JP2006274943A

JP2006274943A - 内燃機関の燃焼制御装置

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Publication number: JP2006274943A
Application number: JP2005096075A
Authority: JP
Inventors: Miyao Arakawa; 宮男荒川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】混合気を形成する空気と燃料以外の他の成分を添加することなく、着火時期の制御が可能な内燃機関の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼室１０６に吸気ガスを導くとともに、燃焼室１０６内に流入した吸気ガス内に燃料を噴射し、吸気ガスと混合しながら自己着火により燃焼する内燃機関１００に用いられ、
酸素濃度Ｃを調節する酸素濃度調節装置３を備え、酸素濃度調節装置３は、吸気ガスの酸素濃度Ｃを富化および貧化することにより着火時期ＣＡａを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、例えばディーゼル機関等の予混合圧縮着火する内燃機関の着火時期制御装置に適用して好適なものである。

従来、例えばディーゼルエンジンは、気筒の燃焼室に燃料を噴射供給する燃料噴射弁が設けられており、燃料噴射弁から噴射された燃料は微粒化され、燃焼室内の空気と混合しながら発達し、自己着火により燃焼し、エンジンの動力として利用されている。

特許文献１では、空気と燃料が混合した予混合気に水添加して着火時期を制御する技術が開時されている。この技術では、燃焼室内の混合気に水を噴射することで、水の蒸発潜熱を利用して混合気の温度を下げ、着火時期を遅らせている。
特表２００４−５１５７０２公報

しかしながら、特許文献１による従来技術では、水をエンジンに装備するため、水を溜めておくためのタンク等の装置が必要であることと、水の噴射等によりエンジン部品が腐蝕するおそれがある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、混合気を形成する空気と燃料以外の他の成分を添加することなく、着火時期の制御が可能な内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。

即ち、請求項１乃至６記載の発明では、燃焼室に吸気ガスを導くとともに、燃焼室内に流入した吸気ガス内に燃料を噴射し、吸気ガスと混合しながら自己着火により燃焼する内燃機関に用いられ、
酸素濃度を調節する酸素濃度調節手段を備え、
酸素濃度調節手段は、吸気ガスの酸素濃度を富化および貧化することにより着火時期を制御することを特徴としている。

これによると、酸素濃度を調節する酸素濃度調節手段を備え、吸気ガスの酸素濃度を調節することで酸素濃度を富化および貧化することことにより着火時期を制御するので、混合気を形成する吸気ガスと燃料以外の他の成分を添加することなく、着火時期を制御することができる。

また、請求項２に記載の発明では、酸素濃度調節手段は、空気中の窒素成分を選択的に透過する窒素透過膜を備え、窒素透過膜により吸気ガスを燃焼室へ導く側の窒素成分を富化および貧化することにより酸素濃度を調節することを特徴としている。

これにより、燃焼室に導く吸気ガスの酸素濃度を制御するのに、窒素透過膜を用いることができる。

また、請求項３に記載の発明では、窒素透過膜は、吸気ガスを前記燃焼室に導く吸気通路に分岐して配置され、酸素濃度調節手段は、窒素透過膜に空気を流す方向を切換えることを特徴としている。

これにより、窒素透過膜に空気を流す方向を前記吸気通路に向けて吸い込む側と前記吸気通路とは反対の排出する側に切換えることで、酸素貧化と酸素富化とに切換えることができる。

また、請求項４に記載の発明では、酸素濃度調節手段は、吸気ガスを前記燃焼室に導く吸気通路に分岐して配置され、空気中の酸素成分を選択的に透過する酸素透過膜と、前記酸素透過膜に接続する通路と窒素透過膜に接続する通路を切換える切換手段を備えていることを特徴としている。

これにより、窒素透過膜と酸素透過膜を両方を用い、窒素透過膜と酸素透過膜にそれぞれ接続する通路を切換えることで、吸気ガスの酸素濃度を調節できる。

また、請求項５乃至６記載の発明では、酸素濃度調節手段は、内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、検出手段により検出した運転状態に基づいて目標着火時期を決定し、これに対応した酸素濃度を設定する酸素濃決定手段を備えることを特徴としている。

これにより、内燃機関の運転状態に応じた最適着火時期に制御することが可能である。

また、請求項６に記載の発明では、酸素濃度調節手段は、検出手段により検出した運転状態に基づいてノックの発生および窒素酸化物の所定以上排出のうち少なくともいずれかの状態であると判断される場合には、酸素濃度の設定を小さくする学習制御手段を備えていることを特徴としている。

これによると、ノックの発生もしくは窒素酸化物の所定以上である場合には、運転状態に応じて設定した酸素濃度を小さく設定する学習制御手段を備えている。したがって、個々の内燃機関に燃焼ばらつきがある場合であっても、着火時期を制御するための物理量としての酸素濃度を補正することで、個々の内燃機関におけるノック発生防止と窒素酸化物の所定以上の排出防止ができる。

以下、本発明の内燃機関の燃焼制御装置を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の内燃機関の燃焼制御装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、図１中の酸素濃度調節装置の構成部材であって、窒素透過膜を有する構造体を示す斜視図である。図３は、図２の構造体の断面図である。図４は、図２の構造体のセル形状を示す図であって、図４（ａ）、図４（ｂ）、および図４（ｃ）は、セル形状の各実施例を示す平面図である。図５は、図３中の窒素透過膜における窒素と酸素との透過の違いを説明する模式的断面図である。図６は、図３中の窒素透過膜に対する差圧による吸着量の変化を窒素と酸素について比較して示したグラフである。図７は、図１中の窒素透過膜に発生する差圧と酸素濃度との関係を模式的に示すグラフである。図８は、図１中の酸素濃度調節装置の作動を説明するフローチャートである。図９は、本実施形態の作用効果を説明するタイムチャートである。

図１に示す内燃機関の燃焼制御装置１は、内燃機関の気筒の燃焼室１０６へ空気、もしくは空気と排気の一部を吸気ガスとして導く吸気通路側に酸素濃度調節装置３を備えており、酸素濃度調節装置３により吸気ガス中の酸素濃度を調節するものである。図１に示すように、酸素濃度調装置３は、流入する吸気ガスもしくは空気の流入流体に含まれる特定成分（酸素または窒素）を選択的に分離する成分分離装置３１と、この成分分離装置３１に吸気ガスの流れおよび空気の流れのうちいずれかを付与する流体流れ発生装置３７と、制御手段としてのＥＣＵ２００を備えている。成分分離装置３１および流体流れ発生装置３７は、図１に示すように、吸気管１１７より分岐する吸気通路１１８内に配置されており、吸気管１１７側から周囲空気側の開口端側に向かって、流体流れ発生装置としてのポンプ３７、成分分離装置３１の順で配置されている。

なお、燃焼制御装置１は、図１に示すように、燃料の噴射供給により動力を得る内燃機関１００、特にディーゼルエンジンに用いられ、例えば多気筒（例えば４気筒）ディーゼルエンジン（以下、エンジンと呼ぶ）１００に用いられている。エンジン１００の気筒内には、シリンダブロック１０１とピストン１０４とで区画される燃焼室１０６とを備え、燃焼室１０６に噴射供給された燃料の自己着火により燃焼する周知の内燃機関である。なお、ピストン１０４のシリンダ１０１内周壁内における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。燃焼室１０６は、ピストン１０４の往復移動により容積が増減する。なお、ここで、図１では、図面作図上、４気筒のうちの１気筒のみを示している。燃料噴射弁２は気筒ごとに設けられ、燃焼室１０６に燃料を噴射供給する。気筒には、図１に示すように、空気が流れる吸気通路を形成する吸気管１１７と、燃焼室１０６内の燃焼ガスを排出する排気通路を形成する排気管１１９とが接続されている。吸気弁（以下、吸気バルブと呼ぶ）１０７は燃焼室１０６へ導く空気の流れを遮断および許容し、排気弁（以下、排気バルブと呼ぶ）１０９は燃焼室１０６より流出する空気の流れを遮断および許容する。

なお、ここで、吸気ガスには主として空気から構成されており、以下の説明では吸気ガスおよび空気を総称して空気と呼ぶ。

成分分離装置３１は、図１に示すように、空気中の特定成分（以下、窒素とする）を透過する透過膜（以下、窒素透過膜と呼ぶ）３１ａを有する。なお具体的には、成分分離装置３１内は、窒素透過膜３１ａを基材としての隔壁３６表面に一体的に形成したハニカム構造体Ｈが設けられ、このハニカム構造体Ｈをなしている。

ハニカム構造体Ｈは、図２に示すように、外殻３６ａと多数のセル３２とを一体的に形成したものである。図３はハニカム構造体Ｈの軸方向の部分断面を模式的に示したものであり、ハニカム状に形成された各セル３２は、一端側を封止し他端側を開口したままとしている。ハニカム構造Ｈの一端側（図３に示される右端側）において、各セル３２の封止部３５と開口部３４とが千鳥状に交互に横並びするように構成されている。具体的には、ハニカム構造体Ｈは、各セル３２の一端側もしくは他端側に配置される封止部３５によって一端側から他端側へ流れる空気、および他端側から一端側へ流れる空気のいずれも自由な流通を阻止するように形成されている。

図４において、図４（ａ）、図（ｂ）、図４（ｃ）はセル形状の各実施例を模式的に示したものであって、ハニカム構造体Ｈのセル３２は、図４（ａ）に示す正方形、図（ｂ）に示す六角形、図４（ｃ）に示す三角形など適宜の形状とすることができる。なお、一端側端面ないし他端側端面におけるセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ^２（６２〜１４０個／ｃｍ^２）であることが好ましい。セル密度が４００個／ｉｎｃｈ^２未満である場合には、流通する空気の特定成分（窒素）の透過面積が不十分であり酸素富化および酸素貧化するための装置のサイズを車両に搭載可能なサイズに小型化できないおそれがある。また、セル密度が９００個／ｉｎｃｈ^２を超える場合には、ハニカム構造体Ｈ内を流通する空気の圧力損失が大きくなるおそれがあるため好ましくない。

このようなハニカム構造Ｈにおいて、各セル３２を隔てる隔壁３６の厚さは、０．０５〜１．０ｍｍであることが好ましい。隔壁３２の厚さが０．０５ｍｍ未満の場合にはハニカム構造Ｈ上強度的に不十分となるおそれがある。また、隔壁３２の厚さが１．０ｍｍを超える場合には、流体流れ発生装置３７として、駆動圧力が比較的大きいポンプを必要とするので適用ではない。

また、隔壁３６は、窒素透過膜３１ａを支持しハニカム構造体Ｈを形成する基材として、多孔質のセラミックであることが好ましく、特にコージュライトが好適である。コージュライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼結方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることが可能であり、かつ安価であるので経済的である。

さらになお、通気性を有する基材として、隔壁３６は、多孔質体の平均通孔径は１００μｍ以下であることが好ましい。

窒素透過膜３１ａは、気体中の特定成分（本実施例では窒素）を分離できるものであれば特に限定しないが、空気中の酸素と窒素とを分離するものとして、ゼオライト系材料からなる薄膜が好ましい。

なお、ここで、空気は主成分として窒素と酸素との混合物であるが、図６に示すようにその成分元素によりゼオライトへの吸着特性が大きく異なる。具体的には、ゼオライト膜を透過する空気の圧力を増加すると、空気中の窒素分子Ｎ_２の吸着量は飛躍的に増加するが、酸素分子Ｏ_２の吸着量の増加は比較的小さい。例えば、差圧を８００ｔｏｒｒとすると、窒素分子Ｎ_２の吸着量は、約１５Ｌ／ｋｇ（ただし、Ｌは付着する窒素体積、ｋｇはゼオライトの重量である）であり、酸素分子Ｏ_２の吸着量は約３Ｌ／ｋｇと非常に小さく、窒素分子Ｎ_２の吸着量の約１／５．４にすぎない。例えば、図３に示すように、ハニカム構造体Ｈの一端側（図３に示される右端側）をポンプ３７により吸引する場合には、ハニカム構造体Ｈを介して周囲空気を吸気Ａ側へ減圧吸引するので、吸気Ａ（図１参照）側へ窒素を透過し、吸気管１１７内の酸素が貧化されることになる。

図５に窒素透過膜３１ａがゼオライト膜の場合における吸気Ａの酸素濃度の調節作用を模式的に示す。ゼオライト膜３１ａは隔壁３６の表面に形成されており、ゼオライト膜３１ａを貫通する細孔３１ａｈは、多孔質からなる隔壁３６の通孔３６ｈに連通している（隔壁３６の通孔３６ｈは、ゼオライト膜３１ａを貫通する細孔３１ａｈよりもはるかに大径であるので図５の断面図では単に空間３６ｈとしている）。なお、吸気Ａ側へ流れる空気の圧力が隔壁３６側つまりゼオライト膜３１ａの表面３１ａＫ側で高く、吸気Ａ側に臨む反対表面３１ａＡ側で低くなっている。周囲空気中の窒素分子Ｎ_２はゼオライトに吸着されるので、ゼオライト膜表面３１ａＫに吸着される。細孔３１ａｈはその径が３〜７Åと極めて小さいので、吸着された窒素分子分子Ｎ_２はゼオライト膜３１ａ前後の圧力差（差圧）で細孔３１ａｈの表面上を図５中の矢印方向に移動してゼオライト膜３１ａを通過する。しかし、酸素分子Ｏ_２はゼオライト膜３１ａに吸着されにくいので細孔３１ａｈを通過することなく、ゼオライト膜表面３１ａＫの近傍に滞留する。その結果、ゼオライト膜表面３１ａＫの裏面側つまりゼオライト膜表面３１ａＡ側の吸気Ａは酸素貧化空気ａとなる。

一方、ハニカム構造体Ｈの一端側（図３に示される右端側）をポンプ３７により加圧する場合には、ハイニカム構造体Ｈを介して吸気Ａを周囲空気側へ加圧圧送するので、周囲空気側へ窒素を透過し、吸気管１１７内の酸素が貧化され吸気Ａは酸素富化空気となる。

上記酸素貧化空気もしくは酸素富化空気ａの酸素濃度Ｃ（％）は、図７に示すように、窒素透過膜３１ａに印加するポンプ３７の圧力に比例して増加する。なお具体的には、ポンプ３７の排出圧力により周囲空気側へ加圧する加圧状態を形成し、その排出圧力を増加することにより、酸素富化空気ａの酸素濃度を増大させることがきる。一方、ポンプ３７の吸入圧力により吸気Ａ側へ吸引する減圧状態を形成し、その吸入圧力を増加することにより、酸素貧化空気ａの酸素濃度を減少させることがきる。成分分離装置３１およびポンプ３７を有する酸素濃度調節装置３において、吸気Ａを酸素貧化空気もしくは酸素富化空気ａに形成する酸素濃度は、１０〜９０容量％程度に可変可能であることが好ましい。吸気中の酸素濃度Ｃを減少することにより、図９に示すように、着火時期を遅角させることができ、酸素濃度Ｃに応じた着火時期に自己着火させられる。なお、図９において、横軸はクランク角度、縦軸は筒内圧力（燃焼室１０６内の圧力）を示しており、細線で示す圧力特性は燃焼室１０６に燃料噴射をしない状態でエンジン１００を回転駆動した場合の筒内圧力特性を示している。酸素濃度Ｃが３０％（酸素富化空気ａの一実施例）、２１％、および１５％（酸素貧化空気ａの一実施例）の順に、着火時期がそれぞれ、ＣＡ１、ＣＡ２、ＣＡ３の順に遅角している。

なお、ここで、ポンプ３７の圧力の作動方向としては、周囲空気側へ加圧する加圧状態を、排出側へ空気を流す状態と呼び、吸気Ａ側へ吸引する減圧状態を、吸気Ａ側へ空気を流す状態と呼ぶ。

なお、ゼオライト膜３１ａの厚さは０．１〜１００μｍの範囲であることが好ましい。この膜厚が０．１μｍ未満の場合には、強度不足やピンホールが発生するおそれがある。また、膜厚が１００μｍを超える場合には、透過するためのゼオライト膜３１ａ前後の圧力差が所定以上に大きくなるため好ましい。

ＥＣＵ２００は、図示しないリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、入力ポート、出力ポートを相互に双方向性バスで接続した公知構成のマイクロコンピュータとして構成されている。このＥＣＵ２００は、燃料噴射弁２への通電期間を制御する。エンジンの回転速度、吸気管圧力（または吸入空気量）、冷却水温等のエンジンの運転状態を検出する図示しない各種センサ９１、９２、９３の信号を読み込み、エンジン用の各種プログラム（図示せず）に従って、燃料噴射弁２の電磁駆動部の動作を制御する。なお、詳しくは、クランクシャフトの回転状態に応じて７２０°ＣＡ毎にパルス信号を出力する基準位置センサ（図示せず）と、より細かなクランク角毎（例えば、３０°ＣＡ毎）にパルス信号を出力する回転角センサ（図示せず）とが設けられている。エンジン１００の図示しないシリンダ（ウォータジャケット）などには、冷却水温を検出するための水温センサ９８が配設されている。エンジン１００の図示しないオイルパンなどには、エンジンオイルの油温を検出するための油温センサ（図示せず）が設けられている。吸気管１１７には、吸入空気流量を検出するエアフローメータ（図示せず）、吸気温度を検出する吸気温センサ（図示せず）などが配設されている。排気管１１９には、排ガス中の酸素濃度等に比例し、空燃比信号を出力する空燃比センサ（図示せず）などが設けられている。また、運転者の要求等を検出するためのアクセルペダルセンサ（図示せず）、スロットル開度センサ（図示せず）等が設けられている。

なお、本実施形態では、吸気管１１７内には、酸素（Ｏ_２）濃度を検出するＯ_２センサ９１が設けられている。ＥＣＵ２００は、Ｏ_２センサ９１により、燃焼室１０６に導かれる吸気Ａ（酸素貧化もしくは酸素富化空気ａ）中の酸素濃度を検出し、その検出値をフィードバックさせることで、酸素貧化もしくは酸素富化空気ａを所望の酸素濃度にするためのポンプ３７の圧力を決定する。

また、排気管１１９内には、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ９２が設けられている。シリンダなどにディーゼルノック等の燃焼に伴なうノック発生を検出するノックセンサ９３が設けられている。ＥＣＵ２００は、各種センサによりエンジン１００の運転状態を検出し、その運転状態に基づいて酸素貧化もしくは酸素富化空気ａの酸素濃度Ｃを決定する。ＥＣＵ２００は、酸素貧化もしくは酸素富化空気ａを酸素濃度調節装置３により設定した酸素濃度Ｃに制御する。ＮＯｘ濃度が所定以上およびノック発生の少なくともいずれかが検出される場合には、ＥＣＵ２００は設定した酸素濃度Ｃを小さくする。

ここで、ＥＣＵ２００は、燃料噴射弁２の噴射動作を制御する噴射手段と、エンジン１００の運転状態に基づいて燃焼室１０６へ導く吸気ガスの酸素濃度Ｃを決定する酸素濃度決定手段と、その酸素濃度Ｃに応じてポンプ３７の圧力を決定する圧力決定手段と、ＮＯｘ濃度が所定以上およびノック発生の場合には、その酸素濃度Ｃを見直す学習手段とを備えている。

次に、上述した構成を有する燃焼制御装置１の制御方法、特に酸素濃度調節装置３により吸気ガス中の酸素濃度を調節する制御方法について、図８に従って説明する。図８に示すように、Ｓ３０１（Ｓはステップ）、Ｓ３０２、およびＳ３０３の制御処理では、エンジン１００の運転状態を検出するため各種センサによる検出信号をＥＣＵ２００に入力する。Ｓ３０１では、エアフローメータ、吸気温センサにより吸気管１１７内の吸気Ａの吸気温度Ｔ、および吸気量Ｆを測定する。Ｓ３０２では、水温センサ９８、油温センサにより水温Ｔｗ、油温Ｔｏを測定する。Ｓ３０３では、回転角センサなどによりエンジン回転数Ｎｅを測定する。

Ｓ３０４では、Ｓ３０１〜Ｓ３０３の制御処理で得られた各種センサによる情報Ｔ、Ｆ、Ｔｗ、Ｔｏ、Ｎｅに基づいてエンジン１００の運転状態を判定し、その判定結果に基づいてエンジン１００の運転状態に最適な燃料噴射量Ｑを決定する。Ｓ３０５では、エンジン１００の運転状態と燃料噴射量Ｑとに基づいて最適な燃焼状態となる目標着火時期ＣＡａを決定する。

Ｓ３０６では、決定した目標着火時期ＣＡａに基づいて、その目標着火時期ＣＡａに自己着火するための吸気ガス中に含まれる酸素濃度の目標値Ｃａを決定する。

Ｓ３０７では、Ｓ３０６で決定した目標酸素濃度Ｃａが酸素富化すべきものか否か判断する。目標酸素濃度Ｃａが酸素富化すべきもの（Ｃａ＞２１％）であると判断した場合には、Ｓ３０８へ移行し、ポンプ３７の作動方向を、成分分離装置３１を減圧状態とする方向に切換える。目標酸素濃度Ｃａが酸素貧化すべきもの（Ｃａ＜２１％）であると判断した場合には、Ｓ３０９へ移行し、ポンプ３７の作動方向を、成分分離装置３１を加圧状態とする方向に切換える。

Ｓ３０８、Ｓ３０９にてポンプ３７の作動方向が決定されると、Ｓ３１０では、図７に示すような酸素濃度Ｃとポンプ３７の圧力Ｐのマップを予め用意し、そのマップに基づいて目標酸素濃度Ｃａに対応するポンプ３７の圧力Ｐａを設定する。Ｓ３１１では、その作動方向とその設定圧力Ｐａとなるようにポンプ３７を駆動制御する。

Ｓ３１１でポンプ３７を駆動制御すると、Ｓ３１２では、吸気Ａ（詳しくは酸素貧化もしくは酸素富化空気ａ）中の実酸素濃度Ｃｍを、Ｏ_２センサ９１により測定する。

Ｓ３１３では、実酸素濃度Ｃｍが目標酸素濃度Ｃａとなっているか否かを判断する。実酸素濃度Ｃｍが目標酸素濃度Ｃａとなっている場合には、Ｓ３２１へ移行する。実酸素濃度Ｃｍが目標酸素濃度Ｃａとずれがある場合には、Ｓ３１４へ移行する。

Ｓ３１４では、設定圧力Ｐａを、そのずれ分を補正したポンプ３７の圧力に変更し、Ｓ１１に移行してその変更後の設定圧力Ｐａでポンプ３７を駆動制御する。

Ｓ３２１では、目標酸素濃度Ｃａに実酸素濃度Ｃｍがコントロールされている状態において、ノックセンサ９３の検出信号に基づいてノックの発生があるか否かを判断する。ノックの発生がある場合には、Ｓ３１４に移行してポンプ３７の設定圧力Ｐａを、ノック発生防止するよう補正（小さく）した圧力に変更する。ノックの発生がない場合には、Ｓ３２２へ移行する。

Ｓ３２２では、ＮＯｘセンサ９２の検出信号に基づいてＮＯｘ濃度もしくはＮＯｘ排出量（本実施例では、ＮＯｘ濃度）が所定値以下であるか否かを判断する。ＮＯｘ濃度が所定値以下である場合には、設定中の作動方向および設定圧力Ｐａでポンプ３７の駆動制御を継続し、Ｓ３０１へ戻る。ＮＯｘ濃度が所定値を超える場合には、Ｓ３１４に移行してポンプ３７の設定圧力Ｐａを、ＮＯｘ濃度が所定値以下になるよう補正した圧力に変更する。なお、この場合、補正した圧力が設定圧力Ｐａを減圧状態から加圧状態、あるいは加圧状態から減圧状態へ切換えるものである場合には、ポンプ３７の作動方向も切換えるようにする。

これにより、燃焼室１０６内に噴射供給される燃料と空気の成分以外に他の流体成分を添加することなく、酸素濃度Ｃを変化させることで着火時期を制御できる。また、この酸素濃度Ｃの制御中に、ノック発生もしくはＮＯｘ濃度が所定値以上発生する場合には、ノックの発生防止およびＮＯｘ濃度を所定値以下とするようにポンプ３７の設定圧力Ｐａを変更し、目標酸素濃度Ｃａの設定を見直すようにする。

以上の制御方法により、エンジン１００の運転状態に対応して、吸気ガスＡを、目標酸素濃度Ｃａに設定される酸素貧化もしくは酸素富化空気ａにし、燃焼室１０６内で燃料と混合した混合気の自己着火する着火時期を制御することができる。さらに、エンジン１００の運転状態がノック発生もしくはＮＯｘ濃度が所定値以上発生すると判断される場合には、目標酸素濃度Ｃａの設定を見直すので、ＮＯｘの発生をより効果的に低減することができ、かつノック発生を抑制できる。

次に、本実施形態の作用効果を説明すると、（１）本実施形態では、空気中の酸素濃度Ｃを調節する酸素濃度調節装置３を備え、これにより吸気ガスＡを、酸素貧化空気もしくは酸素富化空気ａにするので、調節される酸素貧化空気もしくは酸素富化空気ａの酸素濃度Ｃに応じて着火時期を調節される。したがって、燃焼室１０６内に噴射供給される燃料と空気の成分以外に他の流体成分を添加することなく、酸素濃度Ｃを変化させることで着火時期を制御できる。

（２）なお、本実施形態では、酸素濃度調節装置３は、空気中の窒素成分を選択的に透過するゼオライト膜３１ａを有する成分分離装置３１と、この成分分離装置３１に吸気ガスの流れおよび空気の流れのうちいずれかを付与するポンプ３７とを備え、成分分離装置３１とポンプ３７は、吸気管１１７に分岐する吸気通路１１８に設けられ、吸気管１１７側から周囲空気側の開口端側に向かって、ポンプ３７、成分分離装置３１の順で配置されている。これにより、ポンプ３７の作動方向を切換えることで、ゼオライト膜３１ａに対して吸気Ａ側へ吸引する減圧状態と、周囲空気側へ加圧する加圧状態のいずれかを設定できるので、吸気Ａを酸素貧化空気ａと、吸気Ａを酸素貧化空気ａに切換えられる。

（３）本実施形態では、ゼオライト膜３１ａを用いたが、空気中の窒素成分を選択的に透過する透過膜であれば、いずれの窒素透過膜であってもよい。これにより、ポンプ３７の作動方向を切換えることで窒素透過膜３１ａの前後に生じた差圧状態に応じて、吸気Ａを酸素貧化空気ａと、吸気Ａを酸素富化空気ａに切換えられる。

なお、ゼオライト膜３１ａであることが好ましい。空気は主成分として窒素と酸素との混合物であるが、窒素と酸素ではゼオライトへの吸着特性が大きく異なる。ゼオライト膜を透過する空気の圧力を増加すると、空気中の窒素分子Ｎ_２の吸着量は飛躍的に増加するが、酸素分子Ｏ_２の吸着量の増加は比較的小さい。そのため、ゼオライト膜３１ａの前後に生じた差圧状態に応じて、吸気Ａを効果的に酸素貧化、酸素富化にすることができる。

（４）さらになお、本実施形態では、窒素透過膜３１ａを基材としての隔壁３６表面に一体的に形成したハニカム構造体Ｈを、成分分離装置３１に内蔵している。これにより、小体積で窒素透過膜３１ａの表面積を比較的広くすることができるので、小型で空気中の窒素成分と酸素成分を効率的に分離できる成分分離装置３１とすることができる。

（５）なお、ハニカム構造体Ｈは、一端側に封止部３５を他端側に開口部３４を有するセル３２を、封止部３５と開口部３４とが交互に横並びするように構成されていることが好ましい。隣り合うセルの開口部３４を交互に封止することでハニカム構造体Ｈは空気の自由な流通を阻止することができる。したがって、隔壁３６の表面上に形成される窒素透過膜３１ａ表面を有効に活用でき、窒素透過膜３１ａによる空気中の窒素成分の分離が高効率的に行なえる。

（６）なお、上記基材を形成する隔壁３６は、コージェライトなどの多孔質を有するセラミックであることが好ましい。これにより、コージュライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼結方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることが可能であり、かつ安価であるので経済的である。

（７）なお、本実施形態では、エンジン１００の運転状態を検出し、検出した運転状態に対応した目標着火時期ＣＡａに相当する目標酸素濃度Ｃａを設定する。これにより、エンジン１００の運転状態に応じた最適な着火時期で自己着火させることができる。

（８）さらになお、本実施形態では、このとき、エンジン１００の運転状態がノック発生もしくはＮＯｘ濃度が所定値以上発生すると判断される場合には、目標酸素濃度Ｃａの設定を見直すので、ＮＯｘの発生をより効果的に低減することができ、かつノック発生を抑制できる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰返さない。

第１の実施形態では、空気中の窒素を選択的に透過するゼオライト膜３１ａを有する成分分離装置３１を用いてポンプ３７の作動方向を切換えることにより吸気Ａを酸素貧化および酸素富化にした。第２の実施形態では、図１０に示すように、空気中の酸素を選択的に透過する酸素透過膜３８ａを有する成分分離装置３８と、この成分分離装置３８に接続する吸気通路１１８ｂと上記成分分離装置３１に接続する吸気通路１１８ａを切換える切換手段としての制御弁３９を備えるように構成する。図１０は、本実施形態の内燃機関の燃焼制御装置の構成を示す模式的断面図である。図１１は、図１０中の酸素濃度調節装置の構成の一つである酸素透過膜を示す図であって、酸素透過膜における窒素と酸素との透過の違いを説明する模式的断面図である。図１２は、各成分の分子径を示すグラフである。図１３は、図１中の酸素濃度調節装置の作動を説明するフローチャートである。

図１０に示すように、吸気通路１１８は、制御弁３９を介して吸気通路１１８ａと吸気通路１１８ｂに並列に分岐している。ポンプ３７の作動方向は、窒素透過膜３１ａおよび酸素透過膜３８ａに対して吸気Ａ側へ吸引する減圧状態を付与するように設定されている。これにより、制御弁３９により吸気通路１１８と連通する吸気通路１１８ａ、１１８ｂを切換えることで、ポンプ３７の設定する圧力Ｐａに応じた窒素透過膜３１ａによる酸素富化空気ａの形成と、酸素透過膜３８ａによる酸素貧化空気ａの形成を選択できる。

なお、酸素透過膜３８ａは、空気中の酸素成分を分離できるものであれば特に限定しないが、ゼオライト系材料からなる分子ふるい膜が好ましい。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる気体成分を選別することができる。

排気ガス環流装置（ＥＧＲ）を有するエンジンの場合では吸気ガスは空気と排気の一部からなるため、エンジン１００の吸気ガスは、図１２に示される気体成分が含まれる場合がある。これらの気体成分は分子レベルで大きさが、図１２に示すように異なる。周知のようにその分子径は、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）＜酸素（Ｏ_２）＜窒素（Ｎ_２）＜一酸化炭素（ＣＯ）ないし炭化水素ＣｎＨｍの順に大きい。よって分子ふるい膜の細孔径を酸素の分子径よりも大きく、かつ窒素の分子径よりも小さくすることにより、酸素を透過して窒素と分離することができる。酸素の透過効率などを考慮すると、具体的にはその分子ふるい膜３８ａの細孔径は０．３５〜０．５ｎｍであることが好ましい。なお、より好ましくは０．３５〜０．３８ｎｍである。

なお、その分子ふるい膜３８ａを基材の表面に一体的に形成されたハニカム構造体を、成分分離装置３８に収容していることが好ましい。

なお、ここで、成分分離装置３１、３８と、制御弁３９と、ポンプ３７は、酸素濃度調節装置２０３を構成する。

次に、上述した構成を有する燃焼制御装置１の制御方法、特に酸素濃度調節装置３により吸気ガス中の酸素濃度を調節する制御方法について、図１３に従って説明する。Ｓ３０１（Ｓはステップ）、Ｓ３０２、およびＳ３０３の制御処理では、エンジン１００の運転状態を各種センサにより検出し、Ｓ３０４、Ｓ３０５、およびＳ３０６の制御処理で、エンジン１００の運転状態に応じた燃料噴射量Ｑ、目標着火時期ＣＡａ、目標酸素濃度Ｃａをそれぞれ決定する。

Ｓ３０７では目標酸素濃度Ｃａが酸素富化すべきものか否か判断し、目標酸素濃度Ｃａが酸素富化すべきものである場合には４０８へ移行し、制御弁３９を切換え、酸素透過膜３８ａ側が連通するようにする。目標酸素濃度Ｃａが酸素貧化すべきものである場合にはＳ４０９へ移行し、制御弁３９を切換え、酸素透過膜３８ａ側が連通するようにする。Ｓ３１０で目標酸素濃度Ｃａに対応するポンプ３７の圧力Ｐａを設定し、Ｓ３１１でその設定圧力Ｐａとなるようにポンプ３７を駆動制御する。

このような構成にしても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（他の実施形態）
以上説明した第１の実施形態では、ポンプ３７の作動方向を切換えて窒素透過膜３１ａの前後を流通しようとする空気の流れ方向を切換えたが、ポンプ３７に限らず、窒素透過膜３１ａに空気を流す方向を切換えるものであればいずれの装置であってもよい。

以上説明した本実施形態では、気体中の特定成分を分離する透過膜として、成分元素により吸着特性が異なるゼオライト膜３１ａや、分子サイズを選別する細孔径を有する分子ふるい膜３８ａで説明したが、成分元素により溶解し易さが異なるシリコン系材料膜としてもよい。この場合、窒素に比べて酸素がシリコン系材料膜に溶解し易いので、酸素を選択的に透過し、窒素と酸素の分離ができる。

本発明の第１の実施形態の内燃機関の燃焼制御装置の構成を示す模式的断面図である。図１中の酸素濃度調節装置の構成部材であって、窒素透過膜を有する構造体を示す斜視図である。図２の構造体の断面図である。図２の構造体のセル形状を示す図であって、図４（ａ）、図４（ｂ）、および図４（ｃ）は、セル形状の各実施例を示す平面図である。図３中の窒素透過膜における窒素と酸素との透過の違いを説明する模式的断面図である。図３中の窒素透過膜に対する差圧による吸着量の変化を窒素と酸素について比較して示したグラフである。図１中の窒素透過膜に発生する差圧と酸素濃度との関係を模式的に示すグラフである。図１中の酸素濃度調節装置の作動を説明するフローチャートである。第１の実施形態の作用効果を説明するタイムチャートである。第２の実施形態の内燃機関の燃焼制御装置の構成を示す模式的断面図である。図１０中の酸素濃度調節装置の構成の一つである酸素透過膜を示す図であって、酸素透過膜における窒素と酸素との透過の違いを説明する模式的断面図である。各成分の分子径を示すグラフである。図１中の酸素濃度調節装置の作動を説明するフローチャートである。

符号の説明

１燃焼制御装置
２燃料噴射弁
３酸素濃度調節装置（酸素濃度調節手段）
３１成分分離装置
３１ａゼオライト膜（窒素透過膜）
３１ａｈ細孔
３２セル
３４開口部
３５封止部
３６隔壁（基材）
３６ｈ通孔
３７ポンプ（流体流れ発生装置）
９１Ｏ_２センサ
９２ＮＯｘセンサ
９３ノックセンサ
１００エンジン（内燃機関）
１０６燃焼室
１１７吸気管
１１８吸気通路
１１９排気管
２００ＥＣＵ（制御手段）

Claims

燃焼室に吸気ガスを導くとともに、前記燃焼室内に流入した前記吸気ガス内に燃料を噴射し、前記吸気ガスと混合しながら自己着火により燃焼する内燃機関に用いられ、
前記吸気ガス中の酸素濃度を調節する酸素濃度調節手段を備え、
前記酸素濃度調節手段は、吸気ガスの酸素濃度を富化および貧化することにより着火時期を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
前記酸素濃度調節手段は、空気中の窒素成分を選択的に透過する窒素透過膜を備え、
前記窒素透過膜により前記吸気ガスを前記燃焼室へ導く側の窒素成分を富化および貧化することにより酸素濃度を調節することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記窒素透過膜は、前記吸気ガスを前記燃焼室に導く吸気通路に分岐して配置され、
前記酸素濃度調節手段は、前記窒素透過膜に空気を流す方向を切換えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記酸素濃度調節手段は、空気中の酸素成分を選択的に透過する酸素透過膜と、前記酸素透過膜に接続する通路と前記窒素透過膜に接続する通路を切換える切換手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記酸素濃度調節手段は、前記内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出した運転状態に基づいて目標着火時期を決定し、これに対応した酸素濃度を設定する酸素濃決定手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記酸素濃度調節手段は、前記検出手段により検出した運転状態に基づいてノックの発生および窒素酸化物の所定以上排出のうち少なくともいずれかの状態であると判断される場合には、前記酸素濃度の設定を小さくする学習制御手段を備えていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃焼制御装置。