(57)【要約】【課題】湿度センサを新たに設置することなく、筒内に流入した筒内ガスの湿度を検出する。【解決手段】内燃機関の機関回転中、かつ、燃料無噴射の状態において、圧縮行程の下死点の筒内圧である第１筒内圧と、圧縮行程の上死点の筒内圧である第２筒内圧とを取得する。また、吸入空気の温度を取得する。取得された第１筒内圧、第２筒内圧、内燃機関の圧縮比、及び、吸入空気の温度に応じて、気筒内に流入した筒内ガスの湿度を推定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の機関回転中、かつ、燃料無噴射の状態において、圧縮行程の下死点の筒内圧である第１筒内圧と、圧縮行程の上死点の筒内圧である第２筒内圧と、を取得する手段と、
吸入空気の温度を取得する手段と、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、前記内燃機関の圧縮比、及び、吸入空気の温度に応じて、気筒内に流入した筒内ガスの湿度を推定する推定手段と、
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】
前記推定手段は、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、及び、前記圧縮比に応じて、前記筒内ガスの比熱比を算出し、
前記比熱比と前記吸入空気の温度とに応じて、前記筒内ガスの湿度を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
内燃機関の機関回転中、かつ、燃料無噴射状態において、圧縮行程の第１時点における筒内圧である第１筒内圧と、圧縮行程の第１時点とは異なる第２時点における筒内圧である第２筒内圧と、を取得する手段と、
吸入空気の温度を取得する手段と、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、前記第１時点の筒内容積、前記第２時点の筒内容積、及び、吸入空気の温度に応じて、気筒内に流入した筒内ガスの湿度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記推定手段は、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、前記第１時点の筒内容積、及び、前記第２時点の筒内容積に応じて、前記筒内ガスの比熱比を算出し、
前記比熱比と前記吸入空気の温度とに応じて、前記筒内ガスの湿度を算出する
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記第１筒内圧及び前記第２筒内圧は、吸入空気温度の時間当たりの変化量が所定値より小さいこと、排気ガスの温度の時間当たりの変化量が所定値より小さいこと、及び、排気ガス温度が所定値より小さいこと、からなる条件群のうち、少なくとも１つの条件を満たす状態で取得されたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備え、
前記第１筒内圧及び前記第２筒内圧は、ＥＧＲガスの還流が停止されている状態で取得されたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１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する。具体的には、内燃機関の気筒の筒内圧を取得する手段を備える内燃機関の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を一対の電極間に介在させてなる容量式湿度センサが開示されている。この湿度センサは、センサ部として一対の電極と、一対の電極を覆うように形成された感湿膜とを有する。この湿度センサにおいては、被測定ガスの湿度が変化すると、感湿膜の比誘電率が変化し、その結果、一対の電極間の容量が変化する。この容量変化がＣ―Ｖ変換部で電圧に変換され、変換された電圧がセンサ出力として出力され、これに基づき湿度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５８０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような感湿膜を用いた湿度センサは、被測定ガスの温度、圧力、流量等の物理特性が安定している状態であれば、高い精度で湿度を測定することができる。従って、感湿膜を用いた湿度センサは、例えば、内燃機関の吸入口やエアフロメータ付近に設置して、吸入空気の湿度測定に用いるのには適している。
【０００５】
しかし、絶対湿度の変化による内燃機関の燃焼の変化を予見するためには、気筒内に流入する時点での吸入空気の湿度を検知できることが望ましい。しかしながら、気筒内は、温度、圧力、流量等の物理特性の変化が大きい。感湿膜は、これら物理特性の変化の影響を受けやすいため、感湿膜を用いた湿度センサは、筒内湿度の測定には不向きである。
【０００６】
また、仮にエアフロメータ付近等の物理特性が安定している場所での湿度検出のためであっても、新たに湿度センサを設置することは、コスト低減の観点からは好ましいものではない。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、新たに湿度センサを追加することなく、筒内に流入した筒内ガスの湿度を検出することができるよう改良した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】
第１の発明は、上記の目的を達成するための内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の機関回転中、かつ、燃料無噴射の状態において、圧縮行程の下死点の筒内圧である第１筒内圧と、圧縮行程の上死点の筒内圧である第２筒内圧と、を取得する手段と、
吸入空気の温度を取得する手段と、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、前記内燃機関の圧縮比、及び、吸入空気の温度に応じて、気筒内に流入した筒内ガスの湿度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記推定手段が、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、及び、前記圧縮比に応じて、前記筒内ガスの比熱比を算出し、
前記比熱比と前記吸入空気の温度とに応じて、前記筒内ガスの湿度を算出する
ことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の機関回転中、かつ、燃料無噴射状態において、圧縮行程の第１時点における筒内圧である第１筒内圧と、圧縮行程の第１時点とは異なる第２時点における筒内圧である第２筒内圧と、を取得する手段と、
吸入空気の温度を取得する手段と、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、前記第１時点の筒内容積、前記第２時点の筒内容積、及び、吸入空気の温度に応じて、気筒内に流入した筒内ガスの湿度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、前記推定手段が、
前記第１筒内圧、前記第２筒内圧、前記第１時点の筒内容積、及び、前記第２時点の筒内容積に応じて、前記筒内ガスの比熱比を算出し、
前記比熱比と前記吸入空気の温度とに応じて、前記筒内ガスの湿度を算出する
ことを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記第１筒内圧及び前記第２筒内圧は、吸入空気温度の時間当たりの変化量が所定値より小さいこと、排気ガスの温度の時間当たりの変化量が所定値より小さいこと、及び、排気ガス温度が所定値より小さいこと、からなる条件群のうち、少なくとも１つの条件を満たす状態で取得されたものであることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、前記内燃機関は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備え、
前記第１筒内圧及び前記第２筒内圧は、ＥＧＲガスの還流が停止されている状態で取得されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧縮行程中の筒内圧を用いて、筒内に実際に流入した筒内ガスの湿度が推定される。これにより、湿度センサ等を別途設置することなく、物理特性変化の大きい気筒内についても、高い精度で湿度を把握することができる。
【００１５】
また、第４又は第５の発明によれば、より安定的な運転状態において取得された筒内圧に基づいて、湿度を推定することができる。従って、筒内ガスの湿度推定の精度をより高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態のシステムの構成を説明するための概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の筒内ガスの絶対湿度と比熱比との関係を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図４】絶対湿度とＮＯｘ濃度の推定値との関係、及び、絶対湿度とＮＯｘ濃度の推定誤差との関係について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態．
［本実施の形態のシステム構成］
図１は本発明の実施の形態のシステムの全体構成について説明するための模式図である。図１のシステムは内燃機関２を有している。内燃機関２は、車両に搭載され用いられる。内燃機関２は複数の気筒４を有している。複数の気筒４の少なくとも１の気筒には筒内圧センサ６が設置されている。筒内圧センサ６は気筒内の圧力に応じた出力を発するセンサであり、これにより筒内圧を検知することができる。また内燃機関２のクランク軸近傍にはクランク角センサ８が設置されている。クランク角センサ８の出力によれば、クランク軸の回転位置（クランク角）や機関回転数（機関回転速度）などを検知することができる。
【００１９】
内燃機関２の各気筒４の吸気ポートには、吸気マニホールドを介して吸気管１０が連通している。吸気管１０には、エアフロメータや、温度センサ１２が設置されている。温度センサ１２の出力によれば、吸入空気の温度（吸気温度）を検知することができる。
【００２０】
内燃機関２の各気筒４の排気ポートには、排気マニホールドを介して排気管２０が連通している。排気管２０にはＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；ディーゼル酸化触媒）２２等の触媒が設置されている。また排気管２０には、温度センサ２４及び空燃比センサ２６等のセンサが設置されている。温度センサ２４の出力によれば排気ガスの温度（排気温度）を検知することができる。また、空燃比センサ２６の出力によれば排気ガスの空燃比を検知することができる。
【００２１】
また本実施の形態のシステムは制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した筒内圧センサ６、クランク角センサ８、温度センサ１２、２４、空燃比センサ２６等の各種センサと、インジェクタ等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０は、それらの各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各アクチュエータを駆動することにより、内燃機関２の運転状態を制御することができる。
【００２２】
［本実施の形態のシステムによる絶対湿度の算出制御］
（絶対湿度の算出手法）
本実施の形態においてＥＣＵ３０が実行する制御には、筒内の絶対湿度の算出のための制御が含まれている。絶対湿度は以下のように算出される。
【００２３】
内燃機関２の回転中、かつ、燃料無噴射の状態においては、圧縮行程における筒内の気体の状態変化は、ポリトロープ変化とみなすことができ、ＰＶκ＝一定の関係が成立する。ここで、Ｐは筒内圧、Ｖは燃焼室の容積であり、κは比熱比である。
【００２４】
本実施の形態では、このＰＶκ＝一定の関係を利用し、燃料無噴射の状態における圧縮行程下死点（以下「圧縮下死点」とも称する）の筒内圧Ｐ１と、圧縮行程上死点（以下「圧縮下死点」とも称する）の筒内圧Ｐ２と、内燃機関２の圧縮比とから比熱比κを検出する。
【００２５】
比熱比κは、ＰＶκ＝一定の関係から、次式（１）に基づき算出することができる。
κ＝ｌｏｇ(Ｐ２/Ｐ１)／ｌｏｇ(圧縮比)      ・・・・（１）
【００２６】
ところで比熱比κは、絶対湿度と吸気温度と相関を有する。図２は、ある吸気温度における比熱比κと絶対湿度との関係を示す。図２において横軸は比熱比κ、縦軸は絶対湿度［g/kg］である。図２に示されるように、比熱比κは、絶対湿度が高くなるほど小さくなる。
【００２７】
また、比熱比κは吸気温度が高くなるほど小さくなる。このような吸気温度と比熱比κと絶対湿度との相関関係を用いることで、比熱比κと吸気温度とに応じて、絶対湿度を算出することができる。
【００２８】
具体的に、本実施の形態では、図２に示されるような比熱比κと絶対湿度との関係を、吸気温度ごとに、実験やシミュレーション等により求める。求められた、吸気温度と比熱比κと絶対湿度との関係は、マップ等として定め、ＥＣＵ３０に予め記憶しておく。
【００２９】
内燃機関２の運転中の制御においては、圧縮上死点と圧縮下死点とのそれぞれにおける筒内圧Ｐ１、Ｐ２と、吸気温度とがそれぞれ検出される。ＥＣＵ３０は、検出された筒内圧Ｐ１、Ｐ２と圧縮比から、比熱比κを算出し、比熱比κと吸気温度とから、マップに従って絶対湿度が算出される。
【００３０】
（算出時の運転条件）
また本実施の形態では、以下（ａ）〜（ｄ）の安定条件がすべて成立した時にのみ比熱比κの算出を行うものとする。
（ａ）ＥＧＲ装置を有するシステムである場合には、ＥＧＲガスが気筒内に流入していないこと。
（ｂ）吸気温度の時間当たりの変化量が基準値より小さいこと。
（ｃ）排出される排気温度の時間当たりの変化量が基準値より小さいこと。
（ｄ）排出される排気温度が基準値以内であること。
以上の条件を満たすことで、より安定的な運転条件下での絶対湿度の算出が可能となる。従って絶対湿度の算出精度を高めることができる。また、これらは安定的に絶対湿度を算出するための条件であるから、上記（ｂ）〜（ｄ）における各基準値は、絶対湿度の検出精度等を考慮して、適宜設定される値である。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ３０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは、内燃機関２の運転中の一定期間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンでは、まず、内燃機関２が回転中であるか否かが判別される（Ｓ１０２）。内燃機関２が回転中であることが認められない場合、今回の処理はこのまま終了する。
【００３２】
一方、Ｓ１０２において機関回転中であることが認められると、次に、現在、燃料無噴射の状態であるか否かが判別される（Ｓ１０４）。燃料無噴射の状態であることが認められない場合には、今回の処理はこのまま終了する。
【００３３】
一方、Ｓ１０４において燃料無噴射の状態であることが認められた場合には、次に、安定条件が成立するか否かが判別される（Ｓ１０６）。安定条件は、上述した（ａ）〜（ｄ）の条件である。上記（ａ）〜（ｄ）の全てが成立しない場合には、今回の処理はこのまま終了する。
【００３４】
一方、Ｓ１０６において安定条件の成立が認められた場合、次に、吸気温度が取得される（Ｓ１０８）。吸気温度は、内燃機関２の吸気管１０に設置された温度センサ１２の出力に基づいて取得される。
【００３５】
次に、筒内圧Ｐ１が圧縮下死点のタイミングで取得され、筒内圧Ｐ２が圧縮上死点のタイミングで取得される（Ｓ１１０）。これらの取得タイミングはクランク角センサ８の出力に基づきＥＣＵ３０において検知される。また筒内圧Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ筒内圧センサ６の出力に基づいて取得される。
【００３６】
次に、比熱比κが演算される（Ｓ１１２）。比熱比κは、上記式（１）に、筒内圧Ｐ１，Ｐ２を代入することで算出することができる。演算式（１）は予めＥＣＵ３０に記憶されている。
【００３７】
次に、絶対湿度が演算される（Ｓ１１４）。絶対湿度は、予めＥＣＵ３０に記憶されたマップに従って、Ｓ１０８において取得された吸気温度と、Ｓ１１２において演算された比熱比κに応じて求められる。その後今回の処理は終了する。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、圧縮下死点の筒内圧と圧縮上死点の筒内圧とに基づいて、気筒内の絶対湿度を算出することができる。従って、新たに湿度センサ等を設置することなく、筒内ガスの湿度状態を推定することができる。
【００３９】
上記の手法により算出された絶対湿度は、例えば、ＮＯｘ濃度の推定を行う場合に利用し、推定精度を向上させることができる。図４は、絶対湿度と、ＮＯｘ濃度と、推定誤差とについて説明するための図であり、図４において横軸は絶対湿度[g/kg]、縦軸はＮＯｘ濃度[ppm]又は推定誤差[%]を表している。図４において、実線（ａ）は実際のＮＯｘ濃度、破線（ｂ）は推定ＮＯｘ濃度、実線（ｃ）は推定誤差を表している。
【００４０】
図４に示されるように、実際のＮＯｘ濃度（実線（ａ））と、推定ＮＯｘ濃度（破線（ｂ））との間には、絶対湿度の影響によるずれが生じる。具体的に推定湿度は、実ＮＯｘ濃度と推定ＮＯｘ濃度が一致する標準湿度（ここでは、１０．７[g/kg]）を境に、絶対湿度が標準湿度より低い場合には、実ＮＯｘ濃度より低くなり、絶対湿度が標準湿度より高い場合には、実ＮＯｘ濃度よりも高くなる。そして、この誤差は、実線（ｃ）に示されるように、標準湿度からの湿度差が大きくなるにつれて大きくなっていることが判る。
【００４１】
図４に示されるように、実ＮＯｘ濃度と推定ＮＯｘ濃度との誤差は、絶対湿度と相関を有している。従って、この相関関係に基づき、絶対湿度と、推定ＮＯｘ濃度に対する補正値との関係を、予め求めておくことで、絶対湿度に応じてＮＯｘ濃度推定値を補正することができる。これにより高い精度でＮＯｘ濃度を検知することができる。
【００４２】
また、本実施の形態により算出される絶対湿度と、エアフロメータの湿り空気流量とから、乾燥空気流量を算出することができる。例えば、現状のＥＧＲ制御は、実際には酸素量制御ではなく、湿り空気量制御となっている。しかし、酸素量は、湿り空気量に必ずしも連動して変化しない。一方、酸素量は、乾燥空気量に連動して変化する。従って、乾燥空気流量が算出できれば、乾燥空気量に基づいてＥＧＲ制御を実行することができ、酸素量に応じたＥＧＲ制御が可能となる。これにより湿度変化によるＮＯｘ量の変化を抑制することができる。
【００４３】
また例えば、内燃機関の気筒の湿度は、排気系において発生する凝縮水量に影響する。上記のように算出された気筒の湿度を利用することで、凝縮水の推定モデルを湿度によって補正することができる。従って、凝縮水による部品の腐食等を低減することができる。また上記のように、乾燥空気量を算出することができることから、湿度によるエミッション変化等を低減することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、吸気温度を検出するための温度センサ１２が吸気管１０に設置されている場合について説明した。しかし、本発明において、吸気温度の検出位置はこれに限定されるものではなく、例えば吸気マニホールド、吸気ポート、エアフロメータ等、他の部分に設置されているものであってもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、内燃機関２の排気管２０にＤＯＣ２２が設置されている場合について説明した。しかし、本発明において排気管２０に設置される触媒はこれに限られるものではなく、例えば、ＤＯＣ２２の他に、尿素ＳＣＲシステム等、他の触媒が設置されているものであってもよい。また、内燃機関２がガソリンエンジンである場合にも、それに応じた触媒が設置されていればよい。また設置されるセンサの種類についても、温度センサ２４や空燃比センサ２６に限られず、例えばＮＯｘセンサやＰＭセンサ等が設置されている構成であってもよい。また、各種センサの設置位置についても、実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００４６】
また、本実施の形態では、圧縮下死点の筒内圧Ｐ１と圧縮上死点の筒内圧Ｐ２と、圧縮比とを用いて比熱比κを算出する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、圧縮行程の異なる２点における筒内圧を用いて、比熱比κを算出するものであってもよい。
【００４７】
具体的に、比熱比κは、圧縮行程における第１時点の筒内圧を筒内圧Ｐ０１、第２時点における筒内圧を第２筒内圧Ｐ０２とし、第１時点の筒内容積をＶ０１、第２時点の筒内容積をＶ０２とすると、次式（２）により求めることができる。
κ＝ｌｏｇ(Ｐ０２/Ｐ０１)／ｌｏｇ(Ｖ０２/Ｖ０１)    ・・（２）
【００４８】
第１時点、第２時点の筒内容積Ｖ１、Ｖ２は、クランク角センサ８の出力に基づき検出される気筒内のピストンの位置に応じて求めることができる。上記（２）式により算出された比熱比κを用いて、同様に、マップに従って絶対湿度を算出することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、比熱比κと、吸気温度と、絶対湿度との関係を定めたマップを予めＥＣＵ３０に記憶しておき、このマップに従って絶対湿度を算出する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、圧縮下死点、圧縮上死点の筒内圧Ｐ１、Ｐ２とから算出される比熱比κと、吸気温度、絶対湿度とは相関関係を有する。従って、筒内圧Ｐ１，Ｐ２や、筒内圧の比Ｐ２/Ｐ１等も、吸気温度、絶対湿度と相関関係を有する。従って、例えば、圧縮下死点、圧縮上死点の筒内圧Ｐ１と、Ｐ２と、吸気温度と、絶対湿度との関係を予め定めておいて、比熱比を算出せずに、絶対湿度を算出するものとしてもよい。また、筒内圧Ｐ１とＰ２との比と、吸気温度、絶対湿度との関係から、比熱比を算出せずに絶対湿度を算出するものとしてもよい。
【００５０】
これは、上死点、下死点の筒内圧Ｐ１，Ｐ２を用いず、圧縮行程の２点の筒内圧を用いる場合でも同様である。この場合にも、例えば、２点の筒内圧の比（Ｐ０２/Ｐ０１）と、筒内容積の比（Ｖ０２/Ｖ０１）と、吸気温度、絶対湿度との関係から、比熱比を算出せずに、絶対湿度を算出するものとしてもよい。また筒内圧の比と筒内容積の比を用いるものに限らず、２点の筒内圧Ｐ０１、Ｐ０２と、筒内容積Ｖ０１、Ｖ０２と、吸気温度とをパラメータとして、絶対湿度を直接算出するものであってもよい。
【００５１】
その他についても、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【符号の説明】
【００５２】
２  内燃機関
４  気筒
６  筒内圧センサ
８  クランク角センサ
１０  吸気管
１２  温度センサ
２０  排気管
２２  ＤＯＣ
２４  温度センサ
２６  空燃比センサ
３０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
2014137004.tif 000004
【図３】
2014137004.tif 000005
【図４】
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