(57)【要約】【課題】車両の環境性能を向上させる。【解決手段】エンジンシステム１０では、二次空気流路２１６を介して一定量の空気が排気管２１０に供給されると共に、車両外から吸入された空気が分離器２１９を通過し、空気よりも酸素を多量に含む酸素富化ガスとして貯留タンク２２０に貯留される。一方、ＥＣＵ１００は、排気浄化処理を実行する。排気浄化処理では、例えば、エンジン２００の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｗ０未満となる期間において制御バルブ２２２が開かれ、排気管２１０に酸素富化ガスが供給される。また、酸素富化ガスの供給量は、冷却水温Ｔｗに応じて可変に制御される。この結果、エンジン２００の暖機が不十分な期間について排気管２１０内に供給される気体の酸素濃度が上昇し、排気管２１０内に排出される未燃焼物質たるＨＣ或いは不完全燃焼物質たるＣＯなどの燃焼反応が促進される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関であって、
排気管に酸素を含む所定種類の気体を供給する少なくとも一つの供給手段と、
前記内燃機関の状態に応じて前記供給される気体の酸素濃度が変化するように前記供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記内燃機関の状態に応じて前記酸素濃度が所定の基準濃度よりも高くなるように前記供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記供給手段は、前記所定種類の気体の少なくとも一部として空気と比較して酸素を多く含む燃焼用ガスを供給する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、前記内燃機関の状態に基づいて規定される所定期間において前記燃焼用ガスが供給されるように前記供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記供給手段は、前記所定種類の気体の一部として、前記燃焼用ガスとは酸素濃度の異なるガスを供給することが可能に構成されており、
前記制御手段は更に、前記所定期間において前記酸素濃度が前記所定期間を規定する前記内燃機関の状態に応じて変化するように前記燃焼用ガス及び前記燃焼用ガスとは酸素濃度の異なるガスのうち少なくとも一方の供給量を制御する
ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、前記内燃機関の状態の少なくとも一部として、前記内燃機関における（i）始動後経過時間、（ii）冷却水の温度、（iii）潤滑油の温度及び（iv）空燃比のうち少なくとも一つに応じて前記供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
内燃機関であって、
排気管に酸素を供給する少なくとも一つの酸素供給手段と、
前記内燃機関の状態に応じて前記供給される酸素の量が変化するように前記酸素供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術分野において、二次空気を供給するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された内燃機関の排気浄化装置（以下、「従来の技術」と称する）によれば、各気筒に供給される混合気の空燃比がリッチにされた場合に、排気管に二次空気を噴射することによって、多量のＨＣ（炭化水素）又はＣＯ（一酸化炭素）と酸素とを反応させ、ＮＯｘ（窒素酸化物）吸蔵還元触媒を速やかに加熱することが可能であるとされている。
【０００３】
尚、低温始動時に、吸気系に高濃度の酸素を供給する技術も提案されている（例えば、非特許文献１又は２参照）
【特許文献１】特開２００２−１６１７３６号公報
【非特許文献１】実開昭６３−１１８３７２号公報
【非特許文献２】実開昭６３−１１８３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排気管に噴射される二次空気には、窒素など酸素以外の気体が含まれる。このような酸素以外の気体、とりわけ酸素に比して多量に含まれる窒素は、酸素とＨＣ又はＣＯとの燃焼反応には何ら寄与しないため、排気管に噴射された際に排気又は排気管を冷却する結果となり、酸素とＨＣ又はＣＯとの燃焼反応を阻害する。即ち、従来の技術には、特に始動期間などにおいて車両の環境性能を低下させかねないという技術的な問題点がある。
【０００５】
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、車両の環境性能を向上させ得る内燃機関を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明に係る内燃機関は、内燃機関であって、排気管に酸素を含む所定種類の気体を供給する少なくとも一つの供給手段と、前記内燃機関の状態に応じて前記供給される気体の酸素濃度が変化するように前記供給手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る「内燃機関」とは、燃料の燃焼を動力に変換する狭義の内燃機関を含み、更にはその機関動作を制御するための制御系等を含む広義の内燃機関を包括する概念である。
【０００８】
本発明に係る内燃機関によれば、少なくとも一つ備わる供給手段から供給される酸素を含む所定種類の気体の酸素濃度が内燃機関の状態に応じて変化するため、例えば始動期間等においても排気における未燃物質或いは不完全燃焼物質の燃焼を促進することが可能であり、車両の環境性能を向上させることが可能である。
【０００９】
また、本発明に係る内燃機関の一の態様では、前記制御手段は、前記内燃機関の状態に応じて前記酸素濃度が所定の基準濃度よりも高くなるように前記供給手段を制御する。
【００１０】
この態様によれば、基準濃度を適切に定めることにより、排気を効率的且つ効果的に浄化することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る内燃機関の他の態様では、前記供給手段は、前記所定種類の気体の少なくとも一部として空気と比較して酸素を多く含む燃焼用ガスを供給する。
【００１２】
この態様によれば、所定種類の気体の少なくとも一部として燃焼用ガスが供給されるため、排気の浄化が効果的に促進され、車両の環境性能が顕著に向上し得る。
【００１３】
尚、この態様では、前記制御手段は、前記内燃機関の状態に基づいて規定される所定期間において前記燃焼用ガスが供給されるように前記供給手段を制御してもよい。
【００１４】
この場合、燃焼用ガスを効率的に使用することが可能となる。
【００１５】
尚、この態様では、前記供給手段は、前記所定種類の気体の一部として、前記燃焼用ガスとは酸素濃度の異なるガスを供給することが可能に構成されており、前記制御手段は更に、前記所定期間において前記酸素濃度が前記所定期間を規定する前記内燃機関の状態に応じて変化するように前記燃焼用ガス及び前記燃焼用ガスとは酸素濃度の異なるガスのうち少なくとも一方の供給量を制御してもよい。
【００１６】
この場合、所定期間内において気体の酸素濃度を効率的に且つ比較的自由に制御することが可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る内燃機関の他の態様では、前記制御手段は、前記内燃機関の状態の少なくとも一部として、前記内燃機関における（i）始動後経過時間、（ii）冷却水の温度、（iii）潤滑油の温度及び（iv）空燃比のうち少なくとも一つに応じて前記供給手段を制御する。
【００１８】
この態様によれば、排気の燃焼を促進すべき内燃機関の状態を効果的に特定することが可能となるため、車両の環境性能を効率的且つ効果的に向上させることが可能となる。
【００１９】
上述した課題を解決するため、本発明に係る他の内燃機関は、内燃機関であって、排気管に酸素を供給する少なくとも一つの酸素供給手段と、前記内燃機関の状態に応じて前記供給される酸素の量が変化するように前記酸素供給手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る他の内燃機関によれば、排気管に酸素を供給する酸素供給手段を備え、内燃機関の状態に応じて酸素の量が変化するように係る酸素供給手段が制御されるため、排気の浄化を促進し、車両の環境性能を向上させることが可能である。
【００２１】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜実施形態＞
以下、適宜図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２３】
＜第１実施形態＞
＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの構成について説明する。ここに、図１は、エンジンシステム１０の模式図である。
【００２４】
図１において、エンジンシステム１０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）１００及びエンジン２００を備えた本発明に係る「内燃機関」の一例である。
【００２５】
ＥＣＵ１００は、図示せぬＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、エンジン２００の動作を制御することが可能な電子制御ユニットであり、本発明に係る「制御手段」の一例として機能するように構成されている。ＥＣＵ１００は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、エンジン２００の排気を浄化するための排気浄化処理を実行することが可能に構成されている。尚、排気浄化処理については後述する。
【００２６】
エンジン２００は、不図示の車両の動力源であり、シリンダ２０１内において点火プラグ２０２により混合気を爆発させると共に、爆発力に応じて生じるピストン２０３の往復運動を、コネクションロッド２０４を介してクランクシャフト２０５の回転運動に変換することが可能に構成された、本発明に係る内燃機関の一例である。以下に、エンジン２００の要部構成をその動作と共に説明する。
【００２７】
シリンダ２０１内における燃料の燃焼に際し、外部から吸入された空気は吸気管２０６を通過し、インジェクタ２０７から噴射された燃料と混合されて前述の混合気となる。インジェクタ２０７には、図示せぬ燃料タンクから燃料（ガソリン）が供給されており、インジェクタ２０７は、この供給される燃料をＥＣＵ１００の制御に従って吸気管２０６内に噴射することが可能に構成されている。
【００２８】
シリンダ２０１内部と吸気管２０６とは、吸気バルブ２０８の開閉によって連通状態が制御されている。シリンダ２０１内部で燃焼した混合気は排気ガスとなり吸気バルブ２０８の開閉に連動して開閉する排気バルブ２０９を通過して排気管２１０を介して排気される。
【００２９】
クランクシャフト２０５近傍には、クランクシャフト２０５の回転位置を検出するクランクポジションセンサ２１１が設置されている。クランクポジションセンサ２１１は、クランクシャフト２０５の位置を検出することが可能に構成されたセンサであり、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ２１１の出力信号に基づいてピストン２０３の位置及びエンジン２００の機関回転数などを取得することが可能に構成されている。このピストン２０３の位置は、前述した点火プラグ２０２における点火時期の制御などに使用される。点火プラグ２０２における点火時期は、例えば、ピストン２０３の位置に対応付けられて予め設定される基本値に対し遅角又は進角制御される。
【００３０】
また、シリンダ２０１を収容するシリンダブロックのウォータージャケット内には、エンジン２００の冷却水温（即ち、本発明に係る「冷却水の温度」の一例）を検出するための水温センサ２１２が配設されている。更に、シリンダブロック下方には、エンジン２００の潤滑油たるエンジンオイルの温度（即ち、本発明に係る「潤滑油の温度」の一例）を検出するための油温センサ２１３が設置されている。
【００３１】
排気管２１０には、三元触媒２１５が設置されている。三元触媒２１５は、エンジン２００から排出されるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を夫々浄化することが可能な触媒である。排気管２１０における三元触媒２１５の上流側には、空燃比センサ２１４が配設されている。空燃比センサ２１４は、排気管２１０から排出される排気ガスから、エンジン２００の空燃比を検出することが可能に構成されている。
【００３２】
二次空気供給路２１６は、吸気管２０６と排気管２１０と相互に連通させるための管状部材である。ポンプ２１７は、電動アクチュエータ（不図示）によって駆動され、吸気管２０６から排気管２１０へ吸入空気の一部を圧送することが可能に構成されている。また、バルブ２１８は、二次空気供給路２１６の連通面積を制御するためのソレノイドバルブである。ポンプ２１７及びバルブ２１８は、夫々ＥＣＵ１００によってその動作が制御される構成となっている。尚、二次空気供給路２１６、ポンプ２１７及びバルブ２１８は、本発明に係る「供給手段」の一例を構成しており、本発明に係る「所定種類の気体」の一例たる空気が排気管２１０に供給される構成となっている。尚、これ以降の説明においては、これら二次空気供給路２１６、ポンプ２１７及びバルブ２１８等の総体概念として、適宜「二次空気供給系」なる言葉を使用するものとする。本実施形態において、二次空気供給系から供給される空気量は、ＥＣＵ１００により一定量に維持されている。
【００３３】
分離器２１９は、車両外から吸入された空気から酸素富化ガス（即ち、本発明に係る「燃焼用ガス」の一例）を分離するための装置である。分離器２１９は、例えば、酸素との親和性を有する無孔膜など酸素を選択的に透過する酸素透過性膜を備え、空気を係る酸素透過性膜によって濾過することにより酸素富化ガスを生成し、貯留タンク２２０に供給することが可能に構成される。
【００３４】
貯留タンク２２０は、分離器２１９によって生成された酸素富化ガスを貯留するタンクである。貯留タンク２２０には、排気管２１０における単位時間当たりの酸素富化ガスの平均的な供給量に対して十分に大量の酸素富化ガスを貯留しておくことが可能であり、管路２２１内の圧力は概ね一定に保たれる構成となっている。従って、排気浄化システム１００において、排気管２１０に供給される酸素富化ガスの量は、主として後述する制御バルブ２２２の開度によって決定される。
【００３５】
管路２２１は、貯留タンク２２０と排気管２１０とを相互に連通させる管状部材である。
【００３６】
制御バルブ２２２は、管路２２１上に設置されたソレノイドバルブであり、ＥＣＵ１００によってその開度が連続的に可変に制御される。制御バルブ２２２は、係る開度に応じて管路２２１における連通面積を変化させることによって、貯留タンク２２０から排気管２１０へ供給される酸素富化ガスの流量を制御することが可能に構成されている。
【００３７】
尚、このように、燃焼用ガスたる酸素富化ガスの供給量を可変に制御するための構成として、このような排気管２１０に連通する管路及び係る管路よりも上流側（排気管から遠ざかる側）に設けられたソレノイドバルブ或いはこれらと同等の構成を有する場合、ソレノイドバルブの開度（別言すれば、管路と排気管との連通面積）を連続的又は段階的に変化させることにより（即ち、開度を全開状態又は全閉状態以外の中間開度状態に制御することにより）、酸素富化ガスの供給量を連続的又は段階的に可変に制御することが可能となる。無論、本実施形態に係る酸素富化ガスの供給態様は一例に過ぎず、同様の効果を奏し得る他の機構を介して排気管２１０に酸素富化ガスが供給されてもよい。
【００３８】
尚、本発明に係る「燃焼用ガス」とは、空気と比較して酸素を多く含むガスを包括する概念である。ここで、「空気と比較して酸素を多く含む」とは、空気の組成比率（概ね窒素７８％、酸素２１％）に基づいて厳密に酸素の含有比率として規定されてもよいが、より現実的には、含有される酸素に起因して、空気と比較して幾らかなりとも高い燃焼性を有する状態を指す。係る概念が担保される限りにおいて、燃焼用ガスの形態は自由であってよく、例えば酸素ガスであってもよい。燃焼用ガスが酸素ガスの形態を採る場合、係る酸素ガスは、例えば、酸素ボンベ或いは酸素タンク等から供給されてもよい。
【００３９】
尚、本実施形態に係る酸素富化ガスとは、上述した通り酸素を含んだガス（例えば、空気）を改質することによって生成される、比較的酸素を多量に含むガスである。このような改質は、例えば、空気などの被改質ガスを、酸素以外の物質の少なくとも一部を通過させないように構成された、或いは酸素を含む被改質ガスの少なくとも一部をトラップするように構成されたフィルタなど酸素選択性を有する濾過手段を通過させることにより実現されてもよい。また、このような被改質ガスの供給源は特に限定されず、例えば、本実施形態のように車両外の大気を吸入してもよいし、上述した二次空気供給系（所謂エアインジェクション）における空気の一部を流用してもよい。
【００４０】
尚、これ以降、分離器２１９、貯留タンク２２０、管路２２１及び制御バルブ２２２等の総体概念として、適宜「酸素供給系」なる言葉を使用することとする。酸素供給系は、前述の二次空気供給系と共に、本発明に係る「供給手段」の一例としても機能する。尚、燃焼用ガスには酸素が含まれており、従って、燃焼用ガスを供給する酸素供給系とは、本発明に係る「酸素供給手段」の一例ともなり得る。
【００４１】
本実施形態において、二次空気供給系と酸素供給系とは、相互に独立した構成を採っており、相互に独立した噴射口を介して気体を排気管に供給する態様を有している。然るに、その態様はこれに限定されるものではなく、例えばこれらの少なくとも一部が相互に共通に構成されていてもよい。この場合、例えば、内部で二次空気と酸素富化ガスとが混合され、一の気体として相互に共通の噴射孔を介して排気管２１０内に供給されてもよい。この場合、係る一の気体とは即ち、本発明に係る「所定種類の気体」の他の一例となる。尚、本発明に係る「所定種類の気体」とは排気中の未燃焼物質及び不完全燃焼物質を燃焼せしめることを目的として供給される酸素を含む気体を包括する概念であり、典型的には幾らかなりとも可燃性を有する気体を指す。
【００４２】
尚、本実施形態において、二次空気供給系或いは酸素供給系は、排気管２１０に対し酸素富化ガス等の気体を供給するように構成される。但し、最終的に排気の燃焼を促進する酸素の供給位置は、必ずしも図示の位置に限定されない。例えば、排気マニホールド等において気筒毎（例えば、各気筒の排気ポートに対応する箇所等）に酸素が供給されるように構成されていてもよい。即ち、本発明に係る「排気管」とは、燃焼室から排出される排気の通路を包括する概念であり、各気筒から合流して触媒装置へ接続される典型的な意味での排気管の他に、例えば、各気筒における排気ポート及び各気筒へ分岐する排気マニホールド等を広く含む趣旨である。
【００４３】
尚、供給手段は、排気管に設けられた孔或いは更に係る孔と供給手段を繋ぐ管状部材等を介して排気管内部と連通する構成を有していてもよい。この場合、管状部材の材質や形状、数量及び空間的な配置態様並びに孔の形状等は、排気管に本発明に係る気体を供給可能な限りにおいて何ら限定されない。例えば、排気マニホールドにおいて各気筒に管路が設けられていてもよいし、排気マニホールド全体で一の管路が設けられていてもよい。
【００４４】
＜実施形態の動作＞
エンジン２００において燃料が未燃焼或いは不完全燃焼である場合、排気管２１０内部はＨＣなどの未燃焼物質及びＣＯなどの不完全燃焼物質を含む排気となる。このような未燃焼物質及び不完全燃焼物質、或いはこれら未燃焼物質及び不完全燃焼物質とは逆に燃料が燃焼するに際して発生するＮＯｘ等は、基本的には排気管２１０に設置される三元触媒２１５によって燃焼せしめられる。
【００４５】
然るに、三元触媒２１５は、或いは、三元触媒２１５に限らず他の触媒（例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等）であっても、触媒物質が活性温度に達しない領域では効率的に動作しないため、触媒物質が活性温度に達しない動作期間、例えば冷間時や始動時などには、エミッションの悪化を招き易い。
【００４６】
一方、エンジン２００における吸気系を介して吸入される空気と、例えばインジェクタ２０７等を含む燃料噴射系を介して噴射される燃料との混合比たる空燃比もエミッションと相関する。エンジン２００における空燃比は、通常、理論空燃比（１４．７）近傍の値或いは若干希薄燃焼側（空燃比リーン側）に設定されており、エンジン２００は、エミッションの発生が比較的抑制された条件で動作している。然るに、例えば過渡期間（例えば、加速要求時など）には、空燃比は、所謂パワー空燃比等と称される比較的リッチ側に推移した空燃比に制御されるため、燃焼室内では燃料が過剰となって未燃焼物質たるＨＣが増加し易い。
【００４７】
本実施形態では、このような問題を解決するために二次空気供給系を介して排気管２１０に空気が供給される。この場合、空気中に含まれる酸素によって、排気中に含まれるＨＣやＣＯなどを燃焼せしめることが可能である。即ち、排気は、燃焼室において燃焼反応を経た直後の高温の状態であるから、これら未燃焼物質又は不完全燃焼物質と酸素との自発的な燃焼反応（所謂「あと燃え」）が促進されるのである。ところが、空気中には酸素以外の気体も含まれており、とりわけ窒素に関しては酸素よりも多く含まれている。これら酸素以外の気体は、排気管におけるあと燃えには寄与しないため、噴射された際には逆に排気管２１０を冷却することがある。排気管２１０が冷却されることに伴い、必然的に排気管中の燃焼反応が抑制されるため、結局空気を排気中に導入したとしても効率的にエミッションを低減することが難しい場合がある。
【００４８】
そこで、本実施形態に係るエンジンシステム１０では、ＥＣＵ１００が排気浄化処理を実行することによって、エンジン２００の排気が効果的に浄化される。ここで、図２を参照して、排気浄化処理の詳細について説明する。ここに、図２は、排気浄化処理のフローチャートである。尚、係る排気浄化処理は、エンジン２００を始動するための運転者の操作（例えば、イグニッションキーの操作など）に伴って開始されるものとする。
【００４９】
図２において、ＥＣＵ１００は、エンジン２００が始動したか否かを判別する（ステップＡ１０）。エンジン２００が始動していない場合（ステップＡ１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、処理を待機状態に制御する。エンジン２００が始動した場合（ステップＡ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、内蔵するタイマによってカウントされる、エンジン２００が始動してからの経過時間Ｔ（即ち、本発明に係る「始動後経過時間」の一例）が、所定の閾値Ｔ０未満であるか否かを判別する（ステップＡ１１）。係る閾値Ｔ０の値は、エンジン２００が十分に暖機されるまでの時間として予めＲＯＭに格納されており、本実施形態では、概ね数分程度に設定されている。
【００５０】
尚、ここで述べられる、経過時間Ｔが閾値Ｔ０未満である期間とは、本発明に係る「所定期間」の一例である。本発明に係る「所定期間」とは、内燃機関の状態に基づいて規定される期間であり、好適にはエミッションの悪化が予想される期間（即ち、排気管中の酸素濃度を相対的に高める必要があると推定される期間）を指す。例えば、内燃機関が比較的冷えているとみなし得る期間（例えば、冷間時）やアイドリング期間、空燃比がストイキよりもリッチな領域で制御されている期間などを指す。このような所定期間は無論、予め実験的に、経験的に或いはシミュレーションなどに基づいて、触媒装置などによって十分にエミッションが低減し得ない期間或いは積極的にエミッションを低減すべき期間として定められていてもよい。このような所定期間とは、例えば、ここで述べられる始動後経過時間に基づいた期間の他にも、冷却水温又は潤滑油温等に基づいた期間であってもよい。この場合、夫々が、夫々について予め設定される閾値未満（或いは閾値以下）となる期間が所定期間として設定されてもよい。また、同じく空燃比を判断指標として用いた場合に、空燃比が予め設定される閾値（例えば、理論空燃比又はそれとみなし得る範囲など）未満（或いは以下）である期間を所定期間としてもよい。
【００５１】
経過時間Ｔが閾値Ｔ０未満である場合（ステップＡ１１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、制御バルブ２２２の開度を全開に制御する（ステップＡ１２）。制御バルブ２２２の開度が全開に制御されることによって、貯留タンク２２０から管路２２１を介して排気管２１０に酸素富化ガスが供給される。この際、ＥＣＵ１００は、排気管２１０に供給される気体（即ち、二次空気供給路２１６を介して供給される空気と酸素富化ガス）における酸素濃度が予め設定された基準濃度よりも高くなるように酸素富化ガスの供給量を決定する。但し、本実施形態において、基準濃度は、酸素富化ガスが供給されない場合の酸素濃度として設定されており、厳密な酸素濃度の特定有無によらず、制御バルブ２２２が全閉状態でない限り、酸素濃度は基準濃度よりも高くなる。従って、特に排気管２１０における酸素濃度の検出過程を経ることなく排気管２１０への酸素富化ガスの供給が行われる。
【００５２】
尚、このように所定期間において酸素濃度を変化させる態様は、即ち、酸素濃度を内燃機関の状態に応じて変化させる一態様である。また、酸素濃度を変化させるために実行される動作に鑑みれば、内燃機関の状態に応じて酸素の量を変化させる一態様でもある。
【００５３】
ここで、「内燃機関の状態」とは、上述した問題点に鑑みれば、即ち、内燃機関におけるエミッションと何らかの対応関係を有する状態を包括する概念である。例えば、このような内燃機関の状態とは、例えば、内燃機関の暖機状態を規定し得る冷却水温、潤滑油温又は内燃機関が始動してからの経過時間（即ち、経過時間Ｔ）などであってもよいし、内燃機関の燃焼状態、特に相対的な酸素の過不足量を規定し得る空燃比などであってもよい。或いは、本発明に係る内燃機関の状態とは、単に内燃機関が始動しているか否かと言った二値的な状態であってもよい。尚、内燃機関の状態に応じた酸素濃度の変化態様は、予め実験的に、経験的に或いはシミュレーション等に基づいて、エミッションを効率的且つ効果的に低減させ得るように決定されていてもよい。
【００５４】
尚、本発明に係る基準濃度とは、未燃焼物質又は不完全燃焼物質の燃焼を促進する場合の指標となる酸素濃度を包括する概念である。従って、本実施形態の如く、酸素濃度の相互に異なる複数種類の気体の集合体として本発明に係る気体が規定される場合であれば、酸素濃度が比較的高い方の気体が（i）何ら供給されない場合の、或いは（ii）平常時（例えば、内燃機関が十分に暖機されている期間等）に供給される量に対応する酸素濃度であってもよい。この場合には、即ち、酸素濃度が物理的数値として検出されている必要はなく、供給手段の制御量によって係る基準濃度よりも高い酸素濃度を比較的簡便に実現することが可能である。尚、このような場合以外であっても、必ずしも酸素濃度が厳密な物理量として検出される必要はない。例えば、酸素濃度を可変とするための二次空気供給系或いは酸素供給系等の制御量と排気管に供給される気体の酸素濃度との対応関係、或いは少なくとも係る制御量に対する酸素濃度の増加又は減少の傾向が予め判明している或いは推定可能であるならば、そのような対応関係或いは傾向に基づいてこれらが制御されてもよい。また、このような対応関係は、予めＲＯＭ（Read Only Memory）等然るべき記憶手段に記憶され、制御手段に読み出されることによって適宜参照されてもよい。一方、排気管には酸素濃度を物理的数値として検出可能な例えばＯ２センサ等の酸素濃度検出手段が備わっていてもよい。その場合にはリアルタイムに酸素濃度を制御することが可能となるため好適である。
【００５５】
酸素富化ガスが供給されると、排気管２１０に供給される空気及び酸素富化ガスの総量に対する酸素富化ガスの割合が増加するため、排気管２１０に供給される気体全体の酸素濃度が上昇する。従って、未燃焼物質たるＨＣや不完全燃焼物質たるＣＯなどは、高温の排気ガス中で酸素富化ガスに潤沢に含まれる酸素と反応して燃焼する。従って、エンジン２００のエミッションが低減される。更に、係る燃焼反応によって排気管２１０の暖機が促進されるため、排気管２１０に設置された三元触媒２１５の温度上昇も促進され、触媒温度を速やかに触媒活性温度以上の温度に到達せしめることが可能となる。
【００５６】
制御バルブ２２２が全開開度に制御されると、処理はステップＡ１１に戻され、経過時間Ｔが閾値Ｔ０以上となるまでステップＡ１２に係る制御が継続され、制御バルブ２２２の開度は全開開度状態を維持される。一方、経過時間Ｔが閾値Ｔ０以上となった場合（ステップＡ１１：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、制御バルブ２２２の開度を全閉に制御し、排気管２１０への酸素富化ガスの供給を停止する（ステップＡ１３）。
【００５７】
このように、本実施形態では、エンジン２００の始動期間（即ち、経過時間Ｔが閾値Ｔ０未満となる期間）においてのみ排気管２１０に酸素富化ガスが供給される。即ち、内燃機関の状態に応じて排気管に供給される酸素の量が変化し、結果的に排気管に供給される気体全体における酸素濃度が可変とされる。従って、排気管が比較的冷却された状態であると考えられる期間には比較的酸素濃度が高められた気体を排気管に供給することによって、未燃焼物質又は不完全燃焼物質の燃焼反応を促進することができる。或いは、燃料が過剰に供給され、未燃焼物質や不完全燃焼物質が増加し易いような運転状況において比較的酸素濃度が高められた気体を排気管に供給することによって、これらの燃焼反応を促進することが可能となる。始動期間以外の期間では、三元触媒２１５の温度が触媒活性温度を超えて十分に暖機されており、酸素富化ガスを供給する必要は相対的に低いものとなるため、このように酸素富化ガスを限定的に使用することによって、酸素富化ガスを有効に利用し、効率的にエミッションを低減することが可能となっている。即ち、エミッションを効果的に低減し環境性能を向上させることが可能となるのである。
【００５８】
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、エンジン２００の始動後経過時間に基づいて、即ちエンジン２００の暖気状態に基づいて規定される期間に酸素富化ガスが供給されたが、酸素富化ガスは、このような暖機状態以外の要素に基づいて規定される期間に供給されても、効果的にエミッションを低減させることができる。このような本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。ここに、図３は、本発明の第２実施形態に係る排気浄化処理のフローチャートである。尚、同図において、図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
【００５９】
図３において、エンジン２００が始動すると、ＥＣＵ１００は、空燃比センサ２１４によって検出されるエンジン２００の空燃比Ｒが、所定の閾値Ｒ０未満であるか否かを判別する（ステップＢ１０）。ここで、閾値Ｒ０は、供給された燃料がエミッションに与える影響を無視し得ないと考え得る値であり、本実施形態では、定常状態におけるエンジン２００の空燃比の設定値（概ね、理論空燃比近傍）と、パワー空燃比と呼ばれる、加速要求時などに限定的に使用される空燃比との中間の値に設定されている。即ち、空燃比Ｒが閾値Ｒ０未満となる期間では、エンジン２００の燃焼効率が悪化する。
【００６０】
空燃比Ｒが閾値Ｒ０未満である場合（ステップＢ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、制御バルブ２２２を全開開度に制御し、排気管２１０に対し酸素富化ガスを供給する（ステップＡ１２）。一方、空燃比Ｒが閾値Ｒ０以上である場合（ステップＢ１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、制御バルブ２２２を全閉開度に制御し、排気管２１０への酸素富化ガスの供給を停止する（ステップＡ１３）。ステップＡ１２又はステップＡ１３に係る処理が実行されると、処理はステップＢ１０に戻され、空燃比に基づいた酸素富化ガスの供給制御が継続される。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、エンジン２００の燃焼に際し燃料が過剰に供給され、排気中のエミッションが増加すると予測される期間についてのみ酸素富化ガスが供給される。従って、このような期間において増加するエミッションを効率的且つ効果的に低減し、環境性能を向上させることが可能となるのである。
【００６２】
尚、本実施形態に係る空燃比に基づいた供給制御は、第１実施形態に係るエンジン２００の暖機状態に基づいた供給制御と組み合わせて使用されてもよい。この場合、一層効果的にエンジン２００のエミッションを低減させることが可能となる。
【００６３】
＜第３実施形態＞
上述した実施形態では、制御バルブ２２２の開度は全開か全閉かの二値であり、即ち、酸素富化ガスは供給されるか否かの二値状態を採る。しかしながら、酸素富化ガスは有限の資源であり、効率的な利用が望まれる。ここで、図４を参照して、酸素富化ガスの更なる有効利用を可能とする本発明の第３実施形態について説明する。ここに、図４は、本発明の第３実施形態に係る排気浄化処理のフローチャートである。尚、同図において、図２又は図３と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。
【００６４】
図４において、エンジン２００が始動すると、ＥＣＵ１００は、水温センサ２１２によって検出されるエンジン２００の冷却水温Ｔｗが所定の閾値Ｔｗ０未満であるか否かを判別する（ステップＣ１０）。ここで、冷却水温Ｔｗは、第１実施形態における始動後経過時間と同様に、エンジン２００の暖気状態を規定し得る値であり、エンジン２００の設置環境などが多様であることに鑑みれば、始動後経過時間Ｔに較べてより正確にエンジン２００の暖機状態を反映し得る値である。閾値Ｔｗ０は、エンジン２００が十分に暖機された状態を規定する値として、予め実験的に、経験的に又はシミュレーションなどに基づいて設定されている。
【００６５】
冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｗ０以上となる期間（ステップＣ１０：ＮＯ）については、ＥＣＵ１００は、制御バルブ２２２を全閉開度に制御する（ステップＡ１３）と共に、冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｗ０未満である場合（ステップＣ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、冷却水温Ｔｗに応じた酸素富化ガスの供給量を決定する（ステップＣ１１）。
【００６６】
ここで、酸素富化ガスの供給量は、予め制御バルブ２２２の開度値に置換され、冷却水温Ｔｗに対応付けられる形でＲＯＭに格納されており、ＥＣＵ１００は、その時点における冷却水温Ｔｗに対応する開度値をＲＯＭから読み出すことによって間接的に供給量を決定する。本実施形態では、冷却水温Ｔｗが低い程排気管２１０に供給される気体（空気及び酸素富化ガスの総体）の酸素濃度が高くなるように（即ち、酸素富化ガスの供給量が増加するように）、言い換えれば、エンジン２００の動作期間において冷却水温Ｔｗが徐々に閾値Ｔｗ０に漸近するのに伴って係る酸素濃度が基準濃度に漸近するように（即ち、酸素富化ガスの供給量が減少するように）、制御バルブ２２２の開度が設定されている。
【００６７】
酸素富化ガスの供給量が制御バルブ２２２の開度として決定されると、ＥＣＵ１００は、制御バルブ２２２の開度を係る開度値に対応する開度に制御する（ステップＣ１２）。尚、制御バルブ２２２の開度が係る開度値によって規定される開度に制御された場合の、実際の酸素富化ガスの供給量は、必ずしも予め予測された値でなくてもよい。即ち、冷却水温Ｔｗが所定値Ｔｗ０以上となる期間に酸素富化ガスは供給されないのであり、酸素富化ガスの供給量が、例え予め予測される値に制御されないとしても、このような期間と比較して（即ち、基準濃度と比較して）、排気管２１０の酸素濃度は確実に増加している。即ち、本発明に係る効果は担保されている。
【００６８】
ステップＣ１２又はステップＡ１３に係る処理が実行されると、処理はステップＣ１０に戻され、冷却水温Ｔｗに基づいた酸素富化ガスの供給制御が継続される。このように、本実施形態によれば、酸素富化ガスの供給量は、冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｗ０未満となる期間において、係る冷却水温Ｔｗに応じ、制御バルブ２２２の開度制御を通じて連続的に或いは段階的に可変に制御される。結果的に、排気管２１０に供給される気体の酸素濃度が、係る機関において連続的に或いは段階的に変化する。従って、酸素富化ガスを効率的に使用することが可能であり、効率的に環境性能を向上させることが可能となるのである。
【００６９】
尚、例えば、前述した始動後経過時間に基づいて所定期間が定められている場合、内燃機関の始動後経過時間が増加するに連れて酸素濃度が低下するように（或いは、基準濃度に漸近するように）、言い換えれば、始動直後に近い程酸素濃度が相対的に増加するように少なくとも一方のガスの供給量が制御されてもよい。この際、酸素濃度の変化態様は、連続的であっても段階的であってもよく、予め実験的に、経験的に或いはシミュレーションなどに基づいて効率的且つ効果的にエミッションを低減することが可能となるような態様を有していてもよい。尚、このような制御は、更に空燃比又は潤滑油温等を含む他の要素についても同様に当てはまるものである。
【００７０】
＜第４実施形態＞
上述した各種実施形態において、二次空気流路２１６を介して供給される空気量は一定に制御されるが、二次空気流路２１６を介して供給される空気量は可変に制御されてもよい。ここで、図５を参照して、本発明の第４実施形態に係る排気浄化処理の詳細について説明する。ここに、図５は、本発明の第４実施形態に係る排気浄化処理のフローチャートである。尚、同図において、図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。
【００７１】
図６において、エンジン３００が始動すると、ＥＣＵ１００は、エンジンオイルの温度Ｔｏが所定の閾値Ｔｏ０未満であるか否かを判別する（ステップＤ１０）。ここで、エンジンオイルの温度Ｔｏは、第１実施形態における始動後経過時間Ｔ及び第３実施形態における冷却水温Ｔｗと同様に、エンジンの暖機状態を規定する値である。従って、閾値Ｔｏ０は、予めエンジン３００が十分に暖機されていると判断し得る値に設定されている。
【００７２】
エンジンオイルの温度Ｔｏが閾値Ｔｏ０以上である場合（ステップＤ１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、排気管２１０に供給される気体の酸素濃度が基準濃度となるようにバルブ２１８及び制御バルブ２２２の開度を制御する（ステップＤ１３）。ここで、本実施形態に係る基準濃度とは、酸素富化ガスが供給されない場合の酸素濃度を指す。即ち、制御バルブ２２２は、上述した各種実施形態同様、全閉開度に制御される。尚、本実施形態では、排気管２１０に供給される空気及び酸素富化ガスの総量（即ち、排気管に供給される気体の総量）が一定に維持されるようにバルブ２１８及び制御バルブ２２２が相互に協調的に制御されている。
【００７３】
一方、エンジンオイルの温度Ｔｏが閾値Ｔｏ０未満である場合（ステップＤ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、エンジンオイルの温度Ｔｏに応じた、空気と酸素富化ガスとの割合を決定する（ステップＤ１１）。ここで、空気と酸素富化ガスとの割合は、空気の供給量をこのような暖機が不十分な期間についても不変とするならば、無論酸素富化ガスの供給量に応じて変化するのであり、上述した各種実施形態と同様の制御態様を採り得る。然るに、上述したように、本実施形態では、排気管２１０に供給される気体量が一定に維持されるため、空気の供給量を減少させると共に係る減少分を酸素富化ガスの供給量の増加によって補填することによって両者の割合を変化させている。
【００７４】
このような割合は、予めエンジンオイルの温度Ｔｏに対応付けられたバルブ２１８及び制御バルブ２２２各々の開度の組み合わせとしてＲＯＭに制御マップとして格納されており、ＥＣＵ１００は、その時点におけるエンジンオイルの温度Ｔｏの値に対応する開度となるように、夫々のバルブを制御する（ステップＤ１２）。尚、エンジンオイルの温度Ｔｏに応じた割合とは、即ち、エンジンオイルの温度Ｔｏが低い程（エンジン３００の暖機が不十分である程）酸素富化ガスが相対的に増加するように、言い換えれば、エンジン３００が暖機されるに連れ、酸素富化ガスが相対的に減少するような割合を指す。ステップＤ１２又はステップＤ１３に係る処理が行われると、処理はステップＤ１０に戻され、エンジンオイルの温度Ｔｏに応じた制御が継続される。この結果、空気と酸素富化ガスとの割合（結果的には即ち、排気管２１０に供給される気体の酸素濃度）がエンジンオイルの温度Ｔｏに応じて変化し、効果的にエミッションを低減することが可能となる。
【００７５】
尚、燃焼用ガスの供給量のみを変化させるか、燃焼用ガスとは酸素濃度の異なるガスの供給量のみを変化させるか、或いは両者を同時に変化させるか等、所定期間において内燃機関の状態に応じた酸素濃度を実現させるための二次空気供給系及び酸素供給系の制御態様は、所定期間中に内燃機関の状態に応じて気体の酸素濃度を可変とし得る限りにおいて何ら限定されない。
【００７６】
例えば、気体の酸素濃度を高める場合、相対的に酸素濃度の高い方のガスの供給量を積極的に増加せしめるとによって気体の酸素濃度を高めてもよいし、相対的に酸素濃度の低い方のガスの供給量を積極的に減少せしめることにより、気体の酸素濃度を高めてもよい。尚、この場合、排気管に供給される酸素の量自体は一定に維持されてもよい。即ち、酸素量を一定に維持したまま酸素濃度のみを変化させてもよい。
【００７７】
尚、本発明に係る気体が、燃焼用ガスのみである場合、即ち、供給手段が単に燃焼用ガスを排気管に供給するのみの構成を有する場合、気体の酸素濃度とは、即ち燃焼用ガスの酸素濃度となり、一見変化させることが困難に思えるが、例えば、燃焼用ガスの供給の有無で考えれば、前者は酸素濃度がゼロであると考えられるため、内燃機関の状態に応じて供給の有無を切り替えることにより、内燃機関の状態に応じて酸素濃度を可変に制御することが可能となる。
【００７８】
本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの模式図である。
【図２】図１のエンジンシステムにおいて実行される排気浄化処理のフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る排気浄化処理のフローチャートである。
【図４】本発明の第３実施形態に係る排気浄化処理のフローチャートである。
【図５】本発明の第４実施形態に係る排気浄化処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１０…エンジンシステム、１００…ＥＣＵ、２００…エンジン、２１０…排気管、２１６…二次空気流路、２１７…ポンプ、２１８…バルブ、２１９…分離器、２２０…貯留タンク、２２１…管路、２２２…制御バルブ。
【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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