JP6572939B2 - 内燃機関のガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気（空気）を「大気より酸素濃度が高い酸素富化空気」又は「大気より酸素濃度が低い窒素富化空気」に改質し、その改質した空気を燃焼室に供給する、内燃機関のガス供給装置に関する。

従来から知られるこの種の内燃機関のガス供給装置の一つ（以下、「従来装置」と称呼される。）は、過給機（ターボチャージャ）、ガス分離装置、第１ガス貯留装置、第２ガス貯留装置、第１弁、第２弁及び第３弁を備える（例えば、特許文献１を参照。）。ガス分離装置は、過給機のコンプレッサによって加圧された大気（圧縮空気）を、酸素富化空気と窒素富化空気とに分離する膜構造（酸素富化膜）を有する。

第１ガス貯留装置は、ガス分離装置にて分離された酸素富化空気を貯留する。第１弁は、第１ガス貯留装置から燃焼室に供給される酸素富化空気の量を制御する。
第２ガス貯留装置は、ガス分離装置にて分離された窒素富化空気を貯留する。第２弁は、第２ガス貯留装置から燃焼室に供給される窒素富化空気の量を制御する。
第３弁は、コンプレッサから、ガス分離装置を通過することなく燃焼室に供給される圧縮空気の量を制御する。

特開２０１６−１６６６０２号公報

大気を、酸素富化膜を用いて酸素富化空気と窒素富化空気とに分離するためには、酸素富化膜を境にして区分された２つの空間の間に圧力差（以下、「膜差圧」と称呼される。）を発生させる必要がある。従来装置は、当該２つの空間のうちの一方の空間に「過給機により加圧された大気」を導入することによって、膜差圧を発生させている。

しかしながら、内燃機関が「過給機が実質的に過給（大気の圧縮・加圧）を行えない非過給域」において運転されている場合、従来装置は、十分な大きさの膜差圧を発生できない。即ち、内燃機関が非過給域において運転されている場合、従来装置は酸素富化空気又は窒素富化空気を燃焼室に供給することができない。

本発明は上述した課題に対処するためになされた。即ち、本発明の目的の一つは、内燃機関の運転状態に依ることなく大気を「酸素富化空気又は窒素富化空気」に改質でき、その改質した空気を燃焼室内に供給できる、内燃機関のガス供給装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）を提供することにある。

本発明装置は、筐体（４８ａ）と酸素富化膜（４８ｂ）とを有するとともに当該筐体内の空間が当該酸素富化膜によって第１空間と第２空間とに分離された酸素富化膜モジュールと、
一端から大気が流入可能であり且つ他端が前記第１空間と連通した第１空気通路を構成する第１管部（４３ａ）と、
一端が前記第１空間と連通し且つ他端が内燃機関の燃焼室（２２）と連通した第２空気通路を構成する第２管部（４３ｂ）と、
前記第２空間に高圧の大気を供給することにより前記第２空間の圧力を増加可能であり且つ前記第２空間の空気を当該第２空間から前記筺体の外部へと排出することにより前記第２空間の圧力を減少可能であるポンプ部（６２）と、
前記ポンプ部の駆動状態を制御する制御部（７０）と、
を備え、
前記制御部は、
前記第２空間の圧力が増加するように前記ポンプ部を駆動して前記第２空間に前記高圧の大気を供給することにより、前記第２空間から前記酸素富化膜を通して前記第１空間へと大気よりも酸素濃度が高められた空気を供給し、当該第１空間に供給された当該酸素濃度が高められた空気を、前記第１空気通路を通して前記第１空間に流入した大気と合流させて前記第２空気通路を通して前記燃焼室に供給する酸素富化制御（図１２のステップ１２４０乃至ステップ１２５５）、及び、
前記第２空間の圧力が減少するように前記ポンプ部を駆動して当該第２空間の空気を当該第２空間から前記筺体の外部へと排出することにより、前記第１空間から前記酸素富化膜を通して前記第２空間へと大気よりも酸素濃度が高められた空気を排出して当該第１空間に大気よりも窒素濃度が高められた空気を生成し、当該窒素濃度が高められた空気を、前記第２空気通路を通して前記燃焼室に供給する窒素富化制御（図１２のステップ１２６０乃至ステップ１２７５）、
を実行するように構成されている。

これによれば、酸素富化制御を実行するとき、第２空間の圧力が増加するようにポンプ部を駆動して第２空間に高圧の大気を供給することにより、酸素富化膜を通して第１空間に大気よりも酸素濃度が高められた空気を流入させるのに必要な圧力差（膜差圧）を、第１空間と第２空間とに生じさせている。

窒素富化制御を実行するとき、第２空間の圧力が減少するようにポンプ部を駆動して第２空間の空気を第２空間から筐体の外部へと排出することにより、酸素富化膜を通して第２空間に大気よりも酸素濃度が高められた空気を排出するのに必要な圧力差（膜差圧）を、第１空間と第２空間とに生じさせている。

従って、内燃機関が非過給域であっても、ポンプ部を駆動することによって、酸素富化空気及び窒素富化空気を燃焼室に供給することができる。

本発明装置の一態様において、
前記筐体（４８ａ）は、
前記第１空間と前記第１空気通路の前記他端とを連通する第１連通孔（４８ａ１）と、
前記第１空間と前記第２空気通路の前記一端とを連通する第２連通孔（４８ａ２）と、
を備え、且つ、
前記第１連通孔と前記第２連通孔とが互いに対向する位置に形成され、
前記第１管部は、
前記第１空気通路の前記他端が前記第１連通孔と連通するように前記筺体に接続され、
前記第２管部は、
前記第２空気通路の前記一端が前記第２連通孔と連通するように前記筺体に接続されている。

上記一態様によれば、上記第１連通孔と上記第２連通孔とが互いに対向する位置に形成されている。このため、燃焼室に向けて酸素富化膜モジュールを通過している大気が酸素富化膜と接触する面積が大きく、或いは、接触している時間が長い。従って、燃焼室に向けて酸素富化膜モジュールを通過している大気を効率よく酸素富化空気又は窒素富化空気へと改質できる。

本発明装置の一態様において、
前記第２空間の圧力が所定開弁圧以上になったときに開弁することによって前記第２空間の空気を前記筐体の外部へと排出する逆止弁（６３）を備えている。

上記一態様によれば、第２空間の圧力が所定開弁圧以上になっときに逆止弁が開弁され、第２空間の空気が外部へ排出される。従って、第２空間の空気中の酸素の分圧が過少になる可能性を低くすることができ、以て、酸素富化空気への改質を十分にできる。

本発明装置の一態様において、
一端が前記ポンプ部に接続された第３空気通路を構成する第３管部（６１ａ）と、
前記逆止弁によって開閉される第４空気通路を構成する第４管部（６１ｂ）と、
を備え、
前記筐体は、
前記第２空間と前記第３空気通路とを連通する第３連通孔（４８ａ３）と、
前記第２空間と前記第４空気通路とを連通する第４連通孔（４８ａ４）と、
を備え、且つ、
前記第３連通孔と前記第４連通孔とが互いに対向する位置に形成され、
前記第３管部は、
前記第３空気通路の他端が前記第３連通孔と連通するように前記筺体に接続され、
前記第４管部は、
前記第４空気通路が前記第４連通孔と連通するように前記筺体に接続されている。

上記一態様によれば、第３連通孔と第４連通孔とが互いに対向する位置に形成されている。このため、ポンプ部から圧送される大気が酸素富化膜と接触する面積が大きく、或いは、接触している時間が長い。従って、第１空間に供給できる酸素濃度が高められた空気の量が多くなり、以て、燃焼室に向けて酸素富化膜モジュールを通過している大気を効率よく酸素富化空気へと改質できる。

本発明装置の一態様において、
酸素富化膜は、
両端面が開放された中空の筒状であり、前記第１連通孔と前記第２連通孔とを接続するように配設されることにより、前記酸素富化膜の内側の空間が前記第１空間を構成し且つ前記筐体内の空間のうち前記第１空間以外の空間が前記第２空間を構成し、
前記筺体は、
前記第３連通孔と前記第４連通孔とを結ぶ方向が、前記第１連通孔と前記第２連通孔とを結ぶ方向と直交する面に平行な方向となるように、前記第１連通孔、前記第２連通孔、前記第３連通孔及び前記第４連通孔が形成されている。

上記一態様によれば、第３連通孔と第４連通孔とを結ぶ方向が、第１連通孔と第２連通孔とを結ぶ方向と直交する面に平行な方向となっている。従って、酸素富化モジュールを通過している大気を効率よく酸素富化空気へと改質できる。

本発明装置の一態様において、
前記第１管部に配設された前記内燃機関（１０）の過給機（４５）のコンプレッサ（４５ａ）と、
前記第１管部であって前記コンプレッサと前記酸素富化膜モジュールとの間に配設され且つその開度を変更することによって前記第１空気通路の通路断面積を変更する第１スロットル弁（４７ａ）と、
前記第２管部であって前記酸素富化膜モジュールと前記内燃機関の燃焼室との間に配設され且つその開度を変更することによって前記第２空気通路の通路断面積を変更する第２スロットル弁（４９ａ）と、
を備え、
前記制御部は、
前記酸素富化制御を実行する場合、前記第１スロットル弁の開度を前記内燃機関の燃焼室に要求される空気の流量である筒内要求吸入空気流量に応じて変更し（図１２のステップ１２５５）、前記第２スロットル弁の開度を当該第２スロットル弁を全開にしたときの開度に設定し（図１２のステップ１２５０）、
前記窒素富化制御を実行する場合、前記第１スロットル弁の開度を当該第１スロットル弁を全開にしたときの開度に設定し（図１２のステップ１２７０）、前記第２スロットル弁の開度を前記筒内要求吸入空気流量に応じて変更する（図１２のステップ１２７５）、
ように構成されている。

上記一態様によれば、酸素富化制御を実行するとき、第１スロットル弁の開度、及び、第２スロットル弁の開度が上記のように設定されている。このため、酸素富化膜モジュールの第１空間が負圧になる。従って、ポンプ部によって大きな加圧をしなくても膜差圧を発生させることがき、以て、エネルギー効率良く酸素富化空気を供給できる。

更に、上記一態様によれば、窒素富化制御を実行するとき、第１スロットル弁の開度及び第２スロットル弁の開度が上記のように設定される。このため、酸素富化膜モジュールの第１空間が正圧になる。従って、ポンプ部によって大きな減圧をしなくても膜差圧を発生させることができ、以て、エネルギー効率良く窒素富化空気を供給できる。

本発明装置の一態様において、
前記制御部は、
前記ポンプ部の駆動を停止し（図１２のステップ１２３０）、前記第１スロットル弁の開度を当該第１スロットル弁を全開にしたときの開度に設定し（図１２のステップ１２２０）、且つ、前記第２スロットル弁の開度を前記筒内要求吸入空気流量に応じて変更する（図１２のステップ１２２５）ことにより、前記第１空気通路から前記第１空間に流入する空気を改質することなく前記第２空気通路を通して前記燃焼室に供給する通常制御を実行するように構成されている。

上記一態様によれば、ポンプ部の駆動を停止して上記通常制御を実行する。従って、無駄にポンプ部にてエネルギーが消費されない。

本発明装置の一態様において、
一端が前記第１空気通路の前記コンプレッサと前記第１スロットル弁との間に連通し且つ他端が前記第２空気通路の前記第２スロットル弁と前記燃焼室との間に連通する第５空気通路を構成する第５管部（９０）と、
前記第５管部に配設され且つその開度を変更することによって前記第５空気通路の通路断面積を変更する第３スロットル弁（８１ａ）と、
を備え、
前記制御部は、
前記酸素富化制御及び前記窒素富化制御の何れかを実行する場合、前記第３スロットル弁の開度を当該第３スロットル弁を全閉にしたときの開度に設定し、
前記通常制御を実行する場合、前記第３スロットル弁の開度を前記筒内要求吸入空気流量に応じて変更する、
ように構成されている。

上記一態様によれば、通常制御するとき、酸素富化膜モジュールに空気が流れないため、酸素富化膜モジュールに空気が流れるときに生じる圧力損失がない。従って、エネルギーが無駄に消費されないため、燃費を向上することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置が適用された内燃機関の概略図である。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、酸素富化膜モジュールの縦断面の概略図である。 図３（Ａ）は、酸素富化膜モジュールの構成を示す概略図である。図３（Ｂ）は、酸素富化膜のメカニズムを説明するための模式図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置の作動の概要を説明するためのタイムチャートである。 図５（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置の作動の概要を説明するための概略図である。図５（Ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置の作動の概要を説明するための概略図である。図５（Ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置の作動の概要を説明するための概略図である。 図６は、酸素富化膜モジュールの膜外部空間の圧力（膜外部圧力）と酸素富化膜モジュールの膜外部空間の酸素濃度（膜外部酸素濃度）との関係を示すグラフである。 図７は、参考例のガス供給装置が適用された内燃機関の概略図である。 図８は、参考例のガス供給装置が酸素富化制御を実行しているときの吸入空気等の組成、流量及び圧力を示したグラフである。 図９は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置が酸素富化制御を実行しているときの吸入空気等の組成、流量及び圧力を示したグラフである。 図１０は、参考例の内燃機関のガス供給装置が窒素富化制御を実行しているときの吸入空気等の組成、流量及び圧力を示したグラフである。 図１１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置が窒素富化制御を実行しているときの吸入空気等の組成、流量及び圧力を示したグラフである。 図１２は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置のＥＣＵのＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関のガス供給装置が適用された内燃機関の概略図である。 図１４は、本発明の第３実施形態に係る内燃機関のガス供給装置が適用された内燃機関の概略図である。

以下、本発明の各実施形態に係る内燃機関のガス供給装置について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の全図において、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。

＜第１実施形態＞
（構成）
本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス供給装置（以下、「第１ガス供給装置」と称呼される場合がある。）は、図示しない車両に搭載された「図１に示された内燃機関１０（以下、単に「機関１０」と称呼される。）」に適用される。機関１０は多気筒（本例においては、直列４気筒）・４サイクル・ピストン往復動型・ディーゼル機関である。尚、機関１０はガソリン機関であってもよい。機関１０は機関本体部２０、吸気システム４０及び排気システム５０を含んでいる。

機関本体部２０は図示しないシリンダブロック、シリンダヘッド及びクランクケース等を含む本体を含んでいる。本体には４つの気筒（燃焼室）２２が形成されている。各気筒２２の上部には図示しない燃料噴射弁（インジェクタ）が配設されている。燃料噴射弁は、後述するエンジンＥＣＵ（電子制御ユニット）７０の指示に応答して開弁し、気筒２２内に燃料を直接噴射するようになっている。

吸気システム４０は、インテークマニホールド４１、サージタンク４２、第１管部４３ａ及び第２管部４３ｂを含む吸気管４３、エアクリーナ４４ａ、ターボチャージャ４５のコンプレッサ４５ａ、インタークーラ４６、第１スロットル弁４７ａ、第１スロットル弁アクチュエータ４７ｂ、酸素富化膜モジュール４８、第２スロットル弁４９ａ、並びに、第２スロットル弁アクチュエータ４９ｂを含んでいる。

インテークマニホールド４１は、各気筒２２に連通可能なように接続している複数の枝状の導管である。この枝状の導管は、その一端が、これらの導管の集合部であるサージタンク４２に接続しており、その他端が気筒２２に接続している。更に、サージタンク４２は、吸気管４３の第２管部４３ｂと連通している。インテークマニホールド４１、サージタンク４２及び吸気管４３は吸気通路を構成している。尚、酸素富化膜モジュール４８より上流側の第１管部４３ａが構成する吸気通路は、便宜上「第１空気通路」とも称呼される。酸素富化膜モジュール４９より下流側の第２管部４３ｂが構成する吸気通路は、便宜上「第２空気通路」とも称呼される。

吸気管４３には、矢印ａ１にて示す吸入空気の流れの上流から下流に向け、エアクリーナ４４ａ、コンプレッサ４５ａ、インタークーラ４６、第１スロットル弁４７ａ、酸素富化膜モジュール４８、及び、第２スロットル弁４９ａが順に配設（介装）されている。更に、酸素富化膜モジュール４８は、第３管部６１ａ及び第４管部６１ｂを含む補助導管６１にも配設されている。具体的に述べると、酸素富化膜モジュール４８は、吸気管４３と補助導管６１との合流部に配設されている。補助導管６１には、矢印ａ２にて示す補助空気の流れの上流から下流に向け、エアクリーナ４４ｂ、周知のロータリーポンプ６２、酸素富化膜モジュール４８、及び、逆止弁６３が順に配設（介装）されている。

補助導管６１は、空気が通過する空気通路（以下、「外部経路」と称呼される場合がある。）を構成している。尚、酸素富化膜モジュール４８より上流側の第３管部６１ａが構成する空気通路は、便宜上「第３空気通路」とも称呼される。尚、酸素富化膜モジュール４８より下流側の第４管部６１ｂが構成する空気通路は、便宜上「第４空気通路」とも称呼される。

ロータリーポンプ６２は、正転させられたとき、ロータリーポンプ６２の下流に加圧した補助空気を吐出し、それにより酸素富化膜モジュール４８に第３空気通路を通じて補助空気を圧送するようになっている。更に、ロータリーポンプ６２は、逆転させられたとき、第３空気通路を通じて酸素富化膜モジュール４８から補助空気を吸引／排出するようになっている。ロータリーポンプ６２は、便宜上「ポンプ部」とも称呼される。

逆止弁６３は、外部経路の「酸素富化膜モジュール４８よりも下流側位置」に配設されている。逆止弁６３は、酸素富化膜モジュール４８から流出する気体（空気）の圧力が所定開弁圧以上であるとき開弁し、酸素富化膜モジュール４８から逆止弁６３への気体（空気）の流れを許容するようになっている。換言すると、逆止弁６３は、酸素富化膜モジュール４８から流出する気体（空気）の圧力が所定開弁圧未満であるとき閉弁していて、酸素富化膜モジュール４８から逆止弁６３への気体（空気）の流れを遮断／阻止するようになっている。従って、逆止弁６３は、逆止弁６３から酸素富化膜モジュール４８への気体（空気）の流れも遮断／阻止するようになっている。

エアクリーナ４４ａ及びエアクリーナ４４ｂのそれぞれは、補助空気中の異物を除去する濾過装置である。コンプレッサ４５ａは、タービン４５ｂと共にターボチャージャ４５を構成している。タービン４５ｂの回転軸はコンプレッサ４５ａの回転軸と連結されている。タービン４５ｂは、排気通路を流れる排気（排ガス）を受けることにより回転し、これによりコンプレッサ４５ａを回転させる。コンプレッサ４５ａが回転することにより、吸気通路を通過する空気が圧縮（過給）される。

インタークーラ４６は、ターボチャージャ４５（コンプレッサ４５ａ）の出口とインテークマニホールド４１との間に設けられている吸入空気の冷却装置である。インタークーラ４６は、吸入空気の温度を低下するようになっている。

第１スロットル弁４７ａは、第１スロットル弁４７ａが配設されている部分の吸気通路の開口断面積を可変とすることにより、吸気通路を通過する空気の量を調節する。第１スロットル弁アクチュエータ４７ｂはＥＣＵ７０の指示に応じて第１スロットル弁４７ａの開度（以下、「第１スロットル弁開度」と称呼される。）を変更するようになっている。尚、第１スロットル弁４７ａは、便宜上「第１弁」とも称呼され、第１スロットル弁開度は、便宜上「第１弁開度」とも称呼される。更に、第１スロットル弁アクチュエータ４７ｂは第１スロットル弁開度を検出するための第１スロットル開度センサ４７ｃを含んでいる。

酸素富化膜モジュール４８は、必要に応じて、大気を「酸素富化空気及び窒素富化空気の何れか」に改質するようになっている。酸素富化空気は、酸素濃度が大気の酸素濃度よりも高く、窒素濃度が大気の窒素濃度よりも低い空気である。窒素富化空気は、窒素濃度が大気の窒素濃度よりも高く、酸素濃度が大気の酸素濃度よりも低い空気である。酸素富化膜モジュール４８は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図３（Ａ）に示したように、ケーシング部４８ａと、酸素富化膜（高分子膜）４８ｂと、を備える。

ケーシング部４８ａは、金属製であって、略円筒形状を有する。ケーシング部４８ａの内部は空間（空洞）である。ケーシング部４８ａは、その軸方向が吸気管４３の軸方向と一致するように吸気管４３に配設（介装）されている。

ケーシング部４８ａの一端面には、複数の第１連通孔４８ａ１が形成されている。ケーシング部４８ａの他端面には、複数の第２連通孔４８ａ２が形成されている。第１連通孔４８ａ１のそれぞれと、第２連通孔４８ａ２のそれぞれとは、互いに対向する位置に形成されている。即ち、互いに対向する「一つの第１連通孔４８ａ１及び一つの第２連通孔４８ａ２」は、ケーシング部４８ａの軸方向と平行な直線を中心軸とするように形成されている。

ケーシング部４８ａの側面の一部には第３連通孔４８ａ３が形成されている。ケーシング部４８ａの側面の他部には第４連通孔４８ａ４が形成されている。第３連通孔４８ａ３及び第４連通孔４８ａ４は、ケーシング部４８ａの軸方向の中央付近において互いに対向するように、当該軸方向と直交する直線を中心軸とするように形成されている。

酸素富化膜４８ｂは、ポリイミド樹脂及びシリコーン等のポリマーからなる周知の膜である（例えば、特開２００７−１１３４５９号公報及び特開２０１３−３２７０８号公報を参照。）。酸素富化膜４８ｂは、空気（大気）中の酸素分子及び窒素分子のそれぞれが酸素富化膜４８ｂに溶解、拡散、脱離する過程において、酸素分子の酸素富化膜４８ｂに対する透過速度が、窒素分子の酸素富化膜に対する透過速度に比べて大きいことを利用して、空気の酸素濃度及び窒素濃度を変化させる。

酸素富化膜４８ｂは、中空の円筒状であって両端面が開放されるように形成されている。酸素富化膜４８ｂの一端面は第１連通孔４８ａ１に配設され、酸素富化膜４８ｂの他端面は第２連通孔４８ａ２に配設されている。即ち、互いに対向する「第１連通孔４８ａ１及び第２連通孔４８ａ２」は、筒状の酸素富化膜４８ｂによって接続されている。

従って、第１連通孔４８ａ１及び第２連通孔４８ａ２のそれぞれと、酸素富化膜４８ｂの内側の中空と、は連通している。一方、ケーシング部４８ａの内部の空間であって且つ酸素富化膜４８ｂの外側の空間と、第３連通孔４８ａ３及び第４連通孔４８ａ４のそれぞれとは連通している。以下、ケーシング部４８ａの内部の空間であって且つ酸素富化膜４８ｂの外側の空間は、「膜外部空間」と称呼される場合がある。これに対し、酸素富化膜４８ｂの内側の空間は、「膜内部空間」と称呼される場合がある。尚、膜内部空間は、便宜上「第１空間」とも称呼される。膜外部空間は、便宜上「第２空間」とも称呼される。

第３連通孔４８ａ３は、ロータリーポンプ６２側の補助導管６１（第３管部６１ａ）と接続され、その補助導管６１が形成する空気通路（外部経路）と連通している。
第４連通孔４８ａ４は、逆止弁６３側の補助導管６１（第４管部６１ｂ）と接続され、その補助導管６１が形成する空気通路（外部経路）と連通している。

ロータリーポンプ６２を用いて、膜外部空間の空間の圧力を上昇（加圧）させたり、当該空間の圧力を低下（減圧）させたり、することができる。換言すると、ロータリーポンプ６２により、膜内部空間に比べて膜外部空間を高い圧力にしたり、膜内部空間に比べて膜外部空間を低い圧力にしたりすることができる。即ち、酸素富化膜４８ｂを境にした膜内部空間と膜外部空間との間に圧力差を生じさせることができる。

前述したように、酸素富化膜４８ｂは、空気の酸素濃度及び窒素濃度を変化させることができる。より具体的に述べると、図３（Ｂ）に示したように、酸素富化膜４８ｂを境にして圧力差が生じたとき、酸素富化膜４８ｂの高圧側（加圧側）の面に接触する「酸素分子及び窒素分子」は、当該加圧側の面から酸素富化膜４８ｂに溶解し、酸素富化膜４８ｂ中で拡散し、次いで、酸素富化膜４８ｂの低圧側（減圧側）の面から脱離する。このとき、酸素の酸素富化膜４８ｂに対する透過係数Ｚ_Ｏ２は、窒素の酸素富化膜４８ｂに対する透過係数Ｚ_Ｎ２より大きい。

従って、酸素分子は窒素分子より早く酸素富化膜４８ｂを透過する。換言すると、高圧側から酸素富化膜４８ｂを透過して低圧側に移動する単位時間当たりの酸素分子の量は、高圧側から酸素富化膜４８ｂを透過して低圧側に移動する単位時間当たりの窒素分子の量よりも多い。これにより、酸素富化膜４８ｂを透過した側の空気は酸素富化空気となり、酸素富化膜４８ｂを透過しない側の空気は、窒素富化空気になる。尚、酸素の酸素富化膜４８ｂの透過量Ｑ_Ｏ２は、図３中に示した式（１）によって表される。窒素の酸素富化膜４８ｂの透過量Ｑ_Ｎ２は、図３中に示した式（２）によって表される。

第１ガス供給装置は、このような酸素富化膜４８ｂの特性を利用して、酸素富化膜モジュール４８に供給される吸入空気の酸素濃度を、その吸入空気より酸素濃度が高い酸素富化空気及びその吸入空気より酸素濃度が低い（窒素濃度が高い）窒素富化空気に改質する。そして、第１ガス供給装置は。その酸素富化空気及び窒素富化空気のうちの一方（即ち、改質した吸入空気）を燃焼室２２内へ供給する。

具体的に述べると、第１ガス供給装置は、第１連通孔４８ａ１から膜内部空間に流入する吸入空気を酸素富化空気に改質し、その酸素富化空気を第２連通孔４８ａ２から排出する場合、ロータリーポンプ６２を正転させる。その結果、外部経路及び第３連通孔４８ａ３から膜外部空間に導入された補助空気の圧力が膜内部空間の吸入空気の圧力よりも高くなる。従って、膜外部空間の補助空気が、酸素富化膜４８ｂを透過して膜内部空間に放出される酸素濃度の高い空気と、膜外部空間に残存する窒素濃度の高い空気と、に分離される。そして、図２（Ａ）に示したように、膜内部空間に放出された酸素濃度の高い空気が、第１連通孔４８ａ１から膜内部空間に流入した吸入空気と混合される。これにより、第１連通孔４８ａ１から膜内部空間に流入した吸入空気が酸素富化空気に改質され、その酸素富化空気が第２連通孔４８ａ２から排出される。その酸素富化空気は、吸気管４３（第２管部４３ｂ）及びサージタンク４２を通過して燃焼室２２へ供給される。

これに対し、第１ガス供給装置は、第１連通孔４８ａ１から膜内部空間に流入する吸入空気を窒素富化空気に改質し、その窒素富化空気を第２連通孔４８ａ２から排出する場合、ロータリーポンプ６２を逆転させる。その結果、第１連通孔４８ａ１から膜内部空間に導入された吸入空気の圧力が膜外部空間の補助空気の圧力よりも高くなる。従って、図２（Ｂ）に示したように、膜内部空間の吸入空気が、酸素富化膜４８ｂを透過して膜外部空間に放出される酸素濃度の高い空気と、膜内部空間に残存する窒素濃度の高い空気と、に分離される。これにより、第１連通孔４８ａ１から膜内部空間に流入した吸入空気が窒素富化空気に改質され、その窒素富化空気が第２連通孔４８ａ２から排出される。その窒素富化空気は、吸気管４３（第２管部４３ｂ）及びサージタンク４２を通過して燃焼室２２へ供給される。

再び図１を参照すると、第２スロットル弁４９ａは、第２スロットル弁４９ａが配設されている部分の吸気通路の開口断面積を可変とすることにより、吸気通路を通過する空気の量を調節する。第２スロットル弁アクチュエータ４９ｂはＥＵＣ７０の指示に応じて第２スロットル弁４９ａの開度（以下、「第２スロットル弁開度」と称呼される。）を変更するようになっている。尚、第２スロットル弁４９ａは、便宜上「第２弁」とも称呼され、第２スロットル弁開度は、便宜上「第２弁開度」とも称呼される。更に、第２スロットル弁アクチュエータ４９ｂは第２スロットル弁開度を検出するための第２スロットル開度センサ４９ｃを含んでいる。

排気システム５０は、エキゾーストマニホールド５１、排気管５２及びターボチャージャ４５のタービン４５ｂを含んでいる。

エキゾーストマニホールド５１は「各気筒２２に接続された枝部」及び「枝部が集合した集合部」を含んでいる。排気管５２はエキゾーストマニホールド５１の集合部に接続されている。エキゾーストマニホールド５１及び排気管５２は排気通路を構成している。タービン４５ｂは排気管５２に配設されている。

ＥＣＵ７０は、周知のマイクロコンピュータを含む電子回路であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ及びインターフェース等を含む。ＥＣＵ７０は、以下に述べるセンサ類と接続されていて、これらのセンサからの信号を受信（入力）するようになっている。更に、ＥＣＵ７０は、各種アクチュエータに指示（駆動）信号を送出し、機関１０を制御するようになっている。

ＥＣＵ７０は、第１スロットル開度センサ４７ｃ、及び、第２スロットル開度センサ４９ｃに接続されている。第１スロットル開度センサ４７ｃは、第１スロットル弁４７ａの第１スロットル弁開度を検出し、第１スロットル弁開度ＴＡ１を表す信号を出力するようになっている。第２スロットル開度センサ４９ｃは、第２スロットル弁４９ａの第２スロットル弁開度を検出し、第２スロットル弁開度ＴＡ２を表す信号を出力するようになっている。

更に、ＥＣＵ７０は、吸気管圧力センサ７５ａ乃至７５ｄ、補助導管圧力センサ７５ｅ、及び、酸素濃度センサ７６、機関回転速度センサ７７、水温センサ７８及びアクセルペダル操作量センサ７９と接続されている。

吸気管圧力センサ７５ａは、吸気通路内であってインタークーラ４６よりも下流であって、且つ、第１スロットル弁４７ａよりも上流の吸気管４３内の吸入空気の圧力Ｐ１を表す信号を出力する。
吸気管圧力センサ７５ｂは、吸気通路内であって第１スロットル弁４７ａよりも下流であって、且つ、酸素富化膜モジュール４８よりも上流の吸気管４３内の吸入空気の圧力Ｐ２を表す信号を出力する。
吸気管圧力センサ７５ｃは、吸気通路内であって酸素富化膜モジュール４８よりも下流であって、且つ、第２スロットル弁４９ａよりも上流の吸気管４３内の吸入空気の圧力Ｐ３を表す信号を出力する。
吸気管圧力センサ７５ｄは、吸気通路内であって第２スロットル弁４９ａより下流であって、且つ、サージタンク４２よりも上流の吸気管内の吸入空気の圧力Ｐ４を表す信号を出力する。
補助導管圧力センサ７５ｅは、外部経路内であってロータリーポンプ６２よりも下流であって、且つ、酸素富化膜モジュール４８よりも上流の補助導管６１内の補助空気の圧力Ｐ５を表す信号を出力する。

酸素濃度センサ７６は、エアクリーナ４４ａを通って吸気通路内に導入された吸入空気（即ち、大気）中の酸素濃度Ｏairを表す信号を出力する。

機関回転速度センサ７７は、機関１０の回転速度（機関回転速度）ＮＥを測定し、この機関回転速度ＮＥを表す信号を出力するようになっている。

水温センサ７８は、機関本体部２０のシリンダブロック部に配設されている。水温センサ７８は、機関本体部２０を冷却する冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）を測定し、この冷却水温ＴＨＷを表す信号を出力するようになっている。

アクセルペダル操作量センサ７９は、車両のアクセルペダル７９ａの操作量（アクセル開度）を検出し、アクセルペダル操作量ＡＰを表す信号を出力するようになっている。

（作動の概要）
次に、第１ガス供給装置が行う作動の概要について説明する。第１ガス供給装置は、機関１０の運転状態に応じて燃焼室内に供給される吸入空気の酸素濃度（及び窒素濃度）を変更する。

具体的に述べると、ＥＣＵ７０は、機関１０の運転状態に基づいて気筒２２（燃焼室）内に供給される吸入空気の酸素濃度の目標値（即ち、目標酸素濃度Ｏtg）を決定する。ＥＣＵ７０は、酸素濃度センサ７６で取得した「吸入空気（大気）の酸素濃度Ｏair」と「目標酸素濃度Ｏtg」とを比較する。

尚、以下において、酸素濃度センサ７６で取得した吸入空気（大気）の酸素濃度Ｏairは「検出酸素濃度Ｏair」と称呼される。
気筒２２に最終的に供給される吸入空気は「気筒吸入空気」と称呼される。
吸気管４３を通して酸素富化膜モジュール４８内に流入する直前の状態の吸入空気は「富化膜流入空気」と称呼される。
大気と同一組成の空気は「通常空気」と称呼される。
第１スロットル弁４７ａが全開であるときのスロットル弁開度は「第１全開開度」と称呼される。
第２スロットル弁４９ａが全開であるときのスロットル弁開度は「第２全開開度」と称呼される。

検出酸素濃度Ｏairの大きさが目標酸素濃度Ｏtgと同じである場合、ＥＣＵ７０は、富化膜流入空気の酸素濃度を酸素富化膜モジュール４８によって変更することなく、富化膜流入空気を気筒吸入空気として気筒２２に供給する「通常制御」を行う。
検出酸素濃度Ｏairが目標酸素濃度Ｏtgより小さい場合、ＥＣＵ７０は、富化膜流入空気の酸素濃度を酸素富化膜モジュール４８によって上昇させることにより、気筒吸入空気の酸素濃度を上昇させる「酸素富化制御」を行う。尚、検出酸素濃度Ｏairが目標酸素濃度Ｏtgより小さい場合、ＥＣＵ７０は酸素富化要求を発生する。
検出酸素濃度Ｏairが目標酸素濃度Ｏtgより大きい場合、ＥＣＵ７０は、富化膜流入空気の酸素濃度を酸素富化膜モジュール４８によって低下させることにより、気筒吸入空気の酸素濃度を低下（窒素濃度を上昇）させる「窒素富化制御」を行う。尚、検出酸素濃度Ｏairが目標酸素濃度Ｏtgより大きい場合、ＥＣＵ７０は窒素富化要求を発生する。

例えば、図４に示した例において、時刻ｔ０から時刻ｔ１の直前の時点までの期間、検出酸素濃度Ｏairの大きさは目標酸素濃度Ｏtgと同じである。従って、この期間においては、酸素富化要求及び窒素富化要求の何れもが発生していない。

酸素富化要求及び窒素富化要求の何れもが発生していない場合、ＥＣＵ７０は、図５（Ａ）に示した以下の作動を行う。
・ＥＣＵ７０は、ロータリーポンプ６２を停止する。
・ＥＣＵ７０は、第１スロットル弁４７ａの第１スロットル弁開度ＴＡ１を「第１全開開度」に設定する。
・ＥＣＵ７０は、「機関回転速度ＮＥ及び筒内要求吸気流量」に基づいて、吸気管圧力センサ７５ｄが配設されている部分の圧力の目標値を、目標吸気圧Ｐim４として決定する。尚、筒内要求吸気流量は、気筒２２に要求される気筒吸入空気の流量である。ＥＣＵ７０は、「機関回転速度ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰ」に基づいて、筒内要求吸気流量を別途算出している。
・ＥＣＵ７０は、吸気管圧力センサ７５ｄにより検出される吸入空気の圧力Ｐ４が目標吸気圧Ｐim４と一致するように第２スロットル弁開度ＴＡ２を制御する。

この場合、酸素富化膜モジュール４８において、膜内部空間と膜外部空間との間に圧力差が実質的に生じない。このため、図５（Ａ）のブロックＢ１に示したように、通常空気である富化膜流入空気は、酸素富化膜４８ｂを透過することなく膜内部空間を通過し、第２連通孔４８ａ２から吸気管４３の吸気通路に放出される。従って、富化膜流入空気は、その酸素濃度が変化されないまま酸素富化膜モジュール４８を通過して気筒吸入空気となる。尚、このように酸素富化膜モジュール４８を通過し、第２連通孔４８ａ２から吸気管４３に排出される空気は、便宜上「排出吸入空気」とも称呼される。

図４に示した例においては、時刻ｔ１にて目標酸素濃度Ｏtgが大きくなる。その結果、時刻ｔ１にて、検出酸素濃度Ｏairが目標酸素濃度Ｏtgより小さくなるので、酸素富化空気が要求される。即ち、時刻ｔ１にて酸素富化要求が発生する。そこで、ＥＣＵ７０は、時刻ｔ１にて酸素富化制御を開始する。

この場合、ＥＣＵ７０は、図５（Ｂ）に示した以下の作動を行う。
・ＥＣＵ７０は、第２スロットル弁４９ａの第２スロットル弁開度ＴＡ２を「第２全開開度」に設定する。
・ＥＣＵ７０は、機関回転速度ＮＥ及び筒内要求吸気流量に基づいて、吸気管圧力センサ７５ｂが配設されている部分の圧力の目標値を、目標吸気圧Ｐim２として決定する。
・ＥＣＵ７０は、吸気管圧力センサ７５ｂにより検出される吸入空気の圧力Ｐ２が目標吸気圧Ｐim２と一致するように第１スロットル弁４７ａの第１スロットル弁開度ＴＡ１を制御する。
・ＥＣＵ７０は、筒内要求吸気流量及び目標酸素濃度Ｏtgに基づいて目標膜差圧Ｐｄを決定する。この場合、目標膜差圧Ｐｄは正の値である。
・ＥＣＵ７０は、補助空気の圧力の目標値（即ち、膜外部空間の圧力の目標値）である目標ポンプ圧Ｐpumpを、目標吸気圧Ｐim２と目標膜差圧Ｐｄとを加算した圧力（Ｐim２＋Ｐｄ）に設定する。
・ＥＣＵ７０は、ロータリーポンプ６２によって圧送される補助空気の圧力Ｐ５（補助導管圧力センサ７５ｅにより検出される圧力Ｐ５）が目標ポンプ圧Ｐpumpに一致するように、ロータリーポンプ６２を正転させる。

これにより、膜外部空間の圧力が目標ポンプ圧Ｐpump（＝Ｐim２＋Ｐｄ）に一致し、膜内部空間の圧力が目標吸気圧Ｐim２に一致する。従って、膜外部空間が高圧側になり、膜内部空間が低圧側になり、ＰpumpからＰim２を減じた膜差圧Ｐｄ（＝Ｐpump−Ｐim２＞０）が生じる。

この結果、図５（Ｂ）のブロックＢ２に示したように、補助導管６１及び第３連通孔４８ａ３を通じて膜外部空間に供給された補助空気が酸素富化膜４８ｂを透過して膜内部空間に放出される。この膜内部空間に放出される補助空気は、酸素富化膜４８ｂを透過する前の補助空気（通常空気）より酸素濃度が大きくなる。一方、膜外部空間の補助空気は、通常空気より酸素濃度が小さくなる。

この結果、富化膜流入空気は酸素富化空気に改質され、その改質された酸素富化空気が気筒吸入空気（排出吸入空気）となって気筒２２に供給される。このような「時刻ｔ１以降の制御」が酸素富化制御である。

この酸素富化制御により、図４に示したように、時刻ｔ１から膜差圧（Ｐ５−Ｐ２）が目標膜差圧Ｐｄ（＝Ｐpump（正圧）−Ｐim（負圧）＞０）に向かって上昇すると共に、排出吸入空気及び気筒吸入空気の酸素濃度Ｏｄが目標酸素濃度Ｏtgに向かって上昇する。更に、時刻ｔ２以降において、膜差圧（Ｐ５−Ｐ２）が目標膜差圧Ｐｄに一致し、排出吸入空気及び気筒吸入空気の酸素濃度Ｏｄが目標酸素濃度Ｏtgに一致する。

尚、上述の酸素富化制御を開始した後、ロータリーポンプ６２が正転を続ける結果、逆止弁６３に加わる膜外部圧力Ｐ５が所定開弁圧以上になったとき、逆止弁６３が開弁される。これにより、膜外部空間の「窒素濃度が高く且つ酸素濃度が低い補助空気」が第４連通孔４８ａ４を通って外部（大気）に排出され、通常空気が第３連通孔４８ａ３を通って膜外部空間流入する。従って、図６のグラフにより示したように、膜外部空間の酸素濃度がＯ_２下限に維持される。よって、膜外部空間の酸素濃度が低下し過ぎないので、膜外部空間の酸素の分圧と膜内部空間の酸素の分圧との差（分圧差）が、酸素が酸素富化膜４８ｂを透過するために必要な分圧差以上の値に維持される。

図４に示した例においては、時刻ｔ３にて目標酸素濃度Ｏtgが小さくなる。その結果、時刻ｔ３にて、検出酸素濃度Ｏairが目標酸素濃度Ｏtgより大きくなるので、窒素富化空気が要求される。即ち、時刻ｔ３にて窒素富化要求が発生する。そこで、ＥＣＵ７０は、時刻ｔ３にて窒素富化制御を開始する。

この場合、ＥＣＵ７０は、図５（Ｃ）に示した以下の作動を行う。
・ＥＣＵ７０は、第１スロットル弁４７ａの第１スロットル弁開度ＴＡ１を「第１全開開度」に設定する。
・ＥＣＵ７０は、機関回転速度ＮＥ及び筒内要求吸気流量に基づいて、吸気管圧力センサ７５ｄが配設されている部分の圧力の目標値を、目標吸気圧Ｐim４として決定する。
・ＥＣＵ７０は、吸気管圧力センサ７５ｄにより検出される吸入空気の圧力Ｐ４が目標吸気圧Ｐim４と一致するように第２スロットル弁４９ａの第２スロットル弁開度ＴＡ２を制御する。
・ＥＣＵ７０は、筒内要求吸気流量及び目標酸素濃度Ｏtgに基づいて目標膜差圧Ｐｄを決定する。この場合、目標膜差圧Ｐｄは負の値である。
・ＥＣＵ７０は、補助空気の圧力の目標値（即ち、膜外部空間の圧力の目標値）である目標ポンプ圧Ｐpumpを、「吸気管圧力センサ７５ａにより検出されるインタークーラ通過直後の圧力Ｐ１」と「目標膜厚差圧Ｐｄ」とを加算した圧力（Ｐ１＋Ｐｄ）に設定する。尚、この場合、第１スロットル弁開度ＴＡ１が「第１全開開度」であるから、富化膜流入空気の圧力（従って、膜内部空間の圧力）と圧力Ｐ１とは実質的に等しい。
・ＥＣＵ７０は、ロータリーポンプ６２によって圧送される補助空気の圧力Ｐ５（補助導管圧力センサ７５ｅにより検出される圧力Ｐ５）が目標ポンプ圧Ｐpumpに一致するように、ロータリーポンプ６２を逆転させる。即ち、ＥＣＵ７０は、膜外部空間の圧力を減圧する。

これにより、膜外部空間の圧力が目標ポンプ圧Ｐpump（＝Ｐ１＋Ｐｄ）に一致する。一方、前述したように、膜内部空間の圧力は圧力Ｐ１と実質的に等しい。従って、膜外部空間が低圧側になり、膜内部空間が高圧側になり、ＰpumpからＰ１を減じた膜差圧Ｐｄ（＝Ｐpump−Ｐ１＜０）が生じる。

この結果、図５（Ｃ）のブロックＢ３に示したように、第１連通孔４８ａ１を通じて膜内部空間に供給された空気が酸素富化膜４８ｂを透過して膜外部空間に放出される。この膜外部空間に放出される空気は、酸素富化膜４８ｂを透過する前の空気（通常空気）より酸素濃度が大きくなる。従って、膜内部空間に残存して当該膜内部空間を通流する空気は、通常空気より酸素濃度が小さい窒素富化空気となる。

この結果、富化膜流入空気は窒素富化空気に改質され、その改質された窒素富化空気が気筒吸入空気（排出吸入空気）となって気筒２２に供給される。このような「時刻ｔ３以降の制御」が窒素富化制御である。

この窒素富化制御により、図４に示したように、時刻ｔ３から膜差圧（Ｐ５−Ｐ２）が目標膜差圧Ｐｄ（＝Ｐpump（負圧）−Ｐ１（正圧））に向かって減少すると共に、排出吸入空気及び気筒吸入空気の酸素濃度Ｏｄが目標酸素濃度Ｏtgに向かって減少する。更に、、時刻ｔ４以降において、膜差圧（Ｐ５−Ｐ２）が目標膜差圧Ｐｄに一致し、排出吸入空気及び気筒吸入空気の酸素濃度Ｏｄが目標酸素濃度Ｏtgに一致する。以上が、第１ガス供給装置の作動の概要である。

（第１ガス供給装置の効果）
第１ガス供給装置は、例えば、図７に示した典型的な内燃機関２００のガス供給装置である参考例に比べて、以下に述べるように優れた効果を有する。

（参考例の構成）
参考例においては、インタークーラ４６を通過した吸入空気が、酸素富化膜モジュール４８を通過する際に酸素富化空気及び窒素富化空気に分離される。その酸素富化空気は酸素タンク２２１に貯留され、その窒素富化空気は窒素タンク２２２に貯留される。参考例が備えるＥＣＵ（図示省略）は、スロットル弁アクチュエータ２１１ｂ乃至２１３ｂに信号を送り、酸素用スロットル弁２１１ａ、窒素用スロットル弁２１２ａ及び空気用スロットル弁２１３ａのスロットル弁開度をそれぞれ適宜制御することにより、以下に述べる酸素富化制御及び窒素富化制御を行う。尚、スロットル弁２１１ａ乃至２１３ａのスロットル弁開度は、スロットル開度センサ２１１ｃ乃至２１３ｃによりそれぞれ検出される。

（参考例の酸素富化制御と、第１ガス供給装置の酸素富化制御と、の対比）
参考例のＥＣＵは、酸素富化制御を行うとき、空気用スロットル弁２１３ａのスロットル弁開度を「所定のスロットル弁開度（例えば、中間程度のスロットル弁開度）」に設定し、酸素用スロットル弁２１１ａのスロットル弁開度を「酸素用スロットル弁２１１ａを全開にしたときのスロットル弁開度」に設定し、窒素用スロットル弁２１２ａを「窒素用スロットル弁２１２ａを全閉にしたときのスロットル弁開度」に設定する。

この場合、図７に示し且つ以下に規定する「ガスＦａ１乃至ガスＦａ３、並びに、ガスＦＮ１及びガスＦo１」の流量及び組成の一例は、図８に示されたようになる。
・ガスＦａ１は、インタークーラ４６を通過するガス（インタークーラ通過空気）である。
・ガスＦａ２は、ガスＦａ１が分岐したガスであって酸素富化膜モジュール４８に流入するガス（酸素分離部通過空気）である。
・ガスＦａ３は、ガスＦａ１が分岐したガスであって空気用スロットル弁２１３ａを通過するガス（第３弁通過空気）である。
・ガスＦＮ１は、ガスＦａ２が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の窒素富化空気である。
・ガスＦｏ１は、ガスＦａ２が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の酸素富化空気である。
尚、前述したように、酸素用スロットル弁２１１ａの開度は全開の開度であり、窒素用スロットル弁２１２ａの開度は全閉の開度であるから、気筒２２内に供給されるガスは、ガスＦａ３とガスＦｏ１（酸素富化空気）とが合流したガス（Ｆａ３＋Ｆｏ１）となる。

図８において、最も左側の棒グラフはインタークーラ通過空気に対応し、中央の棒グラフはインタークーラ通過空気が酸素富化膜モジュール４８に向かう空気と空気用スロットル弁２１３ａに向かう空気とに分離した後の空気に対応し、最も右側の棒グラフは気筒２２に供給されるガス（サージタンク４２に流入する空気）及び大気放出されるガスに対応している。

図８から理解されるように、参考例においては、「気筒２２に供給されるガスである酸素富化空気（Ｆｏ１＋Ｆａ３）の流量」に対して、インタークーラ通過空気Ｆａ１の流量が非常に多い。同時に、大気放出するガスＦＮ１の流量に対して、インタークーラ通過空気Ｆａ１の流量が非常に多い。即ち、参考例が酸素富化制御を実行するとき、エアクリーナ４４ａ、インタークーラ４６及びコンプレッサ４５ａを通過する空気の流量が非常に多くなる。従って、エアクリーナ４４ａ、インタークーラ４６及びコンプレッサ４５ａの大型化が必要となってしまう。

更に、参考例は、ターボチャージャ４５のコンプレッサ４５ａのみを吸入空気の加圧（酸素富化膜４８ｂの膜差圧を発生させるための加圧）に用いている。このため、参考例の機関２００の運転状態が、コンプレッサ４５ａが実質的に作動していない状態（非過給状態）であるとき、酸素富化膜モジュール４８にてガスＦａ２を分離するときに必要な膜差圧を発生させることができない。従って、機関２００の運転状態が非過給状態であるときには、大気を酸素富化空気に改質することができない。

これに対し、第１ガス供給装置においては、図１に示し且つ以下に規定する「ガスＦａ１１乃至ガスＦａ１２、並びに、ガスＦＮ１１及びガスＦｏ１１のガス」の流量及び組成の一例は、図９に示されたようになる。
・ガスＦａ１１は、インタークーラ４６を通過するガス（インタークーラ通過空気）である。
・ガスＦａ１２は、ロータリーポンプ６２を通過するガス（ロータリーポンプ通過空気）である。
・ガスＦＮ１１は、ガスＦａ１２が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の窒素富化空気である。
・ガスＦｏ１１は、ガスＦａ１２が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の酸素富化空気である。
・ガスＦａ１１とガスＦｏ１１とが合流したガス（Ｆａ１１＋Ｆｏ１１）が、気筒２２内に供給されるガスとなる。

図９において、上段の３本の棒グラフは、左から右に向かって順に、ロータリーポンプ通過空気（即ち、酸素富化空気と窒素富化空気とに分離される前の空気）、酸素富化空気と窒素富化空気とに分離された後の空気、及び、大気に放出される空気、に対応している。更に、図９において、下段の３本の棒グラフは、左から右に向かって順に、インタークーラ通過空気、酸素富化膜モジュール４８に流入する空気、及び、気筒２２に供給されるガス（サージタンク４２に流入する空気）に対応している。

図９から理解されるように、第１ガス供給装置において、参考例に比べて、「気筒２２に供給されるガスである酸素富化空気（Ｆａ１１＋Ｆｏ１１）の流量」に対して、インタークーラ通過空気Ｆａ１１の流量が少ない。つまり、参考例により１００［Ｌ／ｓ］の酸素富化空気を気筒２２に供給する場合には１８０［Ｌ／ｓ］もの大気をコンプレッサ４５ａによって加圧する必要がある。これに対し、第１ガス供給装置により１００［Ｌ／ｓ］の酸素富化空気を気筒２２に供給する場合には、僅か８０［Ｌ／ｓ］の大気をコンプレッサ４５ａによって加圧すればよい。従って、第１ガス供給装置は、参考例に比べて、エアクリーナ４４ａ、インタークーラ４６及びコンプレッサ４５ａを小型化することができる。

更に、第１ガス供給装置は、酸素富化制御を実行するとき、ロータリーポンプ６２を作動（正転）させることによって、酸素富化膜モジュール４８においてガスＦａ１２を分離するときに必要な酸素富化膜４８ｂの膜差圧を生じさせている。従って、機関１０の運転状態が非過給状態であっても、大気を酸素富化空気に改質することができる。

更に、第１ガス供給装置は、酸素富化制御を実行するとき、第２スロットル弁開度ＴＡ２を「第２全開開度」に設定し、第１スロットル弁開度ＴＡ１を「圧力Ｐ２を目標吸気圧Ｐim２に一致させるためのスロットル弁開度ＴＡim」に設定する。これにより、膜内部空間は負圧になる。従って、膜外部空間の圧力（補助空気の圧力Ｐ５、即ち、目標ポンプ圧Ｐpump）をそれ程大きくしなくても、膜差圧Ｐｄの大きさを効率よく大きくすることができる。その結果、ロータリーポンプ６２の消費エネルギーを大きくすることなく膜内部空間に酸素濃度の高い空気を導入することができ、以て、酸素富化空気をエネルギー効率良く生成することができる。

（参考例の窒素富化制御と、第１ガス供給装置の窒素富化制御と、の対比）
参考例のＥＣＵは、窒素富化制御を行うとき、空気用スロットル弁２１３ａのスロットル開度を「空気用スロットル弁２１３ａを全閉にしたときのスロットル弁開度」に設定し、酸素用スロットル弁２１１ａのスロットル弁開度を「酸素用スロットル弁２１１ａを全閉にしたときのスロットル弁開度」に設定し、窒素用スロットル弁２１２ａを「所定のスロットル弁開度（例えば、中間程度のスロットル弁開度）」に設定する。

この場合、図７に示し且つ以下に規定する「ガスＦａ２１、ガスＦｏ２１及びガスＦＮ２１」の流量及び組成の一例は、図１０に示されたようになる。
・ガスＦａ２１は、インタークーラ４６を通過するガス（インタークーラ通過空気）である。
・ガスＦＮ２１は、ガスＦａ２１が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の窒素富化空気である。
・ガスＦｏ２１は、ガスＦａ２１が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の酸素富化空気である。
尚、前述したように、酸素用スロットル弁２１１ａの開度は全閉の開度であり、空気用スロットル弁２１３ａの開度も全閉の開度であるから、気筒２２内に供給されるガスはガスＦＮ２１（窒素富化空気）となる。

図１０において、最も左側の棒グラフはインタークーラ通過空気に対応し、中央の棒グラフはインタークーラ通過空気が酸素富化膜モジュール４８に向かう空気と空気用スロットル弁２１３ａに向かう空気とに分離した後の空気に対応し、最も右側の棒グラフは気筒２２に供給されるガス（サージタンク４２に流入する空気）及び大気放出されるガスに対応している。

これに対して、第１ガス供給装置においては、図１に示し且つ以下に規定する「ガスＦａ３１、ガスＦｏ３１及びガスＦＮ３１」の流量及び組成の一例は、図１１に示されたようになる。
・ガスＦａ３１は、インタークーラ４６を通過するガス（インタークーラ通過空気）である。
・ガスＦｏ３１は、ガスＦａ３１が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の酸素富化空気である。
・ガスＦＮ３１は、ガスＦａ３１が酸素富化膜モジュール４８にて分離された後の窒素富化空気であり、気筒２２に供給されるガスである。

図１１において、最も左側の棒グラフはインタークーラ通過空気に対応し、中央の棒グラフはインタークーラ通過空気が酸素富化膜モジュール４８において分離された後の空気に対応し、最も右側の棒グラフは気筒２２に供給されるガス（サージタンク４２に流入する空気）及び大気放出されるガスに対応している。

図１０と図１１との比較から理解されるように、窒素富化制御時において、比較例と第１ガス供給装置との間にガスの流量及び組成に差は見られない。

しかしながら、参考例は、ターボチャージャ４５のコンプレッサ４５ａのみを吸入空気の加圧（酸素富化膜４８ｂの膜差圧を発生させるための加圧）に用いている。このため、機関２００の運転状態が非過給状態であるとき、酸素富化膜モジュール４８でガスＦａ２１を分離するときに必要な膜差圧を発生させることができない。従って、機関２００の運転状態が非過給状態であるときには、大気を窒素富化空気に改質することができない。

これに対し、第１ガス供給装置は、窒素富化制御を実行するとき、ロータリーポンプ６２を作動（逆転）させることによって、酸素富化膜モジュール４８でガスＦａ３１を分離するときに必要な酸素富化膜４８ｂの膜差圧を生じさせている。従って、機関１０の運転状態が非過給状態であっても、大気を窒素富化空気に改質することができる。

更に、第１ガス供給装置は、窒素富化制御を実行するとき、第１スロットル弁開度ＴＡ１を「第１全開開度」に設定し、第２スロットル弁開度ＴＡ２を「圧力Ｐ４を目標吸気圧Ｐim４に一致させるためのスロットル弁開度ＴＡim」に設定する。従って、膜内部空間は、大気圧又は過給が行われている場合には大気圧より高い圧力になる。よって、膜外部空間の圧力（補助空気の圧力Ｐ５、即ち、目標ポンプ圧Ｐpump）をそれ程小さくしなくても、膜差圧Ｐｄの大きさを効率よく大きくすることができる。その結果、ロータリーポンプ６２の消費エネルギーを大きくすることなく膜内部空間に窒素濃度の高い空気（窒素富化空気）をエネルギー効率良く生成することができる。

＜具体的作動＞
次に、第１ガス供給装置が行う具体的な作動について説明する。ＥＣＵ７０のＣＰＵ（以下、単に「ＣＰＵ」と称呼される。）は、図１２のフローチャートにより示したルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。

ＣＰＵは、所定のタイミングになると、ステップ１２００から処理を開始し、以下に述べるステップ１２０５乃至ステップ１２１０の処理を順次実行した後、ステップ１２１５に進む。

ステップ１２０５：ＣＰＵは、酸素濃度センサ７６が検出している空気（新気・大気）の酸素濃度（検出酸素濃度Ｏair）を取得する。
ステップ１２０７：ＣＰＵは、機関１０の運転状態から目標酸素濃度Ｏtgを決定する。具体的に述べると、現時点が冷間始動直後である場合（冷却水温ＴＨＷが暖機水温ＴＨＷｔｈより低い場合）、触媒を早期に暖機するために、ＣＰＵは目標酸素濃度Ｏtgを「２１％より大きく２６％以下から選ばれた酸素濃度（高酸素濃度）」に設定する。現時点が暖機完了後である場合（冷却水温ＴＨＷが暖機水温ＴＨＷｔｈ以上である場合）、燃費を向上するために、ＣＰＵは、目標酸素濃度Ｏtgを「１６％以上２１％未満から選ばれた酸素濃度（低酸素濃度）」に設定する。なお、大気の酸素濃度は２１％である。
ステップ１２１０：ＣＰＵは、機関回転速度ＮＥと筒内要求吸気流量とをブロックＢ１１に示したルックアップテーブル（「マップ」とも称呼される。）Ｍ１に適用することによって、目標吸気圧Ｐimを決定する。尚、ＣＰＵは、機関回転速度センサ７７から取得した機関回転速度ＮＥとアクセルペダル操作量センサ７９から取得したアクセルペダル操作量ＡＰとを図示しないルックアップテーブルに適用して筒内要求吸気流量を別途算出している。

ＣＰＵは、ステップ１２１５に進むと、検出酸素濃度Ｏairと目標酸素濃度Ｏtgとが等しいか否かを判定する。

検出酸素濃度Ｏairと目標酸素濃度Ｏtgとが等しい場合、ＣＰＵはステップ１２１５にて「Ｙｅｓ」と判定して、以下に述べるステップ１２２０乃至ステップ１２３０の処理を順次実行した後、ステップ１２９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。これにより、前述した通常制御が実行される。

ステップ１２２０：ＣＰＵは、第１スロットル弁アクチュエータ４７ｂに信号を送り、第１スロットル弁開度ＴＡ１を第１全開開度に設定する。
ステップ１２２５：ＣＰＵは、第２スロットル弁開度ＴＡ２をステップ１２１０にて決定した目標吸気圧Ｐimに応じたスロットル弁開度ＴＡimに設定する。即ち、ＣＰＵは、第２スロットル弁アクチュエータ４９ｂに信号を送り、吸気管圧力センサ７５ｄにより検出される吸入空気の圧力Ｐ４が目標吸気圧Ｐim４（＝Ｐim）と一致するように第２スロットル弁開度ＴＡ２を制御する。
ステップ１２３０：ＣＰＵは、ロータリーポンプ６２を停止させる。尚、この処理の時点でロータリーポンプ６２が停止している場合には、ＣＰＵはロータリーポンプ６２の停止を継続させる。
尚、ＣＰＵが通常制御を行っているとき、逆止弁６３に加わる圧力は、所定開弁圧より小さいため、逆止弁は閉弁状態になっている。

これに対して、検出酸素濃度Ｏairと目標酸素濃度Ｏtgが異なる場合、ＣＰＵはステップ１２１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１２３５に進み、検出酸素濃度Ｏairの大きさが、目標酸素濃度Ｏtgより小さいか否かを判定する。

検出酸素濃度Ｏairの大きさが目標酸素濃度Ｏtgより小さい場合、ＣＰＵはステップ１２３５にて「Ｙｅｓ」と判定して、以下に述べるステップ１２４０乃至ステップ１２５５の処理を順次実行した後、ステップ１２９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。これにより、前述した酸素富化制御が実行される。

ステップ１２４０：ＣＰＵは、目標酸素濃度Ｏtgと別途算出されている筒内要求吸気流量とをブロックＢ１２に示したルックアップテーブルＭ２に適用することによって、目標膜差圧Ｐｄを決定する。
ステップ１２４５：ＣＰＵは、ロータリーポンプ６２によって加圧される補助空気の圧力Ｐ４（補助導管圧力センサ７５ｅにより検出される圧力）が、目標吸気圧Ｐimと目標膜差圧Ｐｄとを加算した圧力（Ｐim＋Ｐｄ）に一致するように、ロータリーポンプ６２を作動（正転）させる。
ステップ１２５０：ＣＰＵは、第２スロットル弁アクチュエータ４９ｂに信号を送り、第２スロットル弁開度ＴＡ２を第２全開開度に設定する。
ステップ１２５５：ＣＰＵは、第１スロットル弁アクチュエータ４７ｂに信号を送り、第１スロットル弁開度ＴＡ１を「ステップ１２１０にて決定した目標吸気圧Ｐimに応じたスロットル弁開度ＴＡim」に設定する。即ち、ＣＰＵは、吸気管圧力センサ７５ｂにより検出される吸入空気の圧力Ｐ２が目標吸気圧Ｐim２（＝Ｐim）と一致するように第１スロットル弁開度ＴＡ１を制御する。
尚、酸素富化制御を実行しているときに、膜外部圧力が逆止弁６３の所定開弁圧より大きくなっている場合、逆止弁６３は開弁状態になり、膜外部圧力が逆止弁６３の所定開弁圧以下になっている場合、逆止弁６３は閉弁状態になる。

これに対して、検出酸素濃度Ｏairの大きさが目標酸素濃度Ｏtg以上である場合、ＣＰＵはステップ１２３５にて「Ｎｏ」と判定して、以下に述べるステップ１２６０乃至ステップ１２７５の処理を順次実行した後、ステップ１２９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。これにより、前述した窒素富化制御が実行される。

ステップ１２６０：ＣＰＵは、目標酸素濃度Ｏtgと別途算出されている筒内要求吸気流量とをブロックＢ１２に示したルックアップテーブルＭ２に適用することによって、目標膜差圧Ｐｄを決定する。
ステップ１２６５：ＣＰＵは、ロータリーポンプ６２によって減圧される補助空気の圧力Ｐ４が、吸気管圧力センサ７５ａにより検出されるインタークーラ４６直後の圧力Ｐ１と目標膜厚差圧Ｐｄとを加算した圧力（Ｐ１＋Ｐｄ）に一致するように、ロータリーポンプ６２を作動（逆転）させる。
ステップ１２７０：ＣＰＵは、第１スロットル弁アクチュエータ４７ｂに信号を送り、第１スロットル弁開度ＴＡ１を第１全開開度に設定する。
ステップ１２７５：ＣＰＵは、第２スロットル弁アクチュエータ４９ｂに信号を送り、第２スロットル弁開度ＴＡ２をステップ１２１０にて決定した目標吸気圧Ｐimに応じたスロットル弁開度ＴＡimに設定する。即ち、ＣＰＵは、吸気管圧力センサ７５ｄにより検出される吸入空気の圧力Ｐ４が目標吸気圧Ｐim４（＝Ｐim）と一致するように第２スロットル弁開度ＴＡ２を制御する。
尚、窒素富化制御を実行しているとき、逆止弁６３に加わる圧力は、所定開弁圧より小さいため、逆止弁６３は閉弁状態になっている。

第１ガス供給装置によれば、以下に説明する効果を得ることができる。即ち、第１ガス供給装置は、酸素富化制御又は窒素富化制御を実行するとき、ロータリーポンプ６２を用いることによって、酸素富化膜モジュール４８でガスを分離するときに必要な酸素富化膜４８ｂの膜差圧を生じさせている。従って、機関１０の運転状態が非過給状態であるときであっても、空気を酸素富化空気又は窒素富化空気に改質することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るガス供給装置（以下、「第２ガス供給装置」と称呼される場合がある。）について説明する。この第２ガス供給装置は、以下の点のみにおいて第１ガス供給装置と相違している。
・図１３に示したように、第２ガス供給装置は、第１ガス供給装置に対して、通常空気用吸気管９０、その通常空気用吸気管９０に配設された第３スロットル弁８１ａ及び第３スロットル弁アクチュエータ８１ｂが追設されている。通常空気用吸気管９０は、インタークーラ４６と第１スロットル弁４７ａの下流との間と、吸入空気が通る空気通路を構成し、第２スロットル弁４９ａの下流とサージタンク４２の上流との間とを連通する。
第３スロットル弁アクチュエータ８１ｂは第３スロットル弁開度を検出するための第３スロットル開度センサ８１ｃを含んでいる。第３スロットル開度センサ８１ｃは、第３スロットル弁８１ａの第３スロットル弁開度を検出し、第３スロットル弁開度ＴＡ３を表す信号をＥＣＵ７０に出力するようになっている。尚、通常空気用吸気管９０は、便宜上「第５管部」とも称呼され、その空気通路は「第５空気通路」とも称呼される。第３スロットル弁８１ａは、便宜上「第３弁」とも称呼され、そのスロットル弁開度は「第３弁開度」とも称呼される。
・第２ガス供給装置は、通常空気を気筒２２内に供給する要求があるとき（即ち、通常制御を行うとき）、第１スロットル弁４７ａ、第２スロットル弁４９ａ及び第３スロットル弁８１ａのスロットル弁開度を以下に述べるように設定する。これにより、第２ガス供給装置は、インタークーラ４６を通過した吸入空気を、酸素富化膜モジュール４８を経由しないで、通常空気用吸気管９０を通じて気筒２２内に供給する。
第１スロットル弁４７ａの第１スロットル弁開度ＴＡ１：第１スロットル弁４７ａを全閉にしたときのスロットル弁開度
第２スロットル弁４９ａの第２スロットル弁開度ＴＡ２：第２スロットル弁４９ａを全閉にしたときのスロットル弁開度
第３スロットル弁８１ａの第３スロットル弁開度ＴＡ３：目標吸気圧Ｐimに応じたスロットル弁開度ＴＡim（即ち、圧力Ｐ４を目標吸気圧Ｐim４（＝Ｐim）に一致させるようなスロットル弁開度）
尚、第２ガス供給装置は、酸素富化制御及び窒素富化制御を行うとき、第３スロットル弁８１ａの第３スロットル弁開度を、第３スロットル弁８１ａを全閉としたときのスロットル弁開度に設定すること以外は、第１ガス供給装置と同じである。

このように構成された第２ガス供給装置は、第１ガス供給装置と同様、機関１０の運転状態が非過給状態であっても、空気を酸素富化空気又は窒素富化空気に改質することができ、且つ、空気を効率良く酸素富化空気又は窒素富化空気に改質することができる。

更に、第２ガス供給装置は、通常制御を行うとき、インタークーラ４６を通過した吸入空気を、酸素富化膜モジュール４８を経由しないで、気筒２２内に供給することができる。従って、第２ガス供給装置は、通常制御を行う場合、酸素富化膜モジュール４８を通過するときに生じる圧力損失が生じないようにすることができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係るガス供給装置（以下、「第３ガス供給装置」と称呼される場合がある。）について説明する。この第３ガス供給装置は、以下の点のみにおいて第１ガス供給装置と相違している。尚、第３ガス供給装置の特徴は、第２ガス供給装置にも適用することができる。
・図１４に示したように、第３ガス供給装置は、第１ガス供給装置に対して、排気還流管（ＥＧＲ（Exhaust Gas Reclrculation）経路）１００、ＥＧＲ弁１０１ａ及びＥＧＲ弁アクチュエータ１０１ｂ、並びに、ＥＧＲクーラ（ＥＧＲガス冷却装置）１０２が追設されている。

排気還流管１００はＥＧＲガスが通流するＥＧＲガス通路を構成している。排気還流管１００の一端は、第２空気通路の第２スロットル弁４９ａの下流とサージタンク４２の上流との間に連通している。排気還流管１００の他端は、排気通路のエキゾーストマニホールド５１に連通している。

ＥＧＲ弁アクチュエータ１０１ｂは、ＥＧＲ弁開度センサ１０１ｃを含んでいる。ＥＧＲ弁開度センサ１０１ｃは、ＥＣＵ７０に接続され、ＥＧＲ弁１０１ａのＥＧＲ弁開度を検出し、ＥＧＲ弁開度ＴＡegrを表す信号を出力するようになっている。
ＥＧＲ弁１０１ａは、排気還流管１００に配設されている。ＥＧＲ弁１０１ａは、ＥＣＵ７０の指示に応答して排気還流管１００を流れるＥＧＲガスの量を調整する。

ＥＧＲクーラ１０２は、ＥＧＲガスの通流方向においてＥＧＲ弁１０１ａより上流の位置にて、排気還流管１００に配設されている。ＥＧＲクーラ１０２は、ＥＧＲガスの温度を低下するようになっている。ＥＧＲ弁１０１ａは、ＥＧＲガス通路の開口断面積を可変とすることにより、ＥＧＲガス通路を通過するＥＧＲガスの量を調節する。ＥＧＲ弁アクチュエータ９１ｂはＥＵＣ７０の指示に応じてＥＧＲ弁１０１ａのＥＧＲ弁開度ＴＡegrを変更するようになっている。
・第３ガス供給装置は、窒素富化制御及び酸素富化制御のそれぞれの制御を行うとき、ＥＧＲ弁１０１ａを開弁して、ＥＧＲガスを吸気管４３へ供給するようになっている。

このように構成された第３ガス供給装置は、第１ガス供給装置と同様、機関１０の運転状態が非過給域であるときであっても、吸入空気を酸素富化空気又は窒素富化空気に改質することができ、且つ、吸入空気を効率良く酸素富化空気又は窒素富化空気に改質することができる。

更に、第３ガス供給装置は、窒素富化制御を行うときに、ＥＧＲガスを気筒２２（燃焼室）内に供給することができる。従って、第３ガス供給装置は、窒素富化制御中において気筒２２に供給されるガスの酸素濃度を更に低下することができる。その結果、第３ガス供給装置は、燃費向上及びＮＯｘを低減することができる。更に、第３ガス供給装置は、酸素富化制御を行うときにも、ＥＧＲガスを気筒２２（燃焼室）内に供給することができる。この場合、気筒２２に供給されるガスに含まれる窒素がＥＧＲガスで置換される。よって、吸入空気の比熱が向上し且つ燃焼温度を低下できるので、ＮＯｘを減らすことができる。

＜変形例＞
以上、本発明の各実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、第１乃至第３ガス供給装置は、ロータリーポンプ６２に代えて、ダイアフラムポンプ、ピストンポンプを用いるようにしてもよい。第１乃至第３ガス供給装置は、逆止弁に代えてスロットル弁を用いて、逆止弁と同様の動作を行うようにそのスロットル弁のスロットル弁開度を制御するようにしてもよい。

例えば、第１乃至第３ガス供給装置は、加圧及び減圧をロータリーポンプの正転及び逆転で切り替えることができない場合には、配管接続とバルブとを切り替えたり、ロータリーポンプを２つ以上設置したりしてもよい。

例えば、第１乃至第３ガス供給装置において、酸素富化膜モジュールは、酸素富化空気と窒素富化空気とに分離できるのであれば、中空糸状の酸素富化膜を用いた酸素富化膜モジュールに限定されず、種々の酸素富化膜モジュールを使用することができる。例えば、酸素富化膜モジュールは、平膜積層型、又は、ハニカムモノリス型等のモジュール構造であってもよい。

１０…機関、２０…機関本体部、２２…気筒、４０…吸気システム、４１…インテークマニホールド、４２…サージタンク、４３…吸気管、４３ａ…第１管部、４３ｂ…第２管部、４４ａ,４４ｂ…エアクリーナ、４５…ターボチャージャ、４５ａ…コンプレッサ、４６…インタークーラ、４７ａ…第１スロットル弁、４８…酸素富化膜モジュール、４８ａ…ケーシング部、４８ｂ…酸素富化膜、４９ｂ…第２スロットル弁、６１…補助導管、６１ａ…第３管部、６１ｂ…第４管部、６２…ロータリーポンプ、６３…逆止弁、９０…通常空気用吸気管

Claims (8)

1. 筐体と酸素富化膜とを有するとともに当該筐体内の空間が当該酸素富化膜によって第１空間と第２空間とに分離された酸素富化膜モジュールと、
   一端から大気が流入可能であり且つ他端が前記第１空間と連通した第１空気通路を構成する第１管部と、
   一端が前記第１空間と連通し且つ他端が内燃機関の燃焼室と連通した第２空気通路を構成する第２管部と、
   前記第２空間に高圧の大気を供給することにより前記第２空間の圧力を増加可能であり且つ前記第２空間の空気を当該第２空間から前記筺体の外部へと排出することにより前記第２空間の圧力を減少可能であるポンプ部と、
   前記ポンプ部の駆動状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記第２空間の圧力が増加するように前記ポンプ部を駆動して前記第２空間に前記高圧の大気を供給することにより、前記第２空間から前記酸素富化膜を通して前記第１空間へと大気よりも酸素濃度が高められた空気を供給し、当該第１空間に供給された当該酸素濃度が高められた空気を、前記第１空気通路を通して前記第１空間に流入した大気と合流させて前記第２空気通路を通して前記燃焼室に供給する酸素富化制御、及び、
   前記第２空間の圧力が減少するように前記ポンプ部を駆動して当該第２空間の空気を当該第２空間から前記筺体の外部へと排出することにより、前記第１空間から前記酸素富化膜を通して前記第２空間へと大気よりも酸素濃度が高められた空気を排出して当該第１空間に大気よりも窒素濃度が高められた空気を生成し、当該窒素濃度が高められた空気を、前記第２空気通路を通して前記燃焼室に供給する窒素富化制御、
   を実行するように構成された、
   内燃機関のガス供給装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関のガス供給装置であって、
   前記筐体は、
   前記第１空間と前記第１空気通路の前記他端とを連通する第１連通孔と、
   前記第１空間と前記第２空気通路の前記一端とを連通する第２連通孔と、
   を備え、且つ、
   前記第１連通孔と前記第２連通孔とが互いに対向する位置に形成され、
   前記第１管部は、
   前記第１空気通路の前記他端が前記第１連通孔と連通するように前記筺体に接続され、
   前記第２管部は、
   前記第２空気通路の前記一端が前記第２連通孔と連通するように前記筺体に接続された、
   内燃機関のガス供給装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関のガス供給装置であって、
   前記第２空間の圧力が所定開弁圧以上になったときに開弁することによって前記第２空間の空気を前記筐体の外部へと排出する逆止弁を備えた、
   内燃機関のガス供給装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関のガス供給装置であって、
   一端が前記ポンプ部に接続された第３空気通路を構成する第３管部と、
   前記逆止弁によって開閉される第４空気通路を構成する第４管部と、
   を備え、
   前記筐体は、
   前記第２空間と前記第３空気通路とを連通する第３連通孔と、
   前記第２空間と前記第４空気通路とを連通する第４連通孔と、
   を備え、且つ、
   前記第３連通孔と前記第４連通孔とが互いに対向する位置に形成され、
   前記第３管部は、
   前記第３空気通路の他端が前記第３連通孔と連通するように前記筺体に接続され、
   前記第４管部は、
   前記第４空気通路が前記第４連通孔と連通するように前記筺体に接続された、
   内燃機関のガス供給装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関のガス供給装置において、
   酸素富化膜は、
   両端面が開放された中空の筒状であり、前記第１連通孔と前記第２連通孔とを接続するように配設されることにより、前記酸素富化膜の内側の空間が前記第１空間を構成し且つ前記筐体内の空間のうち前記第１空間以外の空間が前記第２空間を構成し、
   前記筺体は、
   前記第３連通孔と前記第４連通孔とを結ぶ方向が、前記第１連通孔と前記第２連通孔とを結ぶ方向と直交する面に平行な方向となるように、前記第１連通孔、前記第２連通孔、前記第３連通孔及び前記第４連通孔が形成されている、
   内燃機関のガス供給装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関のガス供給装置であって、
   前記第１管部に配設された前記内燃機関の過給機のコンプレッサと、
   前記第１管部であって前記コンプレッサと前記酸素富化膜モジュールとの間に配設され且つその開度を変更することによって前記第１空気通路の通路断面積を変更する第１スロットル弁と、
   前記第２管部であって前記酸素富化膜モジュールと前記内燃機関の燃焼室との間に配設され且つその開度を変更することによって前記第２空気通路の通路断面積を変更する第２スロットル弁と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記酸素富化制御を実行する場合、前記第１スロットル弁の開度を前記内燃機関の燃焼室に要求される空気の流量である筒内要求吸入空気流量に応じて変更し、前記第２スロットル弁の開度を当該第２スロットル弁を全開にしたときの開度に設定し、
   前記窒素富化制御を実行する場合、前記第１スロットル弁の開度を当該第１スロットル弁を全開にしたときの開度に設定し、前記第２スロットル弁の開度を前記筒内要求吸入空気流量に応じて変更する、
   ように構成された、
   内燃機関のガス供給装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関のガス供給装置において、
   前記制御部は、
   前記ポンプ部の駆動を停止し、前記第１スロットル弁の開度を当該第１スロットル弁を全開にしたときの開度に設定し、且つ、前記第２スロットル弁の開度を前記筒内要求吸入空気流量に応じて変更することにより、前記第１空気通路から前記第１空間に流入する空気を改質することなく前記第２空気通路を通して前記燃焼室に供給する通常制御を実行するように構成された、
   内燃機関のガス供給装置。
8. 請求項７に記載の内燃機関のガス供給装置であって、
   一端が前記第１空気通路の前記コンプレッサと前記第１スロットル弁との間に連通し且つ他端が前記第２空気通路の前記第２スロットル弁と前記燃焼室との間に連通する第５空気通路を構成する第５管部と、
   前記第５管部に配設され且つその開度を変更することによって前記第５空気通路の通路断面積を変更する第３スロットル弁と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記酸素富化制御及び前記窒素富化制御の何れかを実行する場合、前記第３スロットル弁の開度を当該第３スロットル弁を全閉にしたときの開度に設定し、
   前記通常制御を実行する場合、前記第３スロットル弁の開度を前記筒内要求吸入空気流量に応じて変更する、
   ように構成された、
   内燃機関のガス供給装置。