(57)【要約】【課題】オゾンの供給による燃焼改善効果を十分に高めることができる内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】エンジン１０は、気筒４２内に燃料を供給する燃料噴射弁４３と、気筒４２内にオゾンを供給するオゾン供給部３０とを備え、オゾンの存在下で燃料の燃焼を行う。ＥＣＵ７０は、燃料噴射弁４３から気筒４２内への燃料の供給を制御する燃料供給制御部と、オゾン供給部３０から気筒４２内へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御部と、オゾン供給部３０から気筒４２内にオゾンを供給する場合に、気筒４２内の気流を強化する気流強化制御を実施する気流制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒（４２）内に燃料を供給する燃料供給部（４３）と、前記気筒内にオゾンを供給するオゾン供給部（３０）とを備え、オゾンの存在下で燃料の燃焼を行う内燃機関（１０）の制御装置であって、
前記燃料供給部から前記気筒内への燃料の供給を制御する燃料供給制御部と、
前記オゾン供給部から前記気筒内へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御部と、
前記オゾン供給部から前記気筒内にオゾンを供給する場合に、前記気筒内の気流を強化する気流強化制御を実施する気流制御部と、
を備える、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関には、排気の一部を吸気に還流させる排気再循環機構（２７）が設けられており、
前記気流制御部は、前記排気再循環機構による排気還流量が多いほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記気流制御部は、前記内燃機関の空燃比がリーン側であるほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の吸気温度を検出する吸気温検出部（５３）を備え、
前記気流制御部は、前記吸気温検出部によって検出された吸気温度が低いほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関の実圧縮比を算出する圧縮比算出部を備え、
前記気流制御部は、前記圧縮比算出部によって算出された実圧縮比が低いほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関の冷却水温度を検出する水温検出部（５８）を備え、
前記気流制御部は、前記水温検出部によって検出された冷却水温度が低いほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出部（５５）を備え、
前記気流制御部は、前記回転速度検出部によって検出された回転速度が低いほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出部（５２）を備え、
前記気流制御部は、前記負荷検出部によって検出された負荷が低いほど、前記気筒内の気流が強くなるように前記気流強化制御を実施する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記内燃機関には、排気の一部を吸気に還流させる排気再循環機構（２７）が設けられており、
前記オゾン供給制御部は、前記排気再循環機構による排気還流量が多いほど、前記気筒内へのオゾン供給量を多くする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記オゾン供給制御部は、前記内燃機関の空燃比がリーン側であるほど、前記気筒内へのオゾン供給量を多くする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記内燃機関の吸気温度を検出する吸気温検出部（５３）を備え、
前記オゾン供給制御部は、前記吸気温検出部によって検出された吸気温度が低いほど、前記気筒内へのオゾン供給量を多くする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出部（５５）を備え、
前記オゾン供給制御部は、前記回転速度検出部によって検出された回転速度が低いほど、前記気筒内へのオゾン供給量を多くする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出部（５２）を備え、
前記オゾン供給制御部は、前記負荷検出部によって検出された負荷が低いほど、前記気筒内へのオゾン供給量を多くする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
前記内燃機関は、前記気筒内にタンブル流を発生させるタンブル制御弁（１７）を備え、
前記気流制御部は、前記気流強化制御において、前記タンブル制御弁により前記気筒内の気流を強化する、請求項１〜１３のいずれか一項に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し、詳しくは、内燃機関の気筒内にオゾンを供給して燃料を燃焼させる内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の気筒内にオゾンを供給して燃焼改善効果を図ることが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の制御システムでは、内燃機関の運転状態が所定の高負荷運転領域に属する場合には、点火プラグによる点火時に燃料を燃焼室内に略均質に分布させるとともに、燃焼室内にオゾンを導入することによって、オゾンを燃焼室の中央部近傍に成層化させて分布させる。また、内燃機関の運転状態が所定の低負荷運転領域に属する場合には、吸気ポートにオゾンを導入することによって、点火プラグによる点火時にオゾンを燃焼室内に略均質に分布させる。こうした制御により、高負荷運転領域においてノッキングの発生を抑制しつつ、ノッキングが発生しにくい低負荷運転領域では、オゾンを燃焼室の全体に均質に分布させて、十分な燃焼促進効果を得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１２４７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸気ポートにオゾンを導入し、オゾンを燃焼室内に略均質に分布させることによって燃焼の改善効果は得られるものの、その改善効果は小さく、未だ改善の余地がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、オゾンの供給による燃焼改善効果を十分に高めることができる内燃機関の制御装置を提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【０００７】
本発明は、気筒（４２）内に燃料を供給する燃料供給部（４３）と、前記気筒内にオゾンを供給するオゾン供給部（３０）とを備え、オゾンの存在下で燃料の燃焼を行う内燃機関の制御装置に関する。請求項１に記載の発明は、前記気筒内への燃料の供給を制御する燃料供給制御部と、前記オゾン供給部から前記気筒内へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御部と、前記オゾン供給部から前記気筒内にオゾンを供給する場合に、前記気筒内の気流を強化する気流強化制御を実施する気流制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記構成では、気筒内にオゾンを供給して燃焼改善を図る際には、オゾンの供給と組み合わせて、気筒内の気流を強化するよう制御するため、気筒内において、オゾンの分解によって生成した酸素ラジカルと燃料との接触の機会を向上させることができる。これにより、オゾンによる燃料の低温酸化を促進させることができ、その結果、燃焼改善効果を十分に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】エンジン制御システムの全体概略構成図。
【図２】オゾン供給部の概略構成図。
【図３】オゾンによる燃焼改善効果の検証結果を示す図。
【図４】オゾンによる燃焼改善効果の検証結果を示す図。
【図５】エンジン運転状態とオゾン供給量との関係を示す図。
【図６】エンジン運転状態と気流強化量との関係を示す図。
【図７】気流強化による燃焼改善効果の検証結果を示す図。
【図８】気流強化による燃焼改善効果の検証結果を示す図。
【図９】第１実施形態の燃焼改善制御の処理手順を示すフローチャート。
【図１０】第１実施形態の燃焼改善制御の具体的態様を表すタイムチャート。
【図１１】オゾン供給制御と気流強化制御との関係を示す図。
【図１２】第２実施形態の燃焼改善制御の処理手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。本実施形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンに適用されるエンジン制御システムとして具体化している。本システムの全体概略構成図を図１に示す。
【００１１】
図１に示すエンジン１０は、直列４気筒の火花点火式エンジンであり、吸気ポート及び排気ポートには吸気系統１１及び排気系統１２がそれぞれ接続されている。吸気系統１１は、吸気マニホールド１３と吸気管１４とを有している。吸気管１４の最上流部にはエアクリーナ１５が配置されている。また、エアクリーナ１５の下流側には、空気量調整部としてのスロットルバルブ１６が配置されている。スロットルバルブ１６は、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータによってその開度が調節される。吸気マニホールド１３と吸気ポートとの間には、気筒４２内に気流の乱れを生成する気流生成部として、吸気の流れを制御する気流制御弁１７が配置されている。本実施形態では、気流制御弁１７は、気筒４２内にタンブル流を発生させるタンブル制御弁である。
【００１２】
排気系統１２は、排気マニホールド１８と排気管１９とを有している。排気管１９には、排気を浄化する触媒２０として三元触媒が配置されている。
【００１３】
エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ吸気バルブ及び排気バルブ（図示略）が設けられている。吸気バルブの開動作により吸気管１４内の空気が各気筒内に導入され、排気バルブの開動作により燃焼後の排ガスが排気管１９に排出される。吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）は、可変バルブタイミング装置４１によりそれぞれ可変制御される。
【００１４】
エンジン１０の各気筒４２の上部には、各気筒４２内に燃料を直接供給する燃料噴射弁４３が取り付けられている。燃料噴射弁４３は、図示しない燃料タンクに接続されている。燃料タンク内の燃料は燃料噴射弁４３から各気筒内に直接噴射される。
【００１５】
エンジン１０の各気筒には点火プラグ４４が設けられている。点火プラグ４４には、点火コイル等よりなる点火装置４５を通じて、所望とする点火時期に高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ４４の対向電極間に火花放電が発生し、気筒４２内に供給した燃料が着火され燃焼に供される。燃焼は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を１燃焼サイクルとして行われる。
【００１６】
本システムには、排気を利用して空気の圧縮を行う過給機が設けられている。過給機は、吸気管１４においてスロットルバルブ１６の上流側に配置された吸気コンプレッサ２１と、排気管１９において排気ポートの出口付近であって触媒２０の上流側に配置された排気タービン２２と、を備えている。吸気コンプレッサ２１と排気タービン２２とは、図示しない回転軸によって連結されている。排気管１９内を流れる排気によって排気タービン２２が回転されると、その回転に伴い吸気コンプレッサ２１が回転される。このとき、吸気コンプレッサ２１の回転により生じる遠心力によって、吸気管１４内の吸気が圧縮される。吸気管１４には、吸気コンプレッサ２１の下流側に、熱交換器としてのインタクーラ２３が配置されている。過給された吸気はインタクーラ２３によって冷却される。これにより、圧縮効率の低下が抑制される。
【００１７】
さらに本システムには、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に導入する排気再循環機構（ＥＧＲ装置）２７が設けられている。具体的には、吸気管１４と排気管１９との間にはＥＧＲ配管２４が設けられている。ＥＧＲ配管２４は、その一端が吸気管１４における吸気コンプレッサ２１の上流側に接続され、他端が排気管１９における触媒２０の下流側に接続されている。ＥＧＲ配管２４の途中には、ＥＧＲバルブ２５とＥＧＲクーラ２６とが配設されている。ＥＧＲバルブ２５は、弁体の開度を調整可能な電磁弁である。本システムにおいては、ＥＧＲバルブ２５の開度が調整されることで、吸気系に導入される排気還流量（ＥＧＲ量）が増減調整される。
【００１８】
なお、図１には、ＥＧＲガスの流れ方向において、ＥＧＲクーラ２６を上流側に配置し、ＥＧＲバルブ２５を下流側に配置した例を示したが、ＥＧＲバルブ２５を上流側に配置し、ＥＧＲクーラ２６を下流側に配置してもよい。また、ＥＧＲ配管２４の取り付け位置は図１のものに限らず、例えば触媒２０の上流と吸気コンプレッサ２１の上流とに接続されてもよい。また、排気タービン２２の上流側とスロットルバルブ１６の下流とを接続する構成、触媒２０の上流側とスロットルバルブ１６の下流とを接続する構成、又は触媒２０の下流側とスロットルバルブ１６の下流とを接続する構成としてもよい。
【００１９】
また、本システムには、気筒４２内にオゾンを供給するオゾン供給部３０が設けられている。図２に示すように、オゾン供給部３０は、オゾン発生器３１と、オゾン発生器３１の下流側に配置された供給制御弁３４とを備え、これらがオゾン導入管３５を介して接続されている。オゾン発生器３１は、例えば無声放電方式、電気分解方式、紫外線ランプ方式等によりオゾンを生成する公知のオゾン生成装置である。オゾン発生器３１の上流側には、オゾン導入管３５を介して、エアポンプ３３とフィルタ３２とが配置されている。オゾン発生器３１でのオゾン発生量は、エアポンプ３３からの空気量、及び、オゾン発生器３１での放電量により調整される。オゾン発生器３１で生成したオゾンは、オゾン導入管３５を介してエンジン１０側に供給される。本実施形態では、オゾン導入管３５の最下流部が吸気管１４に接続されており、オゾン発生器３１で発生したオゾンは吸気ポート上流に導入される。吸気管１４内に供給されるオゾン量（以下、「オゾン供給量」ともいう。）は、供給制御弁３４の開度又は開弁時間が制御されることより調整される。
【００２０】
オゾン供給部３０には、オゾン発生器３１に供給される空気量を検出するエアフロセンサ３６や、オゾン発生器３１の下流側においてオゾン導入管３５内の温度を検出する温度センサ３７、オゾン導入管３５内の圧力を検出する圧力センサ３８等の各種センサが設けられている。
【００２１】
その他、本システムには、エンジン１０の運転状態を検出するための各種センサが設けられている。具体的には、排気中の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ５１、エンジン１０の負荷を検出する負荷センサ５２（例えば、吸気管圧力センサやエアフロメータ）、吸気温度を検出する吸気温センサ５３、吸気中の酸素濃度を検出する吸気Ｏ2センサ５４、エンジン１０の所定クランク角毎に矩形状のクランク角信号を出力するクランクセンサ５５、吸排気バルブを駆動させるカム軸の回転角を検出するカムセンサ５６、気筒４２内の圧力を検出する筒内圧センサ５７、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ５８、吸気の湿度を検出する湿度センサ５９などが設けられている。
【００２２】
ＥＣＵ７０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）を主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じて、エンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ７０のマイコンは、前述した各種センサなどから各々検出信号を入力し、それら入力した各種検出信号に基づいて燃料噴射量や点火時期等を演算する。また、その演算した結果を用いて、燃料噴射弁４３や点火装置４５の駆動を制御する。
【００２３】
燃料噴射制御について、ＥＣＵ７０は、都度のエンジン運転状態（エンジン回転速度やエンジン負荷等）に基づいて、予め定めた適合マップ等を用いることにより燃料噴射時期及び燃料噴射量を算出する。また、算出した噴射時期及び燃料噴射量に基づいて、燃料噴射弁４３の駆動を制御する。
【００２４】
ＥＣＵ７０は、燃料噴射弁４３から噴射された燃料をオゾンの存在下で燃焼させることにより燃焼改善を図るべく、オゾン供給部３０から気筒４２内へのオゾンの供給を制御する。こうした燃焼改善制御によって燃焼が改善されるメカニズムは、例えば次のように考えられる。
【００２５】
気筒４２内に導入されたオゾンは、筒内温度が第１温度Ｔｍｐ１以上（例えば５００Ｋ以上）で分解を開始して酸素ラジカルを生成する。オゾンの分解によって生成した酸素ラジカルは、燃料の炭化水素に接触して炭化水素から水素を引き抜く。これにより、炭化水素ラジカルが生成する。また、酸素ラジカルとの接触によって生成した炭化水素ラジカルが他の炭化水素と接触することで、燃料の低温酸化反応がさらに進行する。こうして低温酸化反応が連鎖的に進行することにより燃料の低温酸化が促進され、燃料がより着火しやすくなる。
【００２６】
これに対し、オゾンの存在下で燃焼を行わない通常燃焼では、筒内温度が第１温度Ｔｍｐ１よりも高温の第２温度Ｔｍｐ２以上（例えば８５０Ｋ以上）にならないと、吸気中の酸素が活性化せず、燃料の炭化水素からの水素の引き抜きが開始されない。つまり、気筒４２内にオゾンを供給した場合には、通常燃焼よりも早い時期に低温酸化反応が開始されるとともに、その反応が継続されることによって燃料の着火性が改善される。その結果、燃焼が改善される。
【００２７】
図３及び図４に、上記の燃焼改善メカニズムについて検証した結果を示す。図３及び図４には、オゾン供給無しで燃焼を行った場合の筒内における燃料の割合の推移、及びオゾン供給有りで燃焼を行った場合の筒内における燃料とオゾンの割合の推移を、それぞれ筒内温度に対応付けて示している。図３及び図４では、燃料として、ガソリンの主成分の一つであるイソオクタンの割合の推移を示している。図３の横軸はクランク位置であり、縦軸は燃料及びオゾンの割合である。図４の横軸はクランク位置であり、縦軸は燃料とラジカルのモル分率である。横軸の「０」は圧縮上死点を示し、「ＩＧ」は点火時期を示している。図４中の「Ｃ３Ｈ＊＊」、「Ｃ４Ｈ＊＊」及び「ＯＨラジカル」は、気筒４２内にオゾンを供給した場合のラジカル生成量の推移を示している。「Ｃ３Ｈ＊＊」は、炭素数３の炭化水素ラジカル、「Ｃ４Ｈ＊＊」は炭素数４の炭化水素ラジカルを表す。
【００２８】
図３の結果では、オゾン供給有りの場合には、オゾン供給無しの場合よりも早い時期からイソオクタンの割合が低下している。このことは、オゾンの存在下で燃焼を行った場合には、オゾンの非存在下で燃焼を行った場合よりも早い時期から燃焼の低温酸化反応が進行し、着火に有利であることを示唆している。また、図４から、燃料の低温酸化反応が促進されることに伴って、ラジカル生成の進行及び継続を確認することができる。
【００２９】
ここで、本発明者らは、上記の燃焼改善メカニズムを考慮すると、オゾン供給による燃焼改善効果を増大させるためには、気筒４２内にオゾンと燃料とが均一に分布しているだけでは足りず、オゾン（ラジカル化したオゾン、つまり酸素ラジカル）と燃料とが接触する機会を増大させてやることが効果的ではないかと推測した。そして、この着目点に基づきさらに検討を重ねた結果、オゾンによる燃焼改善効果を増大させる方法として、気筒４２内の乱流強度を高めることが有効であるということが明らかとなったものである。
【００３０】
すなわち、ＥＣＵ７０は、燃料の燃焼を改善するべくオゾン供給部３０から気筒４２内にオゾンを供給する場合に、気筒４２内の気流を強化させる気流強化制御を実施することとしている。つまり、オゾン供給要求に伴い燃焼改善制御を実施する場合には、オゾン供給部３０からのオゾンの供給と組み合わせて、気流制御弁１７を閉じ側に駆動制御することにより気筒４２内の気流を強化する。特に本実施形態では、燃焼改善を効率良く行うために必要な乱流強度がエンジン運転状態に応じて異なることに着目し、エンジン運転状態に基づいて気流強化を行うこととしている。なお、ＥＣＵ７０が、「燃料供給制御部」、「オゾン供給制御部」及び「気流制御部」として機能する。
【００３１】
一方、オゾン供給量が不足していると、気流を強化しても十分な燃焼改善効果が得られないことが考えられる。その場合、燃焼改善効果を十分に得るべく、気流強化に加え、気筒４２内へのオゾン供給量を増量することが考えられる。しかしながら、オゾンを過剰に供給することはコスト高に繋がるため好ましくない。本実施形態では、燃焼改善に必要なオゾン量がエンジン運転状態に応じて異なる点に着目し、オゾン供給要求があった場合には、エンジン運転状態に基づいて、気流強化とオゾン供給とを実施することとしている。
【００３２】
燃焼改善制御を実施する場合のオゾン供給量Ｑａ及び気流強化量について、図５及び図６を用いて詳細に説明する。本実施形態では、エンジン運転状態を示す指標として、ＥＧＲ率、空燃比、吸気温度、実圧縮比、エンジン冷却水温、エンジン回転速度、及びエンジン負荷を用い、これらの指標に基づいて、オゾン供給量Ｑａ及び気流強化量を算出する。具体的には以下の通りである。
【００３３】
なお、「気流強化量」は、気筒４２内へのオゾン供給を実施しない場合の気流制御弁１７の制御量（例えば開度、乱流速度等）をベース値とした場合において、そのベース値に対して乱流強度を増大側に変更する際の変更量である。例えば、気筒４２内へのオゾン供給を実施しない場合の気流制御弁１７の開度を開度ベース値θｂとした場合、その開度ベース値θｂに対する閉じ側への開度変更量が「気流強化量」に相当する。「オゾン供給量」は、オゾン供給部３０から供給する１回の燃焼あたりのオゾン量である。
【００３４】
（ａ）ＥＧＲ率
ＥＧＲガスを導入する際には、エンジン１０の運転領域が高回転高負荷領域では、ＥＧＲ量を減少させてエンジン１０の出力確保を図る一方、低回転低負荷領域では、燃焼が不安定にならない程度にＥＧＲ量を増やして排気エミッション改善や燃費改善を図っている。ここで、ＥＧＲ量が多いと、気筒４２内のガス量が増加するとともに酸素濃度が減少するため、燃焼が不安定になりやすい。したがって、図５（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が高いほどオゾン供給量Ｑａを増加する。また、図６（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が高いほど、気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動する。なお、ＥＧＲ率に代えてＥＧＲ量としても同じである。
【００３５】
（ｂ）空燃比
空燃比がリーン状態であるほど、大量にＥＧＲガスを導入する場合と同様に燃焼が不安定になりやすい。したがって、図５（ｂ）に示すように、Ａ／Ｆセンサ５１で検出された空燃比がリーン側であるほど、オゾン供給量Ｑａを増加させる。また、図６（ｂ）に示すように、空燃比がリーン側であるほど、気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動する。
【００３６】
（ｃ）吸気温度
圧縮行程中の筒内温度を考えると、吸気温度が低いほど、圧縮行程中に筒内温度が第１温度Ｔｍｐ１を超えるまでの時間が長くなり、オゾンの分解開始の時期が遅くなる。そのため、燃料と酸素ラジカルとの反応開始時期が遅くなる。また、燃料と酸素ラジカルとの反応開始時期が遅いほど、着火までに燃料の低温酸化反応が進行する期間が短くなり、着火までの間に燃料の低温酸化が十分に促進されないことが考えられる。そこで、燃料の低温酸化反応の期間が短いことを担保するべく、図５（ｃ）に示すように、吸気温度が低いほど、オゾン供給量Ｑａを増加させる。また、図６（ｃ）に示すように、吸気温度が低いほど、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動する。吸気温度としては、例えば吸気温センサ５３の検出値及び湿度センサ５９の検出値を用いて算出した値を用いる。
【００３７】
（ｄ）実圧縮比
実圧縮比についても吸気温度と同じ考え方が適用され、実圧縮比が低いほど、圧縮行程中に筒内温度が第１温度Ｔｍｐ１を超えるまでの時間が長くなり、着火までの間に燃料の低温酸化が十分に促進されないことが考えられる。そこで、図５（ｄ）に示すように、実圧縮比が低いほど、オゾン供給量Ｑａを増加させる。また、図６（ｄ）に示すように、実圧縮比が低いほど、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動する。なお、実圧縮比は、例えば、クランクセンサ５５及びカムセンサ５６によって検出されるバルブタイミングから推定した値を用いる。
【００３８】
（ｅ）エンジン冷却水温
エンジン冷却水温についても吸気温度と同じ考え方が適用され、エンジン冷却水温が低いほど、圧縮行程中に筒内温度が第１温度Ｔｍｐ１を超えるまでの時間が長くなる。このため、吸気温度が低い場合と同様に、着火までに燃料の低温酸化が十分に促進されないことが考えられる。そこで、図５（ｅ）に示すように、水温センサ５８で検出されるエンジン冷却水温が低いほど、オゾン供給量Ｑａを増加させる。また、図６（ｅ）に示すように、エンジン冷却水温が低いほど、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動する。
【００３９】
（ｆ）エンジン回転速度
エンジン回転速度が低回転であるほど、エンジン１０のピストンの動きが緩慢となり、これにより吸気の流速が遅くなる。そのため、燃料と酸素ラジカルとが接触する機会が低減してしまうことが考えられる。そこで、図５（ｆ）に示すように、クランクセンサ５５の検出値に基づき算出されるエンジン回転速度が低いほど、オゾン供給量Ｑａを増加させる。また、図６（ｆ）に示すように、エンジン回転速度が低いほど、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動する。
【００４０】
（ｇ）エンジン負荷
エンジン１０が低負荷であるほど、気筒４２内に導入される空気量が少ないため、吸気の流速が遅くなる。このため、エンジン回転速度の場合と同様、燃料と酸素ラジカルとの接触機会が低減することが考えられる。そこで、図５（ｇ）に示すように、負荷センサ５２で検出されるエンジン負荷が低いほど、オゾン供給量Ｑａを増加させる。また、図６（ｇ）に示すように、エンジン負荷が低いほど、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動させる。
【００４１】
なお、本実施形態では、ＥＧＲ率、空燃比、吸気温度、実圧縮比、エンジン冷却水温、エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、オゾン供給量Ｑａ及び気流強化量を算出するものとしたが、これらのエンジン運転状態を示す指標のうち一部のみに基づいて、オゾン供給量Ｑａ及び気流強化量を算出してもよい。また、図５及び図６は、エンジン運転状態を示す指標の変化に対して、オゾン供給量Ｑａ及び気流強化量を直線的に変化させたが、段階的でもよくカーブ状に（例えば二次曲線的に）変化させてもよい。
【００４２】
図７及び図８に、オゾン供給と気流強化とを組み合わせて実施した場合の燃焼改善効果を検証した結果を示す。図７及び図８には、燃料噴射制御及び点火制御によって燃料の燃焼を行うにあたり、オゾン供給及び気流強化を両方とも実施しない場合（図中のＡ）、オゾン供給のみを実施して気流強化は実施しない場合（図中のＢ）、気流強化のみを実施してオゾン供給は実施しない場合（図中のＣ）、オゾン供給及び気流強化を両方とも実施する場合（図中のＤ）における検証結果を示している。
【００４３】
図７には、ＥＧＲ率を変更して燃焼を行った場合における、ＥＧＲ率と燃料消費量との関係（上段）、及びＥＧＲ率と燃焼安定性との関係（下段）を示している。図７の検証結果によれば、オゾン供給及び気流強化の双方とも実施しない場合（図７中のＡ）に対して、オゾン供給のみを実施した場合（図７中のＢ）には燃焼は多少改善されているものの、その改善効果は小さい。これに対し、オゾン供給と気流強化とを組み合わせた場合（図７中のＤ）には、他の例（図７中のＡ〜Ｃ）に比べて、燃焼改善効果が十分に得られることが確認できる。
【００４４】
また、図８には、初期燃焼期間と主燃焼期間とのプロット図を示している。なお、図８の検証に際しては、オゾン供給の有無及び気流強化の有無を変更した以外は同じ条件で燃焼を行っている。図８から、オゾン供給及び気流強化の双方とも実施しない場合（図８中のＡ）に対して、オゾン供給のみを実施した場合（図８中のＢ）には、初期燃焼期間及び主燃焼期間の双方において燃焼ばらつきが少なくなっており、燃焼が改善されたと言える。しかしながら、その改善効果は小さい。また、初期燃焼期間の長さについても、さほど短縮されていない。
【００４５】
これに対し、オゾン供給と気流強化とを組み合わせた場合（図８中のＤ）には、他の例（図８中のＡ〜Ｃ）に比べて、燃焼ばらつきが非常に少なく、また初期燃焼期間及び主燃焼期間の双方とも非常に短い。これらの結果は、オゾン供給のみを実施しても燃焼改善効果はさほど大きくはないが、オゾン供給と気流強化とを組み合わせることによって、燃焼を大きく改善できることを裏付けている。
【００４６】
次に、本実施形態の燃焼改善制御の処理手順について、図９のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ７０のマイコンにより所定周期毎に実行される。
【００４７】
図９において、ステップＳ１１では、オゾン供給要求が発生しているか否かを判定する。本実施形態では、供給ＯＦＦ判定条件が成立している場合にオゾン供給要求が発生していないものと判定し、供給ＯＦＦ判定条件が成立していない場合にオゾン供給要求が発生しているものと判定する。
【００４８】
供給ＯＦＦ判定条件として本実施形態では、以下の条件（１Ａ）〜（５Ａ）を含む。ＥＣＵ７０は、これら条件の少なくとも一部が成立している場合に、供給ＯＦＦ判定条件が成立しており、よってオゾン供給要求は発生していないものと判定する。一方、条件（１Ａ）〜（５Ａ）の全ての条件が不成立の場合に、供給ＯＦＦ判定条件は成立しておらず、よってオゾン供給要求が発生しているものと判定する。
（１Ａ）エンジン１０がアイドル運転状態であること。
（２Ａ）エンジン１０の始動又は再始動後、所定時間が経過する前であること。
（３Ａ）エンジン１０が運転停止状態であること。
（４Ａ）エンジン１０の燃焼状態を示す指標の値が、燃焼良好と判断される所定範囲内であること。
（５Ａ）ＥＧＲ率が所定値以下であること。
なお、条件（４Ａ）は、例えば筒内圧センサ５７の検出値や、クランクセンサ５５の検出値を指標とし、それらの検出値に基づき判定される。条件（５Ａ）は、ＥＧＲ率に代えて、Ａ／Ｆセンサ５１の検出値としてもよい。
【００４９】
オゾン供給要求が発生しない場合には、ステップＳ１１で否定判定されてそのまま本ルーチンを終了する。一方、オゾン供給要求が発生している場合には、ステップＳ１１で肯定判定されてステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、都度のエンジン運転状態に基づいて、１回の燃焼あたりのオゾン供給量Ｑａを算出する。本実施形態では、エンジン運転状態とオゾン供給量Ｑａとの関係が、例えば図５に示すマップの如く定められており、記憶部に記憶してある。ＥＣＵ７０は、都度のエンジン運転状態に応じたオゾン供給量Ｑａを記憶部から読み出すことにより、今回の燃焼におけるオゾン供給量Ｑａを設定する。なお、気流強化を実施しない場合には、オゾン供給量Ｑａは０である。
【００５０】
ステップＳ１３では、オゾン供給量Ｑａに基づいて供給制御弁３４を開閉駆動する。これにより、オゾン導入管３５から吸気管１４内にオゾンが導入される。本実施形態では、吸気管１４内へのオゾン供給は各気筒４２の燃焼毎に行われ、例えば吸気行程又は排気行程の所定タイミングで行われる。
【００５１】
続くステップＳ１４では、エンジン運転状態に基づいて気流強化量を算出する。本実施形態では、エンジン運転状態と気流強化量との関係が、例えば図６に示すマップの如く定めて記憶部に記憶してある。ＥＣＵ７０は、都度のエンジン運転状態に応じた気流強化量を記憶部から読み出すことにより気流強化量を設定する。ここでは、気流強化量として、気筒４２内へのオゾン供給を実施しない場合の気流制御弁１７の開度である開度ベース値θｂに対する閉じ側への開度変更量Δθを算出する。開度変更量Δθが大きいほど、気流制御弁１７が閉弁側に駆動され、気流が強化される。
【００５２】
続くステップＳ１５では、開度変更量Δθと開度ベース値θｂとに基づいて、気流制御弁１７に対する開度指令値θａを算出し、算出した開度指令値θａに基づいて気流制御弁１７を駆動する。なお、開度指令値θａが閉弁側であるほど、気流強化量としては大きくなり、気筒４２内の気流が強くなる。その後、本ルーチンを終了する。
【００５３】
図１０は、本実施形態の燃焼改善制御の具体的態様を示すタイムチャートである。図１０では、アイドル運転状態からアクセル操作に伴いエンジン回転速度が上昇した場合を想定している。図１０中、（ａ）はエンジン回転速度ＮＥの推移、（ｂ）はＥＧＲ量の推移、（ｃ）はオゾン供給要求の有無の推移、（ｄ）はオゾン供給量Ｑａの推移、（ｅ）は気流制御弁１７の開度指令値θａの推移、をそれぞれ示している。なお、図１０（ｅ）中の一点鎖線は、オゾン供給を行わない場合の開度指令値を示している。
【００５４】
図１０において、アイドル回転速度ＮＥ１からエンジン回転速度ＮＥが上昇したことに伴いＥＧＲバルブ２５が開弁された場合を考える。ＥＧＲ量が所定値以上になり、時刻ｔ１１でオゾン供給要求が発生すると、供給制御弁３４が開弁駆動される。これにより、オゾン発生器３１で生成されたオゾンが吸気管１４を介して気筒４２内に導入される。また、時刻ｔ１１では、オゾン供給要求に伴い気流制御弁１７が閉じ側に変更される。このため、オゾン供給が実施されている期間では、オゾン供給に併せて気流が強化される。
【００５５】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５６】
気筒４２内にオゾンを供給して燃焼改善を図る場合に、オゾンの供給と組み合わせて、気筒４２内の気流を強化するように制御するため、気筒４２内において、オゾンの分解によって生成した酸素ラジカルと、燃料との接触の機会を向上させることができる。これにより、オゾンによる燃料の低温酸化を促進させることができる。その結果、燃焼改善効果を高めることができる。
【００５７】
気流強化制御では、エンジン運転状態に基づいて気流を強化することとしたため、都度のエンジン運転状態に最適な強度の気流を気筒４２内に生じさせることができる。これにより、オゾン供給による燃焼改善効果の向上を十分に図りつつ、過剰な気流強化を回避することができる。
【００５８】
気流制御弁１７としてタンブル制御弁を備え、オゾン供給を実施する期間では、タンブル制御弁の開度を、オゾン供給を実施しない場合よりも閉じ側で制御する構成とした。タンブル流は、圧縮行程のピストンの動きによって流れが崩壊しやすいため、乱流強度を増大しやすい。したがって、気流制御弁１７の開度の閉じ側への変更を最小限に抑えることができる。これにより、気流制御弁１７の開度を閉じ側とすることによって生じるおそれのある不都合、例えばエンジン１０の出力不足等の不都合が生じないようにすることができる。
【００５９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６０】
気流強化制御を行うにあたり、気筒４２内の気流を強化するには限界がある。例えば、気流強化を図るべく気流制御弁１７を閉じ側に大きく制御することによって、気筒４２内に導入される空気量が不足し、エンジン１０の出力不足が生じる場合がある。このため、エンジン１０の高負荷領域では、気流強化を所定以上強くできないことがある。また、エンジン１０の高回転領域では吸気の流速が速いため、気流を強くしすぎると点火プラグ４４の火花が吹き消えてしまうおそれがある。その一方で、オゾン供給量を増加させるだけでは、燃焼改善効果を十分に得ることができない。
【００６１】
そこで本実施形態では、オゾン供給の実施期間において気筒４２内の気流を強化する気流強化制御として、第１気流制御と、第１気流制御よりも強い気流を発生させる第２気流制御とを実施する。また、燃焼改善のためのオゾン供給制御として、第１供給制御と、第１供給制御よりも多い量のオゾンを気筒４２内に供給する第２供給制御とを実施する。ＥＣＵ７０は、エンジン運転領域に基づいて、気流強化制御として第１気流制御及び第２気流制御のうちいずれを実施するかを選択するとともに、オゾン供給制御として第１供給制御及び第２供給制御のいずれを実施するかを選択し、その選択されたオゾン供給制御及び気流強化制御を実施することとしている。
【００６２】
具体的には、エンジン回転速度が所定の回転判定値以下の場合には、第１供給制御と第２気流制御とを組み合わせて実施し、エンジン回転速度が所定の回転判定値よりも高い場合には、第２供給制御と第１気流制御とを組み合わせて実施する。また、エンジン負荷が所定の負荷判定値以下の場合には、第１供給制御と第２気流制御とを組み合わせて実施し、エンジン負荷が所定の負荷判定値よりも高い場合には、第２供給制御と第１気流制御とを組み合わせて実施する。なお、本実施形態では、エンジン回転速度が所定の回転判定値よりも大きいこと、及びエンジン負荷が所定の負荷判定値よりも大きいこと、のうち少なくとも一方の条件を満たす場合には、第２供給制御と第１気流制御とを組み合わせて実施する制御を優先して実施する。
【００６３】
図１１に、オゾン供給制御と気流強化制御との関係を示す。エンジン１０が低回転・低負荷の運転領域Ｐ１では、オゾン供給制御として第１供給制御を選択し、気流強化制御として第２気流制御を選択する。低回転・低負荷領域であれば、気流強化による点火火花の吹き消えやエンジン１０の出力不足といった不都合が生じにくいため、気流強化を優先して実施することにより、オゾン節減を図りつつ燃焼改善の効果を高める。これに対し、エンジン１０が高負荷の運転領域Ｐ２や高回転の運転領域Ｐ３では、オゾン供給制御として第２供給制御を選択し、気流強化制御として第１気流制御を選択する。これにより、気流強化による点火火花の吹き消えやエンジン１０の出力不足が生じないようにしつつ、燃焼改善の効果を十分に得るようにする。
【００６４】
次に、本実施形態の燃焼改善制御の処理手順について、図１２を用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ７０のマイコンにより所定周期毎に実行される。
【００６５】
図１２において、ステップＳ２１では、オゾン供給要求が発生しているか否かを判定する。供給ＯＦＦ判定条件が成立しておらず、オゾン供給要求が発生していると判定されるとステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２では、エンジン回転速度ＮＥが回転判定値Ｎｔｈ以下であるか否かを判定する。回転判定値Ｎｔｈは、点火火花の吹き消えを生じさせたいために許容されるエンジン回転速度の上限値であり、予め試験等により適合化された値である。
【００６６】
エンジン回転速度ＮＥが回転判定値Ｎｔｈ以下であれば、ステップＳ２３へ進み、エンジン負荷が負荷判定値Ｑｔｈ以下であるか否かを判定する。負荷判定値Ｑｔｈは、第２気流制御を実施した場合において、要求に見合う出力をエンジン１０から出力可能なエンジン負荷の上限値であり、予め試験等により適合化された値である。
【００６７】
ステップＳ２２及びステップＳ２３で肯定判定されると、ステップＳ２４へ進み、オゾン供給制御として第１供給制御を選択し、気流強化制御として第２気流制御を選択する。一方、ステップＳ２２又はステップＳ２３で否定判定された場合には、ステップＳ２５へ進み、オゾン供給制御として第２供給制御を選択し、気流強化制御として第１気流制御を選択する。その後、ステップＳ２６へ進む。
【００６８】
ステップＳ２６では、エンジン運転状態に基づいてオゾン供給量Ｑａを算出する。本実施形態では、オゾン供給制御として第１供給制御を実施する場合と、第２供給制御を実施する場合とで異なるマップを用いてオゾン供給量Ｑａを算出する。第２供給制御用のマップによれば、第１供給制御用のマップよりも、多い量のオゾンが供給されるようにオゾン供給量Ｑａが算出される。なお、第１供給制御及び第２供給制御のいずれにおいても、上記（ａ）〜（ｇ）を満たすようにオゾン供給量Ｑａが設定される点は上記第１実施形態と同じである。ステップＳ２７では、オゾン供給量Ｑａに基づいて供給制御弁３４を開閉駆動する。
【００６９】
続くステップＳ２８では、エンジン運転状態に基づいて気流強化量を算出する。本実施形態では、気流強化制御として第１気流制御を実施する場合と、第２気流制御を実施する場合とで異なるマップを用いて気流強化量を算出する。第２気流制御用のマップによれば、第１気流制御用のマップよりも、気筒４２内に強い気流が発生するように気流強化量が算出される。なお、第１気流制御及び第２気流制御のいずれにおいても、上記（ａ）〜（ｇ）を満たすように気流強化量が設定される点は上記第１実施形態と同じである。ステップＳ２９では、気流強化量に基づいて気流制御弁１７を駆動し、本ルーチンを終了する。
【００７０】
以上の本実施形態によれば、燃焼が却って不安定になったりエンジン出力不足が生じたりしない運転領域では気流の強化を優先して用い、気流を強化しすぎると不都合が生じる運転領域では、オゾン供給量の増加を優先して用いるため、オゾンと気流強化とを有効に利用しながら、燃焼改善効果を一層高めることができる。
【００７１】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【００７２】
・上記実施形態では、エンジン１０の吸気ポート上流において、スロットルバルブ１６の下流にオゾンを供給することによって気筒４２内にオゾンを供給したが、オゾン供給位置はこれに限定されない。例えば、吸気コンプレッサ２１の下流であってスロットルバルブ１６の上流をオゾン供給位置としてもよい。あるいは、ＥＧＲ配管２４内にオゾンを供給してもよいし、気筒４２内にオゾンを直接供給してもよい。
【００７３】
・上記実施形態では、供給制御弁３４を開閉制御することによってオゾンを供給したが、オゾン供給用の噴射弁を用いてもよい。
【００７４】
・上記実施形態では、火花点火式のエンジン１０に適用する場合について説明したが、圧縮自着火式のエンジンに適用してもよい。また、過給機を備えるエンジンに適用したが、過給機を備えない自然吸気エンジン（Ｎ／Ａ）に適用してもよい。
【００７５】
・気流制御弁１７はタンブル制御弁に限定されない。例えば、気筒４２内にスワール流を発生させるスワール制御弁としてもよい。また、気流制御弁１７により気流を強化する構成に代えて、吸気バルブのリフト量を低リフトとすることによって気流を強化したり、エアインジェクタを設けて気流を強化したりしてもよい。また、ポートの片閉じ動作によって気流を強化してもよい。
【００７６】
・上記実施形態では、直噴式の燃料噴射弁４３を備える直噴式エンジンに適用する場合について説明したが、内燃機関は直噴式エンジンに限定されない。例えば、吸気管１４において吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射弁を備えるエンジンに適用してもよい。また、直噴タイプの燃料噴射弁とポート噴射弁との両方を備えるエンジンに適用してもよい。
【００７７】
・上記第１実施形態及び第２実施形態では、エンジン１０の運転状態に基づいてオゾン供給量及び気流強化量を制御する構成として、上記（ａ）〜（ｇ）のようにオゾン供給量及び気流強化量を制御するものとしたが、オゾン供給量及び気流強化量を制御するにあたり用いるエンジン運転状態に関する指標は上記（ａ）〜（ｇ）に限定されない。例えば、湿度センサ５９の検出値を用いて、吸気湿度が高いほど、オゾン供給量Ｑａを増加させ、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動してもよい。また、クランクセンサ５５の検出値を用いて、エンジン回転速度の変動（回転数変動）が大きいほど、オゾン供給量Ｑａを増加させ、オゾン供給の実施期間において気流が強くなるように気流制御弁１７を駆動してもよい。
【００７８】
・図９及び図１２のフローチャートでは、オゾン供給量Ｑａの算出、オゾン供給、気流強化量の算出及び気流強化の各処理をこの順で実施したが、処理の順序はこれに限定されない。例えば、気流強化量の算出、気流強化、オゾン供給量Ｑａの算出、オゾン供給の各処理をこの順に実施してもよい。
【００７９】
・上記第１実施形態において、オゾン供給の実施期間で気流強化制御を実施する場合に、エンジン運転状態に応じてオゾン供給量Ｑａを増加する制御を実施せず、オゾン供給量Ｑａを一定にしてもよい。また、上記第１実施形態では、エンジン運転状態に応じて気流強化の程度を可変としたが、オゾン供給の実施期間において、オゾン供給を実施しない場合よりも気流を強化すればよく、気流強化を行う際に、エンジン運転状態にかかわらず気流強化量を一定としてもよい。
【００８０】
・上記の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散して実現したり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素で実現したりしてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１０…エンジン（内燃機関）、１７…気流制御弁、３０…オゾン供給部、３１…オゾン発生器、４３…燃料噴射弁（燃料供給部）、４４…点火プラグ、７０…ＥＣＵ（燃料供給制御部、オゾン供給制御部、気流制御部、圧縮比算出部）。
【図１】
2018168802.tif 000003
【図２】
2018168802.tif 000004
【図３】
2018168802.tif 000005
【図４】
2018168802.tif 000006
【図５】
2018168802.tif 000007
【図６】
2018168802.tif 000008
【図７】
2018168802.tif 000009
【図８】
2018168802.tif 000010
【図９】
2018168802.tif 000011
【図１０】
2018168802.tif 000012
【図１１】
2018168802.tif 000013
【図１２】
2018168802.tif 000014