(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気系を介して当該機関の燃焼室に吸入される吸気の流量を制御する吸気量制御手段と、前記機関に燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気系にオゾンを供給するオゾン供給手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、
前記吸気系を介して前記機関の燃焼室に導入されるオゾン量を検出または推定するオゾン導入量取得手段と、
前記検出または推定されたオゾン導入量に基づいて前記吸気量及び燃料供給量を制御することにより、前記燃焼室内の混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、
前記オゾン供給手段は、空気を導入してオゾンを発生させるオゾン発生器と、交流電圧を印加して前記オゾン発生器を駆動させる駆動装置と、を更に備え、
前記オゾン導入量取得手段は、前記オゾン発生器に導入された空気の流量及び温度、前記交流電圧のデューティー比並びに電圧印加時間に基づいて、前記オゾン発生器で発生したオゾン発生量を算出し、当該算出されたオゾン発生量と、前記オゾン発生器から前記燃焼室までのオゾン導入経路における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つに基づいて、前記オゾン導入量を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
内燃機関の吸気系を介して当該機関の燃焼室に吸入される吸気の流量を制御する吸気量制御手段と、前記機関に燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気系にオゾンを供給するオゾン供給手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、
前記吸気系を介して前記機関の燃焼室に導入されるオゾン量を検出または推定するオゾン導入量取得手段と、
前記検出または推定されたオゾン導入量に基づいて前記吸気量及び燃料供給量を制御することにより、前記燃焼室内の混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、
運転者の始動意志の有無を判定する始動意志判定手段と、
運転者の始動意志が有ると判定されたことに応じて前記オゾン供給手段によりオゾンの供給を開始するオゾン供給制御手段と、
前記機関の回転数が所定値に達したときに前記機関が始動したと判定する始動判定手段と、
前記機関が始動したと判定されたことに応じて前記オゾン導入量取得手段により検出または推定されたオゾン導入量に基づいて、始動時における前記混合気の目標空燃比を設定する始動時目標空燃比設定手段と、を更に備え、
前記空燃比制御手段は、始動時における前記混合気の空燃比を前記設定された始動時目標空燃比と一致するように制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記始動時目標空燃比設定手段は、前記始動時目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。詳しくは、内燃機関の吸気系にオゾンを供給するオゾン供給手段を備えた内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の内燃機関の排気浄化システムでは、排気浄化触媒の浄化効率の向上によって、排気浄化触媒の暖機後におけるテールパイプエミッションは極めて少ないと言われている。ところが、内燃機関の冷間始動時におけるテールパイプエミッションが問題視されており、その低減が望まれている。ここで、テールパイプエミッションを低減するためには、燃焼室内の燃焼状態を改善して有害物質の発生を抑制するとともに、発生した有害物質を排気浄化触媒により効率良く浄化することが重要である。
【０００３】
しかしながら、冷間始動時には、内燃機関の回転数が変動して安定した燃焼状態を確保するのが困難であるため、通常、燃焼室内の空燃比のリッチ化が行われている。このため、空燃比のリッチ化によって有害物質が多量に発生する結果、テールパイプエミッションを低減するのが困難であった。
【０００４】
また、冷間始動時には、不安定な燃焼によって燃焼室内の温度が低いため、排気系に設けられた排気浄化触媒の温度が活性化温度まで到達しない。このため、排気浄化触媒が活性化されずに十分な浄化効果が得られない結果、テールパイプエミッションを低減するのが困難であった。
【０００５】
テールパイプエミッションの低減に関して、排気浄化触媒の温度に応じて、点火時期の遅角量を制御するとともに、吸気中に供給するオゾン量を制御する技術が開示されている（特許文献１参照）。また、内燃機関の運転状態に応じて、放電装置により活性化される燃焼室内の混合気の量及び分布を制御する技術が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３３２号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術は、点火時期の遅角と吸気中へのオゾンの供給によって、混合気の燃焼を継続させて排気浄化触媒を早期に活性化する技術であり、冷間始動時の燃焼状態を改善するものではない。従って、冷間始動時において、有害物質の発生を十分に抑制できてはおらず、テールパイプエミッションを十分に低減できているとは言えない。
【０００８】
また、特許文献２の技術では、活性化される混合気の量及び分布を内燃機関の運転状態に応じて瞬時に制御するとされているが、実際にはこれは困難である。放電装置により発生する活性物質の量は、混合気の状態（温度や湿度等）により変化してしまうからである。また、特許文献２の技術では、燃焼室内への直接放電方式を採用していることから、十分な放電時間が得られないため、内燃機関の運転状態及び混合気の状態に応じて十分な活性物質を添加するのは困難である。従って、冷間始動時において、テールパイプエミッションを十分に低減できているとは言えない。さらには、特許文献２の技術の適用対象は圧縮自己着火式の内燃機関に限定されており、火花点火式内燃機関への適用は困難である。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の冷間始動時におけるテールパイプエミッションを低減できる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン３）の吸気系（例えば、後述の吸気系４０）を介して当該機関の燃焼室（例えば、後述の燃焼室３５）に吸入される吸気の流量（例えば、後述の吸気量ＱＧ）を制御する吸気量制御手段（例えば、後述のスロットル弁４７）と、前記機関に燃料を供給する燃料供給手段（例えば、後述のポート燃料噴射弁４５）と、前記吸気系にオゾンを供給するオゾン供給手段（例えば、後述のオゾン供給部４８）と、を備えた内燃機関の制御装置（例えば、後述の制御装置１）を提供する。本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記吸気系を介して前記機関の燃焼室に導入されるオゾン量を検出または推定するオゾン導入量取得手段（例えば、後述のＥＣＵ２を構成するオゾン導入量取得部）と、前記検出または推定されたオゾン導入量（例えば、後述のオゾン導入量ＱＯ３）に基づいて前記吸気量及び燃料供給量（例えば、後述の燃料噴射量ＱＩＮＪ）を制御することにより、前記燃焼室内の混合気の空燃比（例えば、後述の空燃比ＡＦＳＴ）を制御する空燃比制御手段（例えば、後述のＥＣＵ２を構成する空燃比制御部）と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、吸気系にオゾンを供給するオゾン供給手段を備える内燃機関の制御装置において、吸気系を介して燃焼室に導入されるオゾン量を検出または推定し、当該検出または推定されたオゾン導入量に基づいて吸気量及び燃料供給量を制御することにより、燃焼室内の混合気の空燃比を制御する。
オゾンは強力な酸化力を有するため、吸気系を介してオゾンを燃焼室内に導入すると、オゾンと燃料との予反応が生じて燃料が活性化される。このため、燃料の着火性が向上し、安定した燃焼状態を確保できるようになる。そこで本発明では、例えば燃焼状態が不安定な冷間始動時にオゾンを供給するとともに、燃焼室に導入されるオゾン導入量に基づいて混合気の空燃比を制御することで、当該空燃比をリーンに制御でき、有害物質、特にＨＣ及びＣＯの発生を抑制できる。また、安定した燃焼状態の確保によって燃焼室内の温度を早期に昇温できるため、排気系に設けられた排気浄化触媒を早期に活性化でき、始動直後から有害物質を効率良く浄化できる。従って、本発明によれば、冷間始動時におけるテールパイプエミッションを低減できる。さらには、本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合には、排気浄化触媒の早期活性化のために通常行われている点火時期の遅角量を低減できるため、テールパイプエミッションを低減しつつ、燃費を改善できる。
【００１２】
この場合、前記オゾン供給手段は、空気を導入してオゾンを発生させるオゾン発生器（例えば、後述のオゾン発生器４８１）と、交流電圧を印加して前記オゾン発生器を駆動させる駆動装置（例えば、後述の駆動装置４８３）と、を備え、前記オゾン導入量取得手段は、前記オゾン発生器に導入された空気の流量及び温度、前記交流電圧のデューティー比並びに電圧印加時間に基づいて、前記オゾン発生器で発生したオゾン発生量を算出し、当該算出されたオゾン発生量と、前記オゾン発生器から前記燃焼室までのオゾン導入経路（例えば、後述の吸気管４，吸気マニホールド，吸気ポート４１）における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つに基づいて、前記オゾン導入量を推定することが好ましい。
【００１３】
この発明では、オゾン供給手段を構成するオゾン発生器に導入された空気の流量及び温度、オゾン発生器に印加する交流電圧のデューティー比並びに電圧印加時間に基づいて、オゾン発生量を算出する。
オゾン発生器における単位時間あたりのオゾン発生量は、オゾン発生器に導入される空気の流量及び温度と、オゾン発生器に印加する交流電圧のデューティー比とによって一義的に決定される。従って、この発明によれば、オゾン発生器に導入される空気の流量及び温度と、オゾン発生器に印加する交流電圧のデューティー比とに基づいて、単位時間あたりのオゾン発生量を正確に算出できる。また、算出された単位時間あたりのオゾン発生量に、電圧印加時間を乗じることにより、オゾン発生器で発生したオゾン発生量を正確に算出できる。
【００１４】
また、この発明では、算出されたオゾン発生量と、オゾン発生器から燃焼室までの導入経路における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つに基づいて、オゾン導入量を推定する。
オゾンは不安定な分子であり、高温多湿であるほど酸素に変化し易い特性がある。即ち、オゾン発生器で発生し、吸気系に供給されたオゾンは、燃焼室に導入されるまでの間に、オゾン発生器から燃焼室までの導入経路における温度、湿度及び経路長に応じて減少する。そこでこの発明によれば、上記で算出されたオゾン発生量と、オゾン発生器から燃焼室までの導入経路における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つに基づいてオゾン導入量を推定することにより、燃焼室に導入されるオゾン導入量を精度良く推定できる。従って、この発明によれば、オゾン濃度計を設けることなく、上記発明の効果が奏される。
【００１５】
この場合、運転者の始動意志の有無を判定する始動意志判定手段（例えば、後述のＥＣＵ２を構成する始動意志判定部）と、運転者の始動意志が有ると判定されたことに応じて前記オゾン供給手段によりオゾンの供給を開始するオゾン供給制御手段（例えば、後述のＥＣＵ２を構成するオゾン供給制御部）と、前記機関の回転数が所定値に達したときに前記機関が始動したと判定する始動判定手段（例えば、後述のＥＣＵ２を構成する始動判定部）と、前記機関が始動したと判定されたことに応じて前記オゾン導入量取得手段により検出または推定されたオゾン導入量に基づいて、始動時における前記混合気の目標空燃比を設定する始動時目標空燃比設定手段（例えば、後述のＥＣＵ２を構成する始動時目標空燃比設定部）と、をさらに備え、前記空燃比制御手段は、始動時における前記混合気の空燃比を前記設定された始動時目標空燃比（例えば、後述の始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴ）と一致するように制御することが好ましい。
【００１６】
この発明では、運転者の始動意志が有るときにオゾンの供給を開始する。そして、内燃機関の回転数が所定値に達し、内燃機関が始動したと判定されたときに検出または推定されたオゾン導入量に基づいて、始動時における混合気の目標空燃比を設定する。また、設定された始動時目標空燃比と一致するように、混合気の空燃比を制御する。
従来、内燃機関の冷間始動時には、有害物質が多量に発生しており、また発生した有害物質を効率良く浄化できていなかった。そこでこの発明によれば、冷間始動時に上記発明のオゾン導入量に基づいた空燃比制御が可能となるため、燃焼室内の燃焼状態を改善して有害物質の発生を抑制できるとともに、発生した有害物質を排気浄化触媒により効率良く浄化できる。
【００１７】
この場合、前記始動時目標空燃比設定手段は、前記始動時目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定することが好ましい。
【００１８】
この発明では、始動時目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定する。これにより、内燃機関の冷間始動時において、例えば燃料供給量を低減し、混合気の空燃比をリーン側に設定された始動時目標空燃比に一致させることで、混合気の空燃比をリーンに制御できる。従って、この発明によれば、上記発明の効果がより確実に奏される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、内燃機関の冷間始動時におけるテールパイプエミッションを低減できる内燃機関の制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用した内燃機関の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る始動時目標空燃比の設定を行う処理のフローチャートである。
【図３】空気流量に応じた印加交流波のデューティー比と単位時間あたりのオゾン発生量との関係を示す図である。
【図４】外気温と単位時間あたりのオゾン発生量との関係を示す図である。
【図５】上記実施形態のテールパイプエミッション低減効果を説明するための図であり、（Ａ）は、上記実施形態に係る制御装置を適用したエンジンと、従来のエンジンの始動時におけるテールパイプＨＣ濃度を示す図であり、（Ｂ）は、それらの始動時におけるテールパイプＣＯ濃度を示す図である。
【図６】上記実施形態に係る制御装置を適用したエンジンと、従来のエンジンの始動時におけるテールパイプＨＣ濃度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１を適用した内燃機関３の構成を示す図である。内燃機関（以下、「エンジン」という）３は、図示しない車両に搭載されたポート噴射型の火花点火式エンジンであり、例えば直列４気筒４サイクルエンジンである。
【００２２】
エンジン３の各気筒３０（１つのみ図示）のピストン３１とシリンダヘッド３３との間には、燃焼室３５が形成されている。燃焼室３５には、吸気管４及び排気管５が接続されている。吸気管４の吸気ポート４１には、一対の吸気弁４３，４３（１つのみ図示）が設けられている。排気管５の排気ポート５１には、一対の排気弁５３，５３（１つのみ図示）が設けられている。また、シリンダヘッド３３には、点火プラグ３７が燃焼室３５に臨むように設けられている。
【００２３】
吸気管４の吸気マニホールドには、ポート燃料噴射弁４５が、気筒３０毎に吸気ポート４１に臨むように設けられている。ポート燃料噴射弁４５は、図示しない燃料ポンプで昇圧された燃料を、吸気ポート４１に噴射する。ポート燃料噴射弁４５は、後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２に電気的に接続されており、その開弁時期及び開弁時間がＥＣＵ２により制御される。
【００２４】
吸気管４には、吸気系４０（吸気管４、吸気マニホールド及び吸気ポート４１）を介して燃焼室３５に吸入される吸気の流量ＱＧを制御するスロットル弁４７が設けられている。ここで、スロットル弁４７により流量制御される吸気には、酸素の少なくとも一部がオゾンに変換された空気が含まれる。スロットル弁４７は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ２に電気的に接続されており、スロットル弁４７はＥＣＵ２によりその開度が制御される。
【００２５】
また、吸気管４には、スロットル弁４７の上流側に、オゾン発生器４８１が設けられている。オゾン発生器４８１は、外気から吸気管４内に吸入された空気を導入し、空気中の酸素を原料としてオゾンを発生させる。オゾン発生器４８１は、オゾン発生器４８１を駆動させる駆動装置４８３を介して、ＥＣＵ２と電気的に接続されている。オゾン発生器４８１は、駆動装置４８３を介して、ＥＣＵ２により駆動制御される。
【００２６】
オゾン発生器４８１は、無声放電式のオゾン発生器であり、図示しない一対の電極を含んで構成される。吸気管４に吸入された空気は、オゾン発生器４８１の上流側に設けられたエアクリーナ４９を通過した後、オゾン発生器４８１の電極間に導入される。このとき、電極間には、駆動装置４８３から交流電圧が印加される。これにより、電極間にコロナ放電が生じ、高エネルギ状態の電子が空気中の酸素に作用することで、下記式（１）に示すように酸素活性成分であるオゾンが発生する。より詳しくは、酸素分子に電子が衝突して酸素原子が生じ、この酸素原子が酸素分子と結合することで、オゾンが発生する。
［化１］
３Ｏ２→２Ｏ３      ・・・（１）
【００２７】
また、吸気管４には、スロットル弁４７とオゾン発生器４８１との間に、エアフローメータ９１が設けられている。エアフローメータ９１は、吸気系４０を介して燃焼室３５に吸入される吸気の流量ＱＧを検出する。エアフローメータ９１は、後述するＥＣＵ２に電気的に接続されており、その検出信号はＥＣＵ２に送信される。
【００２８】
排気管５の下流側には、三元触媒（以下、「ＴＷＣ」という）５３が設けられている。ＴＷＣ５３は、排気中に含まれるＣＯ及びＨＣを酸化して浄化するとともに、排気中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する。ＴＷＣ５３としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア及びゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなる担体に、ＰｔやＲｈ等の貴金属を担持させたものが好ましく用いられる。ＴＷＣ５３の調製方法については特に限定されず、従来公知のスラリー法等により調製される。具体的には、上記の酸化物や貴金属等を含むスラリーを調製後、調製したスラリーをコージェライト製ハニカム支持体にコートして焼成することにより調製される。
【００２９】
ＥＣＵ２は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ２は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、ポート燃料噴射弁４５、スロットル弁４７、駆動装置４８３等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００３０】
また、ＥＣＵ２には、イグニッションスイッチ９３と、スタータスイッチ９５と、クランク角度位置センサ９７が電気的に接続されている。イグニッションスイッチ９３は、運転者のエンジン３の始動意志を示すＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ２に送信する。スタータスイッチ９５は、エンジン３のスタータの作動状態を示すＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ２に送信する。クランク角度位置センサ９７は、エンジン３のクランク軸の回転角度を検出するとともに、クランク角１度毎にパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ２に送信する。エンジン３の回転数ＮＥは、このパルス信号に基づいてＥＣＵ２により算出される。
【００３１】
以上のようなハードウェア構成からなるＥＣＵ２には、オゾン導入量取得部、空燃比制御部、始動意志判定部、オゾン供給制御部、エンジン始動判定部及び目標空燃比設定部の各モジュールが構成されている。これらのモジュールにより、始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴの設定処理が実行され、設定された始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴに応じた空燃比制御が実行される。
なお、本実施形態において、始動時にオゾンを供給したときの混合気の空燃比は、酸素の少なくとも一部がオゾンに変換された空気の質量（即ち、オゾンを含めた空気の質量）を燃料の質量で除した値を意味する。
【００３２】
以下、ＥＣＵにより実行される始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴの設定処理ついて説明する。
図２は、ＥＣＵにより実行される始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴの設定を行う処理のフローチャートである。この設定処理では、エンジン３の冷間始動時に燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３に基づいて、始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴを設定する。
【００３３】
ステップＳ１では、運転者の始動意志の有無を判別する。具体的には、運転者がイグニッションスイッチをＯＮにしたときに始動意志有りと判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に移って、駆動装置によりオゾン発生器を起動させる。一方、この判別がＮＯの場合には、本処理を終了する。
【００３４】
ステップＳ２では、駆動装置によりオゾン発生器を起動させて、吸気管へのオゾンの供給を開始する。このとき、オゾン発生器に印加する交流電圧（印加交流波）のデューティー比は、図３に示す空気流量［Ｌ／分］に応じた印加交流波のデューティー比［％］と単位時間あたりのオゾン発生量［ｇ／時］との関係に基づいて設定される。図３に示すように、単位時間あたりのオゾン発生量は、オゾン発生器に導入する原料の空気の流量を大きくすると、それに比例して増加する一方で、印加交流波のデューティー比を大きくすると、単調増加ではなくあるピークをもって減少に転じる特性がある。また、このとき見られるピークの位置は、空気の温度を変化させても変動しない。従って本ステップでは、図３に示す関係を利用し、導入される空気流量に応じて、オゾン発生器に印加する交流電圧のデューティー比を単位時間あたりのオゾン発生量が最大となるように設定する。なお、本実施形態のオゾン発生器は吸気管内に設けられていることから、オゾン発生器に導入される空気の流量は、エアフローメータの検出信号に基づいてＥＣＵにより算出される。
【００３５】
ステップＳ３では、単位時間あたりのオゾン発生量の積算を開始する。具体的には、先ず、ステップＳ２で設定したオゾン発生器に印加する交流電圧のデューティー比と、エアフローメータの検出信号に基づいて算出された空気流量［Ｌ／分］に基づいて、図３に示す関係から単位時間あたりのオゾン発生量基準値［ｇ／時］を算出する。ここで、図３はある基準温度下でのものであり、単位時間あたりのオゾン発生量は、オゾン発生器に導入される空気の温度、即ち外気温が低いほど、増加する特性がある。図４は、外気温［℃］と単位時間あたりのオゾン発生量［ｇ／時］との関係を示す図である。図４に示すように、単位時間あたりのオゾン発生量は、外気温が低いほど増加することが分かる。従って、この特性に基づいて、外気温に応じて単位時間あたりのオゾン発生量補正係数を算出し、算出された補正係数を、上記で算出された単位時間あたりのオゾン発生量基準値に乗じることで、単位時間あたりのオゾン発生量を算出する。本ステップでは、このようにして逐次算出される単位時間あたりのオゾン発生量の積算を開始する。積算は、オゾン発生器を停止するまで継続する。
【００３６】
図２に戻って、ステップＳ４では、ステップＳ１で運転者の始動意志が有ると判別されたときから、所定時間が経過したか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ５に移って、エンジンが始動されたか否かを判別する。具体的には、スタータスイッチがＯＮにされ、スタータによるクランキングによってエンジンの回転数が所定の回転数に達したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、エンジンが始動したと判断し、ステップＳ６に移る。一方、この判別がＮＯの場合には、エンジンがまだ始動していないと判断し、ステップＳ４に戻る。また、ステップＳ４の判別がＹＥＳの場合には、運転者の始動意志が有ると判断されてから所定時間が経過したにもかかわらずエンジンが始動されていない状態であるため、オゾンの発生を停止させるべきと判断し、ステップＳ９に移ってオゾン発生器を停止させ、本処理を終了する。
【００３７】
ステップＳ６では、燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３を推定して取得する。以下、オゾン導入量ＱＯ３の推定について、詳しく説明する。
先ず、ステップＳ３で積算を開始し、本ステップに至るまでの単位時間あたりのオゾン発生量の積算値を取得する。取得した積算値は、吸気系内に供給されたオゾンの総量に相当する。なお、吸気系に供給されたオゾンは、吸気系内を素早く拡散し、吸気系内で略均一に存在する。
【００３８】
ところで、オゾンは不安定な物質であり、時間の経過とともに下記式（２）で示すように酸素に変化する。
［化２］
２Ｏ３→３Ｏ２      ・・・（２）
上記式（２）の反応は、温度が高くなるほど促進されるとともに、圧力が高くなるほど促進される。即ち、オゾンは、高温多湿な環境下にあるほど、酸素に変化し易い特性がある。
【００３９】
上記の特性から、オゾン発生器から吸気系に供給されたオゾンは、燃焼室に導入されるまでの導入経路（吸気管、吸気マニホールド、吸気ポート）で、少なくともその一部が酸素に変化することが分かる。このため、燃焼室内に導入されるオゾン量を推定する際には、酸素への変化によるオゾンの減少分を考慮する必要がある。そこで、オゾン発生器から燃焼室までの導入経路における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、酸素に変化して減少するオゾンの減少量を推定する。そして、推定されたオゾン減少量を、上記で取得した積算値から減算することにより、吸気系内に実際に存在するオゾンの総量を推定する。
【００４０】
次いで、エンジンの始動による燃料噴射の開始に伴って、吸気弁が開弁されて燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３を推定する。具体的には、上記で推定された吸気系内に実際に存在するオゾンの総量に、吸気系容積に対する気筒容積の比を乗じる。これにより、燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３を推定する。
【００４１】
なお、ステップＳ５で実行されるクランキングの際に吸気弁が開弁される場合には、吸気系内に蓄積されていたオゾンが燃焼室に導入されて排気されてしまうため、その減少分を考慮する必要がある。ここで、吸気系の容積は気筒の容積に比して十分に大きいことから、燃料噴射及び点火より前のクランキングによって、吸気系内のオゾンの一部が燃焼室に導入されて排気されることとなる。クランキングによるオゾンの減少量は、クランキングによって燃焼室に吸入された吸気量ＱＧをエアフローメータで検出し、当該検出された吸気量ＱＧに基づいて推定する。推定されたクランキングによるオゾン減少量に応じて、上記で推定されたオゾン導入量を補正することで、正確なオゾン導入量ＱＯ３が推定される。
【００４２】
ステップＳ７では、混合気の始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴを設定する。具体的には、ステップＳ６で推定されたオゾン導入量ＱＯ３に基づいて、混合気の始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴを設定する。ここで、混合気中の燃料は、オゾンの導入によって活性化されているため、着火性に優れ、安定した燃焼状態を確保できるようになっている。従って、本ステップでは、始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴを、理論空燃比よりもリーン側に設定する。
【００４３】
ここで、図示しない本実施形態に係る空燃比制御処理によって、本ステップで設定された始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴと一致するように、始動時における混合気の空燃比ＡＦＳＴが制御される。具体的には、吸気系を介して燃焼室内に吸入される吸気量ＱＧをエアフローメータで検出し、当該検出された吸気量ＱＧと、上記で設定された始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴに基づいて、始動時の燃料噴射量ＱＩＮＪを算出する。次いで、算出された燃料噴射量ＱＩＮＪに応じた燃料噴射を実行する。これにより、始動時における混合気の空燃比ＡＦＳＴがリーンに制御される。
【００４４】
ステップＳ８では、燃焼室内の混合気が安定して燃焼しているか否かを判別する。具体的には、例えばステップＳ５でエンジンが始動したと判別されてから、所定時間が経過したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、安定した燃焼状態が確保できているためこれ以上のオゾンの供給は不要であると判断し、ステップＳ９に移ってオゾン発生器を停止し、本処理を終了する。一方、ステップＳ８の判別がＮＯの場合には、ステップＳ６に戻って、再度、燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３に基づいた空燃比制御を実行する。このときのオゾン導入量ＱＯ３は、このときまでに積算された単位時間あたりのオゾン発生量の積算値と、前回サイクルまでのオゾン導入量ＱＯ３とを用いて、上述した推定手順に従って推定する。
【００４５】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、吸気系にオゾンを供給するオゾン供給部４８を備えるエンジン３の制御装置１において、吸気系を介して燃焼室３５に導入されるオゾン量を検出または推定し、当該検出または推定されたオゾン導入量ＱＯ３に基づいて吸気量ＱＧ及び燃料噴射量ＱＩＮＪを制御することにより、燃焼室３５内の混合気の空燃比ＡＦＳＴを制御する。
オゾンは強力な酸化力を有するため、吸気系を介してオゾンを燃焼室３５内に導入すると、オゾンと燃料との予反応が生じて燃料が活性化される。このため、燃料の着火性が向上し、安定した燃焼状態を確保できるようになる。そこで本実施形態では、例えば燃焼状態が不安定な冷間始動時にオゾンを供給するとともに、燃焼室３５に導入されるオゾン導入量ＱＯ３に基づいて混合気の空燃比ＡＦＳＴを制御することで、当該空燃比ＡＦＳＴをリーンに制御でき、有害物質、特にＨＣ及びＣＯの発生を抑制できる。また、安定した燃焼状態の確保によって燃焼室３５内の温度を早期に昇温できるため、排気管５に設けられたＴＷＣ５３を早期に活性化でき、始動直後から有害物質を効率良く浄化できる。従って、本実施形態によれば、冷間始動時におけるテールパイプエミッションを低減できる。さらには、火花点火式のエンジン３において、ＴＷＣ５３の早期活性化のために通常行われている点火時期の遅角量を低減できるため、テールパイプエミッションを低減しつつ、燃費を改善できる。
【００４６】
また、本実施形態では、オゾン供給部４８を構成するオゾン発生器４８１に導入された空気の流量及び温度、オゾン発生器４８１に印加する交流電圧のデューティー比並びに電圧印加時間に基づいて、オゾン発生量を算出する。
オゾン発生器４８１における単位時間あたりのオゾン発生量は、オゾン発生器４８１に導入される空気の流量及び温度と、オゾン発生器４８１に印加する交流電圧のデューティー比とによって一義的に決定される。従って、本実施形態によれば、オゾン発生器４８１に導入される空気の流量及び温度と、オゾン発生器４８１に印加する交流電圧のデューティー比とに基づいて、単位時間あたりのオゾン発生量を正確に算出できる。また、算出された単位時間あたりのオゾン発生量に、電圧印加時間を乗じることにより、オゾン発生器４８１で発生したオゾン発生量を正確に算出できる。
【００４７】
また、本実施形態では、算出されたオゾン発生量と、オゾン発生器４８１から燃焼室３５までの導入経路（即ち、吸気管４、吸気マニホールド及び吸気ポート４１）における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つに基づいて、オゾン導入量ＱＯ３を推定する。
オゾンは不安定な分子であり、高温多湿であるほど酸素に変化し易い特性がある。即ち、オゾン発生器４８１で発生し、吸気系に供給されたオゾンは、燃焼室３５に導入されるまでの間に、オゾン発生器４８１から燃焼室３５までの導入経路における温度、湿度及び経路長に応じて減少する。そこで本実施形態によれば、算出されたオゾン発生量と、オゾン発生器４８１から燃焼室３５までの導入経路における温度、湿度及び経路長のうち少なくとも１つに基づいてオゾン導入量ＱＯ３を推定することにより、燃焼室３５に導入されるオゾン導入量ＱＯ３を精度良く推定できる。従って、本実施形態によれば、オゾン濃度計を設けることなく、上記の効果が奏される。
【００４８】
また、本実施形態では、運転者の始動意志が有るときにオゾンの供給を開始する。そして、エンジン３の回転数が所定値に達し、エンジン３が始動したと判定されたときに検出または推定されたオゾン導入量ＱＯ３に基づいて、始動時における混合気の目標空燃比を設定する。また、設定された始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴと一致するように、混合気の空燃比ＡＦＳＴを制御する。
従来、エンジンの冷間始動時には、有害物質が多量に発生しており、また発生した有害物質を効率良く浄化できていなかった。そこで本実施形態によれば、冷間始動時に上記のオゾン導入量ＱＯ３に基づいた空燃比制御が可能となるため、燃焼室３５内の燃焼状態を改善して有害物質の発生を抑制できるとともに、発生した有害物質をＴＷＣ５３により効率良く浄化できる。
【００４９】
本実施形態では、始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴを理論空燃比よりもリーン側に設定する。これにより、エンジン３の冷間始動時において、例えば燃料噴射量ＱＩＮＪを低減し、混合気の空燃比ＡＦＳＴをリーン側に設定された始動時目標空燃比ＡＦＣＭＤＳＴに一致させることで、混合気の空燃比ＡＦＳＴをリーンに制御できる。従って、本実施形態によれば、上記の効果が確実に奏される。
【００５０】
ここで、上記実施形態のテールパイプエミッション低減効果の検証結果について説明する。
図５は、上記実施形態のテールパイプエミッション低減効果を説明するための図であり、（Ａ）は、上記実施形態に係る制御装置１を適用したエンジン３と、従来のエンジンの始動時におけるテールパイプＨＣ濃度を示す図であり、（Ｂ）は、それらの始動時におけるテールパイプＣＯ濃度を示す図である。より詳しくは、上記実施形態で説明した手順に従って、冷間始動時に所定量のオゾンを吸気系に供給し、燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３に基づいた空燃比制御（即ち、リーン化）を実行した場合と、冷間始動時にオゾンを供給せずに従来の空燃比制御（即ち、リッチ化）を実行した場合について、始動時のテールパイプＨＣ平均濃度及びテールパイプＣＯ平均濃度の比較を行ったものである。これらの図から、テールパイプＨＣ及びテールパイプＣＯいずれも、上記実施形態に係る制御装置１を適用したエンジン３の方が従来のエンジンよりも有意に少ないことが分かる。
【００５１】
また、図６は、上記実施形態に係る制御装置１を適用したエンジン３と、従来のエンジンの始動時におけるテールパイプＨＣ濃度の変化を示す図である。より詳しくは、図５の（Ａ）と同様に、上記実施形態で説明した手順に従って、冷間始動時に所定量のオゾンを吸気系に供給し、燃焼室に導入されるオゾン導入量ＱＯ３に基づいた空燃比制御（即ち、リーン化）を実行した場合と、冷間始動時にオゾンを供給せずに従来の空燃比制御（即ち、リッチ化）を実行した場合について、テールパイプＨＣ濃度の時間変化の比較を行ったものである。この図６から、いずれのエンジンにおいても始動直後のテールパイプＨＣ濃度が高く、時間の経過に伴ってテールパイプＨＣ濃度が低下することが分かる。また、始動直後におけるテールパイプＨＣ濃度は、上記実施形態に係る制御装置１を適用したエンジン３の方が従来のエンジンよりテールパイプＨＣが有意に少ないことが分かる。
以上の結果から、上記実施形態のテールパイプエミッション低減効果が検証されたと言える。
【００５２】
本実施形態では、図２のステップＳ１の実行に係る手段が始動意志判定手段に相当し、ステップＳ２の実行に係る手段がオゾン供給制御手段に相当し、ステップＳ３及びＳ６の実行に係る手段がオゾン導入量取得手段に相当し、ステップ５の実行に係る手段が始動判定手段に相当し、ステップＳ７の実行に係る手段が始動時目標空燃比設定手段に相当する。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【００５４】
上記実施形態では、ポート噴射型の火花点火式エンジンに本発明を適用したが、これに限定されない。例えば、筒内噴射型の火花点火式エンジンに本発明を適用してもよい。
【００５５】
また、上記実施形態では、燃焼室３５に導入されるオゾン量を推定して取得したが、気筒３０に近い吸気ポート４１付近にオゾン濃度計を配置し、このオゾン濃度計により検出されるオゾン濃度とエアフローメータで検出される吸気量ＱＧに基づいて、オゾン導入量ＱＯ３を算出してもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、オゾン発生器４８１として無声放電式のものを用いたがこれに限定されない。例えば、電気分解式や紫外線式のものを用いてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、オゾン発生器４８１を吸気管４内に設けたが、これに限定されない。例えば、吸気管４とは別にオゾン発生器を設け、このオゾン発生器から吸気管４内にオゾンを供給してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…制御装置
２…ＥＣＵ（オゾン導入量取得手段、空燃比制御手段、始動意志判定手段、オゾン供給制御手段、始動判定手段、始動時目標空燃比設定手段）
３…エンジン（内燃機関）
４…吸気管（吸気系）
３５…燃焼室
４０…吸気系
４１…吸気ポート（吸気系）
４５…ポート燃料噴射弁（燃料供給手段）
４７…スロットル弁（吸気量制御手段）
４８…オゾン供給部（オゾン供給手段）
５３…ＴＷＣ
９１…エアフローメータ
９３…イグニッションスイッチ
９５…スタータスイッチ
９７…クランク角度位置センサ
４８１…オゾン発生器（オゾン供給手段）
４８３…駆動装置（オゾン供給手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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