JP2006274944A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両に搭載可能な装置でＮＯｘの排出低減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水素を供給し、吸気ガスと水素が混合した混合気の燃焼により出力を得る内燃機関１００に用いられ、
吸気ガスＡに窒素富化空気ａを導入する窒素富化導入装置３を備えている。なお、窒素富化導入装置３は、空気中の窒素成分を選択的に透過する窒素透過膜３１ａを備え、窒素透過膜３１ａにより吸気ガスＡを燃焼室１０６へ導く側の窒素成分を富化することことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、例えば水素の燃焼により出力を得る水素燃料内燃機関の燃焼制御装置に適用して好適なものである。

内燃機関としては、例えば水素エンジンにおいて、燃焼室から排出される排気を冷却して水として廃棄し、残った排気のガス成分を、燃焼室に供給する吸気として利用することで、排気の有害成分であるＮＯｘの排出を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開平１１−９３６８１公報

従来技術ではＮＯｘの排出抑制を図ることはできるが、しかしながら従来技術を車両用内燃機関に適用しようとすると、多量の排気中の水蒸気を冷却し水として廃棄するための装置の大型化は避けられずその大きさが搭載上困難であったり、冷却するために多量消費されるエネルギを確保することが難しいという問題がある。

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、車両に搭載可能な装置でＮＯｘの排出低減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。

また、別の目的は、車両に搭載可能な装置でＮＯｘの排出低減が可能であるとともに、ノック発生防止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５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水素を供給し、吸気ガスと水素が混合した混合気の燃焼により出力を得る内燃機関に用いられ、
吸気ガスに窒素富化空気を導入する導入手段を備えていることを特徴としている。

これにより、吸気ガスの酸素濃度を下げ、水素と酸素による混合気の燃焼速度を下げられる。したがって、燃焼室の燃焼温度を下げ、窒素酸化物の発生を低減できる。さらに、燃焼室に導く吸気ガスの酸素濃度を調節するだけであるので、排気を後処理により水とガス成分に分離し、水を廃棄するための装置のような大掛かりな装置を必要としない。したがって、車両に搭載可能な小型な装置でＮＯｘの排出低減が可能である。

また、請求項２に記載の発明では、導入手段は、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低下させるのに、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、ゼオライト膜であることを特徴としている。これによると、窒素透過膜は、ゼオライト膜であることが好ましい。空気は主として窒素と酸素との混合物であるが、窒素と酸素とではゼオライトへの吸着特性は大きく異なり、ゼオライトへの窒素吸着により窒素を濃縮して透過させられる。

また、請求項４に記載の発明では、導入手段は、窒素透過膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることを特徴としている。これにより、小体積で窒素透過膜の表面積を比較的広く確保することができ、小型化が図れる。

また、請求項５乃至６に記載の発明では、導入手段は、内燃機関の運転状態を検出する検出手段を備え、検出手段により検出した運転状態に基づいて燃焼室内の温度を予測し、この予測した温度に基づいて酸素濃度を設定す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基づいて燃焼室内の温度を予測し、この予測した温度に基づいて窒素富化する吸気ガスの目標酸素濃度を設定するので、内燃機関の運転状態より推定される燃焼室内温度に応じて酸素濃度を変更することで、燃焼室の燃焼温度を所定以下に下げ、窒素酸化物の発生を低減できる。

また、請求項６に記載の発明では、導入手段は、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、目標酸素濃度の設定を変更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目標酸素濃度を変更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、燃焼温度を制御するための物理量としての目標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。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中の窒素富化空気を吸気へ導入する導入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中の導入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へ導かれる空気、もしくは空気と排気の一部からなる吸気ガスに、窒素富化空気を導入する導入装置（窒素富化空気導入装置と呼ぶ）３を備えており、窒素富化空気導入装置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、窒素富化空気導入装置３は、流入する空気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に空気の流れ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、気体燃料の噴射供給により動力を得る内燃機関１００、特に燃料に水素を用いる水素燃料エンジンに用いられ、例えば多気筒（例えば４気筒）の水素燃料エンジン（以下、エンジンと呼ぶ）に用いられている。燃料に水素など気体を用いる場合、気体燃料の運動エネルギが比較的小さく、気体噴霧の貫徹力は、軽油等の液体燃料に比べて小さい。気体は液体燃料と異なり蒸発気化済みであるので空気と混ざりにくい。また、気体燃料（特に水素）は、ガソリンと同様に、自己着火し難い特性を有している。そのため、燃焼室内に導かれた吸気ガス内に、気体燃料を噴射し、吸気ガスと混合した混合気を形成させ、燃焼室内の圧縮により混合気を圧縮後、点火により燃焼させて動力を得る燃焼方法を用いる。

しかし、気体燃料（特に水素）は、ＮＯｘの排出量が懸念される。特に水素は、例えばガソリンに比べて燃焼速度が極めて高い（約１０倍）ので、燃焼温度が高温になるためサーマルＮＯｘが発生し易い。なお、水素は、他のＨＣ系の気体燃料よりも燃焼速度が高い。

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、水素を噴射供給する水素噴射弁２と、火花放電部に形成される局所の混合気に着火を行なう点火栓等の点火装置１０５とを備えている。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。水素噴射弁２は気筒ごとに設けられ、燃焼室１０６に水素を噴射供給する。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、吸気ガスＡが流れる吸気管１１７へ窒素富化空気が送り込まれ、吸気管１１７内の吸気ガスの酸素が貧化されて酸素貧化空気ａが形成される。

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は窒素富化空気つまり酸素貧化空気ａとなる。

上記酸素貧化空気ａの酸素濃度Ｃ（％）は、図７に示すように、窒素透過膜３１ａの前後に印加するポンプ３７の差圧ΔＰに比例して増加する。なお具体的には、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で差圧ΔＰを増加させることにより、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を有する窒素富化導入装置３において、吸気Ａを酸素貧化空気ａに形成する酸素濃度Ｃは、５〜２１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を減少させることで、図９に示すように燃焼室温度Ｔを下げることができ、燃焼ガスの燃焼温度（燃焼室温度）を下げられる。これにより、サーマルＮＯｘの発生を抑制でき、ＮＯｘの排出量の低減ができる。なお、図９において、横軸は酸素濃度Ｃ、縦軸は筒内温度（燃焼室１０６室温度）Ｔを示しており、図９中に示すＮＯｘ発生領域の燃焼室温度は、エンジン１００の運転状態の一例を示している。

なお、ここで、ポンプ３７の圧力の作動方向において、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、図７において、ゼオライト膜３１ａの前後に作用する差圧ΔＰは、ポンプ３７の圧力（吸引圧力）と周囲空気との圧力差であるので、ポンプ３７の圧力に対応する。

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、水素噴射弁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、水素噴射弁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空気ａの酸素濃度Ｃを決定する。ＥＣＵ２００は、窒素富化空気導入装置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を変更（小さく）する。

ここで、ＥＣＵ２００は、水素噴射弁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温度を推定する燃焼室温度推定手段と、推定された燃焼室温度に基づいて燃焼室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、特に窒素富化導入装置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Ｔｆ、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とに基づいて燃焼室温度Ｔｃを推定する。

Ｓ３０６では、その燃焼室温度Ｔｃが所定温度以上であるか否かを判断する。燃焼室温度Ｔｃが所定温度以上である場合にはＳ３０７へ移行する。燃焼室温度Ｔｃが所定温度未満である場合には当該処理を終了しＳ３０１へ戻る。なお、所定温度は、例えば図９に示すＮＯｘが発生する温度とする。

Ｓ３０７では、図９に示すような酸素濃度Ｃと燃焼室温度Ｔのマップを予め用意し、そのマップに基づいて燃焼室温度Ｔｃが所定温度以下となるように酸素濃度の目標値Ｃａを決定する。

Ｓ３０８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。Ｓ３０９では、その設定圧力Ｐａとなるようにポンプ３７を駆動制御する。

Ｓ３０９でポンプ３７を駆動制御すると、Ｓ３１０では、吸気Ａ（詳しくは酸素貧化空気ａ）中の実酸素濃度Ｃｍを、Ｏ_２センサ９１により測定する。

Ｓ３１１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、Ｓ３１２へ移行する。

Ｓ３１２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、Ｓ３０９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、Ｓ３１２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、Ｓ３１２に移行して設定圧力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。

これにより、吸気ガスＡを酸素濃度Ｃの酸素貧化空気ａに調節することで、水素と酸素による混合気の燃焼速度を下げれ、燃焼室温度Ｔｃが所定温度以下になるように燃焼を制御できる。したがって、燃焼室１０６の燃焼温度を下げることができ、ＮＯｘの排出量の低減ができる。また、この酸素濃度Ｃ調節の制御中に、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の運転状態における燃焼室温度Ｔｃを推定し、推定した燃焼室温度Ｔｃが所定温度以上の場合には、吸気ガスＡを目標酸素濃度Ｃａの酸素貧化空気ａに調節して、燃焼室温度Ｔｃが所定温度以下にすることができる。したがって、サーマルＮＯｘの発生が懸念される水素燃料エンジン１００において、燃焼室１０６の燃焼温度を所定温度以下に下げ、ＮＯｘの排出量を低減するように燃焼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、水素燃料エンジンにおいて、吸気ガスＡに窒素富化空気を導入する窒素富化空気導入装置３を備えている。これにより、燃焼速度が非常に高い水素燃料であっても、吸気ガスの酸素濃度を下げ、水素と酸素による混合気の燃焼速度を低下させられる。さらに、さらに、燃焼室１０６に導く吸気ガスＡの酸素濃度Ｃを調節するだけであるので、排気を後処理により水とガス成分に分離し、水を廃棄するための装置のような大掛かりな装置を必要としない。したがって、車両に搭載可能な装置でＮＯｘの排出低減が可能である。

（２）なお、本実施形態では、窒素富化空気導入装置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に空気の流れを付与するポンプ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を吸引方向に作動させることで、ゼオライト膜３１ａに対して吸気Ａ側へ吸引する減圧状態を設定できるので、吸気Ａを酸素貧化空気ａに形成できる。

（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の作動により窒素透過膜３１ａの前後に差圧を生じさせて、吸気Ａを酸素貧化空気ａとすることができる。

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確保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基づいて燃焼室温度Ｔｃを予測する。その予測した燃焼室温度Ｔｃ基づいて吸気ガスＡを酸素貧化空気ａとする目標酸素濃度Ｃａを設定するので、推定した燃焼室温度Ｔｃが所定温度以上の場合には、吸気ガスＡを目標酸素濃度Ｃａの酸素貧化空気ａに調節して、燃焼室温度Ｔｃが所定温度以下にすることができる。したがって、サーマルＮＯｘの発生が懸念される水素燃料エンジン１００において、燃焼室１０６の燃焼温度を所定温度以下に下げ、ＮＯｘの排出量を低減するように燃焼制御することができる。

（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。

（他の実施形態）
以上説明した本実施形態では、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の順で配置したが、成分分離装置３１、ポンプ３７の順で配置する構成としてもよい。この場合、ポンプ３７の作動方向は、ゼオライト膜３１ａに対して吸引圧力を付与するものに代えて、加圧圧力を付与するものとする。これにより、ゼオライト膜３１ａ前後に、本実施形態と同様な差圧ΔＰを作用させられる。

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で説明したが、分子サイズを選別する細孔径を有する分子ふるい膜や、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。

本発明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中の窒素富化空気を吸気に導入する導入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中の導入装置の作動を説明するフローチャートである。 本発明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。

符号の説明

１ 燃焼制御装置
２ 水素噴射弁
３ 窒素富化空気導入装置（窒素富化空気導入手段）
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）
９１ Ｏ_２センサ
９２ ＮＯｘ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
２００ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (6)

1. 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水素を供給し、前記吸気ガスと前記水素が混合した混合気の燃焼により出力を得る内燃機関に用いられ、
   前記吸気ガスに窒素富化空気を導入する導入手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記導入手段は、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。
3. 前記窒素透過膜は、ゼオライト膜であ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。
4. 前記導入手段は、前記窒素透過膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記導入手段は、前記内燃機関の運転状態を検出する検出手段を備え、
   前記検出手段により検出した運転状態に基づいて前記燃焼室内の温度を予測し、
   この予測した温度に基づいて窒素富化する前記吸気ガスの目標酸素濃度を設定す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。
6. 前記導入手段は、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、前記目標酸素濃度の設定を変更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。

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