(57)【要約】【課題】本発明の目的は、内燃機関の始動時に発生するＨＣ排出量を低減させることのできる内燃機関の制御装置を提供することである。【解決手段】内燃機関の始動時に所定期間、燃焼室内に供給する吸入空気中の酸素濃度を、酸素濃度上昇装置５００によって上昇（濃く）させるように酸素富化制御し、燃料と空気との混合気の燃焼を活性化させることにより、エンジンから排出されるＨＣを低減するとともに、触媒暖機時間を短縮してＨＣ排出量の低減を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを浄化する触媒装置を備え、燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼させる内燃機関の制御装置であって、
前記制御装置は、内燃機関始動時に前記燃焼室内に供給する吸入空気中の酸素を富化させる酸素濃度上昇手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記酸素濃度上昇手段は、前記内燃機関が始動後、所定時間経過するまで吸入空気中の酸素を富化させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記酸素濃度上昇手段は、前記内燃機関の始動開始からのエンジン回転数の積算値が所定値となるまで吸入空気中の酸素を富化させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記酸素濃度上昇手段は、前記内燃機関が始動後、前記触媒装置の検知温度または前記触媒装置の推定した温度が所定値以上となるまで吸入空気中の酸素を富化させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記酸素濃度上昇手段は、前記内燃機関の吸気管に設けられたバイパス通路に具備された酸素富化膜と、酸素富化膜を通過する空気流量を制御する空気量制御手段と、で構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記酸素濃度上昇手段は、前記内燃機関の吸気管に接続されたオゾン発生装置と、オゾン発生装置から発生するオゾン流量を制御する空気量制御手段と、で構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記制御装置は、点火時期リタード制御していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか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、自動車の内燃機関の始動時において炭化水素等の有害ガスを低減する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エミッション低減の観点から、特に、自動車に搭載される内燃機関から始動時に排出される炭化水素（以下、ＨＣと記す）を低減する技術が提案されている。例えば、ガソリンを燃料とする内燃機関において、内燃機関の始動時に、排気管に設けた触媒装置の触媒温度を上昇させて触媒を活性化させ、排気ガスに含まれるＨＣをはじめとする有害ガスの排出量を少なくする技術が知られている（触媒暖機技術）。触媒の暖機を早期に行うために、意図的に点火時期を大幅に遅角（リタード）制御して排気温度を高くする技術が知られている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
ところが、上記のように点火時期を大幅に遅角（リタード）制御して燃焼を悪化させると、触媒暖機を早期に実施できるが、燃焼が悪化し燃焼そのものが安定しないため、暖機中のＨＣ量は逆に増加してしまう。
【０００４】
そこで、この問題を解決するために、機関始動時に点火時期を遅角制御し排気昇温を行う内燃機関において、排気昇温時に主燃料に水素を添加して点火時期を遅角制御することにより、排気温度を上昇させるとともに、水素添加による燃焼促進効果によって未燃で排出されるおそれのあるＨＣを燃焼させ、ＨＣの排出量を低減させる技術が示されている（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１８８５２号公報
【特許文献２】特開平１１−３１５７４１号公報
【特許文献３】特開２００５−４８６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
点火時期リタードによる触媒暖機制御は、触媒を早期に暖機させることができ、その後は活性化した触媒によるＨＣ削減効果は大きい。しかしながら、特許文献３でも述べられているように、点火時期リタード時にはかえってＨＣを多く排出することになり、また、燃焼安定性の観点から、リタードできる領域が限られており、一定以上の効果を得ることが難しい。一方、特許文献３に記載されているように、燃料に水素を添加する方法は、水素自身が自着火性を有しているため、安全面の観点から、水素の生成方法や貯蔵方法に課題があることと、水素を添加するためには水素量をより精密に制御する必要がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関の始動時に吸入空気を酸素富化することにより燃焼温度を上昇させてＨＣを燃焼させ、内燃機関から排出されるＨＣを低減させるとともに、触媒暖機までの時間を短縮させ、ＨＣ排出量を低減することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、排気ガスを浄化する触媒装置を備え、燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼させる内燃機関において、前記内燃機関が、始動制御中に、前記燃焼室内に供給する吸入空気中の酸素を富化させる酸素濃度上昇手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、エンジン始動時に吸入空気の酸素濃度を濃くすることにより、燃焼時の炭化水素の発生を少なくすることができ、触媒が活性化されていないときの炭化水素の排出を少なくできるとともに、排気温度を高くでき、触媒の暖機時間を短縮することができる。
【００１０】
本発明の内燃機関の制御装置における酸素濃度上昇手段は、内燃機関が始動後所定時間経過するまで吸入空気中の酸素を富化させることを特徴としており、酸素富化制御を行う期間をタイマー等により簡単に制御することができる。
【００１１】
本発明の内燃機関の制御装置における酸素濃度上昇手段は、内燃機関が始動後、触媒装置の検知温度または前記触媒装置の推定した温度が所定値以上となるまで吸入空気中の酸素を富化させることを特徴としており、触媒装置の温度を検知する検知センサ等により、触媒が確実に活性化する温度になるまで、酸素富化制御を行うことができる。
【００１２】
本発明の内燃機関の制御装置における酸素濃度上昇手段は、内燃機関の吸気管に設けられたバイパス通路に具備された酸素富化膜と、酸素富化膜を通過する空気流量を制御する空気量制御手段と、で構成されていることを特徴としており、酸素濃度上昇手段を酸素富化膜によりコンパクトに構成することができる。
【００１３】
本発明の内燃機関の制御装置における酸素濃度上昇手段は、内燃機関の吸気管に接続されたオゾン発生装置と、オゾン発生装置から発生するオゾン流量を制御する空気量制御手段と、で構成されていることを特徴としており、オゾン発生装置から発生するオゾンによって吸入空気の酸素濃度を高くすることができる。
【００１４】
さらに、本発明の内燃機関の制御装置は、機関始動時に点火時期リタード制御していることを特徴としており、吸入空気を酸素富化させることと、点火時期リタードとによる相乗作用により、排気温度をより高くし触媒暖機を一層早くすることができ、しかも、点火時期リタード制御を行っているときのＨＣの排出量を、吸入空気を酸素富化させることにより少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の始動時に、吸気空気中の酸素濃度を高く（濃く）することにより、燃焼速度が速くなって燃焼温度が高くなり、ＨＣが燃焼するので、エンジンから排出されるＨＣを削減でき、また、同時に燃焼温度が高くなることにより排気温度が高くなり触媒暖機時間を短縮することができ、活性化した触媒によりＨＣ排出量を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づき本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の制御装置を示しており、酸素濃度上昇装置５００を吸気管に設けた筒内噴射式エンジン２と共に示す概略構成図である。
【００１８】
エンジン２は、シリンダブロック１０１ｂ、ピストン１０１ａ等によって、各気筒毎に燃焼室１０１ｃを形成している。各燃焼室１０１ｃに導入される空気は、エアクリーナ１０２の入口部１０２ａから取り入れられ、吸入空気量センサ２５、吸気流量を制御する電制スロットル弁１４０ａが収容されたスロットルボディ１４０、酸素濃度上昇装置５００を通過し、各燃焼室１０１ｃに接続された吸気管１０７に分配された後、吸気弁１２１から燃焼室１０１ｃに導かれる。
【００１９】
吸入空気量センサ２５は、吸気流量を検出しその検出した信号をＥＣＵ（エンジン制御装置）１１に出力する。スロットルボディ１４０には、電制スロットル弁１４０ａの開度を検出するスロットルセンサ２７が取り付けられており、その信号もＥＣＵ１１に出力される。
【００２０】
ガソリン等の燃料は、燃料タンク５０から供給され、燃料ポンプ５１により一次加圧されて燃圧レギュレータ５２により一定の圧力に調圧され、更に高圧ポンプ３００によって高い圧力に２次加圧される。
【００２１】
２次加圧された燃料は蓄圧室５３を介して各燃焼室１０１ｃに設けられている燃料噴射弁（インジェクタ）５４から燃焼室１０１ｃに噴射される。２次加圧された燃料の配管には燃圧センサ５６が取り付けられている。
【００２２】
燃焼室１０１ｃに噴射された燃料は、点火コイル１０８によって高電圧化された点火信号により点火プラグ１０９が火花放電することによって着火されて燃焼され、排気弁１２０から排気管２０９に排出される。
【００２３】
排気管２０９には、排気ガス中の、例えば、酸素濃度をリニアに検出してその検出信号をＥＣＵ１１に出力する空燃比センサ２０８と、触媒装置である排気ガス浄化用触媒２１０等が設けられている。排気ガス浄化用触媒２１０には温度検出センサ２１１が設けられており、その検出信号がＥＣＵ１１に出力される。
【００２４】
エンジン２のクランク軸１０１ｄにはクランク角センサ２４が取り付けられており、クランク軸１０１ｄの回転位置を表わす信号をＥＣＵ１１に出力する。また、排気弁１２０のカム軸１００にはカム角センサ１１７が取り付けられており、前記カム軸の回転位置を表わす基準角信号をＥＣＵ１１に出力する。
【００２５】
ＥＣＵ１１は、吸入空気量センサ２５からの信号や、水温センサ２８にて検出されるエンジン冷却水温、空燃比センサ２０８の検出信号等により、燃料噴射弁５４の燃料噴射幅、燃料噴射タイミング等を制御する。２１２は吸気弁１２１のカム軸である。
【００２６】
ここで、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成要素である、酸素濃度上昇装置５００について、図２を参照して説明する。
【００２７】
酸素濃度上昇装置５００は酸素富化膜５０１と流量制御バルブ５０３とで構成されており、吸気管１０７にバイパス５０２を設け、このバイパス５０２に、酸素富化膜５０１が配置される。さらに、バイパス５０２には、酸素富化膜５０１の下流に、バイパス５０２の流量を制御する空気量制御手段としての流量制御バルブ５０３が設けられている。ここで、流量制御バルブ５０３は図２で示すようなバタフライ式に限定されるものではなく、バイパス５０２の流量を制御できるものであれば、例えばＯＮ／ＯＦＦ式のものを用いても良い。また、本実施形態では酸素濃度上昇装置５００を吸気管１０７に設けたバイパスに具備しているが、吸気管１０７内に直接配置するように構成しても良い。
【００２８】
酸素富化膜５０１は、酸素をよく透過させて酸素と窒素を分離する膜であり、酸素富化膜５０１としては、例えば、シリコン性の膜が一般に知られている。図３に示すように、酸素富化膜５０１の上下流に圧力差を設けて空気を通過させると、酸素富化膜５０１は窒素より酸素の方を良く通すので、酸素富化膜５０１を通すことにより酸素濃度を高くすることができる。酸素富化膜５０１の上下流に強制的に圧力差を設けると、酸素を富化した空気の量を増やすことができ、その手段としてはコンプレッサー等を用いる手段（図示せず）も有効である。
【００２９】
次に、酸素富化膜５０１からなる酸素濃度上昇装置５００を用いることによる効果について、図３〜図５により説明する。
【００３０】
図３は、酸素富化膜５０１の上流側と下流側の酸素と窒素の濃度割合を示しており、通常自然界の大気中では、窒素と酸素の濃度割合は約７９：２１であるが、図３に示すように、酸素富化膜５０１に空気を通過させると、下流側では酸素濃度が濃くなる、すなわち、酸素富化の状態（例えば、酸素濃度２５％）となる。
【００３１】
ところで、燃焼速度ｖは、一般に、次の式で表すことができる。
［数式１］
ｖ＝ｋ（燃料分子式）ｍ（Ｏ２）ｎｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）
ここで、ｋは速度定数、Ｒは気体定数、Ｅは総活性化エネルギー、Ｔは温度、ｍおよびｎは定数である。
【００３２】
すなわち、燃焼速度ｖは、酸素濃度の関数となっており、換言すると、酸化反応（燃焼）は、一義的ではないにせよ、酸素濃度が高いほど促進されることがわかる。
【００３３】
図４は、吸気空気中の酸素濃度を変化させたときの、内燃機関の始動後時間と燃焼温度の関係を示したものである。図４に示すように、同じ始動後時間で比較すると、酸素濃度が高くなるに従い燃焼温度が高くなることがわかる。すなわち、触媒温度は燃焼温度に比例するから、縦軸を排気ガス浄化用の触媒温度と考えることができ、触媒が所定温度まで達する時間は、酸素濃度を高くするほど早くなり、触媒暖機性能が飛躍的に向上する。
【００３４】
図５に内燃機関の始動後時間とエンジンから排出される炭化水素（ＨＣ）の関係を示す。酸素濃度を高くすると、火炎温度が上昇し、燃焼室１０１ｃの室壁近傍の冷却域における消炎が減少するとともに、燃焼性の改善によるクエンチングの減少より、ＨＣの排出量が少なくなる。本発明では、以上の効果によりＨＣ排出量の低減を可能としており、例えば、酸素濃度を２５％に酸素富化すると、酸素富化しない場合と比較しＨＣが減少するので、機関始動時において触媒が活性化していなくても、大気中に排出されるＨＣは少ない。
【００３５】
図６のフローチャートを用いて、酸素濃度上昇装置５００を作動したときの内燃機関の制御装置における始動時の制御について説明する。
【００３６】
ステップ６０１においてエンジンが始動状態か否かを判定し、エンジンが停止している場合はこのルーチンを終了する。ステップ６０１において、エンジンが始動している（始動制御中）と判定された場合は、ステップ６０２に進み、排気ガス浄化用触媒２１０の温度が所定値以下どうかを判定する。排気ガス浄化用触媒２１０の温度が所定値よりも高い場合は、このルーチンを終了する。排気ガス浄化用触媒２１０の温度が所定値以下の場合は、ステップ６０３に進み、吸入空気の酸素濃度を上昇するための酸素濃度上昇装置５００による酸素富化制御を実施する。
【００３７】
ステップ６０３の酸素富化制御では、ＥＣＵ１１が、図２で示した流量制御バルブ５０３を制御し、吸気量をバイパス５０２にバイパスさせ、酸素富化膜５０１を通過させることにより、吸気空気中の酸素濃度を上昇（濃く）させ、この酸素濃度の濃い吸入空気と燃料とを混合し、この混合気を燃焼室１０１ｃに吸入して燃焼させる。
【００３８】
ステップ６０４では、排気ガス浄化用触媒２１０の温度が所定値以上か否かを判定し、所定値未満のときは、ステップ６０４を継続し、所定値以上のときは、ステップ６０５に進み、ＥＣＵ１１による酸素富化制御を終了する。
【００３９】
尚、本フローチャートにおいて、排気ガス浄化用触媒２１０の温度を、温度検出センサ２１１で計測しているが、水温センサ２８の出力値等のエンジン情報から推定した排気ガス浄化用触媒２１０の温度を使用しても良い。また、水温センサ２８の出力値そのものを使っても判定しても良い。すなわち、排気ガス浄化用触媒２１０の温度と水温センサ２８の出力値の関係は、図７に示すとおりであり、水温センサ２８の出力値から排気ガス浄化用触媒２１０が活性化している温度に達していると推定されるときは、酸素富化制御を終了する。
【００４０】
また、図６のステップ６０４における触媒温度の所定値は、例えば、排気ガス浄化用触媒２１０が充分に活性化し、排気ガス浄化用触媒２１０からのＨＣ排出量が十分少なくなる温度に設定することが望ましい。
【００４１】
上記実施形態では、機関始動時に点火時期リタード制御を行っていないが、点火時期リタード制御を行うと、点火時期リタードにより排気温度を高くすることができるとともに、吸入空気を酸素富化させることにより燃焼速度が速くなって燃焼温度を高くできるので、触媒暖機時間を一層短縮することができ、しかも、点火時期リタード制御を行っても燃焼温度を高くできるので、ＨＣを燃焼させてエンジンから排出されるＨＣを削減できる。
【００４２】
次に、図８のフローチャートにより、エンジン始動後の経過時間を用いて酸素濃度上昇装置５００による酸素富化制御することについて説明する。
【００４３】
ステップ８０１において、エンジンが始動している（始動制御中）か否かを判定し、エンジン停止と判定された場合は、このルーチンを終了する。ステップ８０１において、エンジンが始動している（始動制御中）と判定された場合は、ステップ８０２に進み酸素濃度上昇装置５００による酸素富化制御を開始する。酸素富化制御方法については、図６で詳細に説明しているとおりである。
【００４４】
ステップ８０３では、エンジン始動後、所定時間経過したか否かを判定し、所定時間経過していなければ、このステップを継続し、所定時間経過していれば、ステップ８０４に進み酸素富化制御を終了する。
【００４５】
本実施形態では、期間始動から所定時間の間、酸素富化制御を行っているが、始動開始からのエンジン回転数の積算値が所定値となるまで酸素富化制御を行うようにしても良い。
【００４６】
本発明は、内燃機関の冷機始動時において触媒が暖機するまでの間のＨＣを削減することにあり、そのため、吸気空気中の酸素濃度を上昇（濃く）させるのであるから、始動後所定時間のみ酸素富化制御を実施するのみで充分効果が得られる。
【００４７】
図９は、本発明に係る第２の実施形態を示しており、酸素濃度上昇装置５００’を設けた筒内噴射式エンジン２を示す概略構成図である。図１に示す第１の実施形態のものとの相違点は、酸素濃度上昇装置５００’を吸気管１０７とは別の場所に配置し、酸素濃度上昇装置５００’で酸素富化した空気を吸気管１０７に流入させている構成であり、筒内噴射式エンジン２等の構成の詳細は、図１に示す第１の実施形態の説明で述べたとおりであるため省略する。
【００４８】
本実施例における酸素濃度上昇装置５００’について、図１０の概略図を参照して説明する。
【００４９】
酸素濃度上昇装置５００’は、吸気管１０７に並列になるように具備されており、酸素濃度上昇装置５００’は、オゾナイザー１００１と、コンプレッサー１００２とで構成されている。オゾナイザー１００１は、大気中の空気から、オゾン（Ｏ３）を発生させる装置である。オゾナイザーによるオゾン化技術は、アルミナセラミックの表面に設けた線状の放電電極と、内部に設けた板状の誘導電極との間に、高周波高電圧を印加し、沿面放電を発生させることで実現させる技術が知られている。オゾナイザーは、オゾナイザー通過する流量が多いほど、オゾン濃度が高くなることが知られているため、本発明のように、コンプレッサー１００２を設け、空気流量を制御することでより濃度の高いオゾンを発生することができる。
【００５０】
オゾンは、その分子式からもわかるように、吸入空気にオゾンを添加すると吸入空気の酸素富化が期待できる。
制御フローについては、第１の実施形態と同じ考え方が適用できるため、ここでの詳細説明は要さない。
【００５１】
なお、上記実施形態では、筒内噴射式のガソリンエンジンを用いているが、本発明はこれに限ったものではなく、火花点火機関、圧縮点火機関等、内燃機関の形式に制限されずに適用できる。また、エンジン自動始動停止装置を具備した、いわゆる、アイドルストップ車両や、ハイブリッド車両等でも適用することができる。
【００５２】
また、燃料についてもガソリンに限定されるものではなく、軽油、天然ガス等酸化反応を有するものであれば適用することができる。
【００５３】
本発明において、酸素富化の手段としては、この他にも酸素ボンベを用いる等、酸素濃度を上昇（濃く）する手段であれば、適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る酸素濃度上昇装置を設けた内燃機関の制御装置における第１の実施形態を示すエンジン制御システムの構成図。
【図２】本発明に係る酸素濃度上昇装置を設けた内燃機関の制御装置における要部を示す図。
【図３】酸素富化膜の原理の概略を示す図。
【図４】吸気中の酸素濃度を変えたときの機関始動後の時間と燃焼温度の関係を示す図。
【図５】吸気中の酸素濃度を変えたときの機関始動後の時間とエンジンから排出されるＨＣ排出量の関係を示す図。
【図６】本発明に係る内燃機関の制御装置において、触媒温度に基づく酸素富化制御を示すフローチャート。
【図７】機関始動後の時間と、触媒入口温度、触媒温度及びエンジン水温との関係を示す図。
【図８】本発明に係る内燃機関の制御装置において、機関始動時間に基づく酸素富化制御を示すフローチャート。
【図９】本発明に係る酸素濃度上昇装置を設けた内燃機関の制御装置における第２の実施形態を示すエンジン制御システムの構成図。
【図１０】オゾン発生装置を使用した酸素濃度上昇装置の概略図。
【符号の説明】
【００５５】
２  筒内噴射式エンジン、１１  ＥＣＵ（エンジン制御装置）、２４  エンジン回転数センサ、２５  吸入空気流量センサ、２７  スロットル弁開度センサ、２８  エンジン水温センサ、５０  燃料タンク、５１  燃料ポンプ、５２  燃圧レギュレータ、５３  蓄圧室、５４  燃料噴射弁、５６  燃圧センサ、１００  コントロールユニット、１０１ａ  ピストン、１０１ｂ  各シリンダ、１０１ｃ  燃焼室、１０１ｄ  クランク軸、１０２  エアクリーナ、１０６  コレクタ、１０７  吸気管、１０８  点火コイル、１０９  点火プラグ、１１７  カム角センサ、１２０  排気弁、１２１  吸気バルブ、１４０  スロットルボディ、１４０ａ  電制スロットル弁、２０８  空燃比センサ、２０９  排気管、２１０  触媒、３００  高圧燃料ポンプ、５００  酸素濃度上昇装置、５０１  酸素富化膜、５０２  バイパス吸気管、５０３  流量制御バルブ、１００１  オゾン発生装置（オゾナイザー）、１００２  コンプレッサー
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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