(57)【要約】【課題】膨大な電力を必要とすることのない内燃エンジンの制御装置を提供する。【解決手段】圧縮行程において混合気と低温酸化反応する低温酸化反応種を発生する発生部(ステップＳ１)と、前記発生部で発生して混合気とともに燃焼室に導入された低温酸化反応種が低温酸化反応することで昇温した混合気に着火する点火部(ステップＳ３)と、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮行程において混合気と低温酸化反応する低温酸化反応種を発生する発生部と、
前記発生部で発生して混合気とともに燃焼室に導入された低温酸化反応種が低温酸化反応することで昇温した混合気に着火する点火部と、
を有する内燃エンジンの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃エンジンの制御装置において、
前記低温酸化反応種を含んだ混合気は、低温酸化反応種が低温酸化反応する温度に達する前に燃焼室に導入される、
内燃エンジンの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の内燃エンジンの制御装置において、
混合気に着火するときには混合気中に残らない濃度の前記低温酸化反応種を前記燃焼室に導入する、
内燃エンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃エンジンの制御装置において、
前記低温酸化反応種は、オゾンであって、前記燃焼室に導入される濃度が４００ｐｐｍよりも小さい、
内燃エンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃エンジンの制御装置において、
前記点火部は、排ガス浄化触媒を暖機するときには、暖機しないときよりも遅角タイミングで混合気に着火する、
内燃エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃エンジンを制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、吸気にオゾンを供給し、オゾンが存在した状態で混合気に点火する。このようにすることで、オゾンによる混合気の燃焼性向上効果が得られ、点火時期の遅角量を増やすことができ、排ガス浄化触媒を早期に暖機できるとしている。すなわちオゾンは酸素よりも酸化力が大きい。そのためオゾンが存在した状態の混合気は、燃焼性が高まるので、点火時期を大幅に遅角できるとしているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本件発明者が再現実験したところ、特許文献１に記載されているような現象を生じさせるには、高濃度のオゾンが必要であって膨大な電力が必要になり、本件発明者が所望する内燃エンジンには適用できないということが知見された。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、膨大な電力を必要とすることのない内燃エンジンの制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
本発明は、内燃エンジンの制御装置に関する。そして、圧縮行程において混合気と低温酸化反応する低温酸化反応種を発生する発生部と、前記発生部で発生して混合気とともに燃焼室に導入された低温酸化反応種が低温酸化反応することで昇温した混合気に着火する点火部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃焼室に導入された低温酸化反応種が低温酸化反応することで昇温した混合気に着火するので、膨大な電力を必要とすることがないのである。
【０００８】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、オゾン濃度と燃焼速度の増大率との関係を示す図である。
【図２】図２は、モーターリング(空気だけ吸入して燃焼させない)したときのガス温度とオゾン分解率との関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明による内燃エンジンの制御装置の第１実施形態を示す図である。
【図４】図４は、本発明による内燃エンジンの制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態の作用効果を説明する図である。
【図６】図６は、クランク角と熱発生率との関係を示す図である。
【図７】図７は、オゾン濃度と、低温酸化反応による温度上昇との相関を示す図である。
【図８】図８は、点火時期と吸気圧との相関を示す図である。
【図９】図９は、第２実施形態の作用効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、オゾン濃度と燃焼速度の増大率との関係を示す図である。
最初に図１を参照して本件発明者の知見について説明する。
上述のように、特許文献１では、吸気にオゾンを供給し、オゾンが存在した状態で混合気に点火することで、オゾンによる混合気の燃焼性向上効果が得られ、点火時期の遅角量を増やすことができ、排ガス浄化触媒を早期に暖機できるとしている。すなわちオゾンは酸素よりも酸化力が大きい。そのためオゾンが存在した状態の混合気は、燃焼性が高まるので、点火時期を大幅に遅角できるとしているのである。確かにオゾンは酸素よりも酸化力が大きいので、特許文献１の説明には一理あるようにも思われる。
【００１１】
そこで本件発明者が、再現実験したところ、多量のオゾンが必要であって膨大な電力が必要になり、本件発明者が所望する内燃エンジンには適用できないということが知見された。
【００１２】
すなわち、燃焼性が向上したといえるには、一般的には燃焼速度が１０％程度は増大しなければならない。そこで燃焼速度が１０％増大させるのに必要なオゾン濃度を求めたところ、図１に示されるように、数千ｐｐｍのオゾン濃度が必要であることが判明した。
【００１３】
また、特許文献１のようにオゾンが存在した状態で混合気に点火するには、非常に低い圧縮比にしなければならない。これについて図２を参照して説明する。
【００１４】
図２は、モーターリング(空気だけ吸入して燃焼させない)したときのガス温度とオゾン分解率との関係を示す図である。横軸はガス温度[Ｋ；ケルビン]、縦軸はオゾン分解率[％]である。
図２を見ると、オゾンＯ3は、ガス温度に応じて分解するという特性があることが判る。４５０Ｋ程度からオゾンＯ3の分解が急激に始まり、６００Ｋ程度でほぼ１００％分解して酸素Ｏ2に戻ることが判る。
したがって、圧縮状態の燃焼室内でオゾンを存在させるには、非常に低い圧縮比にしなければならない。燃焼室内の温度が４５０Ｋに達してしまうと、オゾンＯ3の分解によって低温酸化反応(発熱反応)が生じ、それを基点として連鎖的に低温酸化反応(発熱反応)が生じるので、燃焼室内にオゾンを存在させることが非常に困難だからである。
【００１５】
ここで低温酸化反応について補足する。低温酸化反応とは、混合気が燃焼するときに生じる中間反応である。低温酸化反応では、混合気の燃料成分に含まれる分子内の結合が切れて、すなわち連鎖が分岐して、ホルムアルデヒドや一酸化炭素などの中間体が生成される。燃料成分にオゾンＯ3を供給して、オゾンＯ3が分解する温度条件になると、燃料成分と酸素原子とが結びつくことで、燃料成分に含まれる分子内の結合が切れてホルムアルデヒドや一酸化炭素などの中間体が生成される。低温酸化反応では、このときに生じるエネルギーによって発熱する。
【００１６】
したがって、特許文献１のようにオゾンが存在した状態で混合気に点火するには、圧縮状態でも燃焼室内の温度が４５０Ｋに達しないように、非常に低い圧縮比にしなければならない。
【００１７】
このような内燃エンジンは、本件発明者が所望する内燃エンジンとは全く相違する。そこで、本件発明者は、鋭意研究を重ねることで、本件発明者が所望する内燃エンジンを実現したのである。
【００１８】
詳細には、点火プラグによる点火前に、低温酸化反応(発熱反応)を積極的に生じさせるようにしたのである。そして低温酸化反応によって昇温した混合気に着火するようにしたのである。具体的な構成を以下に説明する。
【００１９】
図３は、本発明による内燃エンジンの制御装置の第１実施形態を示す図である。
内燃エンジン１は、燃焼室１１に臨む点火プラグ１１１と燃料インジェクター１１２とを含み、コントローラー２０によって作動が制御される。なお図３においては、燃料インジェクター１１２は、燃焼室１１に臨むいわゆる直噴タイプであるが、吸気ポートに臨むポート噴射タイプであってもよい。
【００２０】
内燃エンジン１の吸気通路１２には、吸気の流れ方向上流側から、吸気スロットル１２１と、低温酸化反応種発生器１２２と、吸気コレクター１２３と、が含まれる。
【００２１】
吸気スロットル１２１は、目標出力トルクに応じて開度が調整される。吸気スロットル１２１は、目標出力トルクが大きいほど開度が大きくなる。吸気スロットル１２１は、アイドル運転では全閉される。吸気スロットル１２１の開度が大きいほど、吸気コレクター１２３における気圧(吸気圧)が大きくなる。吸気スロットル１２１の開度が小さいほど、吸気コレクター１２３における吸気負圧が大きくなり、すなわち吸気圧は小さくなる。
【００２２】
低温酸化反応種発生器１２２は、低温酸化反応種を発生する。低温酸化反応種とは、低温酸化反応のもとになるものである。低温酸化反応種としては、たとえば、オゾンＯ3が挙げられる。オゾンは比較的安定しているので、吸気管に供給した場合に、吸気配管内での減衰が少なく燃焼室内に導入でき、オゾンを用いることで、効果的に混合気の低温酸化反応を促進することができる。
したがって、本実施形態の低温酸化反応種発生器１２２は、オゾン発生器である。低温酸化反応種発生器１２２は、パルス電源部１２２ａと、吸気改質部１２２ｂと、を含む。吸気改質部１２２ｂは、パルス電源部１２２ａから供給された電力によって低温プラズマを形成して吸入空気の一部をオゾンＯ3に改質する。なお改質ガスには、窒素酸化物ＮＯｘ、Ｏラジカル、ＯＨラジカルなども含まれ、これらも低温酸化反応種となる。
【００２３】
コントローラー２０は、たとえばクランク角センサー２１やエンジン水温センサー２２の信号に基づいて、点火プラグ１１１、燃料インジェクター１１２、吸気スロットル１２１、パルス電源部１２２ａなどの作動を制御する。コントローラー２０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピューターで構成される。コントローラー２０は、複数のマイクロコンピューターで構成されてもよい。
【００２４】
図４は、本発明による内燃エンジンの制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
なおコントローラーは、この制御を微小時間(たとえば数ミリ秒又はそれ以下)サイクルで繰り返し実行する。
【００２５】
ステップＳ１においてコントローラーは、パルス電源部１２２ａを作動させて低温酸化反応種を発生させる。
【００２６】
ステップＳ２においてコントローラーは、クランク角センサー２１の信号に基づいて所定タイミングであるか否かを判定する。コントローラーは、所定タイミングになるまでは一旦処理を抜け、所定タイミングになったらステップＳ３へ処理を移行する。なお「所定タイミング」については後述する。
【００２７】
ステップＳ３においてコントローラーは、点火プラグ１１１に点火させる。
【００２８】
ここでフローチャートにおける「所定タイミング」について説明する。
本実施形態では、低温酸化反応種発生器１２２からオゾンＯ3を発生させるが、図２で説明されたように、オゾンＯ3は、ガス温度に応じて分解するという特性がある。
このような特性に着目し、本実施形態では、オゾンＯ3の分解が開始するよりも低い温度で、オゾンＯ3を燃焼室に導入する。このように、所定の温度（低温酸化反応種が分解して消滅してしまう温度：約４５０〜６００Ｋ程度（オゾンの場合））に達するより前に燃料混合気と低温酸化反応種を燃焼室内に導入することで、低温酸化反応種が分解して消滅してしまう前に、混合気との低温酸化反応に低温酸化反応種を有効活用できる。吸気行程中の初期に低温酸化反応種と燃料とを燃焼室内へ導入するのが最も望ましい（低温酸化反応の反応時間をできる限り確保するという観点からも望ましい）。
そして、燃焼室内のオゾンＯ３がほぼすべて分解してしまったタイミングでステップＳ２からステップＳ３へ処理を移行して点火する。つまり、混合気に着火するときには混合気中に残らない濃度の低温酸化反応種を燃焼室に導入する。低温酸化反応種がオゾンＯ3の場合、その濃度は数十ｐｐｍから４００ｐｐｍ程度の間とする。このようにして、少量の低温酸化反応種によって、効果的に燃焼性向上を図ることができる。なお燃焼室内の温度は、圧縮上死点に近づくほど高くなる。そこであらかじめ、燃焼室内の温度とクランク角との関係を取得しておき、所望の燃焼室内温度になったクランク角のタイミングで点火するようにすればよい。
【００２９】
図５は、第１実施形態の作用効果を説明する図である。
低温酸化反応種を供給しない比較形態では、図５(Ａ)に示されるように、点火後に火炎伝播による熱発生が生じる。
これに対して、低温酸化反応種を供給する本実施形態によれば、図５(Ｂ)に示されるように、点火前に低温酸化反応による熱発生があり、その後の点火後に火炎伝播による熱発生が生じる。
このため、低温酸化反応種を供給しない比較形態では、燃焼室内のガス温度は、図５(Ｃ)の破線のように変化する。これに対して、低温酸化反応種を供給する本実施形態では、燃焼室内のガス温度は、低温酸化反応による発熱分が加算されて図５(Ｃ)の実線のように変化し、比較形態に比べて温度が上昇するのである。そのため点火後の燃焼速度が速められ、すなわち燃焼反応が促進されるので、燃焼安定性が向上するのである。
【００３０】
（第２実施形態）
図６は、クランク角と熱発生率との関係を示す図である。
上述のように、低温酸化反応種を供給することで、燃焼安定性が向上する。そのため点火時期を大きく遅角することができる。したがってたとえば排ガス浄化触媒を早期に暖機することが可能になる。
しかも、図６に示されるように、排ガス浄化触媒を暖機するときには、点火時期Ａよりも遅角された点火時期Ｂで点火した方が、低温酸化反応による熱発生が大きくなる。なお図６には、点火時期Ａで点火したときの熱発生の様子が破線で示されており、点火時期Ｂで点火したときの熱発生の様子が実線で示されている。これらから、点火時期Ｂで点火したときのほうが、低温酸化反応による熱発生が大きいことが判る。この理由は、以下のように考えられる。
【００３１】
すなわち、排ガス浄化触媒を暖機するときは、内燃エンジンは、一定出力で運転される。したがって点火時期を大きく遅角することに基因して下がった出力を補うように、吸気スロットルの開度を大きくする。すると、吸気コレクターにおける気圧(吸気圧)が大きくなる。
そして図７に示されるように、オゾン濃度が一定であれば、吸気圧が大きいほど、低温酸化反応による温度上昇効果(低温酸化反応種を供給しないときとの温度差)が大きいことが知見された。これは吸気圧が大きいほど、吸気コレクターに存在する混合気が多いので反応機会が多いためであると考えられる。
【００３２】
点火時期と吸気圧との相関は図８のように示される。すなわち吸気圧が大きいほうが点火時期を大きく遅角できるのである。
【００３３】
なお図７からは、さらに吸気圧が一定であれば、オゾン濃度が大きいほど、低温酸化反応による温度上昇効果が大きいことが判る。詳細には、低温酸化反応による温度上昇効果は、オゾン濃度が数十ｐｐｍから得られ、１００ｐｐｍ程度を超えたあたりから向上代が緩くなり、４００ｐｐｍ程度で飽和することが判る。このように４００ｐｐｍ程度で温度上昇効果は飽和するので、低温酸化反応による温度上昇効果を得るには、４００ｐｐｍ程度のオゾンを供給すれば十分であることが判る。
【００３４】
図９は、第２実施形態の作用効果を説明する図である。
この図９は、排ガス浄化触媒を浄化する運転条件において点火時期を遅角したときの燃焼安定度を示す。
図９(Ａ)に示されるように、低温酸化反応種の供給の有無にかかわらず、点火時期を遅角するほど、燃焼安定度は悪化する。
しかしながら、低温酸化反応種(オゾン)を供給する本実施形態では、低温酸化反応種(オゾン)を供給しない比較形態に比べて、点火時期をより大きく遅角できることが判る。これは、オゾンを供給することで、燃焼開始前のガス温度が上昇することで、燃焼速度が改善するためである。そのため、より安定した燃焼を実現でき、同一点火時期での燃焼安定度を向上させることができるのである。そのため、安定限界で比較すると、オゾンを供給しない場合に比べて、オゾンを供給した場合のほうが、点火時期をより遅角できるのである。
【００３５】
このように、低温酸化反応種(オゾン)を供給したほうが、点火時期をより遅角できる。すると、図９(Ｂ)に示されるように、排気温度が高くなる。
【００３６】
そのため、排ガス浄化触媒を早期に活性化することができる。したがって、図９(Ｃ)に示されるように、低温酸化反応種(オゾン)を供給したほうが、内燃エンジンから排出されるハイドロカーボン(エンジンアウトＨＣ)の量を少なくすることができるのである。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
たとえば、図３では、低温酸化反応種発生器を吸気配管に配置する場合を例示したが、吸気ポートや吸気マニホールドなど吸気入口から燃焼室までの間の吸気通路の任意の場所に配置してよい。また、燃焼室内に低温プラズマ放電部を配置して、燃焼室内部で低温酸化反応種(オゾン)を生成してもよい。
また、図３では、低温酸化反応種発生器を吸気配管の主流に配置する場合を例示したが、吸気配管とは別に設けた低温酸化反応種発生器で生成した低温酸化反応種を吸気管に供給してもよい。具体的には、パルス電源が接続された放電器と、吸気通路と、を通路で結んでおく。そして、ポンプによって放電器内に空気を取り込む。放電器内に低温プラズマを形成すると、低温酸化反応種が生成される。そして、この低温酸化反応種を吸気配管に導入するようにすればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  内燃エンジン
１１  燃焼室
１１１  点火プラグ
１１２  燃料インジェクター
１２  吸気通路
１２１  吸気スロットル
１２２  低温酸化反応種発生器
１２２ａ  パルス電源部
１２２ｂ  吸気改質部
１２３  吸気コレクター
２０  コントローラー
ステップＳ１  低温酸化反応種発生部（発生部）
ステップＳ３  点火部
【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】
2012154194.tif 000009
【図８】
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【図９】
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