JP2017072059A - 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度による影響を受けることなく、精度よくエンジン出力の制御を行うことができ、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させる。
【解決手段】運転状態検出器と、インマニ圧検出器（９）と、空気湿度検出器（４）と、空気温度検出器（３）と、大気圧検出器（１７）と、それぞれの検出器の検出結果に基づいてエンジン出力を制御するコントローラ（２０）とを備え、コントローラは、湿度、温度、大気圧から、内燃機関が吸入する空気の湿度情報を生成し、インマニ圧検出器により検出された圧力を湿度情報を用いて補正することで乾燥空気分圧を算出し、インマニ圧検出器により検出された圧力を湿り空気圧とし、エンジン出力制御に使用する圧力として、制御要素に応じて、湿り空気圧と乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、エンジン出力を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御パラメータの算出に適用するインテークマニホールド圧力を湿度により補正する内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法に関するものである。

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、このエンジン出力軸トルクを指標にエンジンの発生トルクを制御する、いわゆる、「トルクベース制御」と呼ばれるエンジンの制御方法が普及している。

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する。この結果、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ために、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エンジンの制御装置において、以下のような手法が提案されている。すなわち、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る。さらに、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手法である。

エンジンの制御要素である、例えば、燃料噴射量、点火時期の制御を行うためには、エンジンに吸入される空気量を検出する必要がある。そして、このような検出手法としては、一般に、ＬジェトロおよびＤジェトロと呼ばれる２つの方式が普及している。

ここで、Ｌジェトロ方式とは、吸気路に設置されたエアーフローセンサにて吸入される空気量を検出する方式である。また、Ｄジェトロ方式は、スロットルバルブ下流のインテークマニホールド圧力とエンジン回転数等からシリンダに吸入される空気量を推定する方式である。

Ｄジェトロ方式は、高価なエアーフローセンサの装着が不要であるため、安価である。さらに、Ｄジェトロ方式は、シリンダ直前の圧力を用いて制御を行うことより、運転状態の変化に対する応答性が早いという利点もある。

Ｄジェトロ方式におけるシリンダ吸入空気量を推定する方法の具体例としては、インテークマニホールドの圧力と体積効率とシリンダ体積と温度から、シリンダ内に吸入される空気量を算出するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平０８−３０３２９３号公報 特許第５３２８９６７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
Ｄジェトロ方式は、上述したような利点はあるが、エンジン制御における重要な空気量を直接計測せずに、推定を行っているため、推定される空気量に誤差が生じるという問題がある。

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、湿度にて示される水蒸気が含まれている。そして、気候条件等により、湿度、つまりは空気中に含まれる水蒸気の量が変化する。ここで、特許文献１にて示されるインテークマニホールドの圧力には、空気中に含まれる水蒸気が担っている圧力、つまりは水蒸気分圧が含まれている。

ガソリンエンジンでは、シリンダに供給される空気量にて出力が調整される。そして、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、ピストンによって圧縮されたその混合気に点火し、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、シリンダに供給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、つまりは水蒸気量によっては、エンジンの出力に差が生じるという問題があった。Ｄジェトロ方式でいえば、水蒸気分圧による誤差が生じることになる。

これに対して、Ｄジェトロ方式において、吸気ＶＶＴや排気ＶＶＴを変化させた際の吸入空気量算出誤差を低減させる方法がある（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この特許文献２も、湿度に対する補正はないため、常時、湿度分の誤差を有していることになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、湿度による影響を受けることなく、精度よくエンジン出力の制御を行うことができ、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させることのできる内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法を得ることを目的としている。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出器と、内燃機関の吸気路に設けられたスロットルバルブの下流のインテークマニホールドの圧力を検出するインマニ圧検出器と、内燃機関が吸入する空気の湿度を検出する空気湿度検出器と、空気の温度を検出する空気温度検出器と、内燃機関の環境圧力を大気圧として検出する大気圧検出器と、それぞれの検出器の検出結果に基づいて、エンジン出力を制御するコントローラとを備え、コントローラは、空気湿度検出器により検出された湿度、空気温度検出器により検出された温度、および大気圧検出器により検出された大気圧から、内燃機関が吸入する空気の湿度情報を生成し、インマニ圧検出器により検出された圧力を、生成した湿度情報を用いて補正することで、乾燥空気分圧を算出し、インマニ圧検出器により検出された圧力を湿り空気圧とし、エンジン出力の制御に使用する圧力として、制御要素に応じて、湿り空気圧と乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、エンジン出力を制御するものである。

また、本発明に係る内燃機関の制御方法は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出器と、内燃機関の吸気路に設けられたスロットルバルブの下流のインテークマニホールドの圧力を検出するインマニ圧検出器と、内燃機関が吸入する空気の湿度を検出する空気湿度検出器と、空気の温度を検出する空気温度検出器と、内燃機関の環境圧力を大気圧として検出する大気圧検出器と、それぞれの検出器の検出結果に基づいて、エンジン出力を制御するコントローラとを備えた内燃機関の制御装置において、コントローラにより実行される内燃機関の制御方法であって、コントローラにおいて、空気湿度検出器により検出された湿度、空気温度検出器により検出された温度、および大気圧検出器により検出された大気圧から、内燃機関が吸入する空気の湿度情報を生成する第１ステップと、インマニ圧検出器により検出された圧力を、第１ステップで生成した湿度情報を用いて補正することで、乾燥空気分圧を算出する第２ステップと、インマニ圧検出器により検出された圧力を湿り空気圧とし、エンジン出力の制御に使用する圧力として、制御要素に応じて、湿り空気圧と乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、エンジン出力を制御する第３ステップとを有するものである。

本発明によれば、インマニ圧を湿り空気圧とし、インマニ圧が湿度により受ける影響を湿度情報を用いて補正したものを乾燥空気分圧として算出し、エンジン制御要素に応じて、制御に使用する圧力情報を、湿り空気圧と乾燥空気分圧とで適宜切り替える構成を備えている。この結果、湿度による影響を受けることなく、精度よくエンジン出力の制御を行うことができ、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させることのできる内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関制御装置を概略的に示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係るＥＣＵの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１のある運転状態におけるトルクカーブを示す図である。 本発明の実施の形態１の、先の図３とは異なる、ある運転状態におけるトルクカーブを示すとともに、ノッキング限界を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるＥＣＵで実行される内燃機関の制御方法による一連処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関制御装置を概略的に示す構成図である。図１において、エンジン１の吸気系の上流には、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、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。

さらに、スロットル５下流のサージタンク７およびインテークマニホールド８内を含む空間（以下、インマニと称す）の圧力（以下、インマニ圧と称す）を測定するインマニ圧センサ９、および、インマニ内の空気の温度を測定するインマニ温度センサ１８が設けられている。

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が設けられており、環境温度を検出するための温度センサ３、および環境湿度を検出するための湿度センサ４も設けられている。なお、これらの温度センサ３と湿度センサ４は、エンジンの吸気路やインマニに設けられてもよい。

また、環境圧力や環境温度や環境湿度は、エアコン等の他機器が計測した情報を通信等の手段にて得る方法を採用してもよい。また、温度センサ３および湿度センサ４がインマニに装着される場合には、同じ個所の温度が計測されることより、温度センサ３またはインマニ温度センサ１８のいずれかを省略することも可能である。

湿度センサ４は、一般的に、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、あるいは、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がある。そして、それらの検出方式に関わらず、湿度センサ４にて検出される湿度は、相対湿度である。ここで、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、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および筒内を含む吸気バルブの近傍には、燃料を噴射するためのインジェクタ１０が設けられ、吸気バルブおよび排気バルブには、バルブタイミングを可変するための吸気ＶＶＴ１１および排気ＶＶＴ１２がそれぞれ設けられている。さらに、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、図示しない触媒が設けられている。なお、吸気ＶＶＴ１１と排気ＶＶＴ１２については、片方のみ設けられている場合、あるいはいずれも設けられていない場合がある。

クランク角あるいはエンジン回転数を検出するクランク角センサ１６、上述した各種センサ、および図示しない他のセンサからの検出信号の情報、およびエンジンの始動Ｓ／ＷであるイグニッションＳ／Ｗ（以下ＩＧ−Ｓ／Ｗ）等の情報は、エンジン１の運転状態を示す情報として、マイクロコンピュータやインターフェース回路からなる電子制御装置（以下、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔと称す）２０に入力される。

コントローラに相当するＥＣＵ２０は、入力した運転状態を示す各種データより、目標トルクを算出し、算出した目標トルクを達成する目標吸入空気流量を算出する。さらに、ＥＣＵ２０は、目標吸入空気流量を達成するよう、後述する方法で、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、ＥＣＵ２０は、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、ＥＣＵ２０は、インジェクタ１０、吸気ＶＶＴ１１、排気ＶＶＴ１２、点火コイル１３を含む各種アクチュエータへの指示値も算出する。

次に、本実施の形態１に係るエンジンの制御装置のＥＣＵ２０の構成について、図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係るＥＣＵ２０の概略構成を示すブロック図である。

温度センサ３にて検出され環境温度Ｔｈｒと、湿度センサ４で検出された環境空気の相対湿度Ｈｒと、大気圧センサ１７にて検出された大気圧力Ｐａと、インマニ圧センサ９にて検出されたインマニ圧Ｐｂのそれぞれが、運転状態を示す情報として、ＥＣＵ２０に入力される。

ＥＣＵ２０は、飽和水蒸気圧算出部１０１、水蒸気分圧算出部１０２、モル分率算出部１０３、乾燥空気分圧算出部１０４、燃料噴射量算出部１０５、点火時期算出部１０６、および目標スロットル開度算出部１０７を備えて構成されている。

飽和水蒸気圧算出部１０１は、環境温度Ｔｈｒを入力として、飽和水蒸気圧Ｐｓを算出する。ここで、飽和水蒸気圧とは、ある温度において、水蒸気が飽和状態となるときの水蒸気の圧力のことであり、温度の関数として、例えば、下式（１）で示すテテンスの式にて算出されることが一般的に知られている。なお、下式（１）において、Ｔは温度［℃］であり、飽和水蒸気圧算出部１０１においては、吸気温度Ｔｈｒを示す。

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、上式（１）による算出の代わりに、温度を用いたテーブル設定等による算出でもよい。

水蒸気分圧算出部１０２は、飽和水蒸気圧Ｐｓと相対湿度Ｈｒを入力として、水蒸気分圧Ｐｖを算出する。ここで、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のことであり、飽和水蒸気圧Ｐｓとの関係は、下式（２）にて示される。なお、下式（２）において、Ｈは相対湿度［％ＲＨ］であり、水蒸気分圧算出部１０２においては、相対湿度Ｈｒを示す。

モル分率算出部１０３は、大気圧力Ｐａと水蒸気分圧Ｐｖを入力として、モル分率χｖを算出する。ここで、モル分率とは、水蒸気と湿り空気のモル数の比を示す湿度情報に相当するものであり、つまりは、物質量の比である。モル分率χｖは、水蒸気と湿り空気の物質量の比であるが、一般的に知られているドルトンの法則より、物質量の比は、圧力の比と等しいことより、モル分率χｖは、下式（３）〜（５）にて示される。

なお、下式（３）〜（５）において、ｎｖは水蒸気の物質量、ｎｄは乾燥空気の物質量、ｎｗは湿り空気の物質量、Ｍｖは水蒸気の分子量、Ｍｄは乾燥空気の分子量、ｍｖは水蒸気の質量、ｍｄは乾燥空気の質量である。

乾燥空気分圧算出部１０４は、インマニ圧Ｐｂ、つまりは湿り空気圧Ｐｗと、湿度情報に相当するモル分率χｖを入力として、乾燥空気分圧Ｐｄを算出する。エンジンは、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得ているが、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。従って、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、乾燥空気量である。

スロットルバルブ５にて吸入空気量が絞られた場合、スロットルバルブの下流は、環境大気圧よりも低い圧力になるが、そこに吸入される湿り空気内の乾燥空気量と水蒸気量の比率は、スロットルバルブ通過前と同じである。このため、インマニ圧力において乾燥空気が担う圧力は、上式（５）の関係より、下式（６）にて示される。ここで、Ｐｄは乾燥空気分圧である。

Ｌジェトロ方式による燃料制御や点火制御は、一般的には、エアーフローセンサにて検出される空気量、およびその空気量とエンジン回転数等から算出されるエンジンの充填効率をもとに、計算式、あるいはあらかじめ設定されたマップを用いて行われる。

一方、Ｄジェトロ方式では、インマニ圧とエンジン回転数からあらかじめ設定されたマップを用いて算出する方法、あるいは、例えば、特許文献１の計算式からインマニ圧を用いて吸入空気量を算出し、Ｌジェトロ方式と同様の方法にて燃料制御や点火制御が行われる方法のものがある。

以下の燃料噴射量算出部１０５および点火時期算出部１０６の説明は、インマニ圧から算出された吸入空気量を用いて制御を行う方法を例としている。そして、この場合の吸入空気量Ｑｖｔｈは、インマニ圧から、例えば、下式（７）にて算出される。ここで、Ｐはインマニの圧力、Ｋｖは体積効率補正係数、Ｖｃｙｌはシリンダ容積、Ｔｓｇｔはエンジンの制御に用いる基準クランク角度間の周期、Ｒはガス定数、Ｔｂはインマニの温度である。

例えば、体積効率補正係数Ｋｖは、エンジン回転とインマニ圧から算出させるものであり、あらかじめ計測された結果がマップとして設定されており、エンジン回転とインマニ圧による種々の運転条件における体積効率の補正係数を示すものである。

従来の技術では、上式（７）におけるインマニの圧力をＰｂ、つまりは湿り空気圧であるＰｗを用いていたため、湿度による誤差を有していた。これに対して、本実施の形態１では、上式（６）にて算出される乾燥空気分圧Ｐｄを用いることにより、乾燥空気量Ｑｄが算出できる。この結果、湿度による誤差をなくすことができる。

燃料噴射量算出部１０５は、乾燥空気分圧Ｐｄおよび各種運転情報を入力として、燃料噴射量、つまりはインジェクタ１０の駆動量を算出し、出力する。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の比（以下Ａ／Ｆ）と、運転中の吸入空気量をもとに算出されることが、一般的な技術として知られている。

そこで、本実施の形態１では、この燃料噴射量を算出するために用いる空気量として、燃焼に寄与する乾燥空気量Ｑｄを採用することにより、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。

エンジンの排気路には、一般に、排気ガスの浄化を目的とした触媒が装着されており、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。乾燥空気量により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ため、湿度の影響による燃料量、つまりは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。

点火時期算出部１０６は、乾燥空気量Ｑｄおよびモル分率χｖを入力として、点火時期、つまりは点火コイル１３の駆動タイミングを算出し、出力する。エンジン制御での点火コイル１３およ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もとに算出されることが、一般的な技術として知られている。そこで、点火時期算出部１０６内には、各エンジン回転数と充填効率における最適な点火時期が、あらかじめ計測されマップとして記憶されている。

ここでいう最適な点火時期とは、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）もしくは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、をいうことが一般的である。本実施の形態１においては、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Ｑｄ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３は、本発明の実施の形態１のある運転状態におけるトルクカーブを示す図である。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、つまりは吸入空気量、Ａ／Ｆ、およ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、すべて一定にした状態にて、点火時期のみを変化させたとき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。

上に凸のトルクカーブにおいて、トルクが最大となる点火時期のことを、上述したＭＢＴという。例えば、図３に示す実線のトルクカーブＣ＿ｄｒｙは、あるエンジン回転数および充填効率において、エンジンに吸入する空気が乾燥空気の状態に計測したものである。このときのＭＢＴは、ＳＡ＿ｄｒｙであり、ＭＢＴのときにエンジンの発生するトルクは、Ｔｒｑ＿ｄｒｙである。

エンジン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、高湿度の吸入空気にてトルクカーブを計測したものが、点線で示したＣ＿ｗｅｔである。このときのＭＢＴは、ＳＡ＿ｗｅｔであり、ＭＢＴのときにエンジンの発生するトルクは、Ｔｒｑ＿ｗｅｔである。

図３に示すように、乾燥空気時に比べ、高湿度化により、出力トルクは低下し、ＭＢＴは進角している。これは、湿度増加により、エンジンに吸入される乾燥空気量が減少しているためであり、高湿度空気時のトルクカーブＣ＿ｗｅｔは、乾燥空気での運転中にスロットルバルブ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。

つまり、点火時期算出に用いる充填効率は、乾燥空気量をもと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にて制御することが可能になる。

乾燥空気にて点火時期マップの計測および設定が行われているとするならば、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、このとき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る。

この結果、図３に示したＴｒｑ＿ｌｏｓｓ分のトルクロスが発生し、燃費の悪化を招くことになる。これに対して、本実施の形態１では、湿度補正により、乾燥空気量での充填効率にて点火時期を算出している。このことにより、ＭＢＴ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４は、本発明の実施の形態１の、先の図３とは異なる、ある運転状態におけるトルクカーブを示すとともに、ノッキング限界を示す図である。乾燥空気においては、点火時期をＢＬＤ＿ｄｒｙまで進角させると、エンジンの性能および耐久性を考慮したときに、許容ができないレベルのノッキング現象が発生する。すなわち、ＢＬＤ＿ｄｒｙは、ノッキング限界の点火時期を示しており、このとき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、もしくは、エンジンや環境条件ばらつき等を考慮したさらに遅角側の値が設定されることになる。一般的に、エンジンの高負荷運転域では、ＭＢＴよりも遅角側にて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にて、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とにより、ノッキング限界の点火時期は、進角側であるＢＬＤ＿ｗｅｔに変化し、このときのエンジンの発生するトルクは、Ｔｒｑ＿ｋ＿ｗｅｔまで上昇する。

つまり、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、点火時期をさらに進角させることが可能である。そして、点火時期をさらに進角させることにより、燃費を改善することが可能である。

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、さらに進角させることが可能である。このことより、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を補正することにより、さらに燃費を改善できる効果もある。

この補正値、つまり進角量は、高湿度化に伴って大きくなるものである。従って、湿度情報、例えばモル分率χｖと進角量の関係をあらかじめ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。このことより、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。

図２の説明に戻り、目標スロットル開度算出部１０７は、インマニ圧Ｐｂ、つまりは湿り空気圧Ｐｗ、およびモル分率χｖを入力として、目標吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を算出し、出力する。

エンジン制御でのスロットル５による空気量は、前述の通り、例えば、入力された各種データ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、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。下式（８）にて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る。また、本発明では、大気圧力Ｐｄｗｎはスロットルバルブの下流圧力であり、インマニ圧力である。

上式（８）を有効開口面積Ｓｔｈについて整理すると、下式（９）を得る。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り、圧力比Ｐｄｗｎ／Ｐｕｐが臨界圧力比（空気の場合には、約０．５２８に相当する値）以下では、臨界圧力比時の無次元流量σの値の一定値であり、下式（１０）で示される。

有効開口面積からスロットルの開度を算出するには、スロットルバルブ部の形状をもとに、物理的計算式によるモデルを用いてもよいし、計算および実測結果をもとにあらかじ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にて算出する必要がある。その一方で、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、つまりは湿り空気量にて算出する必要がある。上式（８）にて示す流量Ｑｖｔｈは、体積流量であるが、モル数の比は、体積比と同じである。このことより、下式（１１）にて、乾燥空気の体積流量Ｑｖｄとモル分率χｖから、湿り空気の体積流量Ｑｖｗ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できる。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。

このように、制御要素により、使用する圧力を乾燥空気分圧と湿り空気圧で適切に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。

次に、本実施の形態１における一連の制御処理について、フローチャートを用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態１におけるＥＣＵ２０で実行される内燃機関の制御方法による一連処理を示すフローチャートである。図５に示したフローチャートの処理は、ＥＣＵ２０内にある演算処理装置が、記憶装置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、一定の演算周期毎に繰り返し実行されるものである。

まず、ステップＳ５０１において、ＥＣＵ２０は、飽和水蒸気圧算出部１０１と水蒸気分圧算出部１０２の処理を行う。具体的には、飽和水蒸気圧算出部１０１の処理により、吸気温度Ｔａｆｓから飽和水蒸気圧Ｐｓを算出し、水蒸気分圧算出部１０２の処理により、相対湿度Ｈａｆｓと飽和水蒸気圧Ｐｓから水蒸気分圧Ｐｖを算出する。

次に、ステップＳ５０２において、ＥＣＵ２０は、モル分率算出部１０３の処理を行う。具体的には、モル分率算出部１０３の処理により、大気圧Ｐａと水蒸気分圧Ｐｖから湿度情報に相当するモル分率χｖを算出する。

次に、ステップＳ５０３において、ＥＣＵ２０は、乾燥空気分圧算出部１０４の処理を行う。具体的には、乾燥空気分圧算出部１０４の処理により、インマニ圧センサＰｂとモル分率χｖから乾燥空気分圧Ｐｄを算出する。

次に、ステップＳ５０４において、ＥＣＵ２０は、燃料噴射量算出部１０５、点火時期算出部１０６、および目標スロットル開度算出部１０７の処理を行う。具体的には、燃料噴射量算出部１０５の処理により、乾燥空気分圧Ｐｄから燃料噴射量を算出し、点火時期算出部１０６の処理により、乾燥空気分圧Ｐｄ、または乾燥空気分圧Ｐｄとモル分率χｖから点火時期を算出し、目標スロットル開度算出部１０７の処理により、湿り空気圧Ｐｗとモル分率χｖから目標スロットル開度を算出する。

以上のように、実施の形態１に係る内燃機関の制御装置によれば、湿度により影響を受ける湿り空気圧の補正を行い、補正後の湿り空気圧から乾燥空気分圧を算出し、エンジン制御の要素によって、使用する圧力を、湿り空気圧と乾燥空気分圧のいずれかに切り替える構成を備えている。

より具体的には、燃料噴射量と点火時期の算出に当たっては、乾燥空気分圧を採用し、目標スロットル開度の算出に当たっては、湿り空気圧を採用するように、使用圧力を切り替える構成を備えている。さらに、点火時期に関しては、湿度情報を用いて、湿度が高い時には点火時期を進角側に補正する構成を備えている。

この結果、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な内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法を実現できる。

１ エンジン、３ 温度センサ、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、１８ インマニ温度センサ、２０ ＥＣＵ（コントローラ）。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気路に設けられたスロットルバルブの下流のインテークマニホールドの圧力を検出するインマニ圧検出器と、内燃機関が吸入する空気の相対湿度を検出する空気湿度検出器と、空気の温度を検出する空気温度検出器と、内燃機関の環境圧力を大気圧として検出する大気圧検出器と、それぞれの検出器の検出結果に基づいて、エンジン出力を制御するコントローラとを備え、コントローラは、空気湿度検出器により検出された相対湿度、空気温度検出器により検出された温度、および大気圧検出器により検出された大気圧から、内燃機関が吸入する空気の湿度情報を大気圧と水蒸気分圧の比で表されるモル分率として生成し、インマニ圧検出器により検出された圧力を、生成した湿度情報を用いて補正することで、乾燥空気分圧を算出し、インマニ圧検出器により検出された圧力を湿り空気圧とし、エンジン出力の制御に使用する圧力として、エンジン出力を調整するための制御要素に応じて、湿り空気圧と乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、エンジン出力を制御し、制御要素が点火時期の場合には、乾燥空気分圧を使用して点火時期を算出し、モル分率があらかじめ決められた閾値よりも高い場合には、点火時期を進角側に補正するものである。

また、本発明に係る内燃機関の制御方法は、内燃機関の吸気路に設けられたスロットルバルブの下流のインテークマニホールドの圧力を検出するインマニ圧検出器と、内燃機関が吸入する空気の相対湿度を検出する空気湿度検出器と、空気の温度を検出する空気温度検出器と、内燃機関の環境圧力を大気圧として検出する大気圧検出器と、それぞれの検出器の検出結果に基づいて、エンジン出力を制御するコントローラとを備えた内燃機関の制御装置において、コントローラにより実行される内燃機関の制御方法であって、コントローラにおいて、空気湿度検出器により検出された相対湿度、空気温度検出器により検出された温度、および大気圧検出器により検出された大気圧から、内燃機関が吸入する空気の湿度情報を大気圧と水蒸気分圧の比で表されるモル分率として生成する第１ステップと、インマニ圧検出器により検出された圧力を、第１ステップで生成したモル分率を用いて補正することで、乾燥空気分圧を算出する第２ステップと、インマニ圧検出器により検出された圧力を湿り空気圧とし、エンジン出力の制御に使用する圧力として、エンジン出力を調整するための制御要素に応じて、湿り空気圧と乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、エンジン出力を制御する第３ステップと、制御要素が点火時期の場合には、乾燥空気分圧を使用して点火時期を算出し、モル分率があらかじめ決められた閾値よりも高い場合には、点火時期を進角側に補正する第４ステップとを有するものである。

Claims (7)

1. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出器と、
   前記内燃機関の吸気路に設けられたスロットルバルブの下流のインテークマニホールドの圧力を検出するインマニ圧検出器と、
   前記内燃機関が吸入する空気の湿度を検出する空気湿度検出器と、
   前記空気の温度を検出する空気温度検出器と、
   前記内燃機関の環境圧力を大気圧として検出する大気圧検出器と、
   それぞれの検出器の検出結果に基づいて、エンジン出力を制御するコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記空気湿度検出器により検出された前記湿度、前記空気温度検出器により検出された前記温度、および前記大気圧検出器により検出された前記大気圧から、前記内燃機関が吸入する前記空気の湿度情報を生成し、
   前記インマニ圧検出器により検出された前記圧力を、生成した前記湿度情報を用いて補正することで、乾燥空気分圧を算出し、
   前記インマニ圧検出器により検出された前記圧力を湿り空気圧とし、前記エンジン出力の制御に使用する圧力として、制御要素に応じて、前記湿り空気圧と前記乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、前記エンジン出力を制御する
   内燃機関の制御装置。
2. 前記空気湿度検出器は、前記湿度を相対湿度として検出し、
   前記コントローラは、前記相対湿度に基づいて、前記大気圧と水蒸気分圧の比で表されるモル分率を算出し、算出した前記モル分率を前記湿度情報とする
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記コントローラは、前記制御要素が燃料噴射量の場合には、前記乾燥空気分圧を使用して前記燃料噴射量を算出する
   請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記コントローラは、前記制御要素が点火時期の場合には、前記乾燥空気分圧を使用して前記点火時期を算出する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記コントローラは、前記湿度情報があらかじめ決められた閾値よりも高い場合には、前記点火時期を進角側に補正する
   請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記コントローラは、前記制御要素が、吸入空気量を調整するために電気的に開度の調整が可能な電子制御スロットルの目標スロットル開度である場合には、前記内燃機関の要求トルクを実現するための目標吸入空気量を、前記湿度情報を用いて補正し、前記湿度情報により補正された前記目標吸入空気量と前記湿り空気圧を用いて前記目標スロットル開度を算出する
   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。
7. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出器と、
   前記内燃機関の吸気路に設けられたスロットルバルブの下流のインテークマニホールドの圧力を検出するインマニ圧検出器と、
   前記内燃機関が吸入する空気の湿度を検出する空気湿度検出器と、
   前記空気の温度を検出する空気温度検出器と、
   前記内燃機関の環境圧力を大気圧として検出する大気圧検出器と、
   それぞれの検出器の検出結果に基づいて、エンジン出力を制御するコントローラと
   を備えた内燃機関の制御装置において、前記コントローラにより実行される内燃機関の制御方法であって、
   前記コントローラにおいて、
   前記空気湿度検出器により検出された前記湿度、前記空気温度検出器により検出された前記温度、および前記大気圧検出器により検出された前記大気圧から、前記内燃機関が吸入する前記空気の湿度情報を生成する第１ステップと、
   前記インマニ圧検出器により検出された前記圧力を、前記第１ステップで生成した前記湿度情報を用いて補正することで、乾燥空気分圧を算出する第２ステップと、
   前記インマニ圧検出器により検出された前記圧力を湿り空気圧とし、前記エンジン出力の制御に使用する圧力として、制御要素に応じて、前記湿り空気圧と前記乾燥空気分圧のいずれか一方を選択することで、前記エンジン出力を制御する第３ステップと
   を有する内燃機関の制御方法。

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