JP5678835B2 - 内燃機関のガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置に関する。

従来、直噴式内燃機関から排出されるエミッションを抑制する技術としては、下記特許文献１，２に記載されているものが知られている。詳しくは、これら技術は、大気から酸素を一部除去した窒素含有率の高い窒素富化エア（低酸素濃度ガス）を内燃機関の燃焼室に供給するものである。これにより、燃料噴射弁から燃焼室に直接噴射供給される燃料噴霧の外周部分における燃焼を緩慢にして燃焼温度を低下させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生の抑制を図っている。

特許第４０７６４３３号公報 特開２００７−２８５２８１号公報

ところで、上記技術では、ＮＯｘの発生を抑制することはできるものの、粒子状物質（スモーク）の発生を適切に抑制することができなくなるおそれがある。これは、燃料噴霧内部の燃料濃度が高い部分が酸素不足の状態で燃焼に供されることによるものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＮＯｘ及びスモークの双方の発生を好適に抑制することのできる内燃機関のガス供給装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

第１の発明は、内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置において、前記高酸素濃度ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスを高水準酸素濃度ガスとし、前記高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ前記低酸素濃度ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスを低水準酸素濃度ガスとし、前記供給手段は、前記燃焼室において、前記燃料噴射弁の噴孔から噴射された燃料噴霧の周辺領域のうち該燃料噴霧を挟んで前記噴孔とは反対側付近の領域に前記高水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、前記燃料噴霧の周辺領域のうち前記高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に前記低水準酸素濃度ガスが配置されるように前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給することを特徴とする。

上記発明では、例えば燃料噴射弁の噴孔から噴射された燃料噴霧が着火される直前の燃焼室において、燃料噴霧の周辺領域のうち燃料噴霧を挟んで噴孔とは反対側（燃料噴霧の先端側）付近の領域に高水準酸素濃度ガスを配置して且つ、燃料噴霧の周辺領域のうち高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に低水準酸素濃度ガスを配置する。上記態様のガス配置によれば、低水準酸素濃度ガスと隣接する燃料噴霧の外周部分の燃焼が緩慢となって燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生が抑制される。この際、燃料噴霧内部の燃料濃度の高い部分の燃焼によってスモークが一旦発生するものの、その後スモークは高水準酸素濃度ガスが配置される燃料噴霧先端側付近に到達する。そして、高水準酸素濃度ガスによってスモークが燃焼に供される。こうした上記発明によれば、ＮＯｘ及びスモークの双方の発生を好適に抑制することができる。

なお、高水準酸素濃度ガス及び低水準酸素濃度ガスの酸素濃度の上述した大小関係を維持しつつ、高水準酸素濃度ガスの酸素濃度が新気中の酸素濃度よりも低くなったり、低水準酸素濃度ガスの酸素濃度が新気中の酸素濃度よりも高くなったりすることがある。これは、供給手段から燃焼室に高酸素濃度ガス及び低酸素濃度ガスが供給された後、燃焼室において高酸素濃度ガスと低酸素濃度ガスとが混ざり合うことによるものである。

第２の発明は、内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置において、前記高酸素濃度ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスを高水準酸素濃度ガスとし、前記高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ前記低酸素濃度ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスを低水準酸素濃度ガスとし、前記供給手段は、前記燃焼室において、前記燃料噴射弁の周囲に前記低水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、該配置された低水準酸素濃度ガスの外周に前記高水準酸素濃度ガスが配置されるように前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給することを特徴とする。

上記発明では、供給手段を備えることで、燃焼室において、燃料噴射弁の周囲に低水準酸素濃度ガスを配置して且つ、低水準酸素濃度ガスの外周に高水準酸素濃度ガスを配置する。上記態様のガスの配置によれば、その後燃料噴射弁の噴孔から燃料噴射されると、噴射燃料によって燃焼室におけるガス配置が変化する。詳しくは、噴射された燃料噴霧の周辺領域のうち燃料噴霧を挟んで噴孔とは反対側（燃料噴霧の先端側）付近の領域に高水準酸素濃度ガスが配置され、燃料噴霧の周辺領域のうち高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に低水準酸素濃度ガスが配置されることとなる。

このため、低水準酸素濃度ガスと隣接する燃料噴霧の外周部分の燃焼が緩慢となって燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生が抑制される。この際、燃料噴霧内部の燃料濃度の高い部分の燃焼によってスモークが一旦発生するものの、その後スモークは高水準酸素濃度ガスが配置される燃料噴霧先端側付近に到達する。そして、高水準酸素濃度ガスによってスモークが燃焼に供される。こうした上記発明によれば、ＮＯｘ及びスモークの双方の発生を抑制することができる。

なお、高水準酸素濃度ガス及び低水準酸素濃度ガスの酸素濃度の上述した大小関係を維持しつつ、高水準酸素濃度ガスの酸素濃度が新気中の酸素濃度よりも低くなったり、低水準酸素濃度ガスの酸素濃度が新気中の酸素濃度よりも高くなったりすることがある。これは、供給手段から燃焼室に高酸素濃度ガス及び低酸素濃度ガスが供給された後、燃焼室において高酸素濃度ガスと低酸素濃度ガスとが混ざり合うことによるものである。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記燃焼室の一部の領域であって且つ該燃焼室の中心軸線を通って該中心軸線方向に延びる領域を中心領域とし、前記燃焼室のうち前記中心領域以外の領域を外周領域とし、前記供給手段は、前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の吸気ポートであり、前記一対の吸気ポートのうち前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートは、前記中心領域に前記低酸素濃度ガスを供給するものであり、前記一対の吸気ポートのうち前記高酸素濃度ガスを供給する吸気ポートは、前記外周領域に前記高酸素濃度ガスを供給するものであることを特徴とする。

上記発明では、上記態様の一対の吸気ポートによって燃焼室に高酸素濃度ガス及び低酸素濃度ガスのそれぞれを供給することで、その後燃焼室において、燃料噴射弁の周囲に低水準酸素濃度ガスを配置して且つ、低水準酸素濃度ガスの外周に高水準酸素濃度ガスを配置することができる。このため、その後、燃料噴射弁の噴孔から燃料噴霧が噴射される状況下において、噴射された燃料噴霧の周辺領域のうち燃料噴霧を挟んで噴孔とは反対側付近の領域に高水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、燃料噴霧の周辺領域のうち高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に低水準濃度酸素ガスが配置されることとなる。

なお、中心領域に供給された低酸素濃度ガスと、外周領域に供給された高酸素濃度ガスとの混ざり合いが大きいと、ＮＯｘ及びスモークの発生を抑制するための適切な高水準酸素濃度ガス及び低水準酸素濃度ガスの配置がなされないおそれがある。こうした事態の発生を抑制すべく、燃焼室に供給される高酸素濃度ガス及び低酸素濃度ガスの圧力比率（低酸素濃度ガスの圧力／高酸素濃度ガスの圧力）を０．７〜１．３の範囲内とすることが望ましい。

第４の発明は、第３の発明において、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから前記燃焼室に該低酸素濃度ガスを供給するに先立ち、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから前記燃焼室に前記高酸素濃度ガスを供給させる割込供給手段を更に備えることを特徴とする。

一対の吸気ポートのそれぞれから高酸素濃度ガス及び低酸素濃度ガスのそれぞれが燃焼室に供給される状況下、燃焼室の下部（燃焼室を区画形成するピストンの上面付近）において、中心領域の低酸素濃度ガスと外周領域の高酸素濃度ガスとが混ざることがある。この場合、ＮＯｘ及びスモークの発生を抑制するための適切なガス配置がなされないおそれがある。

この点、上記発明では、低酸素濃度ガスが流れる吸気ポートから燃焼室に低酸素濃度ガスを供給するに先立ち、低酸素濃度ガスが流れる吸気ポートから高酸素濃度ガスを供給させる。このため、燃焼室の下部における中心領域に高酸素濃度ガスを配置させることができ、燃焼室の下部において高酸素濃度ガスと低酸素濃度ガスとが混ざることを抑制することができる。これにより、ＮＯｘ及びスモークの発生を抑制するための高水準酸素濃度ガス及び低水準酸素濃度ガスの適切な配置を実現することができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記割込供給手段は、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートに前記高酸素濃度ガスを噴射供給するものであり、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートのうち前記割込供給手段によって前記高酸素濃度ガスが噴射供給される位置よりも上流側の流路面積を調節する流路面積調節手段と、前記内燃機関の吸気バルブの閉弁期間において、前記流路面積調節手段によって前記流路面積を絞りつつ前記割込供給手段から前記高酸素濃度ガスを噴射供給すべく、前記流路面積調節手段及び前記割込供給手段を操作する操作手段とを更に備えることを特徴とする。

上記発明では、吸気バルブの閉弁期間において、上記態様にて流路面積調節手段及び割込供給手段を操作することで、吸気バルブの開弁に先立ち、上記吸気ポートのうち燃焼室に隣接する領域に高酸素濃度ガスを配置させるとともに、高酸素濃度ガスの配置領域の上流側に隣接させて低酸素濃度ガスを配置させる。このため、上記吸気ポートにおいて、噴射供給された高酸素濃度ガスと、低酸素濃度ガスとが混ざることを抑制することができる。これにより、その後吸気バルブが開弁される状況下、低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから燃焼室に低酸素濃度ガスを供給するに先立ち、同吸気ポートから高酸素濃度ガスを適切に供給することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、酸素を透過させる分離部材を有して且つ新気が供給される分離装置を更に備え、前記分離装置は、該分離装置に供給される新気のうち、前記分離部材を透過する気体を前記高酸素濃度ガスとして供給し、残余を前記低酸素濃度ガスとして供給する機能を有するものであり、前記供給手段は、前記分離装置から供給される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであることを特徴とする。

上記発明では、分離装置を備えることで、新気から低酸素濃度ガス及び高酸素濃度ガスのそれぞれを適切に生成することができる。

第７の発明は、第６の発明において、前記内燃機関から排出される排気の一部を外部ＥＧＲとして前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートに還流させるＥＧＲ手段と、前記分離装置から供給される前記低酸素濃度ガスの量が不足すると判断されることに基づき、前記分離装置から供給される低酸素濃度ガスに加えて、前記ＥＧＲ手段によって還流された外部ＥＧＲを前記燃焼室に供給させる手段とを更に備えることを特徴とする。

上記発明では、燃焼室に供給すべき低酸素濃度ガス量が不足する場合であっても、この不足分を、新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する外部ＥＧＲによって補償することなどができる。

第８の発明は、第６又は７の発明において、前記供給手段は、前記分離装置によって生成される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の供給通路であり、前記一対の供給通路のうち前記低酸素濃度ガスを供給する通路と、前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路とを接続する連通通路と、前記連通通路に設けられて且つ該連通通路の流路面積を調節する第１の流路面積調節手段と、前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路と、前記分離装置に新気を供給する通路とを接続する新気供給通路と、前記新気供給通路に設けられて且つ該新気供給通路の流路面積を調節する第２の流路面積調節手段と、前記内燃機関の負荷が急増する又は該内燃機関の負荷が高いと判断された場合、前記第１の流路面積調節手段によって前記連通通路の流路面積を増大させる処理、及び前記第２の流路面積調節手段によって前記新気供給通路の流路面積を増大させる処理を行う増大手段とを更に備えることを特徴とする。

上記発明では、上記態様の一対の供給通路、連通通路、新気供給通路、及び第１，第２の流路面積調節手段を備えている。ここで、内燃機関への供給燃料を燃焼させるために要求される酸素量が不足しやすい状況においては、燃焼室に酸素を適切に供給することが望まれる。この点、上記発明では、第１，第２の流路面積調節手段を上記態様にて操作することで、一対の供給通路のうち低酸素濃度ガスを供給する通路を介して燃焼室に供給される気体の流量及び酸素濃度を増大させる。すなわち、一対の供給通路のうち高酸素濃度ガスを供給する通路のみならず低酸素濃度ガスを供給する通路をも用いることで、燃焼室に供給する酸素量を極力多くする。このため、酸素量が不足しやすい状況において燃焼室に酸素を適切に供給することができる。

第９の発明は、第１〜８のいずれか１つの発明において、酸素を透過させる分離部材を有して且つ新気が供給される複数の分離装置を更に備え、前記分離装置は、前記分離装置に供給される新気のうち、前記分離部材を透過する気体を前記高酸素濃度ガスとして供給し、残余を前記低酸素濃度ガスとして供給する機能を有するものであり、前記供給手段は、前記分離装置から供給される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであり、前記内燃機関の負荷が高いほど、前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスの生成に用いる前記分離装置の数を増大させる手段を更に備えることを特徴とする。

上記発明では、内燃機関の負荷に応じて、燃焼室に供給すべき低酸素濃度ガス及び高酸素濃度ガスを適切に確保することができる。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる分離装置を示す図。 同実施形態にかかる分離部材を示す図。 同実施形態にかかるエンジン近傍の構成を示す図。 同実施形態にかかる吸気ポート近傍の拡大図。 同実施形態にかかる燃焼室の窒素富化ガス及び酸素富化ガスの分布を示す図。 第２の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるガス噴射弁及び吸気制御弁の動作態様を示す図。 同実施形態にかかるガス噴射弁及び吸気制御弁の動作態様を示す図。 第３の実施形態にかかるシステム構成図。 第４の実施形態にかかるシステム構成図。 第５の実施形態にかかる分離装置を示す図。 同実施形態にかかる窒素富化装置の作動状態を示す表。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる制御装置を多気筒圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）を備える車載コモンレールシステムに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。

図示されるように、吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナ１２及び後述するターボチャージャ１４によって過給された空気（新気）を冷却するインタークーラ１６が設けられている。

吸気通路１０のうちインタークーラ１６の下流側は、窒素富化装置１８に接続されている。窒素富化装置１８は、分離装置２０、真空ポンプ２２、Ｎ２制御弁２４及びＯ２制御弁２６等を備えて構成されている。窒素富化装置１８は、分離装置２０の備える分離部材における新気中の各気体の透過速度の差異を利用して、新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する気体である窒素富化ガス（低酸素濃度ガスに相当）と、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する気体である酸素富化ガス（高酸素濃度ガスに相当）とを生成する機能を有する。

詳しくは、吸気通路１０のうちインタークーラ１６の下流側は、分離装置２０の入口部２８に接続されている。分離装置２０のうち窒素富化ガスが流出するＮ２出口部３０は、Ｎ２供給通路３２を介して窒素富化ガスが供給されるサージタンク（Ｎ２サージタンク３４）に接続されている。Ｎ２供給通路３２には、この通路の流路面積を調節する上記Ｎ２制御弁２４が設けられている。Ｎ２制御弁２４は、ＤＣモータ等の図示しないアクチュエータによって開度が調節される電子制御式の弁体である。

分離装置２０のうち酸素富化ガスが流出するＯ２出口部３６は、Ｏ２供給通路３８を介して酸素富化ガスが供給されるサージタンク（Ｏ２サージタンク４０）に接続されている。

Ｏ２供給通路３８には、上記真空ポンプ２２が設けられている。真空ポンプ２２は、分離装置２０のうちＯ２出口部３６側の空間を減圧する（負圧に維持する）ための電子制御式の機器であり、上記Ｏ２出口部３６側の減圧度合いを調節可能な機能を有している。

Ｏ２供給通路３８のうち真空ポンプ２２の下流側であって且つＯ２サージタンク４０の上流側と、吸気通路１０のうちインタークーラ１６の下流側とは、新気供給通路４２によって接続されている。新気供給通路４２には、この通路の流路面積を調節する上記Ｏ２制御弁２６が設けられている。Ｏ２制御弁２６は、Ｎ２制御弁２４と同様に、ＤＣモータ等の図示しないアクチュエータによって開度が調節される電子制御式の弁体である。

ここで、図２を用いて、窒素富化装置１８の備える分離装置２０について詳述する。

図示されるように、分離装置２０は、複数の分離部材２０ａ（膜モジュール）及び複数の隔壁２０ｂを備えて構成されている。分離装置２０において、入口部２８とＮ２出口部３０とは、分離部材２０ａ及び隔壁２０ｂによって形成されたつづら折り状の通路でつながっている。また、上記入口部２８とＯ２出口部３６との間には、分離部材２０ａが介在している。

ここで、本実施形態では、分離部材２０ａとして、酸素富化膜を想定している。以下、図３を用いて、酸素富化膜について説明する。なお、図３（ａ）は、先の図２における分離部材２０ａのＡ−Ａ断面図であり、図３（ｂ）は、分離部材２０ａの一部を拡大した斜視図である。

図３（ａ）に示すように、酸素富化膜（分離部材２０ａ）は、膜本体２０１及び支持体２０２からなる部材である。詳しくは、膜本体２０１は、その厚さが数十〜数百ｎｍの部材であり、窒素分子よりも酸素分子を速やかに透過させる機能を有する。すなわち、気体の透過の早さを表す指標である透過係数を用いて説明すると、膜本体２０１は、酸素分子の透過係数Ｑｏが窒素分子の透過係数Ｑｎよりも高くなるように構成されてなる部材である。

ちなみに、透過係数が高いほど、単位時間あたりに膜本体を透過する気体の流量が多くなる。また、この透過流量は、高圧側（入口部２８側）及び低圧側（Ｏ２出口部３６側）の圧力差が大きいほど多くなる傾向にある。さらに、本実施形態では、酸素富化膜として、新気中の窒素に対する酸素の分離係数「Ｑｏ／Ｑｎ」が３以上のものを想定している。

支持体２０２は、膜本体２０１のうち入口部２８側とＯ２出口部３６側との差圧によって膜本体２０１が損傷することを防止するための部材であり、その厚さが数十μｍである。支持体２０２には、膜本体２０１を透過した気体を速やかにＯ２出口部３６側に導くべく、支持体２０２の厚さ方向に連通する数十〜数百ｎｍの楔形状の孔２０３が多数形成されている（図３（ｂ）参照）。

先の図２の説明に戻り、分離部材２０ａのＯ２出口部３６側（下流側）は、真空ポンプ２２によって上記つづら折り状の通路側（上流側）よりも圧力が低くされている。こうした状況下において、Ｏ２入口部２８から分離装置２０内に導入された新気が分離部材２０ａ及び隔壁２０ｂによって形成されたつづら折り状の通路を通る間に、新気中の酸素が窒素よりも多く分離部材２０ａを透過してＯ２出口部３６側へと流出する。これにより、Ｏ２出口部３６からは上記酸素富化ガスが流出し、Ｎ２出口部３０からは上記窒素富化ガスが流出する。

先の図１の説明に戻り、Ｎ２サージタンク３４は、吸気ポートとしてのストレートポート４４と、吸気バルブとを介してエンジン４６の各気筒の燃焼室４８（図中、１の気筒の燃焼室を例示）につながっている。ここで、ストレートポート４４は、燃焼室４８に吸気を直進させて流入させる形状をなしている。なお、以降、本実施形態において、上記吸気とは、新気、酸素富化ガス及び窒素富化ガスのうち少なくとも１つのことをいう。

一方、Ｏ２サージタンク４０は、吸気ポートとしてのスワールポート５０と、吸気バルブとを介して燃焼室４８につながっている、ここで、スワールポート５０は、燃焼室４８にスワール流を形成可能な形状をなしている。

次に、図４を用いて、本実施形態にかかるエンジン４６近傍の構成について説明する。なお、図中、１の気筒についてのみ示している。

図示されるエンジン４６は、吸気・圧縮・膨張・排気行程を１燃焼周期（７２０℃Ａ）とする４ストロークレシプロ式の多気筒圧縮着火式内燃機関であり、シリンダ５２、ピストン５４及びシリンダヘッド５６を備えて構成されている。

詳しくは、シリンダ５２、ピストン５４の上面（シリンダヘッド５６に対向する面）及びシリンダヘッド５６によって略円柱形状の燃焼室４８が区画形成されている。ピストン５４の上面には、キャビティ５４ａが形成されている。本実施形態では、キャビティ５４ａとして、ピストン５４の上面に窪み形状を有しつつ、ピストン５４の径方向において燃焼室４８の中心軸線ＬＡ（図中一点鎖線）に近づくほど隆起する部分を有する形状を想定している。ここで、燃焼室４８の中心軸線ＬＡとは、シリンダ５２のボアの中心を通って且つピストン５４の動作方向（図中、上下方向）に延びる軸線のことをいう。

エンジン４６の各気筒の燃焼室４８には、複数の噴孔５８ａを有する電磁駆動式の燃料噴射弁５８が設けられている。詳しくは、燃料噴射弁５８は、これら噴孔５８ａが燃焼室４８の上側（シリンダヘッド５６側）であって且つ燃焼室４８の中心軸線ＬＡ近傍に突出するように配置されている。また、燃料噴射弁５８には、図示しない蓄圧容器（コモンレール）から高圧の燃料（軽油）が供給され、燃料噴射弁５８から燃焼室４８に高圧の燃料が噴射供給される。具体的には、燃料噴射弁５８は、圧縮上死点近傍において、ピストン５４の上面であって且つキャビティ５４ａの端部付近に向かって燃料噴霧を噴射する。

エンジン４６の各気筒の吸気ポート４４，５０及び排気ポート６０のそれぞれは、一対の吸気バルブ６２及び一対の排気バルブ６４のそれぞれによって開閉される。ここでは、一対の吸気バルブ６２同士の開閉タイミングは同一であり、一対の排気バルブ６４同士の開閉タイミングも同一である。吸気バルブ６２の開弁によって吸気が燃焼室４８に導入され、導入された吸気と、燃料噴射弁５８から噴射された燃料噴霧とが燃焼に供される。なお、燃焼に供された吸気及び燃料は、排気バルブ６４の開弁によって排気として排気ポート６０に排出される。

図１の説明に戻り、吸気通路１０と、排気ポート６０とつながる排気通路６６との間には、上記ターボチャージャ１４が設けられている。ターボチャージャ１４は、吸気通路１０に設けられた吸気コンプレッサ１４ａと、排気通路６６に設けられた排気タービン１４ｂと、これらを連結する回転軸１４ｃとを備えて構成されている。詳しくは、排気通路６６を流れる排気のエネルギによって排気タービン１４ｂが回転し、その回転エネルギが回転軸１４ｃを介して吸気コンプレッサ１４ａに伝達され、吸気コンプレッサ１４ａによって吸気が過給される。なお、ターボチャージャ１４としては、例えば、吸気の過給圧を調節可能なもの（可変ベーン式のもの）を採用することができる。

Ｏ２サージタンク４０は、導管６８によってストレートポート４４と接続されており、より詳しくは、ストレートポート４４のうち燃焼室４８に近い側に接続されている。導管６８には、Ｏ２サージタンク４０側から順に、圧縮機７０と、ガス噴射弁７２とが設けられている。圧縮機７０は、Ｏ２サージタンク４０から供給される酸素富化ガスをガス噴射弁７２に対して加圧供給するための機器である。また、ガス噴射弁７２は、加圧供給された酸素富化ガスをストレートポート４４内に噴射供給する電磁駆動式の弁体である。本実施形態では、ガス噴射弁７２として、この噴射弁の有する電磁ソレノイドへの通電により開弁し、電磁ソレノイドへの通電の停止によって閉弁するノーマリクローズ式のものを想定している。

電子制御装置（以下、ＥＣＵ７４）は、コモンレールシステムの各種制御に必要な各種アクチュエータを操作する制御装置である。ＥＣＵ７４は、Ｎ２サージタンク３４内の圧力を検出するＮ２圧力センサ７６や、Ｏ２サージタンク４０内の圧力を検出するＯ２圧力センサ７８、ユーザのアクセルペダルの操作量（アクセル操作量）を検出するアクセルセンサ８０、更にはエンジン４６の図示しない出力軸（クランク軸）の回転角度を検出するクランク角度センサ８２等の検出信号を逐次入力する。ＥＣＵ７４は、これらの入力信号に基づき、燃料噴射弁５８による燃料噴射制御処理や、ガス生成処理等のエンジン４６の燃焼制御を行う。

上記燃料噴射制御処理について説明すると、まず、クランク角度センサ８２の出力値に基づくエンジン回転速度と、アクセルセンサ８０の出力値に基づくアクセル操作量とから、エンジン４６の要求トルクを算出する。ここでは通常、アクセル操作量が大きいほど、エンジン４６の要求トルクを大きく設定する。そして、設定されたエンジン４６の要求トルクに基づき燃料噴射弁５８の指令値を算出し、この指令値に基づき燃料噴射弁５８を通電操作する。これにより、上記指令値に相当する量の燃料が、圧縮行程の後半から膨張行程の前半までの期間（例えば圧縮上死点近傍のタイミング）において燃料噴射弁５８から噴射される。

上記ガス生成処理は、真空ポンプ２２、Ｎ２制御弁２４及びＯ２制御弁２６を通電操作することで、Ｎ２サージタンク３４に供給される窒素富化ガスの流量及び酸素濃度と、Ｏ２サージタンク４０に供給される酸素富化ガスの流量及び酸素濃度とを所望の値に調節する処理となる。

詳しくは、窒素富化ガスの流量は、Ｎ２制御弁２４の開度が大きくなるほど多くなる傾向にあり、窒素富化ガスの酸素濃度は、Ｎ２制御弁２４の開度が小さくなったり、Ｏ２出口部３６側（Ｏ２供給通路３８側）の圧力が低くなったり（分離部材２０ａの前後差圧が大きくなったり）するほど低くなる傾向にある。また、酸素富化ガスの流量は、Ｏ２制御弁２６の開度が大きくなったり、Ｏ２出口部３６側の圧力が低くなったりするほど多くなる傾向にあり、酸素富化ガスの酸素濃度は、Ｏ２出口部３６側（Ｏ２供給通路３８側）の圧力が低くなったり（分離部材２０ａの前後差圧が大きくなったり）、Ｏ２制御弁２６の開度が小さくなったりするほど高くなる傾向にある。本実施形態では、新気の酸素濃度を約２１％とすると、上記ガス生成処理によって、窒素富化ガスの酸素濃度を５〜２０％の範囲で調節し、酸素富化ガスの酸素濃度を２２〜３０％の範囲で調節する。

なお、ＥＣＵ７４は、Ｎ２圧力センサ７６及びＯ２圧力センサ７８の検出値に基づき各吸気ポートに流入する吸気量を推定する処理と、Ｎ２制御弁２４、Ｏ２制御弁２６及び真空ポンプ２２の通電操作によって上記推定された吸気量を目標値に調節する処理とを併せて行う。

こうしたシステム構成において、本実施形態では、エンジン４６からのＮＯｘ及びスモークの双方の発生を抑制すべく、燃焼室４８における酸素富化ガス及び窒素富化ガスの配置を適切なものとしている。以下、これについて説明する。

まず、図５（ａ）を用いて、本実施形態にかかるストレートポート４４及びスワールポート５０のそれぞれからの吸気の供給態様について説明する。なお、図中、ガス噴射弁７２の一部及び排気ポート６０の図示を省略している。

図示されるように、燃焼室４８のうち燃焼室４８の半径（シリンダ５２のボアの半径）よりも小さい半径を有して且つ中心軸線ＬＡ方向に延びる略円柱状の領域を中心領域４８ａ（図中、２点鎖線にて囲まれる領域）と定義し、燃焼室４８のうち中心領域４８ａ以外の略円環状の領域を外周領域４８ｂと定義する。本実施形態では、円柱状の中心領域４８ａの中心軸線は、燃焼室４８の中心軸線ＬＡと一致している。

ストレートポート４４は、直線的な流れによって中心領域４８ａに吸気を充填し、スワールポート５０は、スワールによって吸気を外周領域４８ｂに充填する。

続いて、図５（ｂ）を用いて、本実施形態にかかる酸素富化ガス割込供給処理について説明する。この処理は、吸気バルブ６２の開弁期間において、ストレートポート４４から燃焼室４８に窒素富化ガスを供給するに先立ち、ストレートポート４４から酸素富化ガスを供給させるべくガス噴射弁７２を通電操作する処理である。

詳しくは、図５（ｂ）に示すように、吸気バルブ６２の閉弁期間において、ガス噴射弁７２の開弁によってストレートポート４４のうち燃焼室４８（吸気バルブ６２）に隣接する領域に酸素富化ガスを加圧供給することで、上記燃焼室４８に隣接する領域に酸素富化ガスを配置させる。

上記割込供給処理を行うと、ストレートポート４４において、このポートのうち燃焼室４８に隣接する領域に酸素富化ガスが配置されて且つ、酸素富化ガスの配置される領域に隣接する上流側の領域に窒素富化ガスが配置されることとなる。そして、吸気行程において吸気バルブ６２が開弁されることで、酸素富化ガス及び窒素富化ガスの順に、ストレートポート４４から燃焼室４８の中心領域４８ａに充填されることとなる。

次に、上述した手法によって燃焼室４８に吸気（酸素富化ガス及び窒素富化ガス）を供給した後の燃焼室４８におけるガスの挙動の推移について図６を用いて説明する。詳しくは、図６（ａ）に、圧縮行程における吸気バルブ６２の閉弁タイミング（圧縮上死点前１３０℃Ａ）におけるガスの分布を示し、図６（ｂ）に、圧縮上死点前６０℃Ａにおけるガスの分布を示し、図６（ｃ）に、圧縮上死点におけるガスの分布を示す。なお、図６は、燃焼室４８の中心軸線ＬＡに平行であって且つこの中心軸線ＬＡを通る平面でエンジン４６を切断した場合における燃焼室４８近傍の断面図である。また、図６に示すガス分布は、本発明者らの実施したＣＡＥ解析によって調べられたものである。

まず、図６（ａ）に示すように、燃焼室４８において、燃料噴射弁５８の噴孔の周囲に低水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、低水準酸素濃度ガスの外周に高水準酸素濃度ガスが配置される。すなわち、中心領域４８ａのうち、燃焼室４８の下部（ピストン５４の上面付近）に高水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、燃焼室４８の上部に低水準酸素濃度ガスが配置される。また、低水準酸素濃度ガスがその周りを取り巻くように分布することとなる。

ここで、高水準酸素濃度ガスとは、酸素富化ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスのことであり、低水準酸素濃度ガスとは、高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ窒素富化ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスのことをいう。そして、高水準酸素濃度ガスの酸素濃度が低水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも高い関係を維持しつつ、高水準酸素濃度ガスの酸素濃度が新気中の酸素濃度よりも低くなったり、低水準酸素濃度ガスの酸素濃度が新気中の酸素濃度よりも高くなったりすることがある。これは、吸気ポート４４，５０から燃焼室４８に酸素富化ガス及び窒素富化ガスが供給された後、例えばガスの流動やピストン５４の上昇に伴って、燃焼室４８において酸素富化ガスと窒素富化ガスとが混ざり合うことによるものである。ちなみに、高水準酸素濃度ガスが配置される領域における酸素濃度や、低水準酸素濃度ガスが配置される領域における酸素濃度は、必ずしも均一となるわけではない。

なお、本実施形態では、燃焼室４８の容積の「２／３」が低水準酸素濃度ガスで満たされている。

次に、同図（ｂ）に示すように、ピストン５４の上昇によって高水準酸素濃度ガスと低水準酸素濃度ガスとは大きく混ざり合うことなく上下に圧縮される。

そして、同図（ｃ）に示すように、燃料噴射弁５８の噴射タイミングにおいては、キャビティ５４ａのうち中心軸線ＬＡ付近ｐ１に酸素濃度が低い低水準酸素濃度ガスが多く分布し、キャビティ５４ａの底部ｐ２と、ピストン５４の上面及びシリンダヘッド５６に囲まれた部分ｐ３には高水準酸素濃度ガスが多く分布する。

こうしたガスの配置において、燃料噴射弁５８から燃料噴霧Ｇが噴射されると、燃料噴霧Ｇの周辺領域のうち燃料噴霧Ｇを挟んで噴孔とは反対側付近ｐ２，ｐ３の領域に高水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、燃料噴霧Ｇの周辺領域のうち高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に低水準酸素濃度ガスが配置されることとなる。そして、燃料噴霧の自着火燃焼が開始されると、低水準酸素濃度ガスと隣接する燃料噴霧Ｇの外周部分の燃焼が緩慢となって燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生が抑制される。また、燃料噴霧Ｇの先端部（ピストン５４の上面付近）の高水準酸素濃度ガスによって先端部の燃焼を促進させてスモークの発生を抑制する。さらに、この際、燃料噴霧Ｇ内部の燃料濃度の高い部分の燃焼によってスモークが一旦発生するものの、その後スモークは、高水準酸素濃度ガスが配置されるキャビティ５４ａの底部ｐ２や、ピストン５４の上面とシリンダヘッド５６とで囲まれた部分ｐ３に燃焼期間の後期に到達する。そして、高水準酸素濃度ガスによってスモークの燃焼が促進される。したがって、ＮＯｘ及びスモークの双方の発生を抑制することができる。

ちなみに、燃焼室４８に流入する窒素富化ガス及び酸素富化ガスの圧力比率（窒素富化ガスの圧力／酸素富化ガスの圧力）を略０．７〜１．３の範囲内とすることが望ましい。これは、Ｎ２圧力センサ７６及びＯ２圧力センサ７８の検出値から算出される上記圧力比率を上記範囲内で設定した圧力比率の目標値に制御するようにＮ２制御弁２４及びＯ２制御弁２６等を通電操作する処理となる。これにより、燃焼室４８において窒素富化ガスと酸素富化ガスとが大きく混ざり合うことを抑制することができ、ＮＯｘ及びスモークを抑制するための図６（ｃ）に示すようなガス配置を適切に実現することができる。

また、本実施形態にかかる燃焼室４８の形状（キャビティ５４ａの形状等）において、上記酸素富化ガス割込供給処理を行わない場合には、図６（ａ）のガス分布を実現することができなくなるおそれが大きい。これは、中心領域４８ａのうち燃焼室４８の下部に低水準酸素濃度ガスが配置されることに起因して、その後燃焼室４８の圧縮によって図６（ｃ）のガス分布を実現できなくなることによるものである。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）ストレートポート４４によって燃焼室４８の中心領域４８ａに窒素富化ガスを供給するとともに、スワールポート５０によって燃焼室４８の外周領域４８ｂに酸素富化ガスを供給した。ここでは、酸素富化ガス割込供給処理によってストレートポート４４から窒素富化ガスを供給するに先立ち、このポートから酸素富化ガスを供給した。これにより、ＮＯｘ及びスモークの双方を好適に抑制することができる。

さらに、上記燃焼手法によれば、着火時期を進角させることに伴うＮＯｘ生成量を抑制することができ、着火時期（燃料噴射時期）の進角によってエンジン４６の熱効率を上昇させ、エンジン４６の単位生成トルク当たりに要求される燃料消費量の増大を抑制することもできる。

（２）上記態様の窒素富化装置１８を備えるシステム構成とした。これにより、新気から窒素富化ガス及び酸素富化ガスを適切に生成することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図７に、本実施形態にかかるシステム構成図を示す。なお、図７において、先の図１に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を示している。

図示されるように、ストレートポート４４のうち導管６８の接続部よりも上流側には、ストレートポート４４の流路面積を調節する吸気制御弁８３が設けられている。吸気制御弁８３は、ＤＣモータ等の図示しないアクチュエータによって開度が調節される電子制御式の弁体である。この制御弁は、ＥＣＵ７４によって通電操作される。

次に、図８及び図９を用いて、本実施形態にかかる酸素富化ガス割込供給処理について説明する。

本実施形態にかかる上記割込供給処理によれば、ストレートポート４４にガス噴射弁７２から酸素富化ガスを噴射供給することに伴い、噴射供給された酸素富化ガスとその上流側の窒素富化ガスとが混ざり合うことを適切に抑制することが可能となる。

詳しくは、図８に示すように、圧縮行程の吸気バルブ６２が閉弁される時刻ｔ１において、ガス噴射弁７２が閉弁されて且つ、吸気制御弁８３が全開（ストレートポート４４の流路面積が最大）とされている（図９（ａ）参照）。

その後、時刻ｔ２においてガス噴射弁７２の開弁指令がなされ、時刻ｔ３においてガス噴射弁７２が開弁されることでストレートポート４４への酸素富化ガスの噴射供給が開始される。なお、本実施形態では、ガス噴射弁７２として、上記開弁指令がなされてからこの噴射弁が開弁するまでの応答時間を５ｍｓｅｃ以下のものを想定している。

ガス噴射弁７２が開弁すると、少し遅れた時刻ｔ４において、吸気制御弁８３によってストレートポート４４の流路面積が全開時の流路面積よりも小さい値に維持される。詳しくは、吸気制御弁８３の開度が半開に維持される。これにより、噴射供給された酸素富化ガスによって窒素富化ガスが吸気制御弁８３の上流側に押し戻される（図９（ｂ）参照）。ちなみに、吸気制御弁８３を半開とする設定は、ストレートポート４４において酸素富化ガスと窒素富化ガスとが混ざることを抑制するためのものである。つまり、ガス噴射弁７２から酸素富化ガスが噴射供給される状況下において吸気制御弁８３が全開とされると、ストレートポート４４に噴射供給された酸素富化ガスが吸気制御弁８３よりも上流側に移動しやすくなり、酸素富化ガスと窒素富化ガスとが混ざるおそれが大きくなる。

その後、窒素富化ガスの大部分が押し戻される時刻ｔ５において吸気制御弁８３が閉弁されることで、ストレートポート４４のうち吸気バルブ６２及び吸気制御弁８３の間の空間に酸素富化ガスが閉じ込められることとなる（図９（ｃ）参照）。

その後、時刻ｔ６においてガス噴射弁７２が閉弁されてストレートポート４４への酸素富化ガスの噴射供給が停止されるとともに、吸気制御弁８３に対する全開指令がなされる。そして、時刻ｔ７において吸気制御弁８３が全開とされる。なお、本実施形態では、吸気制御弁８３として、上記全開指令がなされてからこの制御弁が全開するまでの応答時間を５ｍｓｅｃ以下のものを想定している。

このように、本実施形態では、上記態様の酸素富化ガス割込供給処理を行うことで、ストレートポート４４において酸素富化ガスと窒素富化ガスとが混ざり合うことを好適に抑制することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図１０に、本実施形態にかかるシステム構成図を示す。なお、図１０において、先の図７に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を示している。

図示されるように、排気通路６６のうちターボチャージャ１４の上流側は、排気還流通路（ＥＧＲ通路８４）及びＥＧＲ分配器８５を介して、ストレートポート４４のうち吸気制御弁８３の上流側に接続されている。

ＥＧＲ通路８４には、同通路の流路面積を調節する電子制御式の弁体であるＥＧＲバルブ８６と、ＥＧＲクーラ８７とが設けられている。このＥＧＲバルブ８６の開度に応じて、排気通路６６に排出された排気の一部（外部ＥＧＲ）が、ＥＧＲクーラ８７によって冷却された後にＥＧＲ分配器８５を介して各気筒に対応するストレートポート４４に供給される。なお、ＥＧＲ分配器８５は、各気筒のストレートポート４４に外部ＥＧＲを均等に分配するための部材である。また、本実施形態において、以降、上記吸気とは、新気、酸素富化ガス、窒素富化ガス及び外部ＥＧＲのうち少なくとも１つのことをいう。

ＥＣＵ７４は、エンジン４６の運転状態に応じて定まる窒素富化ガスの要求量が、窒素富化装置１８によって実際に生成可能な窒素富化ガス量αを上回るか否かを判断する。そして、上記要求量が上記窒素富化ガス量αを上回ると判断された場合、窒素富化ガス量が不足すると判断し、この不足分に相当する外部ＥＧＲをストレートポート４４に供給すべく、ＥＧＲバルブ８６を通電操作するＥＧＲ供給処理を行う。この処理は、ＮＯｘ及びスモークの双方を抑制するための適切な窒素富化ガスの配置が実現できなくなることを回避するための処理である。

ちなみに、上記第１の実施形態と同様に、燃焼室４８に流入する窒素富化ガス及び外部ＥＧＲの混合ガスと酸素富化ガスとの圧力差を略０とすることが望ましい。ここで、上記混合ガスの圧力は、例えば、ストレートポート４４のうちＥＧＲ分配器８５の接続点よりも下流側に圧力センサを設け、このセンサの検出値に基づき把握すればよい。

このように、本実施形態では、上記ＥＧＲ供給処理を行うことで、窒素富化装置１８による窒素富化ガスの生成量が不足する場合であっても、この不足分を適切に補償することができる。したがって、ＮＯｘ及びスモークの双方の発生を適切に抑制することができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について、先の第３の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図１１に、本実施形態にかかるシステム構成図を示す。なお、図１１において、先の図１０に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を示している。

図示されるように、Ｎ２供給通路３２とＯ２供給通路３８とは、連通管８８によって接続されている。連通管８８には、この通路の流路面積を調節する連通制御弁９０が設けられている。連通制御弁９０は、上記Ｎ２制御弁２４等と同様に、ＤＣモータ等の図示しないアクチュエータによって開度が調節される電子制御式の弁体である。

ＥＣＵ７４は、エンジン４６が通常の運転状態（エンジン４６の負荷が急増する状態及びエンジン４６の負荷が高い状態以外の運転状態）であると判断された場合、連通制御弁９０を閉弁させる処理を行う。ここで、エンジン４６の負荷が急増したか否かは、例えばエンジン４６の要求トルクの上昇速度が所定以上であるか否かで判断すればよい。また、エンジン４６の負荷が高い状態であるか否かは、例えば上記要求トルクが規定トルク以上であるか否かで判断すればよい。

一方、エンジン４６の負荷が急増する状態又はエンジン４６の負荷が高い状態であると判断された場合には、燃焼室４８に供給する酸素量を増大させるべく、Ｎ２制御弁２４、Ｏ２制御弁２６及び連通制御弁９０を通電操作する酸素濃度上昇処理を行う。詳しくは、Ｎ２制御弁２４を閉弁（Ｎ２制御弁２４によってＮ２出口部３０とＮ２サージタンク３４との間を遮断）させるとともに、Ｏ２制御弁２６及び連通制御弁９０を開弁させる。この処理は、スモークの増大を抑制するための処理である。

つまり、エンジン４６が低負荷運転される状態からエンジン４６が高負荷運転される状態へと短時間に移行する（車両の加速時）等、エンジン４６の負荷が急増する状況下においては、ターボチャージャ１４によって過給度合いが増大されてからその影響が燃焼室４８に供給される吸気圧に現れるまでに応答遅れ（吸気後れ）を伴う。この吸気遅れに起因して、エンジン４６の要求トルクに応じた燃料噴射量に対して吸気量が不足する事態が生じ得る。この場合、燃料噴霧が酸素不足の状態で燃焼に供されることとなり、スモークが増大するおそれがある。

このため、上記処理を行うことで、ストレートポート４４及びスワールポート５０の双方から燃焼室４８へと酸素富化ガス及び新気の混合ガスを供給し、燃焼室４８に供給される吸気の酸素濃度を極力上昇させる。これにより、吸気遅れに伴うスモークの増大を抑制する。

なお、エンジン４６の負荷が高い場合に上記処理を行うことで、スモークの発生を抑制できるのは、燃焼室４８全体の酸素濃度を極力上昇させることでスモークの再燃焼を促進することができるためである。

このように、本実施形態では、上記酸素濃度上昇処理を行うことで、エンジン４６の負荷の急増時等におけるスモークの発生を好適に抑制することができる。さらに、スモークの発生を燃料噴射量の低減量を極力抑制しつつ実現することができるため、車両の加速時におけるエンジン４６の生成トルクが不足する事態の発生を抑制することなども期待できる。

（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図１２に、本実施形態にかかる窒素富化装置１８のうち主に分離装置の部分を示す。

図示されるように、窒素富化装置１８は、第１の分離装置９２ａ及び第２の分離装置９２ｂを備えて構成されている。ここで、これら分離装置９２ａ，９２ｂの構造は、上記第１の実施形態に示した分離装置と同様である。

吸気通路１０のうち新気供給通路４２の下流側は、第１の分離装置９２ａの入口部（第１入口部９４ａ）に接続されている。第１の分離装置９２ａのうち窒素富化ガスが流出する出口部（第１Ｎ２出口部９６ａ）は、第１Ｎ２供給通路３２ａを介してＮ２サージタンク３４に接続されている。

第１の分離装置９２ａのうち酸素富化ガスが流出する出口部（第１Ｏ２出口部９８ａ）は、第１Ｏ２供給通路３８ａを介して真空ポンプ２２に接続されている。第１Ｏ２供給通路３８ａのうち真空ポンプ２２の上流側には、Ｎ２制御弁２４と同様の機能を有する調節弁１００が設けられている。

一方、吸気通路１０のうち新気供給通路４２の下流側は、さらに、第２の分離装置９２ｂの入口部（第２入口部９４ｂ）に接続されている。第２の分離装置９２ｂのうち窒素富化ガスが流出する出口部（第２Ｎ２出口部９６ｂ）は、第２Ｎ２供給通路３２ｂを介して第１Ｎ２供給通路３２ａのうちＮ２制御弁２４の下流側に接続されている。

第２の分離装置９２ｂのうち酸素富化ガスが流出する出口部（第２Ｏ２出口部９８ｂ）は、第２Ｏ２供給通路３８ｂを介して、第１Ｏ２供給通路３８ｂのうち真空ポンプ２２よりも上流側であって且つ調節弁１００よりも下流側に接続されている。

ＥＣＵ７４は、エンジン４６の負荷（要求トルク）に応じて、酸素富化ガス及び窒素富化ガスの生成に用いる分離装置の使用数を切り替えるべく、Ｎ２制御弁２４及び調節弁１００を通電操作する処理を行う。

詳しくは、図１３に示すように、エンジン４６の負荷が低い水準であると判断された場合、調節弁１００及びＮ２制御弁２４の双方を閉弁させる。これにより、第１の分離装置９２ａに新気が供給されず、この装置によって酸素富化ガス及び窒素富化ガスが生成されなくなる。すなわち、富化ガスの生成に用いる酸素富化膜の面積を減少させるとともに、第２の分離装置９２ｂの酸素富化膜の下流側の負圧を高くすることで、第１，第２の分離装置９２ａ，９２ｂの双方を使用する場合と比較して、より酸素濃度の高い酸素富化ガスを適切に生成する。

一方、エンジン４６の負荷が高い水準であると判断された場合、Ｎ２制御弁２４及び調節弁１００の双方を開弁させる。これにより、第１，第２の分離装置９２ａ，９２ｂを用い、大量の酸素富化ガスを適切に生成する。

ちなみに、エンジン４６の負荷が低い水準であるか否かは、例えば、エンジン４６が低速低負荷で運転されているか否かや、吸気通路１０を流れる新気量が規定量よりも少ないか否かに基づき判断すればよい。また、エンジン４６の負荷が高い水準であるか否かは、例えば、エンジン４６が中速中負荷で運転されているか否かや、吸気通路１０を流れる新気量が上記規定量以上であるか否かで判断すればよい。

このように、本実施形態では、エンジン４６の負荷に応じて窒素富化装置１８の備える分離装置の使用数を切り替えることで、エンジン４６の運転状態に応じた酸素富化ガス及び窒素富化ガスを確保することができる。すなわち、エンジン４６の運転状態に応じて、窒素富化ガスの流量及び酸素濃度と、酸素富化ガスの流量及び酸素濃度の設定自由度を向上させることができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記各実施形態では、窒素富化装置１８の分離部材を酸素富化膜によって構成したがこれに限らない。例えば、分離部材を、ポリイミド樹脂等からなる中空糸状の高分子膜（中空糸膜）を束にしたものによって構成してもよい。この場合であっても、中空糸膜に対する各気体の透過速度の差異を利用して、酸素富化ガス及び窒素富化ガスを生成することができる。

また、酸素富化ガス及び窒素富化ガスを生成する手法としては、膜における各気体の透過速度の差異を利用したものに限らない。例えば、気体分子間で吸着能が異なる性質を利用して気体分離を実施するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式を採用する手法であってもよい。

・各気筒における燃料噴射弁の配置態様及び燃料噴射弁の配置数としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。例えば、燃焼室のうち中心軸線ＬＡから大きくはずれた位置に噴孔を突出させて燃料噴射弁を配置したり、燃料噴射弁の配置数を複数としたりしてもよい。この場合であっても、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧周囲に高水準酸素濃度ガス及び低水準酸素濃度ガスの上記態様の配置をするなら、ＮＯｘ及びスモークの双方の低減効果が期待できる。

・上記第１の実施形態において、ガス噴射弁７２及び導管６８を備えない構成としてもよい。この場合、ピストン５４に形成されるキャビティの形状が上記第１の実施形態に例示した形状とは異なる形状であり、ストレートポート４４から流入する窒素富化ガスと、スワールポート５０から流入する酸素富化ガスとが、燃焼室４８の下部の中心領域４８ａにおいて混ざり合うことがなければ、先の図６の酸素濃度分布を実現することができると考えられるため、ＮＯｘ及びスモークの双方の発生の抑制が期待できる。

・上記第３の実施形態において、低酸素濃度ガスとして、ＥＧＲ分配器８５から供給される外部ＥＧＲのみを用いてもよい。この場合、Ｎ２制御弁２４が閉弁されることとなる。

・上記第３の実施形態において、Ｎ２制御弁２４の閉弁によって酸素富化ガスの生成量を増大させて且つ、外部ＥＧＲが十分に確保できることを条件として、低酸素濃度ガスとして窒素富化ガスに代えて外部ＥＧＲを供給する処理を行ってもよい。この処理は、エンジン４６の負荷が高く、燃焼室４８に供給すべき酸素量及び低酸素濃度ガス量が多くなる状況下において有効であると考えられる。

・上記第５の実施形態において、窒素富化装置１８に分離装置が３個以上備えられる構成としてもよい。

・上記各実施形態では、酸素富化ガスを燃焼室４８の中心領域４８ａに供給する供給手段としてストレートポート４４を用いたがこれに限らない。例えば、噴孔を燃焼室４８の上部に突出させて且つ燃焼室４８の中心軸線ＬＡ近傍に噴孔を有する噴射弁を備え、この噴射弁を供給手段として用いてもよい。この場合、噴射弁からの噴射時期は、例えば、吸気行程のうち吸気バルブの開弁期間の中半から後半付近とすればよい。

・上記第４の実施形態では、酸素濃度上昇処理を、エンジン４６の負荷が高い場合等に行ったがこれに限らない。例えば、エンジン４６の暖機が完了されていない状況下において上記処理を行ってもよい。この場合、吸気の酸素濃度の上昇によって燃焼状態の安定化を図ることが期待できる。

・上記第４の実施形態の酸素濃度上昇処理において、Ｎ２制御弁２４の開度を増大させる処理を行ってもよい。これは、酸素濃度上昇処理において、燃焼室４８に供給される酸素量の増大に大きく寄与するのがＯ２制御弁２６及び連通制御弁９０の開度の増大であることによるものである。

１８…窒素富化装置、２０…分離装置、４４…ストレートポート、４６…エンジン、４８…燃焼室、５０…スワールポート、５８…燃料噴射弁、７２…ガス噴射弁、７４…ＥＣＵ。

Claims (9)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置において、
   前記高酸素濃度ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスを高水準酸素濃度ガスとし、
   前記高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ前記低酸素濃度ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスを低水準酸素濃度ガスとし、
   前記供給手段は、前記燃焼室において、前記燃料噴射弁の噴孔から噴射された燃料噴霧の周辺領域のうち該燃料噴霧を挟んで前記噴孔とは反対側付近の領域に前記高水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、前記燃料噴霧の周辺領域のうち前記高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に前記低水準酸素濃度ガスが配置されるように前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであり、
   前記燃焼室の一部の領域であって且つ該燃焼室の中心軸線を通って該中心軸線方向に延びる領域を中心領域とし、前記燃焼室のうち前記中心領域以外の領域を外周領域とし、
   前記供給手段は、前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の吸気ポートであり、
   前記一対の吸気ポートのうち前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートは、前記中心領域に前記低酸素濃度ガスを供給するものであり、
   前記一対の吸気ポートのうち前記高酸素濃度ガスを供給する吸気ポートは、前記外周領域に前記高酸素濃度ガスを供給するものであり、
   前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから前記燃焼室に該低酸素濃度ガスを供給するに先立ち、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから前記燃焼室に前記高酸素濃度ガスを供給させる割込供給手段を備えることを特徴とする内燃機関のガス供給装置。
2. 内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置において、
   前記高酸素濃度ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスを高水準酸素濃度ガスとし、
   前記高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ前記低酸素濃度ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスを低水準酸素濃度ガスとし、
   前記供給手段は、前記燃焼室において、前記燃料噴射弁の周囲に前記低水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、該配置された低水準酸素濃度ガスの外周に前記高水準酸素濃度ガスが配置されるように前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであり、
   前記燃焼室の一部の領域であって且つ該燃焼室の中心軸線を通って該中心軸線方向に延びる領域を中心領域とし、前記燃焼室のうち前記中心領域以外の領域を外周領域とし、
   前記供給手段は、前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の吸気ポートであり、
   前記一対の吸気ポートのうち前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートは、前記中心領域に前記低酸素濃度ガスを供給するものであり、
   前記一対の吸気ポートのうち前記高酸素濃度ガスを供給する吸気ポートは、前記外周領域に前記高酸素濃度ガスを供給するものであり、
   前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから前記燃焼室に該低酸素濃度ガスを供給するに先立ち、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートから前記燃焼室に前記高酸素濃度ガスを供給させる割込供給手段を備えることを特徴とする内燃機関のガス供給装置。
3. 前記割込供給手段は、前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートに前記高酸素濃度ガスを噴射供給するものであり、
   前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートのうち前記割込供給手段によって前記高酸素濃度ガスが噴射供給される位置よりも上流側の流路面積を調節する流路面積調節手段と、
   前記内燃機関の吸気バルブの閉弁期間において、前記流路面積調節手段によって前記流路面積を絞りつつ前記割込供給手段から前記高酸素濃度ガスを噴射供給すべく、前記流路面積調節手段及び前記割込供給手段を操作する操作手段とを更に備えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関のガス供給装置。
4. 酸素を透過させる分離部材を有して且つ新気が供給される分離装置を更に備え、
   前記分離装置は、該分離装置に供給される新気のうち、前記分離部材を透過する気体を前記高酸素濃度ガスとして供給し、残余を前記低酸素濃度ガスとして供給する機能を有するものであり、
   前記供給手段は、前記分離装置から供給される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関のガス供給装置。
5. 前記内燃機関から排出される排気の一部を外部ＥＧＲとして前記低酸素濃度ガスを供給する吸気ポートに還流させるＥＧＲ手段と、
   前記分離装置から供給される前記低酸素濃度ガスの量が不足すると判断されることに基づき、前記分離装置から供給される低酸素濃度ガスに加えて、前記ＥＧＲ手段によって還流された外部ＥＧＲを前記燃焼室に供給させる手段とを更に備えることを特徴とする請求項４記載の内燃機関のガス供給装置。
6. 前記供給手段は、前記分離装置によって生成される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の供給通路であり、
   前記一対の供給通路のうち前記低酸素濃度ガスを供給する通路と、前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路とを接続する連通通路と、
   前記連通通路に設けられて且つ該連通通路の流路面積を調節する第１の流路面積調節手段と、
   前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路と、前記分離装置に新気を供給する通路とを接続する新気供給通路と、
   前記新気供給通路に設けられて且つ該新気供給通路の流路面積を調節する第２の流路面積調節手段と、
   前記内燃機関の負荷が急増する又は該内燃機関の負荷が高いと判断された場合、前記第１の流路面積調節手段によって前記連通通路の流路面積を増大させる処理、及び前記第２の流路面積調節手段によって前記新気供給通路の流路面積を増大させる処理を行う増大手段とを更に備えることを特徴とする請求項４又は５記載の内燃機関のガス供給装置。
7. 内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置において、
   前記高酸素濃度ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスを高水準酸素濃度ガスとし、
   前記高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ前記低酸素濃度ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスを低水準酸素濃度ガスとし、
   前記供給手段は、前記燃焼室において、前記燃料噴射弁の噴孔から噴射された燃料噴霧の周辺領域のうち該燃料噴霧を挟んで前記噴孔とは反対側付近の領域に前記高水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、前記燃料噴霧の周辺領域のうち前記高水準酸素濃度ガスが配置される領域以外の領域に前記低水準酸素濃度ガスが配置されるように前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであり、
   酸素を透過させる分離部材を有して且つ新気が供給される分離装置を更に備え、
   前記分離装置は、該分離装置に供給される新気のうち、前記分離部材を透過する気体を前記高酸素濃度ガスとして供給し、残余を前記低酸素濃度ガスとして供給する機能を有するものであり、
   前記供給手段は、前記分離装置によって生成される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の供給通路であり、
   前記一対の供給通路のうち前記低酸素濃度ガスを供給する通路と、前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路とを接続する連通通路と、
   前記連通通路に設けられて且つ該連通通路の流路面積を調節する第１の流路面積調節手段と、
   前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路と、前記分離装置に新気を供給する通路とを接続する新気供給通路と、
   前記新気供給通路に設けられて且つ該新気供給通路の流路面積を調節する第２の流路面積調節手段と、
   前記内燃機関の負荷が急増する又は該内燃機関の負荷が高いと判断された場合、前記第１の流路面積調節手段によって前記連通通路の流路面積を増大させる処理、及び前記第２の流路面積調節手段によって前記新気供給通路の流路面積を増大させる処理を行う増大手段とを備えることを特徴とする内燃機関のガス供給装置。
8. 内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガス及び新気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給する供給手段を備える内燃機関のガス供給装置において、
   前記高酸素濃度ガスの酸素濃度以下の酸素濃度を有するガスを高水準酸素濃度ガスとし、
   前記高水準酸素濃度ガスの酸素濃度よりも低くて且つ前記低酸素濃度ガスの酸素濃度以上の酸素濃度を有するガスを低水準酸素濃度ガスとし、
   前記供給手段は、前記燃焼室において、前記燃料噴射弁の周囲に前記低水準酸素濃度ガスが配置されて且つ、該配置された低水準酸素濃度ガスの外周に前記高水準酸素濃度ガスが配置されるように前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであり、
   酸素を透過させる分離部材を有して且つ新気が供給される分離装置を更に備え、
   前記分離装置は、該分離装置に供給される新気のうち、前記分離部材を透過する気体を前記高酸素濃度ガスとして供給し、残余を前記低酸素濃度ガスとして供給する機能を有するものであり、
   前記供給手段は、前記分離装置によって生成される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスのそれぞれを各別の経路で１の気筒の前記燃焼室に供給する一対の供給通路であり、
   前記一対の供給通路のうち前記低酸素濃度ガスを供給する通路と、前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路とを接続する連通通路と、
   前記連通通路に設けられて且つ該連通通路の流路面積を調節する第１の流路面積調節手段と、
   前記一対の供給通路のうち前記高酸素濃度ガスを供給する通路と、前記分離装置に新気を供給する通路とを接続する新気供給通路と、
   前記新気供給通路に設けられて且つ該新気供給通路の流路面積を調節する第２の流路面積調節手段と、
   前記内燃機関の負荷が急増する又は該内燃機関の負荷が高いと判断された場合、前記第１の流路面積調節手段によって前記連通通路の流路面積を増大させる処理、及び前記第２の流路面積調節手段によって前記新気供給通路の流路面積を増大させる処理を行う増大手段とを備えることを特徴とする内燃機関のガス供給装置。
9. 酸素を透過させる分離部材を有して且つ新気が供給される複数の分離装置を更に備え、
   前記分離装置は、前記分離装置に供給される新気のうち、前記分離部材を透過する気体を前記高酸素濃度ガスとして供給し、残余を前記低酸素濃度ガスとして供給する機能を有するものであり、
   前記供給手段は、前記分離装置から供給される前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスを前記燃焼室に供給するものであり、
   前記内燃機関の負荷が高いほど、前記高酸素濃度ガス及び前記低酸素濃度ガスの生成に用いる前記分離装置の数を増大させる手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関のガス供給装置。

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