JP2004190570A

JP2004190570A - 窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関

Info

Publication number: JP2004190570A
Application number: JP2002359243A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Iwamoto; 淳岩本; Hitoshi Takahashi; 均高橋; Yuji Yasui; 裕司安井; Hidemi Ogiwara; 秀実荻原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: JP4076433B2

Abstract

【課題】車載内燃機関の燃焼室に、空気中の酸素を一部除去した適正な窒素含有率の窒素富化ガスを供給し、窒素酸化物ＮＯ_Ｘの発生を抑制する窒素富化燃焼機能付き内燃機関を提供することにある。
【解決手段】理論空燃比より大きな空燃比で運転を行なう車載用内燃機関１において、排気通路１５中に配置されて、排気ガス中の汚染物質を浄化する触媒３４と、空気中の酸素の一部を除去して窒素含有率の高い窒素富化ガスを発生させる窒素富化ガス発生手段３０と、内燃機関１の燃焼室７内に供給された単位時間当りの燃料供給量を計測する燃料供給量計測手段２１と、該燃料供給量計測手段２１により計測された供給量の燃料を充分に燃焼させるに必要な単位時間当りの必要酸素量を算定し、所定空燃比に適合するように、該単位時間当りの必要酸素量に略一致する量の前記窒素富化ガスの供給を制御する窒素富化ガス供給制御手段２５，３５，２３とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、自動車、自動二輪車等の車両に搭載される内燃機関の燃焼室に、空気中の酸素を一部除去した適正な窒素含有率の窒素富化エアを供給し、窒素酸化物の発生を抑制する窒素富化燃焼機能付き内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の低負荷運転領域では、燃料および空気の供給量を小量に低減するために、絞り弁を絞るが、この絞り弁の絞りによるポンピングロスを避けるために、空燃比を理論空燃比１４．８より空気量の多い２１というような大きな空燃比で運転を行ない、ガス量を増加させることにより、燃焼温度を低下させ、燃費の改善を図るとともに、窒素酸化物の生成を抑制していた。
【０００３】
しかし、空燃比の大きな運転状態で、燃焼室内に供給される空気中の酸素の内、燃料と化学反応を起し燃焼に寄与する酸素以外の余剰酸素が、燃焼室内の窒素と化学反応を起し、特に高温状態では、窒素酸化物を発生することが避けられず、しかも、余剰酸素の存在下での三元触媒による排気浄化を充分に達成することができなかった。
【０００４】
これを改善するために、従来では、排ガスの一部を吸気通路に導入し、排気を再循環させる排気再循環装置（ＥＧＲ）が存在するが、この装置では、高温の排ガスによるガスケットラバーの耐熱限界、またＥＧＲバルブの耐熱限界により排気再循環導入量が制限されて充分な排気再循環を行なうことができなかった。
【０００５】
また、排気再循環ガス中の不活性ガス成分、燃料成分、水分、温度等を正確に測定することが困難であり、しかもこれらが車両の走行状態や、内燃機関の運転状態により、著しく大きく変動するので、排気再循環量を適正にかつ厳密に制御することが困難であった。
【０００６】
さらに、排気再循環ガス中の未燃炭化水素ＨＣや窒素酸化物ＮＯ_Ｘや硫黄酸化物ＳＯ_Ｘが長期間の排気再循環運転の繰返しで、濃縮タール化し、一酸化窒素ＮＯ、一酸化硫黄ＳＯの酸化の進展で三酸化窒素ＮＯ_３，硝酸ＨＮＯ_３，三酸化硫黄ＳＯ_３，硫酸Ｈ_２ＳＯ_４等が生成されて、排気再循環経路の部品、シリンダ壁、ピストン、ピストンリングが腐食され、しかも、硝酸ＨＮＯ_３，硫酸Ｈ_２ＳＯ_４により潤滑油のアルカリ価が低下されて、オイルが酸化され易くなり、オイルの性能劣化が促進される不具合がある。
【０００７】
空気中の酸素の一部を分離除去し、窒素を富化した窒素富化空気を燃焼室に供給する窒素富化燃焼装置（特開２００２−１２２０４９号）があった。
【０００８】
特開２００２−１２２０４９号公報に示された内燃機関では、窒素富化空気を排気再循環と混合させて内燃機関が燃焼室に供給するようになっているので、排気再循環の不具合を完全に解消できず、また空燃比や、燃料供給量に対応して窒素富化空気の窒素含有率を如何に設定すべきかという考慮が払われていないため、余剰酸素による窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を未然に阻止することが困難であり、窒素酸化物や硫黄酸化物等の大気汚染物質の排出を充分に低減することができなかった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１２２０４９号公報（図１、図２）
【００１０】
【解決しようとする課題】
本願発明は、このような不具合を解消した車載用内燃機関の改良に係り、燃料の供給量に対応して、適正な窒素含有率の窒素富化エアを内燃機関の燃焼室に供給し、窒素酸化物の発生を可及的に抑制した窒素富化燃焼機能を有する内燃機関を提供することを課題とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および効果】
本願発明は、このような課題を解決した発明であり、請求項１記載の発明は、理論空燃比より大きな空燃比で運転を行なう車載用内燃機関において、排気通路中に配置されて、排ガス中の汚染物質を浄化する触媒と、空気中の酸素の一部を除去して窒素含有率の高い窒素富化エアを発生させる窒素富化エア発生手段と、内燃機関の燃焼室内に供給された単位時間当りの燃料供給量を計測する燃料供給量計測手段と、該燃料供給量計測手段により計測された供給量の燃料を充分に燃焼させるに必要な単位時間当りの必要酸素量を算定し、所定空燃比に適合するように、該単位時間当りの必要酸素量に略一致する量の前記窒素富化エアの供給を制御する窒素富化エア供給制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１記載の発明は、前述したように構成されているので、前記燃焼室内に供給された窒素富化エア中の酸素Ｏ_２は、該燃焼室内に供給された燃料と過不足なく化学反応を起し、該燃料は略完全に燃焼し、過剰の残留酸素Ｏ_２が殆んど存在しない。従って、燃焼時に発生する窒素酸化物や硫黄酸化物を抑制でき、また排ガス中の酸素分を低下させることができるため、高効率な触媒浄化を実現できる。
【００１３】
現行の理論空燃比下での過剰Ｏ_２は約１ｖｏｌ％以下（リーンバーン下での過剰Ｏ_２は約５ｖｏｌ％）もしくは、それ以上であることから、１ｖｏｌ％以下にできれば現行の三元触媒でＳＵＬＥＶ基準をクリアできる。よって、現行の高価なＣＡＴは不要となり大巾なコストダウンが図れる。
【００１４】
また、前記請求項１記載の発明によれば、余剰酸素Ｏ_２が存在せず、また、たとえ余剰酸素Ｏ_２が存在しても、この量が小量であるので、触媒による排気浄化性能が高水準に維持される。
【００１５】
さらに、理論空燃比よりも大きな空燃比で運転を行なうため、特に低負荷運転状態では、絞り弁によるポンピングロスが小さく、しかも、燃焼温度の低下で熱損失が減少し、良好な燃費が得られる。
【００１６】
さらにまた、排気再循環を行なう必要がなく、また排気再循環を行なっても、余剰Ｏ_２が存在しない環境下での燃焼となるため、排気再循環ガス中の腐食性物質自体が激減することによりシリンダ壁、ピストン、ピストンリング等の排ガス触媒部品の腐食や、オイルの劣化が抑制される。
【００１７】
また、請求項２記載の発明においては、窒素含有率が一定の窒素富化エア発生手段により一定の最大窒素含有率の窒素富化エアが発生され、前記希釈手段により、該最大窒素含有率の窒素富化エアが所要の窒素含有率の窒素富化エアに希釈されるので、理論空燃比と最大空燃比との中間の実際の運転空燃比に適合した窒素富化エアを内燃機関の燃焼室に容易に供給することが可能となる。
【００１８】
さらに、請求項３記載の発明によれば、前記希釈手段を低コストで簡単にかつ容易に構成することができる。
【００１９】
さらにまた、請求項４記載の発明においては、構造の簡単な気体分離装置でもって、窒素富化エアを容易発生させることができる。
【００２０】
しかも、請求項５記載の発明においては、前記気体分離装置に供給される空気中の酸素分子Ｏ_２および窒素分子Ｎ_２の分子運動を活性化できるとともに、気体分離膜の分離能力を高めることができるので、前記気体分離装置に供給される空気の圧力を低下させて、該気体分離装置を動作させるなど分離に必要な動力（エネルギー）を節減できるし、また同じ排出能力の窒素富化装置において省スペース、小型化が図れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２に図示の本願発明の一実施形態について説明する。
【００２２】
図示されない乗用車に搭載される内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式４ストロークサイクルの内燃機関であって、該内燃機関１の本体２のシリンダ孔３には、ピストン４が摺動自在に嵌装され、該ピストン４はコネクティングロッド５を介してクランク軸６に連結され、前記シリンダ孔３の頂部に位置した燃焼室７に連通する吸気ポート８および排気ポート９が前記本体２の頂部に形成され、該吸気ポート８および排気ポート９には、それぞれ吸気弁１０および排気弁１１が開閉自在に設けられ、該吸気弁１０および排気弁１１の上方に吸気カム１２および排気カム１３がそれぞれ配設され、該吸気カム１２および排気カム１３は、図示されない伝動機構を介してクランク軸６に連結されており、クランク軸６の半分の回転数で回転駆動される吸気カム１２および排気カム１３により、所要のタイミングで前記吸気弁１０および排気弁１１が開閉駆動されて、吸気と燃料とが混合気が燃焼室７内に供給され、燃焼室７に設けられた点火栓１４により燃焼室７内の混合気が着火されて、燃焼し、この燃焼ガスの膨張により、ピストン４が押し下げられて、クランク軸６が回転駆動され、このクランク軸６の回転駆動でもって図示されない乗用車が走行しうるようになっている。
【００２３】
また、前記吸気ポート８に連通する吸気通路１５には、燃料噴射弁１７が設けられ、該燃料噴射弁１７は、燃料供給管１８を介して燃料タンク１９内の燃料ポンプ２０に接続されており、燃料タンク１９内の燃料は、燃料ポンプ２０により燃料供給管１８を介して燃料噴射弁１７に送られ、図示されないコントロールユニットからの噴射信号に応じて所要の量の燃料が吸気通路１５内に噴射されるようになっている。なお燃料供給管１８に燃料計２１が介装されており、燃料タンク１９内の燃料噴射量は、該燃料計２１によって計量されるようになっている。
【００２４】
さらに、吸気通路１５内において、燃料噴射弁１７の設置個所より上流側に、吸気負圧を検出するＰＢセンサ２２が設置され、その上流側に向って主絞り弁２３と、吸入気量を測定するエアフローメータ２４と、副絞り弁２５とが順次所定間隔を存して設置され、さらに吸気通路１５の上流端は、吸入空気を濾過するエアクリーナ２６の排気側に接続されている。
【００２５】
さらにまた、前記エアクリーナ２６の排気側に、バイパス通路２７の上流端が接続され、該バイパス通路２７の下流端は、前記主絞り弁２３とエアクリーナ２６との間に位置して吸気通路１５に接続され、該バイパス通路２７には、上流端から下流端に亘って、熱交換器２８の吸気通路部と、過給機２９のターボポンプと、窒素富化エア発生ユニット３０と、バッファタンク３１と、窒素富化エア絞り弁３５とが順次介装されている。
【００２６】
前記排気ポート９に連通する排気通路１６には、前記過給機２９のタービンと、空燃比を測定するリニア型ＡＦセンサ３２と、排気中の酸素Ｏ_２を検出するＯ_２センサ３３と、三元触媒３４と、前記熱交換器２８の排気通路部とが介装されている。
【００２７】
また、前記窒素富化エア発生ユニット３０は、外径４００μｍ（内径２００μｍ）で管厚が１００μｍの多数のポリイミド樹脂製中空糸を束状にまとめて筒状体に収納したもので、エアクリーナ２６により濾過された空気は、熱交換器２８内にて、排気通路１６を流れる３００℃程度の高温の排ガスと熱交換されて、高温に加熱され、排気通路１６を流れる排気により回転する過給機２９のタービンに連結されたターボポンプでもって加圧され、この高温高圧に加熱加圧された空気は、前記ポリイミド樹脂製中空糸の中心孔を通過する間、窒素分子Ｎ_２よりも小さな分子径の酸素分子Ｏ_２の方が、前記ポリイミド樹脂製中空糸の壁を多く通過し、前記ポリイミド樹脂製中空糸の末端部から、窒素含有率の高い窒素富化エアが流出するようになっている。
【００２８】
前記窒素富化エア発生ユニット３０から流出した窒素富化エアは、バッファタンク３１に貯溜され、吸気通路１５を流れる空気と合流し、燃焼室７に供給されるようになっている。
【００２９】
理論空燃比１４．８で運転が行なわれる高負荷運転状態では、空気中に含まれている２１％の酸素Ｏ_２は、全て燃料と化学反応を起して燃焼し、燃焼ガス中には、余剰の酸素Ｏ_２がほとんど存在しないので、窒素酸化物の発生が抑制されるが、低負荷運転状態での内燃機関のポンピングロスを低減すべく余剰の空気を供給した理論空燃比より大きな空燃比の低負荷運転状態では、理論空燃比１４．８に比べて空気が余剰に供給される結果、燃料と化学反応を起すことができない余剰の酸素Ｏ_２が発生し、これが燃焼時、空気中の窒素Ｎ_２と反応を起し、窒素酸化物を発生する原因となる。
【００３０】
この理論空燃比より大きな空燃比の運転状態における余剰酸素Ｏ_２を除去するために、窒素富化エア発生ユニット３０により、酸素含有率を低下させた窒素富化エアを発生させる場合、最大空燃比が例えば２１とすると、内燃機関へ供給すべき吸気量は、２１／１４．８≒１．４倍となり、酸素含有率２１％の空気の内、余剰酸素Ｏ_２を除去して、０．２１／１．４≒０．１５＝１５％すなわち８５％の窒素含有率の窒素富化エアを窒素富化エア発生ユニット３０により発生させればよいことになり、窒素富化エア絞り弁３５やバイパス通路２７中の図示されない弁等の調整手段を図示されないコンピュータによって制御し、窒素富化エア発生ユニット３０への供給空気の温度、圧力、流量を適宜調整することによって、前記８５％の窒素含有率の窒素富化エアが得られるように構成されている。
【００３１】
そして、最大空燃比２１以下の空燃比では、副絞り弁２５およびエアクリーナ２６の開度を適宜調整し、８５％の窒素含有率の窒素富化エアに、エアクリーナ２６からの濾過空気を添加し、余剰酸素Ｏ_２が存在しない窒素含有率の窒素富化エアに希釈するように、図示されないコンピュータにより制御するようになっている。
【００３２】
さらに、Ｏ_２センサ３３によって排気中の余剰酸素Ｏ_２が検出された場合、この検出余剰酸素量に対応して前記コンピュータの制御信号により主絞り弁２３の開度を制御するようになっている。
【００３３】
そして、電子制御ユニットＥＣＵによる副絞り弁２５と窒素富化エア弁３５の制御の一例を図２に示す制御系ブロック図に基づいて説明する。
前記電子制御ユニットＥＣＵは、内燃機関１の運転状態に基づいて燃料噴射量ｆを決定する燃料噴射量決定手段５１と、運転状態に基づいて空燃比αを決定する空燃比（Ａ／Ｆ）決定手段５２とを備え、該電子制御ユニットＥＣＵでは、両決定手段５１，５２が決定した燃料噴射量ｆと空燃比αとから必要とされる吸気流量Ｑを吸気流量演算手段５３が演算する。
【００３４】
一方、空燃比（Ａ／Ｆ）決定手段５２により決定された空燃比αからは対応する窒素含有率Ｐｎが窒素含有率演算手段５４により演算される。
空燃比αが理論空燃比１４．８のとき窒素含有率Ｐｎは７９％であり、空燃比αが２１のとき窒素含有率Ｐｎは８５％であるので、窒素含有率演算手段５４は、空燃比αと窒素含有率Ｐｎが比例関係にあるとして空燃比αが１４．８と２１との中間にある場合の窒素含有率Ｐｎを演算することができる。
【００３５】
窒素含有率演算手段５４により窒素含有率Ｐｎが求まると、窒素含有率Ｐｎから全吸気流量Ｑに対する窒素富化エア流量の割合βを算出することができ、窒素富化エア流量割合演算手段５５が演算する。
【００３６】
いま窒素富化エア流量をｑｎ、通常エア流量をｑｏとすると、Ｑ＝ｑｏ＋ｑｎであり、次式が成り立つ、
β＝ｑｎ／（ｑｏ＋ｑｎ）
Ｐｎ＝（０．７９・ｑｏ＋０．８５・ｑｎ）／（ｑｏ＋ｑｎ）
【００３７】
上記の両式からｑｏ、ｑｎを消去すると、窒素富化エア流量割合βは、
β＝（Ｐｎ−０．７９）／（０．８５−０．７９）＝（Ｐｎ−０．７９）／０．０６
となる。
【００３８】
吸気流量演算手段５３が求めた吸気流量Ｑと窒素富化エア流量割合演算手段５５が求めた窒素富化エア流量割合βとから窒素富化エア流量演算手段５６が窒素富化エア流量ｑｎ＝βＱを算出し、通常エア流量演算手段５７が通常エア流量ｑｏ＝（１−β）Ｑを算出する。
【００３９】
算出された窒素富化エア流量βＱを実現する窒素富化エア絞り弁３５の開度θｎを、ＰＢセンサ２２が検出した吸気負圧ＰＢをもとに窒素富化エア絞り弁開度演算手段５８が演算する。
【００４０】
同様に通常エア流量演算手段５７により算出された通常エア流量（１−β）Ｑを実現する副絞り弁２５の開度θｏを、副絞り弁開度演算手段５９が吸気負圧ＰＢをもとに演算する。
【００４１】
こうして演算された窒素富化エア絞り弁開度θｎを目標値として窒素富化エア絞り弁駆動制御手段６０が窒素富化エア絞り弁３５を制御し、演算された副絞り弁開度θｏを目標値として副絞り弁駆動制御手段６１が副絞り弁２５を制御する。
【００４２】
この窒素富化エア絞り弁駆動制御手段６０と副絞り弁駆動制御手段６１による窒素富化エア絞り弁３５と副絞り弁２５の制御は、エアフローメータ２４が測定した吸気流量をもとに目標値に一致するようにフィードバック制御される。
【００４３】
以上の制御例では窒素富化エア発生ユニット３０により得られる窒素富化エアは窒素含有率が８５％一定であるとした場合であるが、これが変動するとなると、変動した窒素含有率ｒが検出できれば、前記窒素富化エア流量割合演算手段５５が演算する窒素富化エア流量割合βを次の式から求めればよい。
β＝（Ｐｎ−０．７９）／（ｒ−０．７９）
【００４４】
なお主絞り弁２３は、運転状態およびＯ_２センサ３３の検出値をもとに弁開度が算出され制御される。
【００４５】
図１に図示の実施形態は、前述したように構成されているので、理論空燃比１４．８で運転が行なわれる場合には、次のような動作が実行される。
【００４６】
まず、窒素富化エア絞り弁３５を閉じ、副絞り弁２５を全開する。燃料噴射弁１７より噴射される燃料の噴射量は燃料計２１により計算され、エアフローメータ２４により計測された吸気量が、この燃料噴射量に対し１４．８倍となるように、主絞り弁２３の開度を図示されないコンピュータにより調整すれば、内燃機関１の燃焼室７内に供給された空気中の酸素Ｏ_２が、燃料噴射弁１７から噴射された燃料と全て反応を起し、排気中には余剰酸素Ｏ_２は殆んどなく、この余剰酸素Ｏ_２と窒素Ｎ_２との反応による窒素酸化物の発生が抑制される。
【００４７】
また、前述の排気中の余剰酸素Ｏ_２は、Ｏ_２センサ３３によって検出されるため、このＯ_２センサ３３の検出信号に対応して前記コンピュータにより主絞り弁２３の開度が制御され、余剰酸素Ｏ_２による窒素酸化物ＮＯ_Ｘの発生がより確実に制御される。
【００４８】
さらに、最大空燃比２１で運転が行なわれる場合には、副絞り弁２５を閉じ、窒素富化エア絞り弁３５を全開すれば、エアクリーナ２６で濾過された清浄吸入空気は、熱交換器２８に送られて、該熱交換器２８において、三元触媒３４を通過した排気通路１６中の排ガスと熱交換され、排気弁１１より排気通路１６に流入した排気により回転駆動される過給機２９のタービンでもって、過給機２９のターボポンプが駆動されて、高温清浄空気が加圧され、窒素富化エア発生ユニット３０に供給される。
【００４９】
この窒素富化エア発生ユニット３０に供給された高温高圧清浄空気中の酸素Ｏ_２は、該窒素富化エア発生ユニット３０により、一部除去されて、８５％の窒素含有率の窒素富化エアが得られ、該窒素富化エアは、バッファタンク３１を介してバイパス通路２７の下流部分を流れ、吸気通路１５の下流部から吸気ポート８を通過し、燃料噴射弁１７より噴射される燃料とともに燃焼室７に流入し、前記窒素富化エア中の酸素Ｏ_２は、前記燃料と余すことなく反応を起して該燃料は略完全燃焼するので、排気中の余剰酸素Ｏ_２が減少することで排気浄化余剰酸素Ｏ_２による窒素酸化物ＮＯ_Ｘの発生が抑制されるとともに、三元触媒３４による排気浄化が略完全に行なわれる。
【００５０】
そして、理論空燃比で運転を行なう場合に比べて、大流量の窒素富化エアが燃焼室７内に供給されるため、ポンピングロスが低減されるとともに、燃焼温度の低下で熱損失が減少し、低負荷運転状態における燃費が改善される。
【００５１】
しかも、空気と比べ、排気中には、３原子分子の割合が高く、このため比熱が増加し、これにより、ガスの内部エネルギーとして蓄えられる割合が増加する結果、希薄燃焼に対し燃費改善効果が減少する。
【００５２】
また、燃焼排気を添加した排気再循環ガスでは、比熱比が１．１〜１．２であるのに対し、本実施形態における窒素富化エアの比熱比は１．４となって、この面でも、燃費の改善が可能となる。
【００５３】
さらに、窒素富化エア発生ユニット３０に供給される清浄吸入空気は、熱交換器２８において、排気通路１６中を流れる排気と熱交換されて高温に加熱され、しかも過給機２９において、断熱圧縮されて昇温するため、窒素富化エア発生ユニット３０の酸素除去効率が向上し、窒素富化エア発生ユニット３０内に供給される清浄吸入空気に加えるべき供給圧力が低下するとともに、窒素富化エア分離流量が増大する。
【００５４】
次に、理論空燃比１４．８と最大空燃比２１との中間の空燃比で運転を実行しようとする場合には、図示されないコンピュータの制御信号に基づき副絞り弁２５および窒素富化エア絞り弁３５の開度を最適値に設定すれば、前記中間空燃比に適合した窒素含有率の窒素富化エアを燃焼室７に供給し、燃焼室７内で余剰の酸素Ｏ_２が残留しない状態で、燃焼室７内の噴射燃料を完全燃焼させ、窒素酸化物ＮＯ_Ｘの発生を抑制することができ、しかも排気中に余剰酸素Ｏ_２がない状態で三元触媒３４を通過させることができる結果、三元触媒３４を高い水準で窒素酸化物ＮＯ_Ｘの外に一酸化炭素ＣＯ、未燃炭化水素ＨＣを除去する排気浄化を行なうことができる。
【００５５】
また、空燃比の急激な変更、窒素富化エアの供給量の急激な変更の場合には、バッファタンク３１に貯溜された窒素富化エアによって、窒素富化エア供給量の急変に対応することができる。
【００５６】
前記実施形態では、燃料噴射弁１７より吸気ポート８に燃料を噴射させるようになっていたが、燃料噴射弁１７より燃焼室７内に直接燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関に本願発明を適用することもできる。
【００５７】
また、前記実施形態では、ガソリンを燃料とする火花点火式内燃機関であったが、軽油を燃料とする圧縮点火式のディーゼル機関にも適用可能である。
【００５８】
さらに、ガソリンや軽油等の石油の外に、メタン（天然ガス）、メタノールや水素を燃料とする内燃機関にも、本願発明を適用することができる。
【００５９】
また、前記実施形態の窒素富化エア発生ユニット３０は、ポリイミド樹脂製中空糸を多数束状にまとめ筒状体内に収納したものであったが、２枚のシリコーンゴム製平膜を相互に平行に保持しその外周を密封してなる分離膜ユニットを所定間隔毎に多数に配置し、該分離膜ユニット内を相互に連通し、該分離膜ユニット内に清浄空気を圧入して酸素Ｏ_２の一部を分離除去し、窒素富化エアを分離生成するものでもよく、または、固体電解質層に電圧を与え、電気エネルギーで空気中の酸素Ｏ_２をイオン化して伝導分離する電解質分離型の窒素富化エア発生ユニットでもよく、さらに、その他の方式の分離装置であってよい。
【００６０】
さらに、前記実施形態では、Ｏ_２センサ３３を三元触媒３４の上流側に配置したが、Ｏ_２センサ３３を三元触媒３４の下流側に配置してもよく、あるいは、三元触媒３４の上流側と下流側の両方にＯ_２センサ３３を配置してもよい。
【００６１】
さらにまた、バッファタンク３１内にクーラを設け、あるいはバッファタンク３１の代りにクーラを設けてもよく、窒素富化エア発生ユニット３０より排出された高温の窒素富化エアを前記クーラにより冷却し、内燃機関１の充填効率ひいては燃費を向上させることができる。
【００６２】
しかも、前記実施形態では、窒素富化エア発生ユニット３０に供給される清浄空気を、熱交換器２８を介して排気熱で加熱したが、エンジン冷却水またはラジエータを通過した空気で前記清浄空気を加熱してもよい。
【００６３】
また、窒素富化エア発生ユニット３０に供給される空気を加圧するために、前記実施形態では、ターボ過給機を用いたが、内燃機関１に連結された圧縮機やモータで駆動される圧縮機を用いてもよい。
【００６４】
さらに、吸気通路１５の上流部に圧縮機を介装し、加圧空気を吸気通路に供給するようにしてもよい。
【００６５】
さらにまた、本実施形態にＥＧＲを併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関の位置実施形態を図示した説明図である。
【図２】図１に図示の実施形態における制御の一例を示す制御系ブロック図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…本体、３…シリンダ孔、４…ピストン、５…コネクティングロッド、６…クランク軸、７…燃焼室、８…吸気ポート、９…排気ポート、１０…吸気弁、１１…排気弁、１２…吸気カム、１３…排気カム、１４…点火栓、１５…吸気通路、１６…排気通路、１７…燃料噴射弁、１８…燃料供給管、１９…燃料タンク、２０…燃料ポンプ、２１…燃料計、２２…ＰＢセンサ、２３…主絞り弁、２４…エアフローメータ、２５…副絞り弁、２６…エアクリーナ、２７…バイパス通路、２８…熱交換器、２９…過給機、３０…窒素富化エア発生ユニット、３１…バッファタンク、３２…リニア型ＡＦセンサ、３３…Ｏ_２センサ、３４…三元触媒、３５…窒素富化エア絞り弁、３６…酸素富化エア流出孔、
５１…燃料噴射量決定手段、５２…空燃比（Ａ／Ｆ）決定手段、５３…吸気流量演算手段、５４…窒素含有率演算手段、５５…窒素富化エア流量割合演算手段、５６…窒素富化エア流量演算手段、５７…通常エア流量演算手段、５８…窒素富化エア絞り弁開度演算手段、５９…副絞り弁開度演算手段、６０…窒素富化エア絞り弁駆動制御手段、６１…副絞り弁駆動制御手段。

Claims

理論空燃比より大きな空燃比で運転を行なう車載用内燃機関において、
排気通路中に配置されて、排ガス中の汚染物質を浄化する触媒と、
空気中の酸素の一部を除去して窒素含有率の高い窒素富化エアを発生させる窒素富化エア発生手段と、
内燃機関の燃焼室内に供給された単位時間当りの燃料供給量を計測する燃料供給量計測手段と、
該燃料供給量計測手段により計測された供給量の燃料を燃焼させるに必要な単位時間当りの必要酸素量を算定し、所定空燃比に適合するように、該単位時間当りの必要酸素量に略一致する量の前記窒素富化エアの供給を制御する窒素富化エア供給制御手段とを備えたことを特徴とする窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関。
前記窒素富化エア発生手段により発生される窒素富化エアの窒素含有率は、最大空燃比で余剰酸素を発生させずに燃料を完全燃焼することができる最大窒素含有率に設定され、
前記最大空燃比より低い空燃比で前記内燃機関が運転を行なう場合には、空気の添加によって、この低空燃比において略必要な酸素量を供給することができるに足る窒素含有率の窒素富化エアに希釈する希釈手段が設けられたことを特徴とする請求項１記載の窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関。
前記希釈手段は、
上流端が大気に直接的にまたは間接的に連通されるとともに、下流端が前記窒素富化エア発生手段から前記燃焼室に通ずる窒素富化エア導入通路に接続されたバイパス通路と、
該バイパス通路の通気量を増減する通気量調整弁とを備えたことを特徴とする請求項２記載の窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関。
前記窒素富化エア発生手段は、大気より高圧の加圧空気を分離膜でもって分離する気体分離装置であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関。
前記気体分離装置に導かれる空気を内燃機関の運転で発生する熱でもって加熱する加熱手段が設けられたことを特徴とする請求項４記載の窒素富化燃焼機能付き車載用内燃機関。