JP6012830B1 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高湿度時においても、熱式流体センサの検出値の湿度による影響を排除し、精度良くエンジン制御が可能なエンジンの制御装置を提供する。【解決手段】吸気温度センサ３によって検出された吸気温度から飽和水蒸気圧Ｐｓを算出し、湿度センサ４によって検出された湿度と飽和水蒸気圧Ｐｓから水蒸気分圧Ｐｖを求め、この水蒸気分圧と大気圧センサ１７によって検出された大気圧Ｐａから比湿ｑとモル分率χｖを求め、モル分率に基づき、ＡＦＳ２によって検出された吸入空気量から湿り空気量Ｑｗを算出し、この湿り空気量から比湿に基づき乾燥空気量Ｑｄを算出する。そして、これら湿り空気量と乾燥空気量と比湿を用い、各種運転情報に基づいて燃料噴射量、点火時期、及び目標スロットル開度を算出する。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジン、すなわち内燃機関（以下、エンジンに統一する。）の制御パラメータである吸入空気量を湿度により補正して使用するエンジンの制御装置に関する。

近年、ドライバや車輌側からの駆動力の要求値としてエンジン出力軸トルクを用い、これを指標にエンジンの発生トルクを制御する、所謂、「トルクベース制御」と呼ばれるエンジンの制御装置が普及している。このトルクベース制御では、ドライバによるアクセルペダルの操作量に基づいてエンジンの目標トルクを決定する。そして、目標トルクを発生させることができる目標吸入空気流量がエンジンに吸入されるようにスロットルの開度を制御し、実際の吸入空気流量に応じて燃料噴射量や点火時期を制御してエンジンの出力が目標トルクに制御され、ドライバの要求する走行性能が実現される。

このようなエンジンの目標トルクに対応した目標吸入空気流量を実現するエンジンの制御装置においては、エンジンのスロットルに連設したアクチュエータを駆動してスロットル開度を制御する。具体的には、目標吸入空気流量とスロットル前後の圧力比とスロットルの開口面積等を基本とする絞り式流量計の流量算出式に適用してスロットルの目標開口面積を求め、このスロットルの目標開口面積を達成するスロットル開度となるようスロットルに連設したアクチュエータを制御する技術が提案されている。

ここで、エンジンに吸入されている空気量は、吸気路に設置されたエアーフローセンサ（Ａｉｒ Ｆｌｏｗ Ｓｅｎｓｏｒ）（以下、ＡＦＳと略称することがある。）で検出される。ＡＦＳには、一般に、流体中に配置された発熱体から流体に伝達される熱量を電気的に検出することにより流体の流量を検出する熱式流体センサが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

一般に、エンジンが使用される環境においてエンジンが吸入する空気には湿度で示される水蒸気が含まれており、気候条件等により湿度、すなわち空気中に含まれる水蒸気の量が変化する。水蒸気を含む空気である『湿り空気』中に含まれる水蒸気の量により、その湿り空気の熱伝達率や粘性係数が変化する。同じ空気量であってもＡＦＳに配置された発熱体から湿り空気に伝達される熱量が水蒸気量によって変化するため、熱式流体センサの空気量測定誤差の原因となる。

熱式流体センサで検出した空気量、すなわち湿り空気量の検出値の湿度による影響を補正する技術として、熱式流体センサの発熱抵抗体を有する空気流量測定用の電子回路に空気の湿度補償用の感湿抵抗体を設けて空気流量測定値の湿度補正を行う回路構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、例えばガソリンエンジンではシリンダに供給される空気量によって出力が調整される。その空気量の調整は、シリンダへの吸気路に設けられたスロットルバルブの開度を調整することによって行われる。シリンダに供給される空気にガソリン等の燃料が混合される。この混合気は、ピストンによって圧縮されて点火される。混合気が燃焼することにより生じる圧力増加がエンジンの出力になる。シリンダに吸入される空気量のうち、燃焼するのは空気中に含まれる水蒸気を除く乾燥空気のみである。
従って、特許文献２において検出される湿り空気量が同じであっても、湿り空気に含まれる湿度、すなわち水蒸気量によってはエンジンの出力に差が生じてしまう。

一方、温度と湿度の情報から乾燥空気量を算出し、その乾燥空気量を湿度補正後の空気量として出力する空気流量測定装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特許第５６８０１７８号公報 特許第２９５７７６９号公報 特開平１０−２７７２号公報

上記のトルクベース制御においては、目標トルクを実現させるための目標吸入空気流量が算出され、その目標吸入空気量を実現するために必要なスロットルバルブ開度が算出される。
しかしながら、スロットルバルブを通過する空気量は水蒸気を含む湿り空気量で算出する必要があり、特許文献３のように乾燥空気量情報のみでスロットルバルブ開度を算出すると、高湿度時には目標トルクに対するエンジンの出力トルクに誤差が生じるという課題があった。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたものであり、高湿度時においても、熱式流体センサの検出値の湿度による影響を排除し、精度良くエンジン制御が可能なエンジンの制御装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するための本発明に係るエンジンの制御装置は、エンジンの吸気路に設けられ前記エンジンの吸入空気量を検出するセンサと、前記エンジンの吸気路に設けられ前記エンジンの吸入空気温度を検出するセンサと、前記吸気路における吸入空気の湿度を検出するセンサと、大気圧センサと、前記吸入空気温度から飽和水蒸気圧を算出する飽和水蒸気圧算出部と、前記飽和水蒸気圧及び前記湿度から水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出部と、前記水蒸気分圧及び前記大気圧から比湿を算出する比湿算出部と、前記水蒸気分圧及び前記大気圧からモル分率を算出するモル分率算出部と、前記モル分率に基づいて前記吸入空気量から前記湿り空気量を算出する湿り空気量算出部と、前記湿り空気量と前記比湿から乾燥空気量を算出する乾燥空気量算出部とを有する制御部とを備えている。

本発明によれば、比湿と湿り空気量と乾燥空気量とを得るので、湿度が高くなってもドライバの要求トルクを精度よく制御しつつ排気ガス浄化等のエンジン制御の精度を向上できるという優れた効果を奏する。

本発明に係るエンジンの制御装置の全体構成を示した図である。 図１に示すＡＦＳの構造を概略的に示す断面図である。 図１及び図２に示すＡＦＳの出力電圧と流量との関係を示す特性グラフ図である。 図１に示す電子制御装置（Ｅｌｅｌｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）（以下、ＥＣＵと略称する。）を機能的に示すブロック図である。 図４に示すＥＣＵの処理を示すフローチャートである。 図４及び図５に示すモル分率とＡＦＳ出力Ｖａｆｓの補正係数との関係を示すグラフ図である。 ＥＣＵでの点火時期算出に用いるマップを示す図である。 本発明に係るエンジンの制御装置における点火時期とトルクとの関係を示すグラフ図である。 図８に示すトルクカーブにおけるノッキング限界と湿度による補正を説明するためのグラフ図である。 湿度情報による点火時期補正量を示す特性グラフ図である。

以下、本発明に係るエンジンの制御装置を、その実施の形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
図１において、エンジン１の吸気系の上流に、熱式吸入空気量検出を行うＡＦＳ２が設けられている。このＡＦＳ２には、内蔵又は別体のセンサとして吸気温センサ３が設けられている。さらに、ＡＦＳ２には、内蔵又は別体のセンサとして湿度センサ４が設けられている。ＡＦＳ２の下流のエンジン１の側には、吸入空気量を調整するために電気的に制御することができる電子制御スロットル５が設けられている。また、この電子制御スロットル５の開度を測定するために、スロットル開度センサ６が設けられている。更に、スロットル５の下流のサージタンク７及びインテークマニホールド８内を含む空間（以下、インマニと略称する。）の圧力（以下、インマニ圧と略称する。）を測定するインマニ圧センサ９が設けられている。

熱式空気量検出を行うＡＦＳ２としては、例えば図２に示すように、流体通路に平板形状をした発熱体であるセンサを設置する。この発熱体は、非伝熱部分と等温板で構成されており、発熱体に流す電流は電子回路（図示せず。）により発熱体の温度が一定になるように制御されている。ＡＦＳ２では、通過する空気量により熱が奪われその影響による電気的変化を元に空気流量を検出している。ＡＦＳ２の検出値は、例えば電圧信号として出力され、ＥＣＵ２０等に入力される。この電圧値に対する空気流量は、例えば図３に示すような非線形の特性を有しているため、ＥＣＵ２０内では、計算式ではなく、予め記憶された特性テーブル等により空気流量への変換処理を行うことができる。

湿度センサ４には、一般に、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や、センサ素子の静電容量により湿度を検出する静電容量式のものがある。ただし、それらの検出方式に関わらず、湿度センサ４で検出される湿度は相対湿度である。相対湿度とは、空気の温度により決まる飽和水蒸気圧に対するその空気の水蒸気分圧の比率を示すものであり、空気中の水蒸気分圧が同じであっても空気の温度により相対湿度は変化する。

インテークマニホールド８及び筒内を含む吸気バルブ（図示せず。）の近傍には燃料を噴射するためのインジェクタ１０が設けられている。吸気バルブ及び排気バルブ（図示せず。）には、バルブタイミングを変化させるための吸気可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構（以下、ＶＶＴと略称する。）１１及び排気ＶＶＴ１２がそれぞれ設けられている。また、シリンダヘッドにはシリンダ内で火花を発生させる点火プラグを駆動するための点火コイル１３が設けられている。エキゾーストマニホールド１４には、空燃比センサ１５や触媒（図示せず。）が設けられている。なお、吸気ＶＶＴ１１及び排気ＶＶＴ１２については、片方のみ設けている場合や、いずれも設けていない場合もある。また、エンジンの外部にはエンジンの環境圧力である大気圧を検出するための大気圧センサ１７が設けられている。

上述した各センサ、クランク角やエンジン回転数を検出するクランク角センサ１６、及び図示しない他のセンサからの各検出信号やエンジンの始動Ｓ／Ｗ（スイッチ）であるイグニッションＳ／Ｗ（以下、ＩＧ−Ｓ／Ｗと略称する。）等の情報も含む、エンジン１の各種運転情報が、マイクロコンピュータやインターフェース回路から成るＥＣＵ２０に入力される。

ＥＣＵ２０においては、入力された各種運転情報より目標トルクが算出され、この目標トルクを達成する目標吸入空気流量が算出される。この目標吸入空気流量を達成するため、後述するように、目標有効開口面積を算出して目標スロットル開度を求めている。そして、この目標スロットル開度を達成するように電子制御スロットル５の開度を制御する。また、同時にインジェクタ１０、吸気ＶＶＴ１１、排気ＶＶＴ１２、及び点火コイル１３を含む各種のアクチュエータへの指示値も算出される。

次に、ＥＣＵ２０における処理動作を、図４及び図５を参照しながら説明する。
ＡＦＳ２で検出された吸入空気量に相当する信号Ｖａｆｓと、吸気温度センサ３で検出された吸気温度Ｔａｆｓと、湿度センサ４で検出された吸入空気の相対湿度Ｈａｆｓと、大気圧センサ１７で検出された大気圧ＰａとがＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、飽和水蒸気圧算出部１０１と、水蒸気分圧算出部１０２と、モル分率算出部１０３と、比湿算出部１０４と、湿り空気量算出部１０５と、乾燥空気量算出部１０６と、燃料噴射量算出部１０７と、点火時期算出部１０８と、目標スロットル開度算出部１０９とを有している。

飽和水蒸気圧算出部１０１には吸気温度Ｔａｆｓが入力されて飽和水蒸気圧Ｐｓが算出される（図５のステップ２０１）。この飽和水蒸気圧Ｐｓとは、或る温度において水蒸気が飽和状態となる時の水蒸気の圧力を示し、温度の関数として、例えば下記のテテンスの式１で算出されることが一般に知られている。ここで、Ｔは温度［℃］であり、飽和水蒸気圧算出部１０１における吸気温度Ｔａｆｓに相当する。

なお、ＥＣＵ２０での計算能力において指数計算による処理負荷等への影響が懸念される場合には、上記の式１を用いずに、温度を用いたテーブル設定等で算出してもよい。

水蒸気分圧算出部１０２には飽和水蒸気圧Ｐｓと相対湿度Ｈａｆｓが入力されて水蒸気分圧Ｐｖが算出される（同ステップ２０１）。この水蒸気分圧とは、気体中に含まれる水蒸気が担っている圧力を示し、飽和水蒸気圧Ｐｓとの関係は下記の式２で示される。ここで、Ｈｒは相対湿度［％ＲＨ］であり、水蒸気分圧算出部１０２における相対湿度Ｈａｆｓに相当する。

モル分率算出部１０３には大気圧Ｐａと水蒸気分圧Ｐｖが入力されてモル分率χｖが算出される（同ステップ２０２）。このモル分率とは、水蒸気と湿り空気とのモル数の比を示すものであり、水蒸気と湿り空気との物質量の比である。一般に知られているドルトンの法則より、物質量の比は圧力の比と等しい事から、モル分率χｖは下記の式３で示される。

比湿算出部１０４においても、モル分率算出部１０３と同様に大気圧Ｐａ及び水蒸気分圧Ｐｖが入力されるが、この比湿算出部１０４では比湿ｑが算出される（同ステップ２０２）。この比湿とは、湿り空気の質量に対する水蒸気の質量の割合を示し、単位体積とすれば密度の比であり、下記の式４で示される。ここで、ρｗは湿り空気の密度、ρｖは水蒸気の密度、ρｄは乾燥空気の密度であり、ρｗ＝ρｄ＋ρｖである。

一般に知られる理想気体の状態方程式より、気体の密度ρは下記の式５で示され、各気体におけるガス定数Ｒは下記の式６で示される。ここで、Ｐは気体の圧力、Ｒは気体のガス定数、Ｔは気体の温度、Ｒ０は一般ガス定数、Ｍは気体の分子量である。

下記の式７と式８は、上記の式５と式６を用いて、水蒸気の密度ρｖと乾燥空気の密度ρｄを示したものである。ここで、Ｍｖは水蒸気の分子量、Ｍｄは乾燥空気の分子量である。

下記の式９は、上記の式７と式８を式４に代入し、水蒸気の分子量Ｍｖに１８．０１５、乾燥空気の分子量Ｍｄに２８．９６６を代入したものである。この式９から、比湿ｑは、大気圧Ｐａと水蒸気分圧Ｐｖから算出できることが分かる。

湿り空気量算出部１０５にはＡＦＳ２からの出力電圧Ｖａｆｓとモル分率χｖが入力されて湿り空気量Ｑｗが出力される（同ステップ２０３）。ＡＦＳ２の平板形状のセンサ部分は流体中に設けられている。図２に示す如く、センサから流体への熱伝達は流体における不等温平板における強制対流熱伝達として考えることができ、熱伝達係数ｈは下記の式１０〜１２で示される。ここで、Ｖは気体の流速、λは気体の熱伝導率、ρは気体の密度、μは気体の粘性係数、Ｎｕはヌセルト数、Ｐｒはプラントル数である。

上記の式１０〜１２を整理すると下記の式１３になり、右辺の｛ ｝内を固定値Ｋと置けば熱伝達率ｈは下記の式１４に簡略化することができる。

よって、伝達関数ｈはλ／√μに相関すると考えることができる。
この場合、伝達関数ｈはセンサの発熱体が流体により奪われる熱量に相関するものであり、その奪われた熱量がＡＦＳ２の出力電圧に相関する。上記の式１４において、（ρ×Ｖ）は流れる空気量と考えることができ、同一空気量であればＡＦＳ２の出力電圧Ｖａｆｓはλ／√μに相関すると考えることができる。

また、空気の熱伝導率λと空気の粘性係数μも湿度により変化することは一般に知られている。湿度により変化した空気の熱伝導率λと空気の粘性係数μは、下記の式１５〜２０で示される。ここで、Ｓはサザーランド定数であり、添え字のｗは水蒸気を含んだ湿り空気、ｄは乾燥空気、ｖは水蒸気である。

上記の式１５〜２０において、Ｍｄ、Ｍｖ、Ｓｄ、Ｓｖ、及びＳｄｖは定数であるため、湿り空気の熱伝導率λｗと湿り空気の粘性係数μｗはモル分率χｖに相関し、熱伝達係数ｈ、すなわちＡＦＳ２の出力電圧Ｖａｆｓもモル分率χｖに相関すると考えることができる。

上述の通り、図３はＡＦＳ２の出力電圧ＶａｆｓとＡＦＳ２を流れる空気の質量流量との関係を示したものである。ここでは、この特性は乾燥空気における特性を予め計測しマップとして記憶しているものとする。
図６は乾燥空気を基準として同じ流量の湿り空気を流した際の湿度、すなわちモル分率χｖの変化に対するＡＦＳ２出力電圧Ｖａｆｓの補正係数を示したものであり、モル分率χｖが上がるにつれて、ＡＦＳ２の出力電圧Ｖａｆｓの補正係数も増加することが分かる。

湿り空気量算出部１０５では、モル分率χｖから、図６の特性で示される変化割合であるＶａｆｓ補正係数を算出し、電圧ＶａｆｓをＶａｆｓ補正係数で割る。これにより、電圧Ｖａｆｓを図３の特性計測時と同様の乾燥空気におけるＶａｆｓ値に補正する。そして、その補正された電圧Ｖａｆｓから図３の特性を用いて空気流量、すなわち湿り空気量Ｑｗを算出する。

このようにモル分率χｖによる出力電圧Ｖａｆｓの補正を行い、その補正された電圧Ｖａｆｓから流量の算出を行えば、湿度の状態に影響されずに正確にＡＦＳ２を流れる湿り空気量Ｑｗを算出することができる。なお、図６に示す補正係数はモデル化した計算式を用いてもよいし、予め計算若しくは計測した結果をマップとして記憶しておいてもよい。

乾燥空気量算出部１０６には上記のように求めた湿り空気量Ｑｗと比湿ｑが入力されて乾燥空気量Ｑｄが出力される（同ステップ２０３）。エンジン１はシリンダ内での空気とガソリンの混合気の燃焼により出力を発生する。その燃焼はシリンダに吸入された乾燥空気により生じるものであるので、シリンダに吸入される空気量から水蒸気分を除いたものがその乾燥空気量である。すなわち、シリンダに吸入される湿り空気量Ｑｗは、乾燥空気量Ｑｄと水蒸気量Ｑｖとの和であり、下記の式２１で示すことが出来る。

単位体積と仮定すると、質量比と密度比とは同じである。上記の式２１を乾燥空気Ｑｄについて変形し、質量比を密度比に置き換えると、下記の式２２になる。

上記の式４より、ρｖ／（ρｄ＋ρｖ）は比湿ｑを表わすため、乾燥空気量Ｑｄは下記の式２３で示される。

このようにして、湿り空気量Ｑｗ及び乾燥空気量Ｑｄが算出される。そして、これらの湿り空気量Ｑｗ及び乾燥空気量Ｑｄは、下記のように、エンジンの制御要素として使用される。

まず、燃料噴射量算出部１０７には乾燥空気量Ｑｄ及び各種運転情報が入力され燃料噴射量、すなわちインジェクタ１０の駆動量が出力される（同ステップ２０４）。エンジン制御でのインジェクタ１０による燃料噴射量は、運転状態において目標とする空気質量と燃料質量との比、すなわち空燃比（以下、Ａ／Ｆと略称する。）及び運転中の吸入空気量を元に算出されることが一般に知られている。この燃料噴射量を算出するために用いる空気量は、燃焼に寄与する乾燥空気量を用いて算出する。これにより、目標Ａ／Ｆを実現するための最適な燃料量を算出することが可能になる。

エンジン１の排気路には、一般に排気ガスの浄化を目的とした触媒（図示せず）が装着されており、Ａ／Ｆはストイキオメトリである１４．７での燃焼状態が触媒による排気ガス浄化に適している。上記の乾燥空気量から燃料量を算出することにより、正確にＡ／Ｆを実現することが可能である。このため、湿度の影響による燃料量、すなわちＡ／Ｆのずれが抑制でき、排気ガスの悪化も改善することが可能である。

次に、点火時期算出部１０８には乾燥空気量Ｑｄ及び比湿ｑが入力されて点火時期、すなわち点火コイル１３の駆動タイミングが出力される（同ステップ２０４）。エンジン制御での点火コイル１３及び点火プラグによる点火時期は、エンジン回転数と充填効率を元に算出されることが一般に知られており、各エンジン回転数と各充填効率における最適な点火時期が予め計測され図７に示すようなマップとして記憶されている。このマップは吸気ＶＶＴや排気ＶＶＴ等の制御状態毎に別のマップとして複数記憶されてもよい。

ここでいう最適な点火時期とは、一般に、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）、すなわちノッキングが発生しない限界点火時期の両点火時期に対し遅角側となる点火時期を言う。点火時期算出に用いる充填効率についても、燃焼に寄与する乾燥空気量を用いて算出することにより、その運転状態における最適な点火時期を算出することが可能になる。

図８は、或る運転状態におけるトルクカーブを示すものである。ここで述べるトルクカーブとは、エンジンの運転状態におけるエンジン回転数、スロットル開度、すなわち吸入空気量、Ａ／Ｆ、及びエンジンのシステム構成によっては吸気バルブの作動タイミング、排気バルブの作動タイミング等を一定にした状態で点火時期のみを変化させた時の点火時期とエンジンが発生するトルクとの関係を示したものである。

この関係は凸状のトルクカーブを描き、トルクが最大となる点火時期を上記のＭＢＴという。例えば、図８に実線で示すトルクカーブＣ＿ｄｒｙは、或るエンジン回転数及び充填効率において、エンジン１に吸入する空気が乾燥空気の状態において計測したものである。この時のＭＢＴ１はＳＡ＿ｄｒｙであり、その時のエンジン１が発生するトルクは実線で示すＴｒｑ＿ｄｒｙである。

エンジン１に吸入する空気の質量流量は一定のまま空気湿度を上昇させ高湿度の吸入空気でトルクカーブを計測したものが点線で示すＣ＿ｗｅｔである。この時のＭＢＴ２はＳＡ＿ｗｅｔであり、その時にエンジン１が発生するトルクはＴｒｑ＿ｗｅｔである。

図示のように、乾燥空気時（Ｃ＿ｄｒｙ）に比べ高湿度化（Ｃ＿ｗｅｔ）により出力トルクは低下し、ＭＢＴはＭＢＴ１→ＭＢＴ２へと進角化している。これは湿度の増加によりエンジン１に吸入される乾燥空気量が減少しているためである。これは、乾燥空気での運転中にスロットルバルブ５を閉じて吸入空気量を減少させた場合と同じ特性を示すことが確認されている。すなわち、点火時期算出に用いる充填効率は乾燥空気量を元に算出することにより、正しいエンジン出力特性での点火時期で制御することが可能になる。

乾燥空気において点火時期マップの計測及び設定が行われているとした場合、湿度補正を行わない従来の制御では高湿度運転時はＣ＿ｗｅｔの特性であっても点火時期はＳＡ＿ｄｒｙと算出される。このため、この高湿度運転時のエンジン特性におけるＭＢＴに対して遅角側で点火されることになり、トルクロスＴｒｑ＿ｌｏｓｓが発生し燃費の悪化を招く。

これに対し、本発明では、湿度補正により乾燥空気量での充填効率で点火時期を算出することにより、進角側のＭＢＴ２であるＳＡ＿ｗｅｔでの点火が可能になるため、従来の制御と比較し燃費を改善できるという効果もある。

図９は、図８とは異なる運転状態におけるトルクカーブを示すものである。乾燥空気においては点火時期を、図の左側からＢＬＤ＿ｄｒｙまで進角させるとエンジンの性能及び耐久性を考慮した時に許容出来ないレベルのノッキング現象が発生する。これにより、ＢＬＤ＿ｄｒｙがノッキング限界の点火時期となり、この時のエンジンの発生するトルクはＴｒｑ＿ｋ＿ｄｒｙである。

ノッキング限界はＭＢＴよりも遅角側の点火時期であり、点火時期マップには遅角側であるノッキング限界値、若しくはエンジンや環境条件のばらつき等を考慮した更に遅角側の値が設定されることになる。

一般に、エンジンの高負荷運転域ではＭＢＴよりも遅角側でノッキング限界となる傾向が確認されている。高湿度の吸入空気状態で同様の計測を行った場合、水蒸気により筒内の燃焼速度が遅くなる。これによりノッキング限界の点火時期は、遅角側のＢＬＤ＿ｄｒｙから進角側であるＢＬＤ＿ｗｅｔに変化する。この時にエンジンが発生するトルクはＴｒｑ＿ｋ＿ｗｅｔまで上昇する。すなわち、ＭＢＴではなくノッキング限界が点火時期マップに設定されている運転状態であれば、高湿度運転時においては点火時期を更に進角させることが可能である。このように、点火時期を更に進角させることにより燃費を改善することが可能となる。

高湿度時の点火時期の算出を乾燥空気量を用いて行った場合であっても、ノッキング限界が点火時期マップに設定されている運転状態であれば更に進角化させることが可能である。従って、湿度情報を用いて進角側の補正値を算出し、マップから算出される点火時期に補正することにより、更に燃費を改善できる効果もある。この補正値、すなわち進角量は高湿度化に伴って大きくなるものであり、湿度情報、例えば比湿ｑと進角量との関係を予め図１０に示すようなマップとして記憶しておき、そのマップを用いて進角量を算出してもよい。またエンジンの特性上、ノッキング限界が点火時期マップに設定されているのは高負荷運転状態であることから、この湿度による進角量の補正を高負荷域のみ行うようにしてもよい。

次に、目標スロットル開度算出部１０９には湿り空気量Ｑｗ及び比湿ｑが入力されて目標トルクを実現するための目標スロットル開度が算出される（同ステップ２０４）。エンジン制御でのスロットル５による空気量は上述の通り、例えば、入力された各種運転情報により目標トルクが算出され、算出された目標トルクを達成する目標吸入空気流量が算出される。そして、目標吸入空気流量を達成するよう目標有効開口面積を算出して目標スロットル開度を求めている。

下記の式２４で吸入空気量と有効開口面積との関係を示す。ここで、吸入空気量Ｑｖｔｈは体積流量、α０は吸入空気の音速、Ｓｔｈはスロットルの有効開口面積、κは吸入空気の比熱比、Ｐｕｐはスロットルバルブの上流圧力であり、本発明における大気圧、Ｐｄｗｎはスロットルバルブの下流圧力であり、本発明におけるインマニ圧である。

上記の式２４を有効開口面積Ｓｔｈについて整理すると下記の式２５が得られる。ここで、σは圧力比Ｐｄｗｎ／Ｐｕｐに応じて変化する無次元流量である。圧力比Ｐｄｗｎ／Ｐｕｐが臨界圧力比（空気の場合は、約０．５２８）以下では臨界圧力比時の無次元流量σの値は一定値である。

有効開口面積からスロットルの開度を算出するには、スロットルバルブ５の形状を元に物理的計算式によるモデルを用いてもよいし、計算及び実測結果を元に予め計測した値をマップとして記憶しておき、そのマップを用いて算出してもよい。

目標トルクから算出される目標吸入空気量は、燃焼に寄与する乾燥空気で算出する必要があるが、スロットル開度算出に用いる空気量は、そのスロットルを通過する総空気量、すなわち湿り空気量で算出する必要がある。これは上記の式２３の関係を用いて目標吸入空気量である乾燥空気質量流量と比湿ｑから目標とする湿り空気質量流量を算出することが可能である。

これにより環境の湿度状態に影響することなく、目標トルクを実現するための空気量を正確に算出することが出来る。なお、空気の質量流量と体積流量の変換は空気の密度を用いることによりできることは一般に知られている。

実際にスロットルバルブ５を通過する空気量は湿り空気量Ｑｗとして入力されるが、例えばスロットルバルブ５の製造ばらつき等によりスロットル開度に対するスロットル通過流量には誤差が生じる可能性がある。上記において算出された目標スロットル開度では目標吸入空気量と実際に流れている空気量Ｑｗとが一致しない場合には、目標吸入空気量と実際に流れている空気量Ｑｗとの偏差を補正し空気量が一致するように目標スロットル開度が調整される。その補正方法は一般に知られるフィードバック制御や学習制御等がある。ただし、本発明においては補正方法による影響は生じないため、補正方法に関する詳細の説明は行わない。

このように、制御要素により使用する空気量を乾燥空気と湿り空気を切り替えることにより、排気ガスの悪化を抑制し、燃費も向上させつつ、精度よくエンジン出力トルクの制御が可能になる。

以上のように、本発明に係るエンジンの制御装置によれば、湿度により影響を受ける湿り空気量を求め、この湿り空気量と湿度から乾燥空気量を算出し、これら湿り空気量と乾燥空気量をエンジン制御の要素として使用するので、排気ガスの悪化を抑制し、燃費も向上させつつ、精度よくエンジン出力トルクの制御が可能になる。
なお、本発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ エンジン、２ エアフロ−センサ、３ 吸気温センサ、４ 湿度センサ、５ 電子制御スロットル、６ スロットル開度センサ、７ サージタンク、８ インテークマニホールド、９ インマニ圧力センサ、１０ インジェクタ、１１ 吸気ＶＶＴ、１２ 排気ＶＶＴ、１３ 点火コイル、１４ エキゾーストマニホールド、１５ 空燃比センサ、１６ クランク角センサ、１７ 大気圧センサ、２０ ＥＣＵ。

Claims (6)

1. エンジンの吸気路に設けられ前記エンジンの吸入空気量を検出するセンサと、
   前記エンジンの吸気路に設けられ前記エンジンの吸入空気温度を検出するセンサと、
   前記吸気路における吸入空気の湿度を検出するセンサと、
   大気圧センサと、
   前記吸入空気温度から飽和水蒸気圧を算出する飽和水蒸気圧算出部と、前記飽和水蒸気圧及び前記湿度から水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出部と、前記水蒸気分圧及び前記大気圧から比湿を算出する比湿算出部と、前記水蒸気分圧及び前記大気圧からモル分率を算出するモル分率算出部と、前記モル分率に基づいて前記吸入空気量から前記湿り空気量を算出する湿り空気量算出部と、前記湿り空気量と前記比湿から乾燥空気量を算出する乾燥空気量算出部とを有する制御部とを備えた
   エンジンの制御装置。
2. 前記制御部は、前記乾燥空気量及び各種運転情報を用いて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出部を有する
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記制御部は、前記乾燥空気量及び前記比湿並びに各種運転情報を用いて点火時期を算出する点火時期算出部を有する
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記点火時期算出部は、前記比湿に基づき、前記湿度が高くなるにつれて前記点火時期を進角側に補正する
   請求項３に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記点火時期算出部は、前記運転情報がエンジンの高負荷状態を示しているとき、前記点火時期をノッキングを起こさない限界の遅角側に補正するとともに、前記比湿に基づいて前記点火時期を進角側に補正する
   請求項３に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記制御部は、前記比湿及び前記湿り空気量並びに各種運転情報を用いて前記エンジンに要求されるトルクを実現するために必要な目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出部を有する
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。

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