(57)【要約】【課題】ＥＧＲシステムを採用した自動車エンジンで燃焼室に入力される混合気の気体密度を測定することを可能にして、それに基づいた制御をすることにより燃費を向上させる。【解決手段】単一発振周波数のテラヘルツ波を生成するテラヘルツ発生部と、外気とＥＧＲ管からの排気ガスからなる混合気中を通過したテラヘルツ波の強度を測定するテラヘルツ検出部と、測定された強度に基づいて混合気の密度を算出する気体密度算出部と、測定された強度と混合気の密度の間の換算係数を変更する換算係数算出部とを有するエンジン制御用気体分析装置を設ける。そして、換算係数算出部で選択した換算係数に基づいて、測定された強度から気体密度算出部により、混合気に含まれる気体分子の密度を算出し、算出された密度に基づいて、エンジンの制御をおこなうようにする。【選択図】  図２
2018059486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン内の気体を分析し、分析結果をもとにエンジン制御ユニットにより、エンジンの制御をおこなうエンジンシステムであって、
単一発振周波数のテラヘルツ波を生成するテラヘルツ発生部と、
被測定気体中を通過した前記テラヘルツ波の強度を測定するテラヘルツ検出部と、
測定された強度に基づいて前記被測定気体の密度を算出する気体密度算出部と、
測定された強度と前記被測定気体の密度の間の換算係数を変更する換算係数算出部とを有し、
前記換算係数算出部で選択した前記換算係数に基づいて、測定された強度から前記気体密度算出部により、前記被測定気体に含まれる気体分子の密度を算出し、算出された密度に基づいて、エンジンの制御をおこなうエンジンシステム。
【請求項２】
前記換算係数算出部は、前記被測定気体の温度と圧力の変化に基づいて、前記換算係数を算出することを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記被測定気体は、外気とエンジンの排気ガスの混合気であり、
前記密度算出部で計測した前記混合気に含まれる気体分子の密度に基づいて、エンジンの制御をおこなうことを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記混合気は、燃焼室に吸気される気体であり、前記排気ガスは、前記燃焼室から排気された排気ガスを、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）管により燃焼室に再循環した気体であることを特徴とする請求項３記載のエンジンシステム。
【請求項５】
エンジンの空燃比を入力して、前記テラヘルツ波の圧力広がり係数を算出する圧力広がり係数補正部を有し、
前記換算係数算出部は、前記圧力広がり係数補正部が算出した圧力広がり係数と、測定された強度とに基づき、換算係数を算出することを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記被測定気体の少なくとも２種類以上の気体密度を計測し、
前記２種類以上の気体密度比から、エンジンの空燃比を算出し、
算出された空燃比に基づいて、エンジンの燃焼制御をおこなうことを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項７】
外気中の水蒸気密度を計測するエアフローセンサを有し、
前記２種類以上の気体密度のうち、一つは混合気中の水蒸気密度であり、
前記密度算出部は、前記混合気中の水蒸気密度と前記外気中の水蒸気密度の差を算出し、 
前記水蒸気密度の差に基づいて、エンジンの燃焼制御をおこなうことを特徴とすることを特徴とする請求項３記載のエンジンシステム。
【請求項８】
エンジンに関する気体を分析するエンジン用気体分析装置であって、
単一発振周波数のテラヘルツ波を生成するテラヘルツ発生部と、
被測定気体中を通過した前記テラヘルツ波の強度を測定するテラヘルツ検出部と、
測定された強度に基づいて前記被測定気体の密度を算出する気体密度算出部と、
測定された強度と前記被測定気体の密度の間の換算係数を変更する換算係数算出部とを有し、
前記換算係数算出部で選択した前記換算係数に基づいて、測定された強度から前記気体密度算出部により、前記被測定気体に含まれる気体分子の密度を算出することを特徴とするエンジン用気体分析装置。
【請求項９】
前記換算係数算出部は、前記被測定気体の温度と圧力の変化に基づいて、前記換算係数を算出することを特徴とする請求項８記載のエンジン用気体分析装置。
【請求項１０】
前記被測定気体は、外気とエンジンの排気ガスの混合気であり、
前記密度算出部で計測した前記混合気に含まれる気体分子の密度を算出することを特徴とする請求項８記載のエンジン用気体分析装置。
【請求項１１】
前記混合気は、燃焼室に吸気される気体であり、前記排気ガスは、前記燃焼室から排気された排気ガスを、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）管により燃焼室に再循環した気体であることを特徴とする請求項８記載のエンジン用気体分析装置。
【請求項１２】
エンジンの空燃比を入力して、前記テラヘルツ波の圧力広がり係数を算出する圧力広がり係数補正部を有し、
前記換算係数算出部は、前記圧力広がり係数補正部が算出した圧力広がり係数と、測定された強度とに基づき、換算係数を算出することを特徴とする請求項８記載のエンジン用気体分析装置。
【請求項１３】
前記被測定気体の少なくとも２種類以上の気体密度を計測し、
前記２種類以上の気体密度比から、エンジンの空燃比を算出することを特徴とする請求項８記載のエンジン用気体分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステムに係り、特に、ＥＧＲシステムを採用した自動車エンジンで燃焼室に入力される混合気の気体密度を測定して、それに基づいた制御をすることにより燃費を向上させるエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化や大気汚染防止を目的として、自動車の燃費改善・排気ガスクリーン化をめざした取り組みが自動車メーカー各社でおこなわれている。これらの取り組みの一つが、排気ガスの一部を外気と混合し、エンジンの燃焼室に再度吸気して燃焼をおこなう排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムの導入である。
【０００３】
ＥＧＲシステムにおいては、排気ガスを燃焼室に循環させるため排気ガスに含まれる大量の水蒸気が燃焼室に吸気される。そのため、燃費改善効果や排気ガスクリーン化効果を向上させるために、燃焼室に循環させる排気ガス量を増やすと、燃焼室に吸気させる混合気の水蒸気密度に応じたエンジン制御が必要になる。
【０００４】
ＥＧＲシステムを利用した内燃機関に関する制御装置については、例えば、特許文献１がある。特許文献１に記載された内燃機関の制御装置では、吸気管に吸気量を測定するエアフローセンサと、吸気の湿度を検出する湿度センサを取り付け、これらにより測定されたデータをＥＣＵに送り、それらのデータに基づいて吸気圧力を調整するなどのエンジン制御をおこなう。そして、これにより、内燃機関における凝縮水の発生を確実に抑制できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−７８６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、外気に含まれる水蒸気量を計測し、その結果に基づいてエンジン制御をおこなうことで凝縮水の発生を抑制している。しかしながら、特許文献１の技術では、接触式の湿度計測器（湿度センサ３）による水蒸気量計測をおこなうため、ススなどの汚染物質を含む排気ガス中の水蒸気量を計測することができない。このため、ＥＧＲシステムを有する自動車エンジンでは、排気ガス中の水蒸気量の変動に対応した制御をおこなうことができないという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ＥＧＲシステムを採用した自動車エンジンで燃焼室に入力される混合気の気体密度を測定することを可能にして、それに基づいた制御をすることにより燃費を向上させるエンジンシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するための本発明のエンジンシステムの構成は、エンジン内の気体を分析し、分析結果をもとにエンジン制御ユニットにより、エンジンの制御をおこなうエンジンシステムであって、単一発振周波数のテラヘルツ波を生成するテラヘルツ発生部と、被測定気体中を通過したテラヘルツ波の強度を測定するテラヘルツ検出部と、測定された強度に基づいて被測定気体の密度を算出する気体密度算出部と、測定された強度と被測定気体の密度の間の換算係数を変更する換算係数算出部とを有する。そして、換算係数算出部で選択した換算係数に基づいて、測定された強度から気体密度算出部により、被測定気体に含まれる気体分子の密度を算出し、算出された密度に基づいて、エンジンの制御をおこなうようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＥＧＲシステムを採用した自動車エンジンで燃焼室に入力される混合気の気体密度を測定することを可能にして、それに基づいた制御をすることにより燃費を向上させるエンジンシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。
【図２】エンジン制御用気体分析装置の構成図である。
【図３】気体によるテラヘルツ波の吸収を説明するグラフを示す図である。
【図４】テラヘルツ波の強度と水蒸気密度の関係を表すグラフを示す図である。
【図５】圧力広がりの影響を説明するグラフを示す図である。
【図６】第一の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【図７】第二の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【図８】燃焼室内の空燃比と排気ガス中の気体分子構成比率を表すグラフを示す図である。
【図９】第三の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【図１０】第四の実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。
【図１１】第四の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る各実施形態を、図１ないし図１１を用いて説明する。
【００１２】
〔実施形態１〕
以下、本発明の第一の実施形態に係るエンジンシステムについて、図１ないし図６を用いて説明する。
【００１３】
先ず、図１を用いて本発明の第一の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。  
図１は、第一の実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。
【００１４】
本実施形態のエンジンシステムは、エンジン制御用気体分析装置を搭載したＥＧＲシステムを有する自動車エンジンシステムである。
【００１５】
エンジンが外部から取り入れた外気は、吸気管１０１を介して燃焼室１０３へ供給される。燃焼室１０３への吸気量は、スロットルバルブ１０２の開閉によって制御される。燃焼室１０３内では、吸気と燃料噴射装置１０４から噴射された燃料が混合され、点火プラグ１０５で点火されて、燃焼する。燃焼の結果、燃焼室１０３で生じる排気ガスは、排気管１０６を介して外気中へ放出される。なお、排気ガスの一部はＥＧＲ管１０７を介して吸気管１０１へと戻り、燃焼室１０３へ再度供給される。したがって、燃焼室１０３に吸気されるのは、外気とＥＧＲ管１０７から再循環される排気ガスとの混合気となる。ここで、排気ガスと外気の混合比率はＥＧＲバルブ１０８の開閉によって制御される。
【００１６】
なお、スロットルバルブ１０２、燃料噴射装置１０４、点火プラグ１０５、ＥＧＲバルブ１０８は、自動車に搭載された各種センサでの計測値に基づいて、エンジン制御部１０９を介して制御される。例えば、燃焼室１０３における空気と燃料の混合比である空燃比を測定する空燃比計測部１１０での計測結果に基づいて、スロットルバルブ１０２による吸気量の制御、燃料噴射装置１０４による燃料の噴射量制御、および点火プラグ１０５によって点火時期を制御することがエンジン制御部１０９によっておこなわれる。
【００１７】
ところで、従来の湿度測定器は、湿度（水蒸気密度）を検知する部位が空気と接触する接触式測定器であるため、排気ガスのようにススなどで汚染された気体の水蒸気密度を計測する用途には向いていない。このため従来のＥＧＲシステムでは、排気ガス中に含まれる水蒸気の量は計測せず、ＥＧＲバルブ１０８の開度でエンジン制御をおこなっていた。しかしながら、排気ガス中の水蒸気密度は、エンジンの燃焼状態の変化に応じて変動するため、従来のＥＧＲシステム制御方法では、燃焼室１０３内の水蒸気量変化に対応した制御ができず、燃焼室１０３への排気ガスの供給量を制限する必要があった。
【００１８】
本実施形態のエンジンシステムは、非接触式の水蒸気密度測定をおこなうエンジン制御用気体分析装置１１１を、図１に示されるように、吸気管１０１の燃焼室１０３の手前に設置し、外気とＥＧＲ管１０７から再循環される排気ガスとの混合気を被測定気体とする。
【００１９】
そして、その非接触式の水蒸気密度測定をおこなうエンジン制御用気体分析装置１１１の測定結果に基づいたエンジン制御をおこなうようにする。
【００２０】
ここで、図２ないし図６を用いてエンジン制御用気体分析装置１１１の構成と、それによる非接触式の水蒸気密度測定の原理、その非接触式の水蒸気密度測定の結果に基づくエンジン制御方法について説明する。  
図２は、エンジン制御用気体分析装置の構成図である。
図３は、気体によるテラヘルツ波の吸収を説明するグラフを示す図である。
図４は、テラヘルツ波の強度と水蒸気密度の関係を表すグラフを示す図である。
図５は、圧力広がりの影響を説明するグラフを示す図である。
図６は、第一の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【００２１】
エンジン制御用気体分析装置１１１では、単一発振周波数のテラヘルツ波発生器２０１から発生したテラヘルツ波２０２を配管２０３に入射する。配管２０３は、セラミックスや樹脂などの、テラヘルツ波をある程度透過する材質で構成されたものとする。
【００２２】
テラヘルツ波とは、電磁波の一分類であり、光波と電波の中間領域に位置する電磁波である。本実施形態では、テラヘルツ波は、周波数３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚ（波長１００μｍ〜１ｍｍ）帯の電磁波を指すものとする。
【００２３】
テラヘルツ波２０２は、配管２０３をはさむ様に配置したテラヘルツ波検出器２０４に入射される。テラヘルツ波検出器２０４は、受信したテラヘルツ波２０２の強度を計測し、その計測結果を気体密度算出部２０７に出力する。気体密度算出部２０７は、テラヘルツ波検出器２０４から受け取ったテラヘルツ波２０２の強度に基づき、気体密度を算出する。
【００２４】
本実施形態のエンジン制御用気体分析装置１１１は、図２に示すように、気体の温度を計測する温度計測部２０５と、気体の圧力を計測する圧力計測部２０６を有し、それぞれの計測値を気体密度算出部２０７に出力する。そして、気体密度算出部２０７は、計測された温度と圧力の組み合わせに基づいて、最適な換算係数を求めて、テラヘルツ波２０２の強度から水蒸気密度を算出する。
【００２５】
以下では、テラヘルツ波による水蒸気の測定原理と、温度、圧力の関係を説明する。
【００２６】
テラヘルツ波の強度は、以下の（式１）により求められる。ここで、Ｉは、テラヘルツ波検出器２０４に到達するテラヘルツ波の強度（単位面積あたりの放射エネルギー）、Ｉ０は、テラヘルツ波発生器２０１から発生したテラヘルツ波の強度、ａは、配管２０３内部の気体によるテラヘルツ波の吸収係数、Ｌは、配管２０３中のテラヘルツ波の光路長である。  
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−ａＬ）  …  （式１）
気体によるテラヘルツ波の吸収係数ａは、気体の種類によって変化し、さらに気体の密度およびテラヘルツ波の周波数の関数となっている。気体密度算出部２０７での気体密度の算出は、（式１）を使っておこなう。
【００２７】
気体によるテラヘルツ波の吸収の様子を示すと、図３に示されるグラフのようになる。グラフ３０１は、所定密度の気体を通過した後のテラヘルツ波の強度を、テラヘルツ波の周波数に対してプロットしたものである。グラフ３０１は、周波数ｖ０において強度が小さくなる、吸収線を有する。周波数ｖ０の値は、気体の種類によって異なり、水蒸気では、例えば０．５６ＴＨｚや０．７５ＴＨｚなどに吸収線が存在する。これらの吸収線におけるテラヘルツ波の強度は、気体の密度に応じて増減する。例えば、気体密度が低い場合のテラヘルツ波の強度は、気体による吸収が低下するため、グラフ３０１からグラフ３０２に変化し、気体の吸収線のピークにおける強度も点３０３で示されるものから点３０４で示されるものとなる。
【００２８】
水蒸気密度とテラヘルツ波検出器２０４で検出したテラヘルツ波２０２の強度との関係を示すと、図４に示されるグラフのようになる。図４に示されるように、水蒸気密度の増加に伴い、テラヘルツ波検出器２０４で検出したテラヘルツ波２０２の強度は、グラフ４０１で示すように低下する。このため、気体密度算出部２０７は、テラヘルツ波検出器２０４で検出したテラヘルツ波２０２の強度から水蒸気密度を計測することができる。
【００２９】
なお、温度変化による気体分子が保有する熱エネルギーの増減によって、同じ密度の気体であっても、図３のグラフ３０１からグラフ３０２のように吸収線の形状が変化する。また、圧力変化により、気体分子同士の衝突頻度の増減に伴う吸収線の幅の増加である圧力広がりが生じる。
【００３０】
圧力広がりの変化によって生じる気体によるテラヘルツ波の吸収線の形状の変化を示すと図５に示されるグラフのようになる。図５に示されるように、同じ密度の気体であっても、圧力広がりが増加するとグラフ５０１からグラフ５０２のように吸収線の形状が変化する。この結果、吸収ピークにおける強度は、点５０３で示されるものから点５０４で示されるものへと増加する。このため、温度と圧力が変わった場合、水蒸気密度とテラヘルツ波検出器２０４で検出した、周波数ｖ０のテラヘルツ波２０２の強度の関係は、図４のグラフ４０１からグラフ４０２やグラフ４０３のように変化するので、テラヘルツ波検出器２０４で検出した強度は、水蒸気密度に加え、温度、圧力の関数として捉えることができる。
【００３１】
通常、広帯域の周波数を発振可能なテラヘルツ波発生器や、単一周波数で発振するテラヘルツ波発振器を複数個用いて、複数の吸収線の測定や吸収線の幅の測定をおこなうことにより、以上の温度や圧力変化の影響を補正することが可能である。しかし、これらの対策は、周波数掃引による測定時間の増加や、単一周波数で発振するテラヘルツ波発振器を複数個用いることによるシステム構成の複雑化が避けられず、小型、低コスト、高速などの要件が必要とされるエンジン制御用気体分析装置への利用には適さない。
【００３２】
そこで、本実施形態のエンジン制御用気体分析装置１１１は、図２に示すように、気体の温度を計測する温度計測部２０５と、気体の圧力を計測する圧力計測部２０６を設け、それぞれの計測値を気体密度算出部２０７に出力し、気体密度算出部２０７により、計測された温度と圧力の組み合わせに基づいて、最適な換算係数を求め、テラヘルツ波２０２の強度から水蒸気密度を算出するようにしたものである。
【００３３】
次に、図６を用いてエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成について説明する。
【００３４】
テラヘルツ波検出器２０４で計測されたテラヘルツ波２０２の強度は、気体密度算出部２０７に入力された後、強度−気体密度換算部６０１に入力される。温度計測部２０５で計測された温度と、圧力計測部２０６で計測された圧力は、気体密度算出部２０７の換算係数算出部６０２に入力される。換算係数算出部６０２は、例えば、テラヘルツ波の強度と水蒸気密度の間の換算係数を温度計測部２０５と圧力計測部２０６から受け取った温度と圧力の計測値から決定し、強度−気体密度換算部６０１に入力する。強度−気体密度換算部６０１は、テラヘルツ波の強度と換算係数に基づいて、気体密度を算出し、エンジン制御部１０９へ入力する。
【００３５】
換算係数算出部６０２での換算係数決定方法は、例えば、温度と圧力の組み合わせごとに、図４に示したグラフ４０１〜４０３を表現するようなテラヘルツ波の強度と水蒸気密度の換算マップをデータ記憶部６０３に予め記録しておき、水蒸気密度算出時に参照してもよいし、テラヘルツ波の強度と水蒸気密度の間の換算係数を温度と圧力の関数としてデータ記憶部６０３に保持しておき、温度計測部２０５と圧力計測部２０６から受け取った温度と圧力の計測値から、換算係数算出部６０２で換算係数を計算した後に、強度−気体密度換算部６０１へ換算係数を出力してもよい。
【００３６】
エンジン制御部１０９は、気体密度算出部２０７から受け取った水蒸気密度に基づいて自動車のエンジンシステムの各制御要素の制御をおこなう。エンジン制御方法は、例えば、水蒸気密度が低い場合は、点火プラグ１０５の点火時期を遅らせ、水蒸気密度が高い場合は、点火プラグ１０５の点火時期を早めることで、ノッキング抑制と高効率な燃焼を両立させるよう制御してもよいし、水蒸気密度に基づいたＥＧＲバルブの開閉制御をおこない、燃焼室への吸気中の外気と排気ガスの比率を高精度に制御してもよい。
【００３７】
以上の構成のエンジン制御用気体分析装置を自動車のエンジンシステムに用いることにより、テラヘルツ波発振器およびテラヘルツ波受信器が被測定気体と直接接触することなく、非接触式の気体密度分析が可能となる。また、テラヘルツ波は、可視光や赤外線と比較して、微粒子によって散乱されにくいため、ススなどによって汚染された排気ガス中の気体密度を計測できる。このため、本実施形態のエンジン制御用気体分析装置を用いることにより、汚染物質の影響を受けやすい接触式の湿度計測器を使用することなく、ススなどによって汚染された排気ガス中の水蒸気密度を計測することが可能となる。気体分子によるテラヘルツ波の吸収は数ピコ（１０−１２）〜数十ピコ秒の時間スケールで発生するため、数秒〜数十秒の測定時間が必要な従来の接触式湿度測定器と比較して、高速な水蒸気密度計測が可能となる。また、本実施形態の構成によれば、複数の吸収線の測定や吸収線の幅の測定をおこなうことなく、自動車の排気ガスの温度変化と圧力変化によるテラヘルツ波の強度変化を補正することが可能となるため、単一周波数を発振するテラヘルツ波発振器を用いた簡素なシステムによる高精度な水蒸気密度測定が可能になる。
【００３８】
また、本実施形態のエンジン制御用気体分析装置で計測した水蒸気密度に基づいた自動車エンジンシステムの各制御要素の制御を、エンジン制御部を通じておこなうことにより、自動車のエンジンシステムの燃焼効率を向上させることが可能となる。例えば、従来、ノッキング発生の抑制を目的として、エンジンの点火プラグにおける点火タイミングは、エンジンの出力が最も高くなるタイミングよりも遅らされていたが、燃焼室内の水蒸気密度が増加するとノッキングが生じにくくなるため、点火タイミングの遅延量を減らすことができる。このため、燃焼室内の水蒸気密度を計測して、それにより点火タイミングを制御することにより、ノッキングが発生しない範囲内で、点火タイミングを早めることが可能になり、エンジンの出力を向上させることができるため、燃費効率を向上させることができる。
【００３９】
なお、本実施形態において、エンジン制御用気体分析装置内部でおこなう演算処理の一部、または、全てを、例えばエンジン制御部でおこなってもよい。
【００４０】
また、本実施形態では、エンジンシステムを自動車のエンジンシステムとしたが、その他の用途、例えば、航空用、船舶に用いられる内燃機関であってもよい。
【００４１】
さらに、本実施形態のエンジンシステムでは、点火装置を有するものとしたが、ＥＧＲシステムを有していれば、圧縮によって燃料に着火するディーゼルエンジンにも適用可能である。
【００４２】
〔実施形態２〕
以下、本発明の第二の実施形態に係るエンジンシステムについて、図７および図８を用いて説明する。  
図７は、第二の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。  
図８は、燃焼室内の空燃比と排気ガス中の気体分子構成比率を表すグラフを示す図である。
【００４３】
第一の実施形態では、エンジンシステムにテラヘルツ波によるエンジン制御用気体分析装置１１１を設けて、その中の気体密度算出部２０７が、測定されるテラヘルツ波の強度、センサによる温度、圧力により水蒸気密度を算出するエンジンシステムについて説明した。
【００４４】
本実施形態も、第一の実施形態とほぼ同様の構成を有するエンジンシステムであって、本実施形態が第一の実施形態と異なるのは、気体密度算出部２０７が空燃比計測部１１０で計測した空燃比を受け取った上で、水蒸気密度を算出する点である。
【００４５】
気体分子同士の衝突頻度の増加に伴う吸収線の幅の増加である圧力広がりは、温度と圧力によって変化することに加え、衝突する分子の種類によっても変化する。例えば、排気ガスに含まれる主な気体分子は水蒸気の他に、窒素、二酸化炭素、酸素、一酸化炭素があり、それぞれの気体分子が水蒸気の吸収線の線幅に与える圧力広がりの大きさ(圧力広がり係数)は異なる。排気ガス内の各気体分子の構成比率はエンジンの燃焼状態の変化に応じて変動する。このため、温度、圧力、水蒸気密度が同じ場合でも、他の気体分子の構成比率が異なる場合、図２のテラヘルツ波検出器２０４で検出したテラヘルツ波２０２の強度が異なった値を示す。
【００４６】
本実施形態は、空燃費によるエンジンの燃焼状態の変化に応じた補正をおこなった水蒸気密度計測をおこなうものである。
【００４７】
気体密度算出部２０７は、図７に示されるように、排気管１０６に配置された空燃比計測部１１０で計測した空燃比の計測値を受け取る。その後、空燃比の計測値は、圧力広がり係数補正部７０１へと入力される。圧力広がり係数補正部７０１は、受け取った空燃比から、排気ガス中の気体分子の構成比率を推定し、推定結果に基づいて水蒸気の吸収線の圧力広がり係数を決定し、換算係数算出部６０２へ入力する。換算係数算出部６０２は、温度計測部２０５から受け取った温度と圧力計測部２０６から受け取った圧力と、圧力広がり係数補正部７０１から受け取った圧力広がり係数に基づいて、テラヘルツ波強度と水蒸気密度の間の換算係数を決定し、強度−気体密度換算部６０１へ入力する。
【００４８】
自動車エンジンの空燃比と排気ガス中の各種気体分子の成分比率の一例を示すと、図８のグラフに示されるようになる。グラフ８０１〜グラフ８０５は、それぞれ、水蒸気、二酸化炭素、窒素、酸素、一酸化炭素が、排気ガス中に含まれる割合を示したものである。
図８のグラフが示すように、排気ガス中の各気体分子の含有量は燃焼室１０３内の空燃比に連動して変化する。例えば、燃焼効率が最も高い理論空燃比λ１では、二酸化炭素と水蒸気の含有量がλ２やλ３に比べ高い反面、酸素や一酸化炭素の含有量が低い。また、理論空燃比よりも燃料が過濃なλ２では、燃料が不完全燃焼するため、一酸化炭素の含有量が上昇する。また理論空燃比λ１より燃料が希薄なλ３では、燃焼に必要な酸素量が少なく、外気から供給した酸素が余るため、酸素含有量が上昇する。このため、空燃比計測部１１０の空燃比に基づいて、排気ガス中の各気体分子の含有比率を推定することが可能である。
【００４９】
圧力広がり係数補正部７０１での圧力広がり係数の決定方法は、例えば、予め記録しておいた、空燃比と圧力広がり係数を対応付けたデータを参照してもよいし、空燃比と排気ガス中の気体分子の構成比率を対応付けたデータを参照し、そのデータと各気体分子単体の圧力広がり係数に基づいて排気ガスの圧力広がり係数を算出してもよい。なお、圧力広がり係数補正部７０１に記録しておく空燃比と対応付けたデータは、自動車エンジンの工場出荷時または自動車の定期検査などの時点で、排気ガスの成分分析をおこない、分析結果に基づいてデータ調整、更新をおこなうことにより、圧力広がり係数補正部７０１での圧力広がり係数の推定精度を向上させてもよい。
【００５０】
以上の構成とすることで、エンジンの燃焼状態の変化に応じた、排気ガスの成分比率変化によって生じる、圧力広がりの変化に起因するテラヘルツ波検出器２０４で検出するテラヘルツ波２０２の強度変化を、気体密度算出部２０７で補正したうえで水蒸気密度を算出することが可能になる。
【００５１】
なお、本実施形態において、エンジン制御用気体分析装置内部でおこなう演算処理の一部、または全てを、例えば、エンジン制御部でおこなってもよい。
【００５２】
〔実施形態３〕
以下、本発明の第三の実施形態に係るエンジンシステムについて、図９を用いて説明する。
図９は、第三の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【００５３】
本実施形態も、第一の実施形態とほぼ同様の構成を有するエンジンシステムであって、本実施形態が第一の実施形態と異なるのは、エンジン制御用気体分析装置１１１が少なくとも異なる二つの振動周波数のテラヘルツ波の強度から気体を分析し、２種類以上の気体分子の気体密度を分析する点である。
図８の自動車エンジンの空燃比と排気ガス中の各種気体分子の成分比率の一例を示すグラフが示すように、排気ガス中の水蒸気含有量（グラフ８０１）と一酸化炭素含有量（グラフ８０５）の比は、燃焼室内の空燃比の変化に伴って変化する。このためエンジン制御用気体分析装置１１１で水蒸気密度と一酸化炭素密度の比を計測することで、燃焼室内の空燃比を計測することが可能となる。
【００５４】
テラヘルツ波発振器２０１は、図９に示されるように、テラヘルツ波２０２を発生させ、そのテラヘルツ波２０２は、テラヘルツ波検出器２０４へ入射される。また今一方のテラヘルツ波発振器９０１も、テラヘルツ波９０２を発生させ、そのテラヘルツ波９０２は、テラヘルツ波検出器９０３へ入射される。気体密度算出部２０７は、テラヘルツ波２０２の強度とテラヘルツ波９０２の強度から、２種類の気体の気体密度比を算出し、空燃比算出部９０４へ入力する。空燃比算出部９０４は排気ガス中の２種類の気体の気体密度比と空燃比を対応付けるデータを保有しており、入力された２種類の気体の気体密度比から燃焼室１０３内の空燃比を計測する。したがって、第一の実施形態の図１における空燃比計測部１１０は、不用になる。
【００５５】
以上の構成とすることにより、エンジン制御用気体分析装置１１１は、配管２０３内部の気体分子のうち２種類の気体密度を測定することが可能となる。例えば、テラヘルツ波２０２の振動周波数を水蒸気の吸収線である０．７５ＴＨｚとし、テラヘルツ波９０２の振動周波数を一酸化炭素の吸収線である０．６９ＴＨｚなどとすれば、エンジン制御用気体分析装置１１１で水蒸気と一酸化炭素の気体密度を気体密度算出部２０７で計算することができるため、水蒸気と一酸化炭素の気体密度比を空燃比算出部９０４に入力することにより、燃焼室１０３の空燃比を計測することが可能になる。
【００５６】
なお、テラヘルツ波を用いることにより、高速な気体濃度分析ができるため、空燃比の高速な評価が可能になる。このため、例えば多気筒自動車エンジンにおいて気筒ごとに空燃比を計測し、燃料噴射量や吸気量を気筒ごとに高速制御することが可能になる。
【００５７】
なお、本実施形態において、エンジン制御用気体分析装置内部でおこなう演算処理の一部、または全てを、例えばエンジン制御部でおこなってもよい。
【００５８】
〔実施形態４〕
以下、本発明の第四の実施形態に係るエンジンシステムについて、図１０および図１１を用いて説明する。  
図１０は、第四の実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。
図１１は、第四の実施形態に係るエンジンシステムにおけるエンジン制御用気体分析装置１１１の気体密度算出部２０７の構成図である。
【００５９】
第三の実施形態では、エンジン制御用気体分析装置１１１が少なくとも異なる二つの振動周波数のテラヘルツ波の強度から気体を分析し、２種類以上の気体分子の気体密度を分析して、それにより空燃費も計測できるエンジンシステムについて説明した。
【００６０】
本実施形態も、第三の実施形態とほぼ同様の構成を有するエンジンシステムであって、本実施形態が第三の実施形態と異なるのは、エンジン制御用気体分析装置１１１を有する自動車のエンジンシステムが、外気中の水蒸気密度を計測するエアフローセンサを有しており、エアフローセンサで計測した外気中の水蒸気密度による補正を、エンジン制御用気体分析装置１１１がおこなう点である。
【００６１】
本実施形態の自動車のエンジンシステムにおいては、図１０に示されるように、吸気管１０１中に外気中に含まれる水蒸気密度を測定するエアフローセンサ１００１が配置されており、エアフローセンサ１００１で測定した水蒸気密度は、エンジン制御部１０９に入力される他に、エンジン制御用気体分析装置１１１に入力される。エンジン制御用気体分析装置１１１は、吸気管１０１のうちＥＧＲ管１０７と合流した後の部位に配置され、外気と排気ガスが混合した状態の空気を分析する。
【００６２】
本実施形態におけるエンジン制御用気体分析装置１１１は、図１１に示されるように、テラヘルツ波発振器２０１がテラヘルツ波２０２を発生させ、そのテラヘルツ波２０２は、テラヘルツ波検出器２０４へ入射される。今一方のテラヘルツ波発振器９０１も、テラヘルツ波９０２を発生させ、そのテラヘルツ波９０２はテラヘルツ波検出器９０３へ入射される。テラヘルツ波の振動周波数は、例えば、テラヘルツ波２０２の振動周波数を水蒸気の吸収線である０．７５ＴＨｚとし、テラヘルツ波９０２の振動周波数を一酸化炭素の吸収線である０．６９ＴＨｚなどとし、空燃比測定が可能な組み合わせにする。また、エアフローセンサ１００１から入力された外気中の水蒸気密度は、気体密度算出部２０７へ入力される。
【００６３】
テラヘルツ波２０２の強度から算出した水蒸気密度は、エンジン制御部１０９へと入力され、例えば、ＥＧＲシステムの制御などに利用される。また、気体密度算出部２０７で、テラヘルツ波２０２の強度から算出した水蒸気密度とエアフローセンサ１００１で計測した水蒸気密度の差を計算することにより、排ガス中に含まれる水蒸気密度が算出できる。このため、排ガス中に含まれる水蒸気密度とテラヘルツ波９０２の強度から算出した一酸化炭素の密度の間の比から空燃比算出部９０４で、空燃比を評価することが可能となる。
【００６４】
以上の構成とすることにより、自動車エンジンシステムにおいて、空燃比計測に基づいたエンジン制御と、燃焼室の吸気中の水蒸気密度に基づいたエンジン制御を、一つのエンジン制御用気体分析装置でおこなうことが可能となる。
【００６５】
なお、本実施形態において、エンジン制御用気体分析装置内部でおこなう演算処理の一部、または全てを、例えばエンジン制御部でおこなってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０１…吸気管、１０２…スロットルバルブ、１０３…燃焼室、１０４…燃料噴射装置、１０５…点火プラグ、１０６…排気管、１０７…ＥＧＲ管、１０８…ＥＧＲバルブ、１０９…エンジン制御部、１１０…空燃比計測部、１１１…エンジン制御用気体分析装置、２０１…テラヘルツ波発振器、２０２…テラヘルツ波、２０３…配管、２０４…テラヘルツ波検出器、２０５…温度計測部、２０６…圧力計測部、２０７…気体密度算出部、６０１…強度−気体密度換算部、６０２…換算係数算出部、６０３…データ記憶部、７０１…圧力広がり係数補正部、９０１…テラヘルツ波発振器、９０２…テラヘルツ波、９０３…テラヘルツ波検出器、９０４…空燃比算出部、１００１…エアフローセンサ。
【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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【図１１】
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