(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出部と、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出部と、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出部と、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出部と、を備え、
前記ＥＧＲ率算出部は、前記マニホールド内水蒸気分圧率から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算分圧率を算出し、前記減算分圧率に予め設定された換算定数を乗算し、当該乗算値を、１から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算値で除算した値を前記ＥＧＲ率として算出する内燃機関の制御装置。
【請求項２】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出部と、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出部と、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出部と、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出部と、を備え、
前記ＥＧＲ率算出部は、前記マニホールド内水蒸気分圧率から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算して、前記マニホールド圧に対する、前記還流された前記排気ガスに含まれる燃焼により生成された水蒸気の分圧の比率であるマニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率を算出し、
燃料と湿り空気が燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記排気ガス中の燃焼により生成された水蒸気のモル分率である排気中燃焼生成水蒸気モル分率を算出し、
前記マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率を前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率で除算した値を前記ＥＧＲ率として算出する内燃機関の制御装置。
【請求項３】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出部と、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出部と、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出部と、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出部と、を備え、
前記ＥＧＲ率算出部は、前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記内燃機関の空燃比が理論空燃比であると仮定した場合の前記ＥＧＲ率を算出し、
前記空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合は、理論空燃比と仮定した場合の前記ＥＧＲ率に、前記空燃比を理論空燃比で除算した空気過剰率を乗算した値を、最終的な前記ＥＧＲ率として算出し、
前記空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合は、理論空燃比と仮定した場合の前記ＥＧＲ率をそのまま最終的な前記ＥＧＲ率として算出する内燃機関の制御装置。
【請求項４】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出部と、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出部と、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出部と、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出部と、を備え、
前記運転状態検出部は、前記ＥＧＲ流路を開閉するＥＧＲバルブが閉じられて、前記排気ガスが前記吸気マニホールドに還流していない状態で検出した前記マニホールド圧、前記マニホールド湿度、及び前記マニホールド温度を、それぞれ前記吸入空気圧、前記吸入空気湿度、及び前記吸入空気温度として検出する内燃機関の制御装置。
【請求項５】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出部と、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出部と、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出部と、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出部と、を備え、
前記運転状態検出部は、エアコンディショナ制御装置から、前記吸入空気湿度、及び前記吸入空気温度の情報を取得する内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記ＥＧＲ率算出部は、燃料と湿り空気が理論空燃比で燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記内燃機関の空燃比が理論空燃比であると仮定した場合の前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率を算出し、
前記空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合は、理論空燃比と仮定した場合の前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率を、前記空燃比を理論空燃比で除算した空気過剰率により除算した値を、リーンの場合の前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率として算出し、
前記空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合は、理論空燃比と仮定した場合の前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率をそのままリッチの場合の前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率として算出する請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記ＥＧＲ率算出部は、前記内燃機関の空燃比に応じて、前記ＥＧＲ率を変化させる請求項１から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】
前記運転状態検出部は、前記マニホールド湿度及び前記吸入空気湿度として相対湿度を検出し、
前記マニホールド内水蒸気率算出部は、前記マニホールド温度に基づいて前記吸気マニホールド内の飽和水蒸気圧を算出し、当該飽和水蒸気圧に前記マニホールド湿度を乗算して前記マニホールド内水蒸気分圧を算出し、
前記吸入空気中水蒸気率算出部は、前記吸入空気温度に基づいて前記吸入空気の飽和水蒸気圧を算出し、当該飽和蒸気圧に前記吸入空気湿度を乗算して前記吸入空気中水蒸気分圧を算出する請求項１から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ＥＧＲ率に基づいて、点火時期、及び前記ＥＧＲ流路を開閉するＥＧＲバルブの開度の一方又は双方を変化させるＥＧＲ率利用制御部を備える請求項１から８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出ステップと、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出ステップと、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出ステップと、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出ステップと、を実行し、
前記ＥＧＲ率算出ステップでは、前記マニホールド内水蒸気分圧率から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算分圧率を算出し、前記減算分圧率に予め設定された換算定数を乗算し、当該乗算値を、１から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算値で除算した値を前記ＥＧＲ率として算出する内燃機関の制御方法。
【請求項１１】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出ステップと、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出ステップと、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出ステップと、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出ステップと、を実行し、
前記ＥＧＲ率算出ステップでは、前記マニホールド内水蒸気分圧率から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算して、前記マニホールド圧に対する、前記還流された前記排気ガスに含まれる燃焼により生成された水蒸気の分圧の比率であるマニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率を算出し、
燃料と湿り空気が燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記排気ガス中の燃焼により生成された水蒸気のモル分率である排気中燃焼生成水蒸気モル分率を算出し、
前記マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率を前記排気中燃焼生成水蒸気モル分率で除算した値を前記ＥＧＲ率として算出する内燃機関の制御方法。
【請求項１２】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出ステップと、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出ステップと、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出ステップと、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出ステップと、を実行し、
前記ＥＧＲ率算出ステップでは、前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記内燃機関の空燃比が理論空燃比であると仮定した場合の前記ＥＧＲ率を算出し、
前記空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合は、理論空燃比と仮定した場合の前記ＥＧＲ率に、前記空燃比を理論空燃比で除算した空気過剰率を乗算した値を、最終的な前記ＥＧＲ率として算出し、
前記空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合は、理論空燃比と仮定した場合の前記ＥＧＲ率をそのまま最終的な前記ＥＧＲ率として算出する内燃機関の制御方法。
【請求項１３】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出ステップと、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出ステップと、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出ステップと、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出ステップと、を実行し、
前記運転状態検出ステップでは、前記ＥＧＲ流路を開閉するＥＧＲバルブが閉じられて、前記排気ガスが前記吸気マニホールドに還流していない状態で検出した前記マニホールド圧、前記マニホールド湿度、及び前記マニホールド温度を、それぞれ前記吸入空気圧、前記吸入空気湿度、及び前記吸入空気温度として検出する内燃機関の制御方法。
【請求項１４】
吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出ステップと、
前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出ステップと、
前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出ステップと、
前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出ステップと、を実行し、
前記運転状態検出ステップでは、エアコンディショナ制御装置から、前記吸入空気湿度、及び前記吸入空気温度の情報を取得する内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を良好に制御するためには、シリンダに吸入される空気量を精度良く算出し、シリンダ吸入空気量に応じて燃料供給量、及び点火時期を精度良く制御することが重要である。点火時期制御については、内燃機関の回転速度及びシリンダ吸入空気量のみならず、他の要因、例えば、内燃機関の冷却水温、ノック発生状況、燃料性状、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)率に応じて、出力トルクが最大となる点火時期（ＭＢＴ：Minimum Spark Advance for Best Torque）等に、点火時期を変化させることが求められる。
【０００３】
ところで、ＥＧＲについては、排気路から吸気マニホールドに排気ガスを還流するＥＧＲ流路にＥＧＲバルブを設け、そのＥＧＲバルブの開度により、吸気マニホールドに還流される排気ガス量を制御する方法（以下、外部ＥＧＲと称す）と、吸気バルブ及び排気バルブの一方又は双方の開閉タイミングを可変化した可変バルブタイミング機構を設け、吸気バルブと排気バルブが同時に開いているバルブオーバーラップ期間を変化させることで、シリンダ内に残留する排気ガス量を制御する方法（以下、内部ＥＧＲと称す）がある。近年では、低燃費化、高出力化のために、外部ＥＧＲ機構及び内部ＥＧＲ機構の双方を備えた内燃機関が増加している。本願では、単にＥＧＲ、ＥＧＲ率と記載した場合は、外部ＥＧＲ、外部ＥＧＲ率を意味するものとする。
【０００４】
また、近年では、内燃機関の出力トルクを指標として内燃機関を制御することが行われている。熱効率は、シリンダ吸入空気量及びＥＧＲ率に応じて変化するため、シリンダ吸入空気量及びＥＧＲ率に基づいて出力トルクを推定することが求められる。よって、点火時期を制御するためにも、出力トルクを推定するためにも、ＥＧＲ率を精度よく推定することが求められる。
【０００５】
ＥＧＲ率を推定する技術として、例えば、下記の特許文献１及び特許文献２に記載された技術が既に知られている。特許文献１の技術では、エアフローセンサにより検出された吸入空気量と、吸気マニホールド内の圧力等に基づいて算出したシリンダに流入する空気量であるシリンダ流量と、ＥＧＲバルブの開度と、を用いて、ＥＧＲバルブの特性ばらつきや経年変化を学習しつつ、ＥＧＲ量を推定するように構成されている。
【０００６】
特許文献２の技術は、吸気マニホールドに設けたＣＯ２濃度センサにより検出したＣＯ２濃度が目標値に近づくように、ＥＧＲバルブの開度をフィードバック制御する技術である。特許文献２には、ＣＯ２濃度センサの代わりに湿度センサを設ける構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６４２２２２号公報
【特許文献２】特公昭５８−５５３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、ＥＧＲ量を推定するための専用センサを追加する必要はなく、部品の増加によるコストアップは生じないものの、ＥＧＲ量を間接的に推定しているため、ＥＧＲ量の推定に用いる各種センサ及び内燃機関の特性の個体差及び経年変化等により推定誤差が生じるという問題があった。
【０００９】
特許文献２の技術では、吸気マニホールド内の湿度に基づいてＥＧＲ量をフィードバック制御するが、大気から新たに吸気マニホールドに吸入される吸入空気の湿度、すなわち大気の湿度が、吸気マニホールド内の湿度に及ぼす影響が考慮されておらず、大気の湿度の変化により、ＥＧＲ量の制御誤差が生じるという問題があった。大気の湿度は、地域、季節、気象等により大きく変化するため、ＥＧＲ量の制御誤差が無視できない程大きくなる。
【００１０】
そこで、吸入空気（大気）の湿度が変化しても、精度良くＥＧＲ率を推定することができる内燃機関の制御装置及びその制御方法が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置であって、前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出部と、前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出部と、前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出部と、前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールド内に還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出部と、を備え、前記ＥＧＲ率算出部は、前記マニホールド内水蒸気分圧率から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算分圧率を算出し、前記減算分圧率に予め設定された換算定数を乗算し、当該乗算値を、１から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算値で除算した値を前記ＥＧＲ率として算出するものである。 
【００１２】
また、本発明に係る内燃機関の制御方法は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御方法であって、前記吸気マニホールド内の気体の圧力であるマニホールド圧、前記吸気マニホールド内の気体の温度であるマニホールド温度、前記吸気マニホールド内の気体の湿度であるマニホールド湿度、前記吸気路に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧、前記吸入空気の温度である吸入空気温度、及び前記吸入空気の湿度である吸入空気湿度を検出する運転状態検出ステップと、前記マニホールド湿度及び前記マニホールド温度に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧を算出し、前記マニホールド圧に対する前記マニホールド内水蒸気分圧の比率であるマニホールド内水蒸気分圧率を算出するマニホールド内水蒸気率算出ステップと、前記吸入空気湿度及び前記吸入空気温度に基づいて、前記吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧を算出し、前記吸入空気圧に対する前記吸入空気中水蒸気分圧の比率である吸入空気中水蒸気分圧率を算出する吸入空気中水蒸気率算出ステップと、前記マニホールド内水蒸気分圧率及び前記吸入空気中水蒸気分圧率に基づいて、前記吸気マニホールド内の気体に対する、前記吸気マニホールド内に還流された前記排気ガスの比率であるＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出ステップと、を実行し、前記ＥＧＲ率算出ステップでは、前記マニホールド内水蒸気分圧率から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算分圧率を算出し、前記減算分圧率に予め設定された換算定数を乗算し、当該乗算値を、１から前記吸入空気中水蒸気分圧率を減算した減算値で除算した値を前記ＥＧＲ率として算出するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る内燃機関の制御装置及びその制御方法によれば、吸気マニホールド内の空気と還流排気ガスの混合気体の湿度だけでなく、大気から吸気路に吸入される吸入空気の湿度も考慮して、ＥＧＲ率を推定することができる。よって、大気の湿度が変化しても、精度良くＥＧＲ率を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関及び制御装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る吸気マニホールド内の気体の分圧状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る制御装置の処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．実施の形態１
実施の形態１に係る内燃機関１の制御装置５０（以下、単に制御装置５０と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関１及び制御装置５０の概略構成図であり、図２は、本実施の形態に係る制御装置５０のブロック図である。内燃機関１及び制御装置５０は、車両に搭載され、内燃機関１は、車両（車輪）の駆動力源となる。
【００１６】
１−１．内燃機関１の構成
まず、内燃機関１の構成について説明する。内燃機関１は、空気と燃料の混合気を燃焼するシリンダ２５を有している。内燃機関１は、シリンダ２５に空気を供給する吸気路２３と、シリンダ２５で燃焼した排気ガスを排出する排気路１７とを備えている。内燃機関１は、吸気路２３を開閉するスロットルバルブ６を備えている。スロットルバルブ６は、制御装置５０により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ６には、スロットルバルブ６の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ７が設けられている。
【００１７】
吸気路２３の最上流部には、吸気路２３に吸入された空気を浄化するエアクリーナ２４が設けられている。スロットルバルブ６の上流側の吸気路２３には、大気から吸気路２３に吸入される空気である吸入空気の流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ３と、吸入空気の温度である吸入空気温度Ｔａに応じた電気信号を出力する吸入空気温度センサ４と、吸入空気の湿度である吸入空気湿度Ｈｒａに応じた電気信号を出力する吸入空気湿度センサ５と、が設けられている。スロットルバルブ６の上流側の吸気路２３内の圧力は、大気圧と等しいとみなすことができる。吸気路２３の外部（例えば、制御装置５０の内部）には、吸入空気（本例では、大気）の圧力である吸入空気圧Ｐａに応じた電気信号を出力する吸入空気圧センサ２が設けられている。
【００１８】
なお、吸入空気温度センサ４及び吸入空気湿度センサ５は、エアフローセンサ３と一体化されてもよいし、別体化されてもよい。或いは、吸入空気温度センサ４及び吸入空気湿度センサ５は、吸入空気圧センサ２と同様に、吸気路２３の外部に設けられてもよいし、吸入空気圧センサ２は、吸入空気温度センサ４及び吸入空気湿度センサ５と同じ個所に設けられてもよい。いずれにしても、吸入空気圧センサ２、吸入空気温度センサ４、及び吸入空気湿度センサ５は、吸気路２３に吸入される吸入空気が存在する場所であって、吸入空気の圧力が実質的に同じになる場所に設けられる。
【００１９】
スロットルバルブ６の下流側の吸気路２３の部分は、吸気マニホールド１２とされている。吸気マニホールド１２の上流側の部分は、吸気脈動を抑制するサージタンク１１とされている。内燃機関１は、排気路１７から吸気マニホールド１２（本例では、サージタンク１１）に排気ガスを還流するＥＧＲ流路２１と、ＥＧＲ流路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２と、を備えている。ＥＧＲバルブ２２は、制御装置５０により制御される電動モータ等の電動アクチュエータより開閉駆動される電子制御式ＥＧＲバルブとされている。サージタンク１１に還流された排気ガス（以下、還流排気ガスと称す）と、サージタンク１１に吸入された吸入空気は、サージタンク１１内で混合され、均一化される。なお、ＥＧＲは、Exhaust Gas Recirculationの頭文字である。
【００２０】
吸気マニホールド１２には、吸気マニホールド１２内の気体の圧力であるマニホールド圧Ｐｂに応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ８と、吸気マニホールド１２内の気体の温度であるマニホールド温度Ｔｂに応じた電気信号を出力するマニホールド温度センサ９と、吸気マニホールド１２内の気体の湿度であるマニホールド湿度Ｈｒｂに応じた電気信号を出力するマニホールド湿度センサ１０と、が設けられている。なお、マニホールド温度センサ９及びマニホールド湿度センサ１０は、マニホールド圧センサ８と一体化されてもよいし、別体化されてもよい。マニホールド温度センサ９及びマニホールド湿度センサ１０は、吸気マニホールド１２とＥＧＲ流路２１との接続部よりも下流側に設けられており、吸入空気と還流排気ガスとが十分に混合した気体の温度と湿度を検出可能なように構成されている。
【００２１】
吸気マニホールド１２の下流側の部分には、燃料を噴射するインジェクタ１３が設けられている。なお、インジェクタ１３は、シリンダ２５内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。
【００２２】
シリンダ２５の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグと、点火プラグに点火エネルギーを供給する点火コイル１６と、が設けられている。また、シリンダ２５の頂部には、吸気路２３からシリンダ２５内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ１４と、シリンダ内から排気路１７に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ１５と、が設けられている。吸気バルブ１４には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。排気バルブ１５には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする排気可変バルブタイミング機構が設けられている。可変バルブタイミング機構１４、１５は、電動アクチュエータを有している。内燃機関１のクランク軸には、その回転角に応じた電気信号を出力するクランク角センサ２０が設けられている。
【００２３】
排気路１７には、排気ガス中の空気と燃料との比率である空燃比ＡＦ（Ａｉｒ／Ｆｕｅｌ）に応じた電気信号を出力する空燃比センサ１８が設けられている。また、排気路１７には、排気ガスを浄化する触媒１９が設けられている。触媒１９には、理論空燃比ＡＦ０近傍で浄化性能が高くなる三元触媒が用いられている。
【００２４】
１−２．制御装置５０の構成
次に、制御装置５０について説明する。
制御装置５０は、内燃機関１を制御対象とする制御装置である。図２に示すように、制御装置５０は、運転状態検出部５１、マニホールド内水蒸気率算出部５２、吸入空気中水蒸気率算出部５３、ＥＧＲ率算出部５４、及びＥＧＲ率利用制御部５５等の制御部を備えている。制御装置５０の各制御部５１〜５５等は、制御装置５０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置５０は、図３に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３、及び演算処理装置９０が外部装置とデータ通信を行うための通信回路９４等を備えている。
【００２５】
記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）や、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。通信回路９４は、エアコンディショナ制御装置６０等の他の車載用の電子機器等が通信線を介して接続され、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づいて有線通信を行う。
【００２６】
そして、制御装置５０が備える各制御部５１〜５５等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、出力回路９３、及び通信回路９４等の制御装置５０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部５１〜５５等が用いるテーブル、判定値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。
【００２７】
本実施の形態では、入力回路９２には、吸入空気圧センサ２、エアフローセンサ３、吸入空気温度センサ４、吸入空気湿度センサ５、スロットル開度センサ７、マニホールド圧センサ８、マニホールド温度センサ９、マニホールド湿度センサ１０、空燃比センサ１８、クランク角センサ２０、及びアクセルポジションセンサ２６等が接続されている。出力回路９３には、スロットルバルブ６（電気モータ）、ＥＧＲバルブ２２（電動アクチュエータ）、インジェクタ１３、点火コイル１６、吸気可変バルブタイミング機構１４、及び排気可変バルブタイミング機構１５等が接続されている。なお、制御装置５０には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等が接続されている。
【００２８】
制御装置５０は、基本的な制御として、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ１３及び点火コイル１６等を駆動制御する。制御装置５０は、アクセルポジションセンサ２６の出力信号等に基づいて、運転者が要求している内燃機関１の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する吸入空気量となるように、スロットルバルブ６等を制御する。具体的には、制御装置５０は、目標スロットル開度を算出し、スロットル開度センサ７の出力信号に基づき検出したスロットル開度が、目標スロットル開度に近づくように、スロットルバルブ６の電気モータを駆動制御する。
【００２９】
１−２−１．ＥＧＲ率利用制御部５５
ＥＧＲ率利用制御部５５は、ＥＧＲ率算出部５４が算出したＥＧＲ率Ｒｅｇｒに基づいて、点火時期、及びＥＧＲバルブ２２の開度の一方又は双方を変化させるように構成されている。例えば、ＥＧＲ率利用制御部５５は、内燃機関１の回転速度、充填効率、及びＥＧＲ率Ｒｅｇｒに基づいて点火時期を算出する。また、ＥＧＲ率利用制御部５５は、内燃機関１の回転速度及び充填効率等の運転状態に基づいて、目標ＥＧＲ率を算出し、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒが目標ＥＧＲ率に近づくように、ＥＧＲバルブ２２の開度を増加又は減少させる。点火時期の設定精度、ＥＧＲ率の制御精度は、内燃機関１の燃焼状態、出力トルク、熱効率、及びＮＯｘ発生量等の制御精度に大きな影響を与えるため、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒの推定精度は、内燃機関１を制御する上で重要になる。
【００３０】
１−２−２．ＥＧＲ率Ｒｅｇｒの算出方法の理論的導出
まず、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒの算出方法の理論的導出について説明する。
ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、吸気マニホールド１２内の気体に対する、吸気マニホールド１２内に還流された排気ガス（還流排気ガス）の比率である。ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、式（１）を用い、ＣＯ２濃度に基づいて算出することができる。
【数１】
0006012890.tif 000002
ここで、ＣＯ２＿ｉｎは、吸気マニホールド１２内の気体のＣＯ２濃度［ｖｏｌ％］であり、ＣＯ２＿ｅｘは、排気路１７内の排気ガスのＣＯ２濃度［ｖｏｌ％］であり、ＣＯ２＿ａは、吸入空気中のＣＯ２濃度［ｖｏｌ％］である。一般的に、吸入空気（大気）中のＣＯ２濃度は、０．０３８［ｖｏｌ％］程度である。
【００３１】
以下で、燃焼化学反応式における各分子のモル数、及び各気体の分圧に着目して、それらとＣＯ２濃度及びＥＧＲ率Ｒｅｇｒとの関係式を導出する。
内燃機関１の燃料を、例えばガソリンとした場合の炭化水素の燃焼化学反応式は、式（２）で表される。
【数２】
0006012890.tif 000003
【００３２】
ガソリンの平均分子式をＣ７Ｈ１４と仮定し、空気の組成を「酸素(Ｏ２)：窒素(Ｎ２)＝２１：７９」と仮定し、ガソリンと空気が理論空燃比ＡＦ０で完全燃焼した場合の燃焼化学反応式は、式（３）で表される。ここで、燃焼により生成される二酸化炭素（ＣＯ２）のモル数と水蒸気（Ｈ２Ｏ）のモル数が、同じ１４になっている。
【数３】
0006012890.tif 000004
【００３３】
しかし、実際の吸入空気には、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）も含まれており、それらのモル数をα及びβと仮定すると、燃焼化学反応式は、式（４）で表される。なお、式（４）は、還流排気ガスを考慮していない、純粋な燃焼化学反応式である。
【数４】
0006012890.tif 000005
【００３４】
以下のモル数の解析において、式（４）の左辺のガソリンのモル数は、全体のモル数に対して少ないためゼロに近似する。よって、式（４）の左辺の燃焼前の気体は、吸入空気に等しくなる。式（４）の左辺の吸入空気の総モル数は（１００＋α＋β）となり、右辺の排気ガスの総モル数は（１０７＋α＋β）となり、左辺と右辺では厳密にはモル数が異なるが、ここでは総モル数は左辺も右辺も同じ（Ｍ＋α＋β）と仮定する。
【００３５】
図４に、排気ガスを吸気マニホールド１２に還流させた場合の、吸気マニホールド１２内の気体の分圧状態を示す。吸気マニホールド１２内の気体は、大気から吸入された吸入空気と、ＥＧＲ流路２１により還流された還流排気ガスとの混合気体であり、マニホールド圧中の吸入空気の分圧をＰ＿ｎｅｗとし、還流排気ガスの分圧をＰ＿ｅｇｒとしている。
【００３６】
吸入空気は、式（４）の左辺に示されているように、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）から構成されている。厳密には他の物質も含まれているが、含有量が非常に少ないため無視している。ここで、吸入空気中に含まれる水蒸気の分圧をＰｖｎとしている。
【００３７】
還流排気ガスは、式（４）の右辺に示されているように、窒素（Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）から構成されている。厳密には他の物質も含まれているが、含有量が非常に少ないため無視している。ここで、二酸化炭素（ＣＯ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）については、燃焼により生成されたものと、吸入空気中に含まれていたものとが存在する。そのため、燃焼により生成された水蒸気の分圧をＰｖｅとし、吸入空気中に含まれていた水蒸気の分圧をＰｖｒとしている。
【００３８】
ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する式（１）における各ＣＯ２濃度を、図４に示すマニホールド圧Ｐｂに対する吸入空気の分圧Ｐ＿ｎｅｗ及び還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率と、式（４）の左辺の吸入空気中又は右辺の排気ガス中のＣＯ２のモル分率とで表すと、式（５）のようになる。具体的には、吸気マニホールド１２内の気体のＣＯ２濃度ＣＯ２＿ｉｎは、図４に示すように、吸気マニホールド１２内の吸入空気のＣＯ２濃度と、還流排気ガスに含まれる燃焼生成ＣＯ２濃度及び吸入空気含有ＣＯ２濃度と、の合計となる。吸気マニホールド１２内の吸入空気のＣＯ２濃度は、マニホールド圧Ｐｂに対する吸入空気の分圧Ｐ＿ｎｅｗの比率（Ｐ＿ｎｅｗ／Ｐｂ）に、式（４）の左辺の吸入空気中のＣＯ２のモル分率（α／（Ｍ＋α＋β））を乗算したものとなる。還流排気ガスに含まれる燃焼生成ＣＯ２濃度及び吸入空気含有ＣＯ２濃度は、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）に、式（４）の右辺の排気ガス中のＣＯ２のモル分率（（１４＋α）／（Ｍ＋α＋β））を乗算したものとなる。排気ガスのＣＯ２濃度ＣＯ２＿ｅｘは、式（４）の右辺の排気ガス中のＣＯ２のモル分率（（１４＋α）／（Ｍ＋α＋β））となる。吸入空気中のＣＯ２濃度ＣＯ２＿ａは、式（４）の左辺の吸入空気中のＣＯ２のモル分率（α／（Ｍ＋α＋β））となる。
【数５】
0006012890.tif 000006
【００３９】
そして、式（５）の各ＣＯ２濃度を式（１）に代入し、整理するとＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、式（６）に示すように、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）となる。
【数６】
0006012890.tif 000007
【００４０】
次に、各気体の水蒸気のモル分率に着目して関係式を導出する。
吸入空気中の水蒸気のモル分率χｖａは、式（４）の左辺の吸入空気中の水蒸気のモル分率（β／（Ｍ＋α＋β））を用いて、式（７）のように表せる。
【数７】
0006012890.tif 000008
【００４１】
吸気マニホールド１２内の気体中の水蒸気のモル分率χｖｂは、図４及び式（８）に示すように、吸気マニホールド１２内の吸入空気に含まれる水蒸気のモル分率（式（８）の右辺第一項）と、還流排気ガスに含まれる燃焼生成水蒸気及び吸入空気含有水蒸気のモル分率（式（８）の右辺第二項）と、の合計となる。吸気マニホールド１２内の吸入空気の水蒸気のモル分率は、式（８）の右辺第一項に示すように、マニホールド圧Ｐｂに対する吸入空気の分圧Ｐ＿ｎｅｗの比率（Ｐ＿ｎｅｗ／Ｐｂ）に、式（４）の左辺の吸入空気中の水蒸気のモル分率（β／（Ｍ＋α＋β））を乗算したものとなる。還流排気ガスに含まれる燃焼生成水蒸気及び吸入空気含有水蒸気のモル分率は、式（８）の右辺第二項に示すように、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）に、式（４）の右辺の排気ガス中の水蒸気のモル分率（（１４＋β）／（Ｍ＋α＋β））を乗算したものとなる。よって、吸気マニホールド１２内の水蒸気のモル分率χｖｂは、これらの水蒸気のモル分率を用いて、式（８）のように表せる。
【数８】
0006012890.tif 000009
【００４２】
式（８）の右辺の整理後の第一項（β／（Ｍ＋α＋β））は、式（７）の吸入空気中の水蒸気モル分率χｖａと等しいため、式（７）を式（８）に代入して整理すると、式（９）を得る。式（９）に示されているように、吸気マニホールド１２内の水蒸気モル分率χｖｂから吸入空気中の水蒸気モル分率χｖａを減算した減算モル分率（χｖｂ−χｖａ）は、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）に、式（４）の右辺から求まる排気ガス中の燃焼により生成された水蒸気のモル分率である排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘ（＝１４／（Ｍ＋α＋β））を乗算したものとなる。なお、減算モル分率（χｖｂ−χｖａ）は、還流排気ガスに含まれる燃焼により生成された水蒸気のモル分率χｖｅｇｒ（吸気マニホールド１２内の燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｇｒと称す）に等しくなる。よって、式（９）は、吸気マニホールド１２内の燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｇｒは、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）に、排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘを乗算した乗算値に等しくなることを示している。
【数９】
0006012890.tif 000010
【００４３】
式（９）における（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）は、式（５）の導出結果からＥＧＲ率Ｒｅｇｒと等しくなるため、式（９）に式（５）を代入して整理すると、式（１０）を得る。よって、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、吸気マニホールド１２内の水蒸気モル分率χｖｂから吸入空気中の水蒸気モル分率χｖａを減算して算出した吸気マニホールド１２内の燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｇｒを、排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘで除算したものとなる。すなわち、吸気マニホールド１２内の燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｇｒを排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘで除算することにより、吸気マニホールド１２内の気体中の還流排気ガス全体のモル分率が求まり、当該還流排気ガスのモル分率が、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）に等しく、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒに等しいことを示している。
【数１０】
0006012890.tif 000011
【００４４】
吸入空気中の水蒸気のモル数βは、式（７）をβについて整理すると、式（１１）で表せる。
【数１１】
0006012890.tif 000012
【００４５】
式（１１）を式（１０）に代入し、整理すると、式（１２）を得る。ここで、Ｍ＝１０７、吸入空気中のＣＯ２のモル数αを、公称値である０．０３８とする。
【数１２】
0006012890.tif 000013
【００４６】
従って、式（１２）の導出結果から、吸気マニホールド１２内の水蒸気モル分率χｖｂ及び吸入空気中の水蒸気モル分率χｖａに基づいて、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出できることがわかる。
【００４７】
式（１３）に示すように、吸気マニホールド１２内の水蒸気モル分率χｖｂは、理論的に、マニホールド圧Ｐｂに対する、吸気マニホールド１２内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂの比率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）に等しくなる。また、吸入空気中の水蒸気モル分率χｖａは、理論的に、吸入空気圧Ｐａに対する、吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａの比率（Ｐｖａ／Ｐａ）に等しくなる。
【数１３】
0006012890.tif 000014
【００４８】
従って、式（１２）に式（１３）を代入した式（１４）に示すように、マニホールド圧Ｐｂに対するマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂの比率であるマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）と、吸入空気圧Ｐａに対する吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａの比率である吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）と、を検出することにより、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出できることがわかる。
【数１４】
0006012890.tif 000015
【００４９】
１−２−３．ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する制御装置５０の構成
そこで、本実施の形態に係る制御装置５０は、図２に示すように、運転状態検出部５１、マニホールド内水蒸気率算出部５２、吸入空気中水蒸気率算出部５３、及びＥＧＲ率算出部５４を備えている。運転状態検出部５１は、吸気マニホールド１２内の気体の圧力であるマニホールド圧Ｐｂ、吸気マニホールド１２内の気体の温度であるマニホールド温度Ｔｂ、吸気マニホールド１２内の気体の湿度であるマニホールド湿度Ｈｒｂ、吸気路２３に吸入される吸入空気の圧力である吸入空気圧Ｐａ、吸入空気の温度である吸入空気温度Ｔａ、及び吸入空気の湿度である吸入空気湿度Ｈｒａを検出する。
【００５０】
マニホールド内水蒸気率算出部５２は、マニホールド湿度Ｈｒｂ及びマニホールド温度Ｔｂに基づいて、吸気マニホールド１２内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂを算出し、マニホールド圧Ｐｂに対するマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂの比率であるマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）を算出する。吸入空気中水蒸気率算出部５３は、吸入空気湿度Ｈｒａ及び吸入空気温度Ｔａに基づいて、吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを算出し、吸入空気圧Ｐａに対する吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａの比率である吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出する。
【００５１】
そして、ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、吸気マニホールド１２内の気体に対する、吸気マニホールド１２内に還流された排気ガスである還流排気ガスの比率であるＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する。
【００５２】
この構成によれば、吸気マニホールド１２の気体及び吸入空気の圧力、温度、及び湿度の検出値に基づいてマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出し、２つの水蒸気分圧率に基づいて、精度よく、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出することができる。以下で詳細に説明する。
【００５３】
＜運転状態検出部５１＞
運転状態検出部５１は、内燃機関１及び車両の運転状態を検出する。運転状態検出部５１は、各種のセンサの出力信号等に基づいて各種の運転状態を検出する。運転状態検出部５１は、上述したように、マニホールド圧Ｐｂ、マニホールド温度Ｔｂ、及びマニホールド湿度Ｈｒｂを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部５１は、マニホールド圧センサ８の出力信号に基づいてマニホールド圧Ｐｂを検出する。運転状態検出部５１は、マニホールド温度センサ９の出力信号に基づいてマニホールド温度Ｔｂを検出する。運転状態検出部５１は、マニホールド湿度センサ１０の出力信号に基づいてマニホールド湿度Ｈｒｂを検出する。
【００５４】
また、運転状態検出部５１は、上述したように、吸入空気圧Ｐａ、吸入空気温度Ｔａ、及び吸入空気湿度Ｈｒａを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部５１は、吸入空気圧センサ２の出力信号に基づいて吸入空気圧Ｐａを検出する。運転状態検出部５１は、吸入空気温度センサ４の出力信号に基づいて吸入空気温度Ｔａを検出する。運転状態検出部５１は、吸入空気湿度センサ５の出力信号に基づいて吸入空気湿度Ｈｒａを検出する。
【００５５】
本実施の形態では、吸入空気湿度センサ５及びマニホールド湿度センサ１０には、相対湿度を検出するタイプのものが用いられており、例えば、感湿材料の電気抵抗値により検出する電気抵抗式のもの、センサ素子の静電容量により検出する静電容量式のもの等とされる。そのため、運転状態検出部５１は、マニホールド湿度Ｈｒｂ及び吸入空気湿度Ｈｒａとして相対湿度を検出する。
【００５６】
また、運転状態検出部５１は、エアフローセンサ３の出力信号に基づいて吸入空気流量を検出し、スロットル開度センサ７の出力信号に基づいてスロットル開度を検出し、空燃比センサ１８の出力信号に基づいて排気ガスの空燃比ＡＦを検出し、クランク角センサ２０の出力信号に基づいて内燃機関１の回転速度を検出し、アクセルポジションセンサ２６の出力信号に基づいてアクセル開度を検出する。
【００５７】
＜マニホールド内水蒸気率算出部５２＞
マニホールド内水蒸気率算出部５２は、上述したように、マニホールド湿度Ｈｒｂ及びマニホールド温度Ｔｂに基づいて、吸気マニホールド１２内の気体に含まれる水蒸気の分圧であるマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂを算出し、マニホールド圧Ｐｂに対するマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂの比率であるマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）を算出する。
【００５８】
なお、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）は、上述したように、理論的に吸気マニホールド１２内の気体の総モル数に対する水蒸気のモル数の比率である水蒸気モル分率χｖｂに等しくなる。よって、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）を水蒸気モル分率χｖｂと称することもできる。
【００５９】
本実施の形態では、マニホールド内水蒸気率算出部５２は、マニホールド温度Ｔｂに基づいて吸気マニホールド１２内の飽和水蒸気圧Ｐｓｂを算出し、当該飽和水蒸気圧Ｐｓｂに、相対湿度とされたマニホールド湿度Ｈｒｂを乗算してマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂを算出する。
【００６０】
具体的には、マニホールド内水蒸気率算出部５２は、式（１５）に示すテテンスの式を用いて、吸気マニホールド１２内の飽和水蒸気圧Ｐｓｂを算出する。
【数１５】
0006012890.tif 000016
【００６１】
なお、マニホールド内水蒸気率算出部５２は、式（１５）に従って温度と飽和水蒸気圧との関係が予め設定されたテーブルを用い、マニホールド温度Ｔｂに対応する飽和水蒸気圧Ｐｓｂを算出するように構成されてもよい。
【００６２】
そして、マニホールド内水蒸気率算出部５２は、式（１６）に示すように、飽和水蒸気圧Ｐｓｂにマニホールド湿度Ｈｒｂ[％ＲＨ]を乗算して、マニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂを算出し、マニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂをマニホールド圧Ｐｂで除算してマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）を算出する。
【数１６】
0006012890.tif 000017
【００６３】
＜吸入空気中水蒸気率算出部５３＞
吸入空気中水蒸気率算出部５３は、上述したように、吸入空気湿度Ｈｒａ及び吸入空気温度Ｔａに基づいて、吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを算出し、吸入空気圧Ｐａに対する吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａの比率である吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出する。
【００６４】
なお、吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）は、上述したように、理論的に吸入空気の総モル数に対する水蒸気のモル数の比率である水蒸気モル分率χｖａに等しくなる。よって、吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を吸入空気中の水蒸気モル分率χｖａと称することもできる。
【００６５】
本実施の形態では、吸入空気中水蒸気率算出部５３は、吸入空気温度Ｔａに基づいて吸入空気の飽和水蒸気圧Ｐｓａを算出し、当該飽和水蒸気圧Ｐｓａに、相対湿度とされた吸入空気湿度Ｈｒａを乗算して吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを算出する。
【００６６】
具体的には、吸入空気中水蒸気率算出部５３は、式（１７）に示すテテンスの式を用いて、吸入空気の飽和水蒸気圧Ｐｓａを算出する。
【数１７】
0006012890.tif 000018
【００６７】
なお、吸入空気中水蒸気率算出部５３は、温度と飽和水蒸気圧との関係が予め設定されたテーブルを用い、吸入空気温度Ｔａに対応する飽和水蒸気圧Ｐｓａを算出するように構成されてもよい。
【００６８】
そして、吸入空気中水蒸気率算出部５３は、式（１８）に示すように、飽和水蒸気圧Ｐｓａに吸入空気湿度Ｈｒａ[％ＲＨ]を乗算して、吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを算出し、吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを吸入空気圧Ｐａで除算して吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出する。
【数１８】
0006012890.tif 000019
【００６９】
＜ＥＧＲ率算出部５４＞
ＥＧＲ率算出部５４は、上述したように、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、吸気マニホールド１２内の気体に対する、吸気マニホールド１２に還流された排気ガスである還流排気ガスの比率であるＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する。
【００７０】
ＥＧＲ率算出部５４は、上記の式（１４）に基づいた式（１９）を用いて、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する。すなわち、ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）から吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を減算した減算分圧率を算出し、減算分圧率に予め設定された換算定数Ｋｒを乗算し、当該乗算値を、１から吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を減算した減算値で除算した値をＥＧＲ率Ｒｅｇｒとして算出するように構成されている。
【数１９】
0006012890.tif 000020
【００７１】
換算定数Ｋｒは、式（１９）に示すように、燃料と湿り空気が燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数に基づいて予め設定されている。具体的には、換算定数Ｋｒは、式（４）の燃焼化学反応式の右辺（燃焼後ガス）における、排気ガスの総モル数（Ｍ＋α＋β）から吸入空気中の水蒸気のモル数βを減算した値（本例では、１０７＋０．０３８）を、燃焼生成水蒸気のモル数（本例では、１４）で除算した固定値に予め設定されている。換算定数Ｋｒは、式（１９）に示した値以外にも、実験値等に基づいて調整された値であってもよい。なお、吸入空気中の二酸化炭素のモル数αは、Ｍに比べ十分に小さいためゼロにしてもよい。
【００７２】
式（１９）の算出を物理量に即して表現する。式（１９）を変形すると式（２０）となる。式（２０）に示すように、ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）から吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を減算して、マニホールド圧Ｐｂに対する、還流排気ガスに含まれる燃焼により生成された水蒸気の分圧Ｐｖｅｇｒ（吸気マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧Ｐｖｅｇｒと称す）の比率であるマニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率（Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ）を算出する。また、ＥＧＲ率算出部５４は、燃料と湿り空気が燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数、及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、排気ガス中の燃焼により生成された水蒸気のモル分率である排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘを算出する。そして、ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率（Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ）を排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘで除算した値をＥＧＲ率Ｒｅｇｒとして算出する。
【数２０】
0006012890.tif 000021
【００７３】
詳細には、ＥＧＲ率算出部５４は、予め設定されたモル換算定数Ｋｒ２に、１から吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を減算した減算値を乗算した値を排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘとして算出する。モル換算定数Ｋｒ２は、上記の換算定数Ｋｒと同様に、燃料と湿り空気が燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数又は実験値等に基づいて予め設定されている。なお、χｖｅｘの算出式は、式（４）の燃焼化学反応式に基づいて導出した式（１１）を、式（４）の燃焼化学反応式に基づいて導出した式（１０）に代入することにより導出される。
【００７４】
このように、マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率（Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ）を排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘで除算することにより、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）が求まり、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒが求まる。
【００７５】
１−２−４．フローチャート
本実施の形態に係る制御装置５０の処理の手順（内燃機関１の制御方法）について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。図５のフローチャートの処理は、演算処理
装置９０が記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行することにより、例えば一定の演算周期毎に繰り返し実行される。
【００７６】
ステップＳ０１で、運転状態検出部５１は、上記のように、内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出処理（運転状態検出ステップ）を実行する。運転状態検出部５１は、マニホールド圧Ｐｂ、マニホールド温度Ｔｂ、マニホールド湿度Ｈｒｂ、吸入空気圧Ｐａ、吸入空気温度Ｔａ、及び吸入空気湿度Ｈｒａ等を検出する。
【００７７】
次に、ステップＳ０２で、マニホールド内水蒸気率算出部５２は、上記のように、マニホールド湿度Ｈｒｂ及びマニホールド温度Ｔｂに基づいて、マニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂを算出し、マニホールド圧Ｐｂに対するマニホールド内水蒸気分圧Ｐｖｂの比率であるマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）を算出するマニホールド内水蒸気率算出処理（マニホールド内水蒸気率算出ステップ）を実行する。
【００７８】
ステップＳ０３で、吸入空気中水蒸気率算出部５３は、上記のように、吸入空気湿度Ｈｒａ及び吸入空気温度Ｔａに基づいて、吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを算出し、吸入空気圧Ｐａに対する吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａの比率である吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出する吸入空気中水蒸気率算出処理（吸入空気中水蒸気率算出ステップ）を実行する。
【００７９】
ステップＳ０４で、ＥＧＲ率算出部５４は、上記のように、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出するＥＧＲ率算出処理（ＥＧＲ率算出ステップ）を実行する。
【００８０】
そして、ステップＳ０５で、ＥＧＲ率利用制御部５５は、上記のように、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒに基づいて、点火時期、及びＥＧＲバルブ２２の開度の一方又は双方を変化させるＥＧＲ率利用制御処理（ＥＧＲ率利用制御ステップ）を実行する。
【００８１】
２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る制御装置５０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る内燃機関１及び制御装置５０の基本的な構成及び処理は実施の形態１と同様であるが、内燃機関１の空燃比ＡＦに応じてＥＧＲ率Ｒｅｇｒを変化させる点が異なる。
【００８２】
２−１．リッチ又はリーンの場合へのＥＧＲ率Ｒｅｇｒの算出方法の拡張
上記の実施の形態１に係るＥＧＲ率Ｒｅｇｒの算出方法では、燃料と湿り空気の空燃比が理論空燃比ＡＦ０で完全燃焼する場合の式（４）の燃焼化学反応式に基づいている。以下では、燃料と湿り空気の空燃比が、理論空燃比ＡＦ０よりもリーンである場合、又はリッチである場合について式導出を拡張する。
【００８３】
空気過剰率λは、式（２１）に示すように、空燃比ＡＦを理論空燃比ＡＦ０で除算した比率である。λ＝１であれば、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０であり、λ＜１であれば、空燃比ＡＦがリッチであり、λ＞１であれば、空燃比ＡＦがリーンである。
【数２１】
0006012890.tif 000022
【００８４】
＜リッチの場合＞
式（２２）に、空燃比ＡＦがリッチである場合（λ＜１）の燃焼化学反応式を示す。
【数２２】
0006012890.tif 000023
【００８５】
ここで、式（２２）の右辺の最終項に示すように、リッチ燃焼時には、未燃ガソリンがそのままの分子で排出されると仮定している。実際には、未燃ガソリンは、シリンダ２５内の燃焼温度により分子量が小さいメタン（ＣＨ４）やエタン（Ｃ２Ｈ６）等に分解されると考えられるが、ガソリンの体積濃度は小さく分解による影響も少ないと考えられるため、ここではガソリンの分解を考慮していない。
【００８６】
排気ガスのＣＯ２濃度ＣＯ２＿ｅｘは、式（２３）に示すように、式（２２）の右辺の排気ガス中の総モル数に対するＣＯ２のモル数の比率（ＣＯ２のモル分率）に等しくなる。未燃ガソリンのモル数（（１−λ）・２）は、総モル数に対して少ないためゼロに近似する。同様に、吸気マニホールド１２内の気体のＣＯ２濃度ＣＯ２＿ｉｎ、吸入空気中のＣＯ２濃度ＣＯ２＿ａについても求める。式（２３）から、リッチの場合の各ＣＯ２濃度は、式（５）の理論空燃比ＡＦ０の場合と同じになる。よって、リッチの場合は、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、式（６）と同様に、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）になる。
【数２３】
0006012890.tif 000024
【００８７】
また、リッチの場合における、吸入空気中の水蒸気のモル分率χｖａ、及び吸気マニホールド１２内の気体中の水蒸気のモル分率χｖｂは、式（７）、式（８）の理論空燃比ＡＦ０の場合と同様に、式（２２）の左辺又は右辺の水蒸気のモル分率等を用いて、式（２４）で表される。
【数２４】
0006012890.tif 000025
【００８８】
式（２４）から、水蒸気のモル分率χｖａ、χｖｂは、式（７）及び式（８）の理論空燃比ＡＦ０の場合と同じになる。これは、リッチの場合（λ＜１）は、分子の燃焼生成水蒸気のモル数は、未燃ガソリンが生じるため理論空燃比ＡＦ０の場合の１４に対してλ倍されるが、分母の排気ガスの総モル数も、吸入空気の各分子がλ倍されているため、理論空燃比ＡＦ０の場合に対してλ倍される。そのため、分子と分母でλが相殺され、理論空燃比ＡＦ０の場合と同じになる。よって、リッチの場合は、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、理論空燃比ＡＦ０の場合の式（１４）と同じ式により算出できる。
【００８９】
＜リーンの場合＞
式（２５）に、空燃比ＡＦがリーンである場合（λ＞１）の燃焼化学反応式を示す。
【数２５】
0006012890.tif 000026
【００９０】
排気ガスのＣＯ２濃度ＣＯ２＿ｅｘは、式（２６）に示すように、式（２５）の右辺の排気ガス中の総モル数に対するＣＯ２のモル数の比率（ＣＯ２のモル分率）に等しくなる。モル数「７」は、総モル数に対して少ないためゼロに近似する。同様に、吸気マニホールド１２内の気体のＣＯ２濃度ＣＯ２＿ｉｎ、吸入空気中のＣＯ２濃度ＣＯ２＿ａについても求める。式（２６）から、各ＣＯ２濃度は、式（５）の理論空燃比ＡＦ０の場合とは異なる。
【数２６】
0006012890.tif 000027
【００９１】
そして、式（２６）の各ＣＯ２濃度を式（１）に代入して整理すると式（２７）を得る。リーンの場合も、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、式（６）と同じ、マニホールド圧Ｐｂに対する還流排気ガスの分圧Ｐ＿ｅｇｒの比率（Ｐ＿ｅｇｒ／Ｐｂ）になる。
【数２７】
0006012890.tif 000028
【００９２】
また、リーンの場合における、吸入空気中の水蒸気のモル分率χｖａ、及び吸気マニホールド１２内の気体中の水蒸気のモル分率χｖｂは、式（７）、式（８）の理論空燃比ＡＦ０の場合と同様に、式（２５）の左辺又は右辺の水蒸気のモル分率等を用いて、式（２８）で表される。
【数２８】
0006012890.tif 000029
【００９３】
そして、式（２８）を式（９）と同様に整理すると式（２９）を得る。リーンの場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘＬは、式（９）に示す理論空燃比ＡＦ０の場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘを空気過剰率λで除算した値になる。これは、リーンの場合（λ＞１）は、分子の燃焼生成水蒸気のモル数は、燃料が完全燃焼するため理論空燃比ＡＦ０の場合と同じ１４であるのに対して、分母の排気ガスの総モル数は、吸入空気の各分子がλ倍されているため、理論空燃比ＡＦ０の場合に対してλ倍されるためである。
【数２９】
0006012890.tif 000030
【００９４】
式（２９）に式（２７）を代入し、整理すると式（３０）を得る。
【数３０】
0006012890.tif 000031
【００９５】
吸入空気中の水蒸気のモル数βは、式（２８）から理論空燃比ＡＦ０の場合と同じ式（１１）となるため、式（３０）に式（１１）を代入し、整理すると式（３１）を得る。
【数３１】
0006012890.tif 000032
【００９６】
そして、式（３１）に式（１３）を代入すると、式（３２）を得る。従って、リーンの場合は、式（１４）に示す理論空燃比ＡＦ０の場合のＥＧＲ率Ｒｅｇｒに対して空気過剰率λを乗算することによりＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出することができる。
【数３２】
0006012890.tif 000033
【００９７】
以上の導出結果を式（３３）にまとめる。内燃機関１の空燃比ＡＦが理論空燃比である（ＡＦ＝ＡＦ０）又はリッチである（ＡＦ＜ＡＦ０）場合は、式（１４）に従って、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）と吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）とに基づいて、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出することができる。内燃機関１の空燃比ＡＦがリーンである（ＡＦ＞ＡＦ０）の場合は、式（３２）に示すように、式（１４）に従って算出したＥＧＲ率Ｒｅｇｒに対して更に空気過剰率λを乗算することによりＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出することができる。
【数３３】
0006012890.tif 000034
【００９８】
２−２．ＥＧＲ率算出部５４の構成
そこで、本実施の形態に係るＥＧＲ率算出部５４は、内燃機関１の空燃比ＡＦに応じてＥＧＲ率Ｒｅｇｒを変化させるように構成されている。
【００９９】
ＥＧＲ率算出部５４は、実施の形態１の式（１９）又は式（２０）と同様に、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、内燃機関１の空燃比ＡＦが理論空燃比であると仮定した場合のＥＧＲ率Ｒｅｇｒ０を算出する。式（３４）に示すように、ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０よりもリーンである場合は、理論空燃比ＡＦ０と仮定した場合のＥＧＲ率Ｒｅｇｒ０に、空燃比ＡＦを理論空燃比ＡＦ０で除算した空気過剰率λを乗算した値を、最終的なＥＧＲ率Ｒｅｇｒとして算出する。一方、ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０よりもリッチである場合は、理論空燃比ＡＦ０と仮定した場合のＥＧＲ率Ｒｅｇｒ０をそのまま最終的なＥＧＲ率Ｒｅｇｒとして算出する。
【数３４】
0006012890.tif 000035
【０１００】
物理量に即して表現する。ＥＧＲ率算出部５４は、実施の形態１の式（２０）と同様に、式（３５）に示すように、燃料と湿り空気が理論空燃比ＡＦ０で燃焼する時の化学反応式における各分子のモル数及び吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、内燃機関１の空燃比ＡＦが理論空燃比であると仮定した場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘ０を算出する。ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）から吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を減算して、マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率（Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ）を算出する。
【数３５】
0006012890.tif 000036
【０１０１】
ＥＧＲ率算出部５４は、式（３６）に示すように、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０よりもリーンである場合は、理論空燃比ＡＦ０と仮定した場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘ０を、空気過剰率λにより除算した値を、リーンの場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘＬとして算出する。そして、ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率（Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ）を、リーンの場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘＬで除算した値をＥＧＲ率Ｒｅｇｒとして算出する。一方、ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０よりもリッチである場合は、理論空燃比ＡＦ０と仮定した場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘ０をそのままリッチの場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘ０とする。そして、ＥＧＲ率算出部５４は、マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率（Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ）を、リッチの場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率χｖｅｘ０で除算した値をＥＧＲ率Ｒｅｇｒとして算出する。
【数３６】
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【０１０２】
ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比センサ１８により検出した空燃比ＡＦに基づいて、空燃比ＡＦがリッチ、リーン、又は理論空燃比であるかを判定すると共に、空気過剰率λを算出する。具体的には、ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比ＡＦの検出値が予め設定された理論空燃比ＡＦ０の設定値（例えば、１４．７）より小さい場合（ＡＦ＜ＡＦ０）はリッチであると判定し、空燃比ＡＦの検出値が理論空燃比ＡＦ０の設定値よりも大きい場合（ＡＦ＞ＡＦ０）はリーンであると判定し、空燃比ＡＦの検出値が理論空燃比ＡＦ０の設定値に等しい場合（ＡＦ＝ＡＦ０）は、理論空燃比であると判定する。また、ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比ＡＦの検出値を、予め設定された理論空燃比ＡＦ０の設定値で除算して空気過剰率λ（＝ＡＦ／ＡＦ０）を算出する。
【０１０３】
或いは、ＥＧＲ率算出部５４は、燃料噴射量を算出する際に用いる燃料補正係数Ｋａｆに基づいて、空燃比ＡＦがリッチ、リーン、又は理論空燃比であるかを判定すると共に、空気過剰率λを算出するように構成されてもよい。例えば、燃料補正係数Ｋａｆは、理論空燃比ＡＦ０となるように算出された基本燃料噴射量に対して乗算される補正係数とされる。ＥＧＲ率算出部５４は、Ｋａｆ＝１である場合は理論空燃比ＡＦ０と判定し、Ｋａｆ＞１である場合はリッチと判定し、Ｋａｆ＜１である場合はリーンと判定する。ＥＧＲ率算出部５４は、燃料補正係数Ｋａｆの逆数を空気過剰率λ（＝１／Ｋａｆ）として算出する。
【０１０４】
或いは、ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比の制御モードに基づいて、空燃比ＡＦがリッチ、リーン、又は理論空燃比であるかを判定すると共に、空気過剰率λを設定するように構成されてもよい。空燃比の制御モードには、理論空燃比制御モード、リッチ制御モード、リーン制御モードがある。理論空燃比制御モードでは、三元触媒の浄化性能を高めるため、空燃比センサ１８により検出した空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０近傍にフィードバック制御される。リッチ制御モードは、高負荷運転時等において設定され、空燃比ＡＦがリッチに制御される。リーン制御モードは、燃費向上等のために設定され、空燃比ＡＦがリーンに制御される。ＥＧＲ率算出部５４は、空燃比の制御モードが理論空燃比制御モードである場合は理論空燃比であると判定し、リッチ制御モードである場合はリッチであると判定し、リーン制御モードである場合はリーンであると判定する。ＥＧＲ率算出部５４は、上記のように、空燃比センサ１８による空燃比ＡＦの検出値又は燃料補正係数Ｋａｆに基づいて空気過剰率λを算出する。
【０１０５】
３．実施の形態３
次に、実施の形態３に係る制御装置５０について説明する。上記の実施の形態１、２と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る内燃機関１及び制御装置５０の基本的な構成及び処理は実施の形態１又は実施の形態２と同様であるが、内燃機関１に吸入空気湿度センサ５が備えられておらず、吸入空気圧Ｐａ、吸入空気温度Ｔａ、吸入空気湿度Ｈｒａの検出方法が異なる。
【０１０６】
上記の実施の形態１、２においては、運転状態検出部５１は、吸入空気圧センサ２の出力信号に基づいて吸入空気圧Ｐａを検出し、吸入空気温度センサ４の出力信号に基づいて吸入空気温度Ｔａを検出し、吸入空気湿度センサ５の出力信号に基づいて吸入空気湿度Ｈｒａを検出するように構成されている場合を説明した。
【０１０７】
しかし、本実施の形態では、運転状態検出部５１は、ＥＧＲ流路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２が閉じられて、排気ガスが吸気マニホールド１２に還流していない状態で検出したマニホールド圧Ｐｂ、マニホールド湿度Ｈｒｂ、及びマニホールド温度Ｔｂを、それぞれ吸入空気圧Ｐａ、吸入空気湿度Ｈｒａ、及び吸入空気温度Ｔａとして検出するように構成されている。
【０１０８】
本実施の形態では、運転状態検出部５１は、ＥＧＲバルブ２２が閉じられた状態が、予め設定された判定期間継続した場合に、吸入空気検出条件が成立したと判定する。判定期間は、ＥＧＲバルブ２２を閉じた後、吸気マニホールド１２内の還流排気ガスが十分減少するまでの期間に設定される。判定期間は、吸入空気量が大きくなるに従って、短くされてもよい。運転状態検出部５１は、吸入空気検出条件が成立している場合に、マニホールド圧センサ８の出力信号に基づいて吸入空気圧Ｐａを検出し、マニホールド温度センサ９の出力信号に基づいて吸入空気温度Ｔａを検出し、マニホールド湿度センサ１０の出力信号に基づいて吸入空気湿度Ｈｒａを検出する。ＥＧＲバルブ２２が閉じられた状態では、吸気マニホールド１２内には、排気ガスが還流しておらず、吸入空気のみとなる。よって、この状態で検出した吸気マニホールド１２内の気体の圧力、湿度、温度を用いて、吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａ、吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出することができる。
【０１０９】
吸入空気中水蒸気率算出部５３は、上記の実施の形態１と同様に、吸入空気検出条件が成立した場合に検出した吸入空気湿度Ｈｒａ及び吸入空気温度Ｔａに基づいて、吸入空気に含まれる水蒸気の分圧である吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａを算出し、吸入空気圧Ｐａに対する吸入空気中水蒸気分圧Ｐｖａの比率である吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を算出する。なお、吸入空気中水蒸気率算出部５３は、吸入空気検出条件が成立していない場合は、吸入空気検出条件が成立している場合に算出した吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）を保持して、出力する。大気の湿度の変化は、ＥＧＲ率の変化による吸気マニホールド１２内の湿度の変化に比べて緩やかであるので、保持した値を用いても大きなＥＧＲ率の推定誤差が生じることを抑制できる。
【０１１０】
〔その他の実施の形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【０１１１】
（１）上記の各実施の形態においては、内燃機関１の燃料としてガソリンが用いられる場合を考え、ガソリンの平均分子式及び空気の組成を式（４）、式（２２）、式（２５）のように仮定した場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、ガソリンの平均分子式及び空気の組成により厳密な値を用いて、化学反応式、及び化学反応式における各分子のモル数を変更し、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒの算出に用いる換算定数Ｋｒ及びモル換算定数Ｋｒ２の設定値等を変更してもよい。また、内燃機関１の燃料として、ガソリン以外の燃料、例えば、軽油、アルコール、又は天然ガス等が用いられ、燃料の種類に応じて燃料の平均分子式が変更されると共に、化学反応式及び化学反応式における各分子のモル数が変更され、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒの算出に用いる換算定数Ｋｒ及びモル換算定数Ｋｒ２の設定値等が変更されてもよい。
【０１１２】
（２）上記の各実施の形態においては、運転状態検出部５１は、吸入空気温度センサ４の出力信号に基づいて吸入空気温度Ｔａを検出し、吸入空気湿度センサ５の出力信号に基づいて吸入空気湿度Ｈｒａを検出するように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、運転状態検出部５１は、エアコンディショナ制御装置６０から、吸入空気湿度Ｈｒａ及び吸入空気温度Ｔａの情報を取得するように構成されてもよい。エアコンディショナ制御装置６０は、車室内の空調を行うエアコンディショナの制御装置であり、内燃機関１の制御装置５０と通信線を介して接続されている。エアコンディショナ制御装置６０は、エアコンディショナが吸入する大気の湿度を検出する湿度センサ、大気の温度を検出する温度センサを備えており、これら湿度センサ及び温度センサの出力信号に基づいて、大気湿度及び大気温度を検出し、大気湿度及び大気温度の情報を制御装置５０に送信する。
【０１１３】
（３）上記の各実施の形態においては、ＥＧＲ率利用制御部５５は、上記のように、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒに基づいて、点火時期、及びＥＧＲバルブ２２の開度の一方又は双方を変化させるように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、ＥＧＲ率利用制御部５５は、点火時期及びＥＧＲバルブ２２の開度の制御以外の制御、例えば、吸入空気量の制御、可変バルブタイミング機構において吸気バルブ１４及び排気バルブ１５の一方又は双方のバルブ開閉タイミングを変化させる制御、内燃機関１の出力トルクの推定等に、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを用いるように構成されてもよい。
【０１１４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
この発明は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するＥＧＲ流路と、を備えた内燃機関の制御装置及びその制御方法に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１６】
１  内燃機関、２  吸入空気圧センサ、３  エアフローセンサ、４  吸入空気温度センサ、５  吸入空気湿度センサ、６  スロットルバルブ、８  マニホールド圧センサ、９  マニホールド温度センサ、１０  マニホールド湿度センサ、１２  吸気マニホールド、１７  排気路、２１  ＥＧＲ流路、２３  吸気路、５０  内燃機関の制御装置、５１  運転状態検出部、５２  マニホールド内水蒸気率算出部、５３  吸入空気中水蒸気率算出部、５４  ＥＧＲ率算出部、５５  ＥＧＲ率利用制御部、６０  エアコンディショナ制御装置、ＡＦ  空燃比、ＡＦ０  理論空燃比、Ｋｒ  換算定数、Ｐａ  吸入空気圧、Ｔａ  吸入空気温度、Ｈｒａ  吸入空気湿度、Ｐｂ  マニホールド圧、Ｔｂ  マニホールド温度、Ｈｒｂ  マニホールド湿度、Ｋｒ２  モル換算定数、Ｐｓａ  吸入空気の飽和水蒸気圧、Ｐｓｂ  吸気マニホールド内の飽和水蒸気圧、Ｐｖａ  吸入空気中水蒸気分圧、Ｐｖｂ  マニホールド内水蒸気分圧、Ｐｖｅｇｒ  吸気マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧、Ｐｖａ／Ｐａ  吸入空気中水蒸気分圧率、Ｐｖｂ／Ｐｂ  マニホールド内水蒸気分圧率、Ｐｖｅｇｒ／Ｐｂ  マニホールド内燃焼生成水蒸気分圧率、Ｒｅｇｒ  ＥＧＲ率、Ｒｅｇｒ０  理論空燃比の場合のＥＧＲ率、χｖａ  吸入空気中水蒸気率、χｖｂ  マニホールド内水蒸気率、χｖｅｘ  排気中燃焼生成水蒸気モル分率、χｖｅｘ０  理論空燃比の場合の排気中燃焼生成水蒸気モル分率、λ  空気過剰率
【要約】
【課題】吸入空気（大気）の湿度が変化しても、精度良くＥＧＲ率を推定することができる内燃機関の制御装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】マニホールド圧Ｐｂ、マニホールド温度Ｔｂ及びマニホールド湿度Ｈｒｂに基づいて算出されたマニホールド内水蒸気分圧率（Ｐｖｂ／Ｐｂ）と、吸入空気圧Ｐａ、吸入空気温度Ｔａ及び吸入空気湿度Ｈｒａに基づいて算出された吸入空気中水蒸気分圧率（Ｐｖａ／Ｐａ）に基づいて、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する内燃機関の制御装置５０及びその制御方法。
【選択図】図２【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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