGR量調節弁１５という）を備え
た排気ガス還流路１３が接続され、吸気系の第一酸素セ
ンサ８の設置位置より下流側、第二酸素センサ１０の設
置位置より上流側に設けられた第二混合器９に排気ガス
の一部をもどす構成になっている。第二混合器９では、
酸素富化空気と排気ガスが混合され、内燃機関の燃焼室
内で燃料が完全燃焼できる下限値に、吸気ガス中の酸素
濃度が調整される。第二混合器９は、排気ガス還流路の
吸気系への接続位置に相当する。排気ガス還流路１３に
設けられたEGR量調節弁１５は、制御装置１１に接続さ
れており、制御装置１１は、第二酸素センサ１０からの
検知信号に応じた調節信号を調節弁１５に出力し、調節
弁１５の開度を、第二酸素センサ１０における酸素濃度
に応じた値に調節することができるように構成されてい
る。排気ガス再循環率は、酸素富化空気および吸気ガス
の酸素濃度から決定され、制御装置１１が、第二酸素セ
ンサ１０の信号を監視しながら、EGR量調節弁１５の開
閉および開度調節を行うことにより調節される。吸気ガ
スの酸素濃度が同じになるようにしたとき再循環率が相
対的に大きくなることを除けば、第二混合器より下流の
構成は従来のエンジンと変わりはない。したがって、第
二酸素センサ１０を従来のエンジンと同様、排気通路１
２に設置してもよい。また、燃焼圧センサを燃焼室に設
置し、燃焼状態を直接検知し、燃焼のサイクル変動が許
容限界ぎりぎりになるよう再循環率を制御する構成をと
ることもできる。燃料は、吸気バルブ付近の吸気通路ま
たはエンジンの燃焼室にて吸気ガスに噴射されるものと
する。第一酸素センサ８および第二酸素センサ１０とし
て用いられるセンサは、エンジンの負荷変動に追従でき
る応答速度を持ち、酸素濃度を連続的に測定できるもの
であれば何でもよい。例えば、安定化ジルコニアを用い
て、広域空燃比センサとして市販されているものが使用
できる。なお、図１に示した構成は、制御装置１１が、
第一酸素センサ８によって検知した酸素富化空気中の酸
素濃度に基づき、原料酸素富化空気供給量調節弁６の開
閉および開度調節を行うものであったが、本発明は、こ
れに限らず、図１に示す構成の代わりに図８に示すよう
な構成であってもよい。図８においては、図１における
第一酸素センサ８に代えて酸素センサ５０が原料酸素富
化空気供給通路５ａに設けられており、酸素センサ５０
によって酸素富化装置５で生成した原料酸素富化空気中
の酸素濃度が検知される。また、図８において、原料酸
素富化空気供給通路５ａには原料酸素富化空気の流量を
検知する第一流量計５１が設けられ、通常の空気取り入
れ通路４には、通路４内を流れる通常の空気の流量を検
知する第二流量計５２が設けられている。そして、制御
装置１１によって、通常の空気と原料酸素富化空気とが
混合されて生成される酸素富化空気中の酸素濃度が目標
NOx低減率から逆算される濃度になるように、酸素セン
サ５０によって検知された原料酸素富化空気中の酸素濃
度に基づいて混合比を計算するとともに、第一流量計５
１によって検知された原料酸素富化空気の流量と第二流
量計５２によって検知された通常の空気の流量とに基づ
いて、前記混合比が達成されるように原料酸素富化空気
供給量調節弁６の開度が調節される。

【００１４】図２は、酸素富化の方法として急速圧力ス
イング吸着法を用いる場合の、酸素富化装置５の概念図
である。２０は、モレキュラーシーブ５Aまたはモレキ
ュラーシーブ13X等の吸着剤を充填した吸着筒、２１は
入口末端、２２は出口末端、２３はコンプレッサー、２
４は加圧空気貯留タンク、２５は加圧空気供給弁、２６
は排出弁、２７は原料酸素富化空気サージタンク、２８
は原料酸素富化空気取出弁、２９は原料酸素富化空気貯
留タンク、３０は制御装置である。

【００１５】この酸素富化装置５を用いて原料酸素富化
空気を製造するには、弁２５および２６の操作で、加圧
空気を数秒間隔で吸着筒２０へパルス的に注入し、酸素
に富んだ空気を出口側へ流出させながら、窒素に富んだ
空気は入口側へ逆流させる。以下、原料酸素富化空気を
製造する方法を詳しく説明する。加圧空気供給弁２５を
閉じた状態で、コンプレッサ２３を用いて供給路２３ａ
から導入した空気を、加圧空気として加圧空気貯留タン
ク２４に導入する。次いで、排出弁２６を閉じ、加圧空
気供給弁２５を開き、加圧空気を入口末端２１から吸着
筒２０に導入し、吸着剤に接触させる。これによって、
吸着筒２０内に導入された空気中の窒素等が、吸着剤に
吸着されるのに対し、酸素は吸着剤に吸着されることな
く吸着筒２０を通過する。このため、吸着筒２０を通過
したガスは、窒素の濃度が低く、かつ酸素濃度が高い原
料酸素富化空気となる（以下、この工程を吸着工程とい
う）。この原料酸素富化空気は、出口末端２２から導出
され、タンク２７、取出弁２８を経て貯留タンク２９に
導かれる。次いで、加圧空気供給弁２５を閉じて吸着筒
２０への加圧空気の供給を停止し、排出弁２６を開く。
これによって、吸着筒２０内を窒素等が吸着剤から脱離
しやすい圧力条件とし、窒素等を吸着剤から脱離させ、
入口末端２１側から排出路２６ａを通して排出する。
（窒素等を吸着剤から脱離させて排出する工程を、以
下、脱離工程という）。この脱離工程においては、高窒
素濃度のガスが排出路２６ａを通して排出される。以上
の吸着と脱離の工程を１サイクルとして、これを繰り返
す。

【００１６】吸着剤としては、分子ふるい作用により空
気中の酸素と窒素とを分別可能とされたものを用いるこ
とができる。通常の圧力スイング吸着方法（PSA法）が
ペレット状の吸着剤を用いるのと異なり、急速圧力スイ
ング吸着法では４０メッシュ以下の微細粒子を用いる。
このため、短い周期の繰り返し動作が可能になり、吸着
剤生産性が高く、装置を小型化することができる。

【００１７】コンプレッサー２３の駆動力は何であって
もよく、排気系３にタービンを設置し、排気ガスの圧力
でタービンを回転させ、この回転力を利用することもで
きる。また、吸着筒２０を中心として周辺部品２１、２
２，２５〜２８からなる一組を１つの濃縮ユニットとす
ると、タンク２４とタンク２９の間にこれらのユニット
を複数個並列に配置し、両端でそれぞれのタンクに接続
して、各ユニットの位相をずらして動作させることで原
料酸素富化空気の供給量の時間変動をならすことができ
る。２９の原料酸素富化空気貯留タンクは、酸素富化装
置５の動作周期とエンジンの回転周期の違いを調整する
ためのもので、酸素富化装置５の１周期の間にエンジン
が消費する原料酸素富化空気の量ほどの容積があればよ
い。通常、１つの濃縮ユニットの１周期は１秒〜数秒で
あるが、上記のように複数個のユニットを並列動作させ
る場合には、貯留タンクに必要な容積はユニット数に反
比例して小さくなる。

【００１８】本法では、エンジンに吸入される吸気ガス
は、酸素富化空気と還流された排気ガスの混合によって
調製される。ここで、酸素富化空気を用いることの効果
と排気ガス再循環の作用について説明しておく。燃焼ガ
ス（排気ガス）の組成に関しては、排気ガス再循環の有
無は、影響しない。排気ガス再循環を行っても、定常状
態では、同じ組成のガスが単に循環しているにすぎない
からである。通常の空気に代えて、それよりも窒素が少
なく酸素の多い酸素富化空気を用いて燃料を燃焼させる
と、それだけ、比熱の小さい窒素が少なく、比熱の大き
い二酸化炭素と水に富んだ、比熱の大きい燃焼ガス（排
気ガス）が得られる。吸気ガスの組成は、酸素富化空気
と排気ガスの混合比で決まる。吸気ガス中の酸素濃度が
通常の空気を用いた場合と同じになるようにした場合、
窒素の割合が少ない分だけ、多量の排気ガス再循環を行
うことができる。通常の空気を用いた場合と比べると、
結果として、窒素が二酸化炭素や水に富む排気ガスで置
き換えられたことになる。これら二つの効果を、吸気ガ
スの組成を示す図５によって説明する。図５（a）は通
常の空気による燃焼の場合、図５（ｂ）はそれに排気再
循環を組み合わせた比較例５の場合である。図５（c）
は、酸素濃度４２％の酸素富化空気による理論混合比燃
焼を排気ガス再循環と組み合わせて、吸気ガス中の酸素
濃度が比較例５の場合と同じ値になるように調製した実
施例２（後述）の場合である。図５（ｂ）と比べると、
窒素が減った分だけ、多量の排気ガス再循環が可能にな
った様子がよくわかる。図５（d）は、デイーゼルエン
ジンへの応用を想定した実施例５（後述）の場合であ
る。酸素濃度４２％の酸素富化空気による燃焼を排気ガ
ス再循環と組み合わせて、不完全燃焼を防止できるよう
に、吸気ガス中の酸素濃度が通常の空気と同じになるよ
うに調製している。このような場合でも、多量の排気ガ
ス再循環が可能である様子がよくわかる。以上のよう
に、上記の二つの効果の相乗作用で、酸素富化されてい
ない通常の空気による燃焼の場合と同じ吸気ガス中の酸
素濃度を維持しながら、燃焼ガスの比熱を増大させるこ
とができる。その結果、燃焼温度を下げ、NOx生成量を
減少させることができる。また、窒素濃度の減少は、そ
れ自体、NOx生成量の減少の付加的要因になる。本発明
を実施する内燃機関は特に制限はなく、移動式または固
定式のいずれのものでもよい。これらのものとしては、
自動車エンジンなどがある。また、燃料は、ガソリンや
軽油だけではなく、メタノールなどのアルコール系燃料
や天然ガスなどのガス燃料であってもよい。

【００１９】燃焼ガスの比熱の増加は内燃機関の出力や
熱効率の低下の原因ともなるが、これは、燃焼温度低下
による冷却損失の減少で一部補われる。また、次に述べ
るように、比熱の増加はエンジンの高圧縮比化を可能に
するので、圧縮比をより大きい値に設定した専用エンジ
ンを設計して使用すれば、出力や熱効率の不利はさらに
軽減される。燃料−空気の予混合混合気を燃焼させるガ
ソリンエンジンなどの圧縮比は、ノックの発生により制
限される。比熱の大きい排気ガスを再循環させると、予
混合混合気の比熱が増加して圧縮加熱を受けにくくな
り、ノックが起こりにくくなるので、より大きな圧縮比
を設定することができる。過給機付きのデイーゼルエン
ジンの圧縮比は、燃焼ガスの高圧に耐える機械的強度を
確保するために制限されていることがある。比熱の増加
で燃焼温度が下がると、燃焼ガスの最高圧力が低下する
ので、より大きな圧縮比を設定することができる。

【００２０】ここで、図５を用いて定性的に調べたこと
も含めて、燃焼条件を決めるパラメータとそれらの定量
的な関係を、図６を参考にしながら説明しておく。初め
に、酸素富化空気の酸素濃度は通常空気のｘ倍になって
いるものとおく。急速圧力スイング吸着法では酸素とア
ルゴンは分離できないので、アルゴンの濃度もｘ倍にな
っている。したがって、酸素富化空気の組成は次のよう
に表せる（他の微量成分は、主要な結果に関係がないの
で、無視した）。 Ar ０．９ｘ（vol％） O2 ２１．０ｘ（vol％） N2 １００−２１．９ｘ（vol％） 具体的にした方が考察を進めやすいので、ここより後
は、この酸素富化空気１モルについて考えることにす
る。酸素富化空気中の酸素が消費率ｙ（理論混合比燃焼
ではｙ＝１，希薄燃焼やデイーゼル燃焼などの酸素過剰
燃焼ではｙ＜１）で消費されたものとおくと、酸素の消
費量は０．２１０ｘｙモルになる。燃焼反応は C8H16+12O2 →8CO2+8H2O …（１） であるから、０．２１０ｘｙモルの酸素が失われると、
二酸化炭素と水が各０．１４０ｘｙモルずつ生成し、合
計（１＋０．０７０ｘｙ）モルの燃焼ガスが生成する。
以上から、燃焼ガスの組成は、理論空燃比燃焼では表３
のＩ−１の欄に、酸素過剰燃焼では表３のＩ−２の欄に
示したようになる。すでに述べたように、燃焼ガスの組
成に関しては、再循環の有無は関係ない。排気ガス再循
環を行っても，定常状態では、同じ組成のガスが単に循
環しているにすぎないので、燃焼ガスの組成はｘとｙの
みで決まるのである。また、酸素富化空気１モルあた
り、いいかえると、燃焼ガス（１＋０．０７０ｘｙ）モ
ルあたりの熱発生量もｘとｙで決まる。

【表３】 次に、再循環率をｚとおくと、吸気ガスの組成が決ま
る。吸気ガス中の酸素濃度を２１．０ｓ（vol％）とお
くと、理論混合比燃焼の場合は、排気ガスによって単に
（１＋ｚ）分の１に希釈されるだけなので、 ２１．０ｓ＝２１．０ｘ／（１＋ｚ）…（６） となる。酸素過剰燃焼の場合には、還流された排気ガス
中の酸素も付け加わるので、 ２１．０ｓ ＝２１．０ｘ｛１＋（１−ｙ）ｚ／（１＋０．０７０ｘｙ）｝／（１＋ｚ） …（７） となる。吸気ガス中の他の成分の濃度は、ｓとｘのみを
用いて、表３のIIに示したように表すことができる。こ
れより、吸気ガス中の酸素濃度が同じ値になるように排
気ガスを再循環した場合、他の成分の濃度は酸素富化空
気の酸素富化率ｘのみで決まり、ｘが大きいほど、窒素
は少なく二酸化炭素と水は多くなり、比熱の大きい燃焼
ガスがつくられることがわかる。一方、燃焼ガスの総量
は、還流された排気ガスＺモルがつけ加わるので、排気
ガス再循環によって｛１＋Ｚ／（１＋０．０７０ｘ
ｙ）｝倍に増加し、燃焼ガス１モルあたりの熱発生量は
｛１＋Ｚ／（１＋０．０７０ｘｙ）｝分の１に減少す
る。この結果、均一予混合燃焼では、燃焼温度が低下
し、NOx生成量が減少する。理論混合比燃焼では、
（６）式からわかるように、ｓを一定とすると、ｘが大
きいほどｚも大きくなり、燃焼熱を「希釈」する効果が
大きくなる。数式的な関係は少し複雑になるが、希薄燃
焼でも傾向は同じである。以上のように、均一予混合燃
焼では、酸素富化空気の酸素濃度が大きいほど、燃焼温
度を低下させ、NOx生成量を減少させる効果が大きい。

【００２１】最後に、酸素過剰燃焼の場合の再循環率ｚ
を決定する上で有用な関係を説明しておく。吸気ガス中
の酸素が消費率ｔで消費されたものとおく。ｙが酸素富
化空気中の酸素量を基準にした消費率であるのに対し
て、ｔは、排気ガスから還流される酸素も含めた、実際
に燃焼室に存在する酸素量を基準にした消費率であり、
エンジンを実際に運用する上で、ｓと並んで最も重要な
パラメータの一つである。酸素の消費量は０．２１０ｘ
ｙモルであることから、次の（８）式が得られる。 ０．２１０ｘｙ＝０．２１０ｓｔ（１＋ｚ）…（８） （７）、（８）式からｘ、ｓ、ｔを用いて、ｙ、ｚをあらわすと ｙ ＝｛(１＋０．０７０ｘ)ｔ＋(ｘ／ｓ−１)｝／｛(１／ｓ＋０．０７０)ｘ｝ …（９） ｚ＝ｘｙ／ｓｔ−１ …（１０） が得られる。内燃機関の運転状況などからｓとｔが指定
されると、それを満たすｙとｚは、ｘにあわせて
（９）、（１０）式から決定できる。

【００２２】

【実施例】次に本発明の実施例１〜５の詳細を説明す
る。 実施例１、２ 燃料−酸素富化空気の均一予混合混合気の理論混合比燃
焼を排気ガス再循環と組み合わせるとき 実際のエンジンの運転では、あらかじめ、酸素富化空気
中の酸素濃度、吸気ガス中の酸素濃度および再循環率
は、運転状況ごとに、目標とするNOx生成量低減率に対
応する目標燃焼温度に即して決めておく。運転状況にあ
わせてエンジンに要求される出力が決まると、その出力
を生み出すのに必要な単位時間あたりの熱発生量が決ま
り、それに応じてエンジンが単位時間に吸入する吸気ガ
スの流量が決まる。吸気ガス流量の増減に応じて、図１
の原料酸素富化空気供給量調節弁６の開度を増減して、
所定の酸素濃度の酸素富化空気が第二混合器９に供給さ
れるようにする。さらに、EGR量調節弁１５の開度を増
減して、所定の酸素濃度の吸気ガスがエンジンに供給さ
れるようにする。

【００２３】吸気ガス中の酸素濃度は、（６）式に示し
たように、酸素富化空気における酸素の濃縮率ｘと、そ
れを希釈する排気ガスの再循環率ｚで決まる。したがっ
て、酸素富化空気における酸素濃度の増加にあわせて、
排気ガスの再循環率を増加させていけば、吸気ガス中の
酸素濃度を一定にすることができる。つまり、吸気ガス
中の酸素濃度を同じにするｘとｚの組み合わせは無数に
ある。例えば、実施例１は、酸素濃度３１．５vol％の
酸素富化空気を用い、再循環率０．９６で排気ガス再循
環を行う場合であり、実施例２は、酸素濃度４２．０vo
l％の酸素富化空気を用い、再循環率１．６１で排気ガ
ス再循環を行う場合である。いずれの場合も、（６）式
から、吸気ガスの酸素濃度は同じ１６．０７vol％と求
まる。この値は、通常空気による燃焼と排気ガス再循環
を組み合わせた比較例５の値と同じであるから、理論混
合比燃焼を行ったとき発生する熱量は三者とも同じにな
る。実施例１および２につき、比較例５と同様の計算を
行った。結果は表２に示す。温度上昇度は、それぞれ、
１８９９Kおよび１８０３Kとなり、比較例５の２０１５
Kより大きく下がること、また、酸素富化空気中の酸素
濃度が大きいほど、燃焼温度を低下させ、NOx生成量を
低減させる効果が大きいことがわかる。しかし、酸素濃
度が大きくなるほど、酸素富化空気をつくるコストは高
くなり、熱効率も低下する。NOx生成量の低減とコスト
のいずれをどの程度重視するかで、運転状況ごとに、適
切なｘとｚの組み合わせを選択することになる。

【００２４】表２に示したように、熱効率は燃焼ガスの
比熱の増加のため減少する。しかし、比較例１〜３の希
薄燃焼のところで述べたように、その一部は燃焼温度の
低下による冷却損失の減少によって補われ、燃料消費率
はそれほど悪化しないと考えられる。さらに、次に述べ
るように、圧縮比をより大きな値に設定した専用エンジ
ンを設計して使用すれば、熱効率の不利はさらに軽減さ
れる。

【００２５】燃料と空気の予混合混合気を用いるエンジ
ンの圧縮比は、ノックの発生によって制限される。ノッ
クは、燃焼室内の混合気のうち、点火プラグ付近の先に
点火した混合気の燃焼にともなう圧力上昇によって、燃
焼室末端付近の未燃混合気が圧縮加熱され、自発点火す
ることによって起こる。比較例５の場合、圧縮比を１０
とすると、混合気は常温（３００Kとする）から６４６K
に圧縮加熱される。一方、実施例２の場合、圧縮比１０
では６０９Kどまりで、圧縮比１２でようやく６４５Kに
達する。この計算例にみられるように、実施例では予混
合混合気の比熱が大きく、圧縮加熱を受けにくいので、
ノックが起こりにくい。したがって、エンジンを設計す
るに当たって、より大きな圧縮比を設定することができ
る。このことは、希薄燃焼エンジンや筒内噴射式ガソリ
ンエンジンにとって特に重要である。これらのエンジン
では、希薄燃焼モードと理論混合比燃焼モードを運転状
況によって使い分けるのが普通である。この場合、エン
ジンの圧縮比は、最もノックを起こしやすい理論混合比
燃焼モードで制限される。理論混合比燃焼における圧縮
比の制限が緩和されると、最も使用頻度の大きいモード
に最適化した、より大きな圧縮比でエンジンを設計する
ことが可能になり、全モードの平均としての実用上の燃
料消費率は改善されると期待される。また、高圧縮比化
は、予熱温度の上昇によって、希薄燃焼限界をより大き
な空燃比領域へ押し上げる効果ももつ。

【００２６】実施例３ 燃料−酸素富化空気の均一予混合混合気を用いて、希薄
燃焼を行うとき 希薄燃焼領域の中央（おおよそ空燃比２２〜２３）付近
では、通常の空気による燃焼を行い排気ガス再循環は行
わない。空燃比がそれから両側にはずれるほどに、より
大きな酸素濃度の酸素富化空気を供給するようにする。
希薄燃焼限界付近における燃焼のサイクル変動は、点火
おくれ期間の増加とそのばらつきによって起こってい
る。予混合混合気中の酸素濃度の増加や予熱温度の上昇
は、点火おくれ期間の間に起こっている反応の反応速度
を増加させ、点火おくれ期間そのものを短縮する。その
結果、燃焼のサイクル変動が小さくなり、２５を越える
空燃比領域での燃焼が可能になり、NOx生成量の小さい
希薄燃焼の特徴を生かすことができる。したがって、空
燃比が２５を越える付近からは、空燃比の増加にあわせ
て、より酸素濃度の大きい酸素富化空気が供給されるよ
うに、原料酸素富化空気供給量調節弁の開度を増加させ
ていく。必ずしも排気ガス再循環は行わなくてもよい
が、排気ガスを高温のまま再循環させ、ノックが起こら
ない範囲で予熱温度を高める方が、点火おくれ期間を短
縮できる。高温の排気ガスを再循環するには、吸気バル
ブと排気バルブが同時に開いている期間を利用した内部
ＥＧＲを用いるか、図１の装置にＥＧＲ冷却器をバイパ
スする高温排気ガス還流路１６と排気ガス還流路切替弁
１７を付加した図７の装置を用いて、排気ガスができる
だけ高温のままで還流されるようにすればよい。NOx許
容限界付近の空燃比での燃焼は、より大きな空燃比領域
に比べると、NOx生成量も多くノックも起こりやすい。
この場合、理論混合比燃焼と同様に、適量の排気ガスを
再循環させることで、NOx生成量を減少させノックを抑
えることができる。再循環率ｚは、酸素富化空気の酸素
濃度にあわせて、（９）式と（１０）式を用いて決定す
る。傾向としては、空燃比が小さくなるほど、酸素富化
空気の酸素濃度と排気ガスの再循環率を増加させ、実施
例１，２の理論混合比燃焼の条件に近づいていくように
すればよい。

【００２７】実施例４、５ デイーゼルエンジンや筒内噴射式ガソリンエンジンに酸
素富化空気による燃焼と排気ガス再循環を組み合わせて
適用するとき 実施例１，２の場合と同様、あらかじめ、酸素富化空気
中の酸素濃度、吸気ガス中の酸素濃度および再循環率
は、運転状況ごとに、目標とするNOx生成量低減率に対
応する目標燃焼温度に即して決めておく。これらのエン
ジンでは、エンジンが１サイクルで吸入する吸気ガスの
量はほぼ一定であり、エンジンの出力は、１サイクルで
の燃料噴射量とエンジンの単位時間あたりの回転数で調
節される。運転状況にあわせてエンジンの回転数が決ま
ると、エンジンが単位時間に吸入する吸気ガスの流量が
決まる。吸気ガス流量の増減に応じて図１の原料酸素富
化空気供給量調節弁６の開度を増減して、所定の酸素濃
度の酸素富化空気が第二混合器９に供給されるようにす
る。さらに、EGR量調節弁１５の開度を増減して、所定
の酸素濃度の吸気ガスがエンジンに供給されるようにす
る。

【００２８】これらのエンジンの特徴がよく発揮される
のは酸素消費率ｔが比較的小さい場合である。そこで、
モデル計算として、吸気ガス中の酸素濃度が通常の空気
と同じ２１．０vol％であり、その４０％が燃焼で消費
される場合を考えてみる。ｓ＝１，ｔ＝０．４を代入す
ると、（９）式と（１０）式から、酸素濃縮率ｘに対し
て上の条件をみたすｙとｚが決まる。実施例４は、酸素
濃度３１．５vol％の酸素富化空気を用い、再循環率
１．２０で排気ガス再循環を行う場合である。実施例５
は、酸素濃度４２．０vol％の酸素富化空気を用い、再
循環率３．４０で排気ガス再循環を行う場合である。通
常の空気を吸入し酸素の４０％を燃焼で消費する場合を
比較例６とする。これらについて、従来と同様、燃焼温
度の計算を行い、NOx生成量を半定量的に比較したい。
ただし、これらの燃焼方式におけるNOx生成の機構につ
いては不明な点も多く、均一混合気燃焼の場合とは、少
なくとも次の二点で異なっている。一つは、NOxは燃焼
室全体から一様に生成するのではなく、理論混合比に近
い空燃比をもつ一部の領域が燃焼によって局所的に高温
になり、主要なNOx生成源となることである。もう一つ
は、この局所的な領域の燃焼は、一定体積下で起こるの
ではなく、膨張しながら起こることである。そこで、局
所的な高温領域の温度上昇度の一つの目安として、表３
のＩを使って吸気ガスの組成を求め、このガスが理論空
燃比燃焼した場合の温度上昇度を、定容モル比熱の代わ
りに定圧モル比熱を用いて計算し、局所温度上昇度と呼
ぶことにした。熱効率については、従来と同様、燃焼ガ
スの比熱比を用いて（４）式で計算したが、デイーゼル
エンジンを想定して圧縮比は１６とした。結果は表４に
示す。酸素富化空気中の酸素濃度が大きいほど、燃焼温
度を低下させ、NOx生成量を低減させる効果が大きいこ
と、また、NOx生成量の低減とコストのいずれをどの程
度重視するかで、運転状況ごとに、適切なｘとｚの組み
合わせを選択することは、理論空燃比燃焼の場合と同じ
である。

【００２９】

【表４】 デイーゼルエンジンや筒内噴射式ガソリンエンジンで
は、負荷の大きさによって酸素の消費率ｔないしｙが変
化するという付加的要素が付け加わる。実施例４，５と
同じ酸素富化空気を用い、ｓ＝１に保ちながら、酸素消
費率を０．２，０．４，０．６と変えたときの再循環率
ｚの値を、表４の各実施例の欄に示す。酸素富化空気の
酸素濃度を一定にしたまま、負荷の大きさを増加させて
いくと、ｚは減少する。つまり、NOx生成量が多く、よ
り大きなNOx生成量低減効果を求めたい、負荷が大きい
場合ほど、再循環率が減少するという不都合な結果とな
っている。これは、酸素の消費率が増加して排気ガス中
の酸素濃度が減少すると、吸気ガス中の酸素濃度を同じ
に保つためには、再循環率を下げざるを得ないからであ
る。逆に、負荷が小さい場合には、吸気ガス中の酸素濃
度を同じに保つためには、異常に大きな再循環量が必要
になり、それができないときは吸気ガスの酸素濃度が大
きくなりすぎ、NOx生成量はかえって増加する結果とな
る。このような不都合を避けるためには、負荷の増減に
あわせて、供給する酸素富化空気の酸素濃度を適切に増
減させなければならない（実開昭６４−４１６４１号公
報に開示された方法では、酸素濃度は一定、または、負
荷の増加につれて減少してしまう仕様になっている。こ
のため、負荷の増加につれて再循環率を減らし、NOx生
成量の低減が最も求められる高負荷時には再循環をうち
切ってしまうようになっており、不完全燃焼生成物の低
減に重点を置いた方法になっている）。

【００３０】一方、熱効率は、表４に示したように、燃
焼ガスの比熱の増加のため、やや減少する。その一部は
温度低下による冷却損失の減少によって補われると考え
られる。過給機付きのデイーゼルエンジンなどでは、燃
焼ガスの高圧に耐える機械的強度を確保するために、圧
縮比が制限されている。本発明によれば、燃焼温度の低
下によって燃焼ガスの最高圧力が小さくなるので、より
大きな圧縮比をとることができる。圧縮比をより高い値
に設定した専用エンジンを設計して使用すれば、上記の
熱効率の不利はさらに軽減される。また、特開平６−１
７３７９２に開示されているような方法を用いて、主な
吸気ガスとして通常の空気を通常の給気通路から供給
し、一方、酸素富化空気と再循環ガスの混合気は、エン
ジンの圧縮行程において直接燃焼室内に噴射して、局所
的な高温状態がつくられる場所にのみ層状給気するよう
にすれば、熱効率の低下を小さくするとともに、酸素富
化装置を小型化して酸素富化に要するコストを少なくで
きる。

【００３１】なお、酸素富化装置５の性能は、温度や供
給空気圧などの諸条件で変化し、長期の使用で劣化する
こともある。一方、内燃機関本体１に必要以上の原料酸
素富化空気を供給することは、NOx生成量の増大や、熱
効率の低下や、酸素富化空気供給のためのコストの増大
などの原因となる。このような弊害を防止するために
は、酸素富化装置５の性能が変動しても、常に過不足な
く原料酸素富化空気を供給する仕組みが必要である。こ
れに対し、本発明では酸素センサ８を設け、酸素センサ
８の信号にもとづき原料酸素富化空気供給量を確実に安
定して制御することを可能にするのである。

【００３２】

【発明の効果】本発明の内燃機関では、排気系から排出
された排気ガスを吸気系に還流させる排気ガス還流路
と、空気中の酸素濃度を高めて原料酸素富化空気とする
酸素富化装置と、この原料酸素富化空気を吸気系に導く
原料酸素富化空気供給通路とを備えているので、窒素が
少なく酸素の多い酸素富化空気を用いて燃料を燃焼させ
ることができる。このため、それだけ、比熱の小さい窒
素が少なく、比熱の大きい二酸化炭素と水に富んだ、比
熱の大きい燃焼ガス（排気ガス）が得られる。さらに、
本発明では、吸気系内のガス中の酸素濃度を検知する酸
素センサと、この酸素センサによって検知された酸素濃
度に基づいて原料酸素富化空気供給量調節弁の開度を調
節する制御装置とを備えているので、運転状況に適した
出力を得るのに必要な吸気ガスの流量に応じて原料酸素
富化空気の供給量を調節し、酸素富化されていない通常
の空気による燃焼の場合と同じ吸気ガス中の酸素濃度を
維持しながら、燃焼ガスの比熱を、目標とするNOx生成
量低減率を達成するのに必要な分だけ、過不足なく増大
させることができる。このため、運転状況に拘わらず、
燃料の燃焼温度を下げるとともに、吸気ガス中の窒素濃
度を減少させ、燃焼時のNOx生成反応を抑制することが
できる。したがって、エンジンの熱効率を無用に低下さ
せることなく、NOx生成量を減少させることができる。
また、比熱の大きい排気ガスを再循環させることによっ
て、予混合混合気の比熱が増加して圧縮加熱を受けにく
くなり、ノックが起こりにくくなるため、圧縮比を、よ
り大きな値に設定することができる。したがって、熱効
率の向上を図ることができる。

【００３３】また、排気ガス還流路の接続位置よりもガ
ス流通方向下流側の吸気系に、吸気系内のガス中の酸素
濃度を検知する第二の酸素センサが設けられ、排気ガス
還流路に、還流される排気ガスの流量を調節する排気ガ
ス再循環量調節弁が設けられ、制御装置が、第二の酸素
センサによって検知された酸素濃度に基づいて排気ガス
再循環量調節弁の開度を調節することができる構成を採
用することによって、酸素富化空気の酸素濃度に応じ
て、排気ガスの再循環率を設定することができる。この
ため、吸気ガスの組成を、正確に目的の値に設定するこ
とができる。したがって、燃料の完全燃焼を達成しなが
ら、確実にNOx生成量を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関の一実施形態を示す概略構成
図である。

【図２】図１に示す内燃機関に用いられる酸素富化装置
を示す構成図である。

【図３】空燃比とNOx生成量の関係を示すグラフであ
る。

【図４】燃焼時の熱発生率と燃焼温度の関係を示すグラ
フである。

【図５】吸気ガスの組成を示すグラフである。

【図６】燃焼条件を定めるパラメータの関連を示す説明
図である。

【図７】本発明の内燃機関の他の実施形態を示す概略構
成図である。

【図８】本発明の内燃機関の他の実施形態を示す概略構
成図である。

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関本体） ２ 吸気系 ３ 排気系 ５ 酸素富化装置 ５ａ 原料酸素富化空気供給通路 ６ 原料酸素富化空気供給量調節弁 ８ 第一酸素センサ ９ 第二混合器（接続位置） １０ 第二酸素センサ １１ 制御装置 １５ EGR量調節弁（排気ガス再循環量調節弁） ５０ 酸素センサ ５１ 第一流量計 ５２ 第二流量計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１Ｆ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｒ 33/00 33/00 Ｃ Ｆターム(参考） 3G062 AA01 AA07 BA00 BA02 BA04 BA06 ED08 FA04 FA11 FA13 GA00 GA01 GA04 GA05 GA06 GA15 GA21 GA24 3G084 AA01 AA05 BA04 BA20 DA02 EA04 EC03 FA29 3G092 AA02 AA17 AB05 AB07 AB18 BA01 DC09 DG09 FA24 HA01Z HA03Z HC01Z HD06Z 3G301 HA02 HA13 HA22 HA23 JA02 LA08 NE19 PA01Z PC01Z PD02Z PD08Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関本体（１）と、酸素源となる吸気
   ガスを内燃機関本体に導く吸気系（２）と、内燃機関本
   体からの排気ガスを排出する排気系（３）と、排気系か
   ら排出された排気ガスを吸気系に還流させる排気ガス還
   流路（１３）と、還流される排気ガスの流量を調節する
   排気ガス還流路に設けられた排気ガス再循環量調節弁
   （１５）と、空気の酸素濃度を高めて原料酸素富化空気
   とする酸素富化装置（５）と、この原料酸素富化空気を
   吸気系に導く原料酸素富化空気供給通路（５ａ）と、こ
   の原料酸素富化空気供給通路に設けられた原料酸素富化
   空気供給量調節弁（６）と、酸素富化されていない通常
   の空気と原料酸素富化空気とが混合されて生成される酸
   素富化空気中の酸素濃度を検知する酸素センサ（８）
   と、この酸素センサによって検知された酸素濃度に基づ
   いて原料酸素富化空気供給量調節弁の開度を調節する制
   御装置（１１）とを備えていることを特徴とする内燃機
   関。
2. 【請求項２】前記酸素富化空気と還流された排気ガスと
   が混合されて生成される吸気ガス中の酸素濃度を検知す
   る第二の酸素センサ（１０）が設けられ、 前記制御装置は、前記第二の酸素センサによって検知さ
   れた酸素濃度に基づいて排気ガス再循環量調節弁の開度
   を調節することができるように構成されていることを特
   徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 【請求項３】内燃機関本体（１）と、酸素源となる吸気
   ガスを内燃機関本体に導く吸気系（２）と、内燃機関本
   体からの排気ガスを排出する排気系（３）と、排気系か
   ら排出された排気ガスを吸気系に還流させる排気ガス還
   流路（１３）と、還流される排気ガスの流量を調節する
   排気ガス還流路に設けられた排気ガス再循環量調節弁
   （１５）と、空気の酸素濃度を高めて原料酸素富化空気
   とする酸素富化装置（５）と、この原料酸素富化空気を
   吸気系に導く原料酸素富化空気供給通路（５ａ）と、こ
   の原料酸素富化空気供給通路に設けられた原料酸素富化
   空気供給量調節弁（６）と、前記酸素富化装置で生成し
   た前記原料酸素富化空気中の酸素濃度を検知する酸素セ
   ンサ（５０）と、前記原料酸素富化空気供給通路内を流
   れる前記原料酸素富化空気の流量を検知する第一流量計
   （５１）と、酸素富化されていない通常の空気を吸気系
   に導く通常空気供給通路（４）と、前記通常空気供給通
   路内を流れる前記通常の空気の流量を検知する第二流量
   計（５２）と、前記通常の空気と前記原料酸素富化空気
   とが混合されて生成される酸素富化空気中の酸素濃度が
   目標NOx低減率から逆算される濃度になるように、前記
   酸素センサによって検知された前記原料酸素富化空気中
   の酸素濃度に基づいて混合比を計算するとともに、前記
   第一流量計によって検知された前記原料酸素富化空気の
   流量と前記第二流量計によって検知された前記通常の空
   気の流量とに基づいて、前記混合比が達成されるように
   前記原料酸素富化空気供給量調節弁の開度を調節する制
   御装置（１１）とを備えていることを特徴とする内燃機
   関。
4. 【請求項４】内燃機関本体（１）と、酸素源となる吸気
   ガスを内燃機関本体に導く吸気系（２）と、内燃機関本
   体からの排気ガスを排出する排気系（３）と、排気系か
   ら排出された排気ガスを吸気系に還流させる排気ガス還
   流路（１３）と、還流される排気ガスの流量を調節する
   排気ガス還流路に設けられた排気ガス再循環量調節弁
   （１５）と、空気の酸素濃度を高めて原料酸素富化空気
   とする酸素富化装置（５）と、この原料酸素富化空気を
   吸気系に導く原料酸素富化空気供給通路（５ａ）と、こ
   の原料酸素富化空気供給通路に設けられた原料酸素富化
   空気供給量調節弁（６）と、酸素富化されていない通常
   の空気と原料酸素富化空気とが混合されて生成される酸
   素富化空気中の酸素濃度を検知する酸素センサ（８）
   と、この酸素センサによって検知された酸素濃度に基づ
   いて原料酸素富化空気供給量調節弁の開度を調節する制
   御装置（１１）とを備えた内燃機関を運転する方法であ
   って、 前記酸素センサによって検知された前記酸素富化空気中
   の酸素濃度に基づいて、前記酸素富化空気中の酸素濃度
   が目標NOx低減率から逆算される濃度になるように前記
   原料酸素富化空気供給量調節弁の開度を調節し、 前記吸気ガス中の酸素濃度が、前記内燃機関本体の燃焼
   室内で燃料が完全燃焼できる下限値になるように、前記
   排気ガス再循環量調節弁の開度を調節することを特徴と
   する内燃機関の運転方法。
5. 【請求項５】前記内焼機関には、前記吸気ガス中の酸素
   濃度を検知する第二の酸素センサ（１０）が設けられ、 前記第二の酸素センサによって検知された前記吸気ガス
   中の酸素濃度に基づいて、前記吸気ガス中の酸素濃度
   が、前記内燃機関本体の燃焼室内で燃料が完全燃焼でき
   る、予め算出しておいた下限値になるように、前記排気
   ガス再循環量調節弁の開度を調節することを特徴とする
   請求項４記載の内燃機関の運転方法。