(57)【要約】【課題】本発明の目的は、吸気湿度を精度良く推定算出することのできる内燃機関の吸気湿度算出装置を提供すること。【解決手段】本発明の内燃機関の吸気湿度算出装置は、内燃機関の吸気温度を検出する吸気温検出手段１１と、実際の運転状態に応じてノック限界点火時期を検出するノック限界検出手段１５，２３と、吸気湿度を算出する湿度算出手段１５とを備えており、湿度算出手段１５が、内燃機関の運転状態に応じて予め定められたノック基本点火時期とノック限界検出手段１５，２３によって検出されたノック限界点火時期との差分、及び、吸気温検出手段１１によって検出された吸気温度に基づいて吸気湿度を算出することを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気温度を検出する吸気温検出手段と、実際の運転状態に応じてノック限界点火時期を検出するノック限界検出手段と、吸気湿度を算出する湿度算出手段とを備えており、
前記湿度算出手段は、内燃機関の運転状態に応じて予め定められたノック基本点火時期と前記ノック限界検出手段によって検出されたノック限界点火時期との差分、及び、前記吸気温検出手段によって検出された吸気温度に基づいて吸気湿度を算出することを特徴とする内燃機関の吸気湿度算出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気の湿度を算出する内燃機関の吸気湿度算出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載された内燃機関やエアコンディショナーを制御する際に、吸入空気の湿度が必要となる場合がある。内燃機関では、吸気湿度が変わることによって最適な点火時期が変わるので、精密な制御を行いたい場合には吸気湿度を検出する必要が生じる。吸気湿度を検出するためには、吸気通路上に湿度センサを新たに設けるなどの必要が生じる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１６９５３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
新たに湿度センサを設けることはコストアップにつながる。そこで、上述した［特許文献１］などでは、湿度ではなく水蒸気分圧という形ではあるが、外気温から吸入空気中の水蒸気分圧を推定して点火時期の補正を行っている。これは、地域差はあるが気温と水蒸気分圧との間には一定の関係があることを前提としており、予め外気温と水蒸気分圧との関係をマップ化して外気温から水蒸気分圧（湿度）を推定している。
【０００５】
しかし、この方法では、地域によって異なるマップを用意しなければならなく、また、天候などの影響も十分に反映されず、精密な湿度検出とは言えないものであった。本発明者らは、他の手法によって、湿度センサによらない湿度検出（算出）方法を発明した。即ち、本発明の目的は、吸気湿度を精度良く推定算出することのできる内燃機関の吸気湿度算出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の吸気湿度算出装置は、内燃機関の吸気温度を検出する吸気温検出手段と、実際の運転状態に応じてノック限界点火時期を検出するノック限界検出手段と、吸気湿度を算出する湿度算出手段とを備えている。そして、湿度算出手段は、内燃機関の運転状態に応じて予め定められたノック基本点火時期とノック限界検出手段によって検出されたノック限界点火時期との差分、及び、吸気温検出手段によって検出された吸気温度に基づいて吸気湿度を算出する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の算出装置を有するエンジン１を図１に示す。
【０００８】
本実施形態で説明するエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図１に示されている。エンジン１は、吸気通路２を通して外気を吸入空気として取り込み、シリンダ３内部に導入される直前でインジェクタ４から噴射された燃料と混合されて混合気となる。混合気は、シリンダ３内に吸入され、ピストン５によって圧縮された後に点火プラグ６で着火されて燃焼する。シリンダ３の内部と吸気通路２との間は、吸気バルブ７によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路８に排気される。シリンダ３の内部と排気通路８との間は、排気バルブ９によって開閉される。
【０００９】
吸気通路２上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ１１、スロットルバルブ１２などが配置されている。エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のエアフロメータ１１は、ホットワイヤ式のものであり、吸入空気量を質量流量として検出するものである。エアフロメータ１１にはサーミスタ式の温度センサも内蔵されており、エアフロメータ１１は吸気温センサとしての機能も持たされている。さらに下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１２が配されている。
【００１０】
本実施形態のスロットルバルブ１２は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダル１３の操作量をアクセルポジショニングセンサ１４で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいて後述するＥＣＵ１５がスロットルバルブ１２の開度を決定するものである。スロットルバルブ１２は、これに付随して配設されたスロットルモータ１６によって開閉される。また、スロットルバルブ１２に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１７も配設されている。
【００１１】
また、上述した点火プラグ６は、イグニッションコイル１８及びイグナイタ１９を介してＥＣＵ１５に接続されている。また、エンジン１のクランクシャフト近傍には、エンジン回転数やピストン位置を検出するためのクランクポジショニングセンサ２０が取り付けられており、吸気側のカムシャフトの近傍には、吸気バルブ７（及び排気バルブ９）の開閉タイミングを検出するカムポジショニングセンサ２１が取り付けられている。
【００１２】
ＥＣＵ１５は、クランクポジショニングセンサ２０やカムポジショニングセンサ２１の検出結果に基づいて点火時期を決定する。点火プラグ６は、ＥＣＵ１５からの点火信号に基づいてイグナイタ１９がスイッチの働きをし、イグニッションコイル１８が点火用の高電圧を生成し、これによって点火される。なお、ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。
【００１３】
ＥＣＵ１５には、上述したイグナイタ１９、クランクポジショニングセンサ２０やカムポジショニングセンサ２１の他、エアフロメータ１１、アクセルポジショニングセンサ１４、スロットルモータ１６、スロットルポジショニングセンサ１７等も接続されている。これらのセンサ類やアクチュエータ類は、ＥＣＵ１５に対して検出結果を送出しているか、ＥＣＵ１５からの信号によって制御されている。図示されていないが、ＥＣＵ１５には、排気通路８上に配設された排気浄化触媒２２による排気浄化を効果的に行うための空燃比制御に用いる空燃比センサなども接続されており、燃料噴射制御や空燃比制御も司っている。
【００１４】
また、ＥＣＵ１５にはノックセンサ２３も接続されており、ノックセンサ２３の検出結果に基づくノックコントロール（制御）もＥＣＵ１５によって行われている。ノックセンサ２３は、エンジンブロックに固定されており、エンジン振動を検出するものである。ＥＣＵ１５は、その検出結果から、エンジン１にノッキング時特有の振動が生じているか否かを判定してノッキングの有無を検出している。
【００１５】
点火時期制御は、エンジン１の燃焼によって得られる出力を最大限効率よく得ようとするため、及び、排気ガスの浄化や燃費性能を良好とするために行われる。ここで、出力に関して考えた場合、燃焼によって発生されたエネルギーをエンジン出力として最も効率よく得るには、燃焼によるシリンダ３内部の圧力ピークが圧縮上死点よりもやや遅れたところで発生することが好ましいことが知られている。圧縮上死点よりもやや遅れたところで圧力ピークが発生するように点火時期が決定されるが、点火時期が早すぎると（進角されすぎると）ノッキングが生じてしまう。
【００１６】
エンジンが最大トルクを発生する点火時期はＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  ｓｐａｒｋ  ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）と呼ばれており、エンジンの種類や回転数にもよるが、ＭＢＴはノッキングが発生し始める点火時期の近傍にある。このため、上述したノックコントロールを行って、ノッキングを抑止しつつ、より大きなトルクを得られるような点火時期で点火が行われるように制御されている。ノックコントロールは、ノッキングが発生していない場合は徐々に進角し、ノッキングが検出されたらノッキングが発生しなくなるまで徐々に遅角し、ノッキングが発生しなくなったら再度徐々に進角させることを繰り返している。
【００１７】
このとき、ノッキングが発生する直前の点火時期をノック限界点火時期という。ノック限界点火時期は、エンジン毎の個体差によっても異なるし、エンジンの運転状態や経年変化状態等でも異なるため、上述したようにノックコントロールを行うことで常に更新されている。逆に言えば、ノック限界点火時期には、その時点のエンジン１の状態等が反映されていると言える。そこで、本実施形態では、このノック限界点火時期を利用して吸気湿度を算出する。
【００１８】
内燃機関であるエンジンは、吸気湿度が変わると上述したＭＢＴやノック限界点火時期が変化する。このため、吸気湿度ＡＨは次に示す（１）式によって示すことができる。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
ここで、上記式（１）中の各記号は以下の通りである。
ＡＨ：吸気湿度［ｇ／ｋｇ］
ＡＨ０：基準状態の湿度［ｇ／ｋｇ］
Ｔｉｎ：吸気温度［℃］
Ｔ０：基準状態の空気温度［℃］
ΔＳＴ：ノック限界点火時期ＳＴと基本点火時期ＳＴｂａｓｅとの差（＝ＳＴ−ＳＴｂａｓｅ）
【００２１】
なお、式（１）中の湿度は、ある湿り空気中の（水蒸気質量）／（乾き空気重質量）で表された絶対質量であり、単位は［ｇ／ｋｇ］を用いている。単位は、［ｇ／ｋｇ’］や［ｇ／ｋｇＤＡ］と表記されることもあり［ｋｇ’］や［ｋｇＤＡ］は乾き空気（Ｄｒｙ  Ａｉｒ）の質量を示している。また、吸気温度Ｔｉｎはエアフロメータ１１に内蔵された吸気温センサによって検出された値が用いられる。ノック限界点火時期ＳＴ及び基本点火時期ＳＴｂａｓｅは、遅角側が正となる。
【００２２】
基準状態とは、ある温度Ｔ０［℃］で、かつ、ある湿度ＡＨ０［ｇ／ｋｇ］の状態をいう。また、ノック限界点火時期ＳＴは上述したノックコントロールによって常時更新されている値が用いられる。基本点火時期ＳＴｂａｓｅは、基準状態におけるノック限界点火時期であり、吸入空気量（エアフロメータ１１によって検出される）及びエンジン回転数（クランクポジショニングセンサ２０によって検出される）のマップとしてＥＣＵ１５内に格納されている。さらに、係数Ａ及びＢは、エンジン回転数に応じて変化する係数であり、実験などを通して得られる経験値として設定される。
【００２３】
なお、式（１）を変形すると、ΔＳＴ＝ＳＴ−ＳＴｂａｓｅ＝Ａ（Ｔｉｎ−Ｔ０）−Ｂ（ＡＨ−ＡＨ０）ともあわらすことができる。係数Ａは、エンジン回転数が大きくなるにつれて大きくなる係数である。これは、同一吸気温度でもエンジン回転数が高いほどシリンダ３内部の温度は高くなってノッキングが起こりやすいことを反映している。即ち、係数Ａが大きくなると、ΔＳＴは大きくなる（＝ノック限界点火時期ＳＴがより遅角側になる）。
【００２４】
一方、係数Ｂは、エンジン回転数が大きくなるにつれて小さくなる係数である。これは、燃焼１サイクルでは、湿度が増加すると吸気の熱容量が増加し、燃焼温度が低下してノッキングが起こりにくくなることを反映している。エンジン回転数が高くなると発熱量が増えるのでシリンダ３の内部温度は高くなるが、ここでは湿度の影響のみを考慮するため、シリンダ３内部の温度が一定であるとする。そうすると、エンジン回転数増となると単位時間当たりに吸入する水蒸気質量は増えるので、熱容量増加によって圧力と温度とは低下してノッキングが生じにくくなる。即ち、係数Ｂが大きくなると、ΔＳＴは小さくなる（＝ノック限界点火時期ＳＴがより進角側になる）。
【００２５】
吸気湿度を算出する制御のフローチャートを図２に示す。なお、図２のフローチャートの制御とは別にノックコントロールが実行されており、ノック限界点火時期ＳＴは常時更新されている。まず、現在の運転状態を示す各種信号を読み込む（ステップ２００）。具体的には、吸気温度Ｔｉｎ、ノック限界点火時期ＳＴ、吸入空気量、エンジン回転数を読み込む。次いで、現在の運転状態に対応する基本点火時期ＳＴｂａｓｅを読み込む（ステップ２１０）。このとき、ステップ２００で読み込んだ吸入空気量とエンジン回転数とに基づいてＥＣＵ１５内のマップから基本点火時期ＳＴｂａｓｅが読み出される。
【００２６】
そして、ステップ２００で読み込んだノック限界点火時期ＳＴとステップ２１０で読み込んだ基本点火時期ＳＴｂａｓｅとからΔＳＴを算出し（ステップ２２０）、式（１）を用いて吸気湿度ＡＨを算出する（ステップ２３０）。なお、ステップ２３０においては、ステップ２００において検出したエンジン回転数に基づいて係数Ａ，Ｂがマップから読み出される。Ｔ０，ＡＨ０は定数であるため演算に組み込まれている。このようにして算出された吸気湿度ＡＨは、各種制御、本実施形態ではエアコン制御などに渡される（ステップ２４０）。
【００２７】
なお、上述した制御において、エアフロメータ１１に内蔵された吸気温センサが吸気温検出手段として、ノックコントロールを司るＥＣＵ１５やその際に用いられるノックセンサ２３・イグナイタ１９・イグニッションコイル１８などがノック限界検出手段として機能している。また、上述した式（１）を用いて演算を行うＥＣＵ１５などが吸気湿度検出手段として機能している。
【００２８】
本実施形態の吸気湿度算出装置によれば、ノック限界点火時期を用いることで、そのときの吸気湿度を精度良く算出できる。上述した従来技術のように、外気温のみから湿度を推定するものに比べて精度がよく算出することができる。そして、吸気湿度として算出できるため、エンジン制御のみならず、エアコン制御などの他の制御に足しても容易に適用することが可能となる。また、当然ながら、湿度の算出に際して新たなセンサの追加を伴わないため、コストアップを避けられる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の吸気湿度算出装置によれば、ノック限界点火時期を用いて吸気湿度を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の算出装置の一実施形態を有する内燃機関（エンジン）の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の算出装置の一実施形態による制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…吸気通路、３…シリンダ、４…インジェクタ、５…ピストン、６…点火プラグ、７…吸気バルブ、８…排気通路、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…エアフロメータ（吸気温センサ内蔵：吸気温検出手段）、１２…スロットルバルブ、１３…アクセルペダル、１４…アクセルポジショニングセンサ、１５…ＥＣＵ（ノック限界検出手段・湿度算出手段）、１６…スロットルモータ、１７…スロットルポジショニングセンサ、１８…イグニッションコイル、１９…イグナイタ、２０…クランクポジショニングセンサ、２１…カムポジショニングセンサ、２２…排気浄化触媒、２３…ノックセンサ（ノック限界検出手段）。
【図１】
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【図２】
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