JP6121567B2 - 湿度計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の内燃機関に吸入される吸入空気の湿度を計測する湿度計測装置に関する。

湿度センサは、結露や水の飛沫を浴びることによってセンサ素子表面に水滴が付着すると、気体の正しい湿度の検出が困難になる。例えば特許文献１には、湿度センサのセンサ素子表面に結露が生じると静電容量値が極端に変動するので、その変動を監視することによってセンサ素子表面の結露を検出できる旨が記載されている。

特開２００６−３１０９０号公報

しかしながら、湿度センサは、センサ素子表面に水滴が付着していると湿度１００％付近の値を示すので、値の変動だけを監視していても、その値が水滴の付着によるものなのか、それとも気体が本当に高湿度の状態にあるのかを判断することはできない。さらに、一度水滴がセンサ素子表面を覆ってしまうと、水滴がなくなるまで気体の湿度を検出することはできず、湿度センサが示す検出値が何時有効で、何時無効なのかがわからない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、湿度センサの検出値が有効であるか否かを判定することができる湿度計測装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明の湿度計測装置は、内燃機関の吸入空気の湿度を計測する湿度計測装置であって、前記湿度を検出するセンサ素子の表面に水滴が付着しているか否かを、前記吸入空気の湿度と温度の変化に基づいて判定する水滴付着判定手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、湿度の計測値が有効であるか否かを正確に判定することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態の湿度計測装置が適用されるエンジン制御システムの概略図。 本発明に係わる湿度計測装置の一実施形態を説明する機能ブロック図。 相対湿度センサの構成の一例を示す図。 温度センサの構成の一例を示す図。 吸入空気の乾球温度と絶対湿度と相対湿度の関係を示す空気線図。 相対湿度の変化と温度の変化との関係を示すグラフ。 湿度と結露判定値の時間変化を示すグラフ。 結露有りと無しの温湿度と、該温湿度から求めた絶対湿度を示すグラフ。 本発明に係わる湿度計測装置の変形例を説明する機能ブロック図。 本発明に係わる湿度計測装置の第２実施形態を説明する機能ブロック図。 第２実施形態の湿度計測装置が適用されるエンジン制御システムの概略図。

次に、本発明の実施形態について図面を用いて以下に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の湿度計測装置が適用されるエンジン制御システムの概略図、図２は、本発明に係わる湿度計測装置の一実施形態を説明する機能ブロック図である。

湿度計測装置は、自動車のエンジン制御システム１に組み込まれている。エンジン制御システム１は、図１に示すように、内燃機関であるエンジン本体２と、エンジン本体２に吸入空気を供給するための吸気通路３と、エンジン本体２から排気ガスを排出するための排気通路４を有している。吸気通路３は、その途中位置にターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが介装されており、コンプレッサ１２ａよりも上流側の位置にエアフローセンサ１１が配置されている。そして、コンプレッサ１２ａよりも下流側の位置にインタクーラ１３、電制スロットル弁１４、過給圧センサ等が配置されている。

排気通路４は、その途中位置にターボチャージャ１２のタービン１２ｂが介在されており、タービン１２ｂの下流側の位置に触媒１５とマフラー１６が配置されている。エンジン本体２には、燃焼室内に燃料を噴射する高圧燃料インジェクタ１７や、不図示の点火プラグが取り付けられている。また、エンジン回転数を検出するクランク角センサやエンジン本体の冷却水温を検出する水温センサ等が取り付けられている。

エアフローセンサ１１は、吸入空気の流量を検出する流量センサを備えており、さらに吸入空気の湿度を検出するための湿度センサ２１と、吸入空気の温度を検出するための温度センサ３１（図２を参照）を備えている。すなわち、本実施の形態では、湿度センサ２１と温度センサ３１は、エアフローセンサ１１に設けられている。

エアフローセンサ１１、クランク角センサ、水温センサ等の各センサ信号は、エンジン制御システム１の制御コンピュータであるＥＣＵ１８に入力され、点火時期制御や燃料噴射制御などのエンジン運転制御に用いられる。

エアフローセンサ１１は、図２に示すように、信号処理部４１と水滴付着判定部５１を有している。信号処理部４１は、湿度センサ２１の信号と温度センサ３１の信号を処理して湿度情報と温度情報を生成し、ＥＣＵ１８に出力する処理を行う。水滴付着判定部５１は、湿度センサ２１および温度センサ３１の各出力信号に基づいて、湿度センサ２１のセンサ素子の表面に水滴が付着しているか否かを判定し、その判定結果をＥＣＵ１８に出力する。ＥＣＵ１８は、湿度情報と温度情報に基づいて絶対湿度を計算する絶対湿度計算部６１を有している。絶対湿度計算部６１により計算された絶対湿度と判定結果は、ＥＣＵ１８における種々のエンジン運転制御に用いられる。

本実施形態では、エアフローセンサ１１の相対湿度センサ２１、温度センサ３１、信号処理部４１、水滴付着判定部５１と、ＥＣＵ１８の絶対湿度計算部６１により、本発明の湿度計測装置が構成されている。なお、図９に示すように、水滴付着判定部５１を、エアフローセンサ１１ではなく、ＥＣＵ１８に設けてもよい。

図３は、相対湿度センサの構成の一例を示す図であり、図３（ａ）は相対湿度センサの正面図、図３（ｂ）は断面図である。そして、図４は、温度センサの構成の一例を示す図である。相対湿度センサ２１と温度センサ３１は、公知のものを用いることができる。

湿度センサ２１は、静電容量式の相対湿度センサであり、湿度を検出するセンサ素子２２を有している。センサ素子２２は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、シリコン基板２３の上面にくし型の電極対２５、２５が設けられ、その上を吸湿性の高分子ポリマー膜２６で覆われた構造を有している。電極対２５、２５の静電容量は、高分子ポリマー膜２６の吸湿によって変化する。この静電容量変化は、相対湿度と高い相関があり、静電容量を計測すれば相対湿度が検出できる。電極の構造には、複数のタイプがあり、ポリマーを上下の電極で挟んだ構成のものもある。高分子ポリマー膜２６の上面には、保護膜２７が設けられており、保護膜２７の外側を吸入空気が通過し、高分子ポリマー膜２６に水分子２８が吸湿される。この保護膜２７の表面が湿度センサ２１のセンサ素子２２の表面になり、吸入空気に含まれた水滴飛沫や結露によって水滴が付着する可能性がある。

温度センサ３１は、湿度センサ２１の近傍の温度を測定するために、湿度センサ２１の近傍に設けられる。温度センサ３１は、例えば図４にその回路構成の一例を示すように、バンドギャップ式の半導体温度センサを用いることができる。

次に、水滴付着判定部５１における判定処理について詳細に説明する。
水滴付着判定部５１は、センサ素子２２の表面に水滴が付着しているか否かを、吸入空気の湿度と温度の変化に基づいて判定する。本実施形態では、下記の式（１）で示された条件を予め設定された判定時間以上継続したときに、センサ素子２２の表面に水滴が付着していると判定する。

ここで、ΔＴは温度の変化率、ΔＲＨは相対湿度の変化率、Ｉｄは温度の変化率ΔＴと相対湿度の変化率ΔＲＨに基づいて算出される判定値であるインデックス、Ｔｈ_Idは閾値である。

水滴付着判定部５１は、上記式（１）に示すように、温度の変化率ΔＴと相対湿度ΔＲＨの変化率に基づいてインデックスＩｄを算出し、インデックスＩｄと閾値Ｔｈ_Idとを比較して、インデックスＩｄが閾値ＴｈＩｄよりも大きいか否かを判断する。そして、インデックスＩｄが閾値ＴｈＩｄよりも大きい状態が判定時間以上継続している場合に、センサ素子２２の表面に水滴が付着していると判定する。

図５は、吸入空気の乾球温度と絶対湿度と相対湿度の関係を示す空気線図、図６は、相対湿度の変化と温度の変化との関係を示すグラフ、図７は、湿度と結露判定値の時間変化を示すグラフ、図８は、結露有りと無しの温湿度と、該温湿度から求めた絶対湿度を示すグラフである。

温度と相対湿度は、図５の空気線図に示すように、空気中の水分量が一定であるときの温度の変化と相対湿度の変化は互いに常に逆となり、温度が上がれば相対湿度は減少し、温度が下がれば相対湿度は増加し、センサ素子２２の表面に水滴が付着しない限り、一定の関係がある。

したがって、例えば図８に示すように、センサ素子２２の表面に結露が発生していない場合には、相対湿度と温度に基づいて正確な絶対湿度を計測することができる。一方、センサ素子２２の表面に結露が発生した場合には、相対湿度が１００％に張り付いてしまうので、かかる相対湿度を用いて求めた絶対湿度にもエラーが生じている。また、結露すると、すぐに正常な値に復帰することができないことがわかる。

水滴付着判定部５１は、センサ素子２２の表面に水滴が付着しているか否かを、吸入空気の湿度と温度の変化に基づいて判定している。エンジン運転中は、吸入空気の温度Ｔが常に変化しているとみなすことができ、温度の変化率ΔＴは、一定値以上になる。一方、湿度センサ２１の検出値は、センサ素子２２の表面に水滴が付着すると相対湿度１００％を示し、温度の検出値は変化しているにもかかわらず、相対湿度の検出値だけが変化しない状態（ΔＲＨ≒０）となり、温度と相対湿度の関係が崩れる。例えば図６に示す例では、結露が発生した後の実際の相対湿度は破線で示すように温度と一定の関係を保って変化しているが、湿度センサ２１の検出値は相対湿度１００％に固定されたままで殆ど変化しなくなり、温度の変化に対する湿度の変化がなくなる。

したがって、温度の変化率ΔＴを相対湿度の変化率ΔＲＨで割ることにより算出したインデックスＩｄは、センサ素子２２の表面に水滴が付着すると、急激に大きな値に変化する。ただし、インデックスＩｄは、外乱により瞬間的に大きな値になるスパイクが発生するおそれがあることから、継続性を判断するために、閾値Ｔｈ_Idよりも大きい状態が判定時間以上継続したか否かを判断している。そして、インデックスＩｄが閾値Ｔｈ_Idよりも大きい状態が判定時間以上継続している場合に、センサ素子２２の表面に水滴が付着していると判定している。

例えば図７に示す例では、時刻ｔ１にて吸入空気の相対湿度ＲＨが１００％付近の値であるが、インデックスＩｄが閾値Ｔｈ_Id以下の範囲に入っているので、湿度センサ２１の検出値が有効であると判断することができる。

そして、時刻ｔ２で結露が発生してセンサ素子２２の表面に水滴が付着すると、湿度センサ２１の検出値は相対湿度１００％を示し、時刻ｔ３で吸入空気の相対湿度が低下しても、湿度センサ２１の検出値はそのまま１００％に保持される。したがって、時刻ｔ２から温度と相対湿度との関係が崩れ、インデックスＩｄは急激に大きな値に変化する。そして、閾値Ｔｈ_Idよりも大きい状態が判定時間以上継続することによって、センサ素子２２の表面に水滴が付着していると判定することができ、湿度センサ２１による相対湿度の検出値が無効であると判断することができる。

また、例えば時刻ｔ３でセンサ素子２２の表面から水滴が離れた場合、湿度センサ２１の検出値が再び変化し始めて、インデックスＩｄは、一定の基準値に復帰する。したがって、湿度センサ２１の検出値が有効であると判断することができる。

湿度センサ２１や温度センサ３１は、温度や湿度によって自身の反応速度や精度が異なる。したがって、温度や湿度に応じて判定条件を変えることにより、広い温度範囲で水滴付着判定が可能になる。

例えば、水滴付着判定部５１は、上記の式（１）の条件の代わりに、下記の式（２）で示された条件を予め設定された判定時間以上継続したときに、センサ素子２２の表面に水滴が付着していると判定してもよい。

ここで、Ｋｔ、Ｋｒｈは、固定定数又は温度と湿度の少なくとも一方から定まる係数である。このように、係数Ｋｔ、Ｋｒｈを用いることにより、例えば温度と湿度が異なる応答速度である場合に有効である。

また、上記した式（１）、式（２）で用いられる閾値Ｔｈ_Idは固定値である場合を例に説明したが、下記の式（３）で示すように、温度と相対湿度の少なくとも一方に基づいて設定される関数としてもよい。

同様に、上記した例では、判定時間も固定値である場合を例に説明したが、温度と相対湿度の少なくとも一方に基づいて設定される関数としてもよい。

また、エンジン本体の冷却水温に応じて判定条件を設定してもよい。例えば冷却水温が低い場合は湿度センサ２１も冷えており、センサ素子２２の表面に、より結露が発生しやすくなっており、逆に冷却水温が高い暖機後であれば結露は発生しづらくなっている。したがって、冷却水温に応じて閾値や判定時間、係数などの判定条件を可変にすることによって、広い温度範囲で水滴付着判定を行うことができる。

また、水滴付着判定の実施条件を設定してもよい。例えば、車両走行中は、温度と湿度が変化しやすい状況であるので、車両走行中に水滴付着判定を実施することにより、判定精度を向上させることができる。また、エンジン運転中や運転停止後一定期間内も、温度と湿度が変化しやすい状況であり、その他の外乱も小さい状況であるので、エンジン運転中や運転停止後一定期間内に、水滴付着判定を実施することにより、判定精度を向上させることができる。また、結露の発生しやすい状況である冷却水温が低い場合に水滴付着判定を実施することにより、判定精度を向上させることができる。

また、水滴付着判定部５１が水滴付着判定に用いた条件を過去の判定情報としてＥＣＵ１８等の記憶手段に記憶しておき、水滴付着判定を行う際に、記憶手段に記憶されている過去の判定情報と比較して、用いる条件を補正してもよい。例えば、水滴付着判定部５１が水滴付着判定に用いたインデックスＩｄと、閾値Ｔｈ_Idと、判定時間の少なくとも一つを過去の判定情報としてＥＣＵ１８などの記憶手段に記憶しておき、水滴付着判定部５１で判定を行う際に、記憶手段に記憶されている過去の判定情報と比較して、今回の判定に用いるインデックスＩｄと、閾値Ｔｈ_Idと、判定時間の少なくとも一つを補正する。
結露のしやすさは車両やエアフィルタの吸湿性などに応じて異なるので、車両自身の過去のインデックスＩｄを記憶しておき、インデックスＩｄが大きく変化したときのみ水滴付着判定を実施すれば、判定の確実性が向上する。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明する。
図１０は、本発明に係わる湿度計測装置の第２実施形態を説明する機能ブロック図、図１１は、第２実施形態の湿度計測装置が適用されるエンジン制御システムの概略図である。第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施形態において特徴的なことは、圧力が変化する吸入空気の湿度を検出する湿度センサの検出値が有効であるか否かを判定することである。

湿度センサ７１は、図１０に示すように、吸気通路３のターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａとインタクーラ１３との間に設けられており、ターボチャージャ１２によって加圧された吸入空気の相対湿度を検出する。

絶対水分量計算部６２と水滴付着判定部５２は、図１１に示すように、例えばＥＣＵ１８内に設けられており、絶対水分量計算部６２は、吸入空気の温度と相対湿度に基づいて空気中の水分量である絶対水分量（水蒸気量）を算出する。そして、水滴付着判定部５２は、絶対水分量が、吸入空気の圧力に応じて設定される閾値よりも大きく変化しているか否かを判断し、閾値よりも大きく変化している場合には、湿度センサ７１のセンサ素子の表面に水滴が付着していると判定する。

本実施形態によれば、圧力が変化する吸入空気の湿度を検出する湿度センサ７１のセンサ素子の表面に水滴が付着しているか否かを判定することができ、湿度センサ７１の検出値が有効であるか否かを判定することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ エンジン制御システム
２ エンジン本体（内燃機関）
２１、７１ 湿度センサ
２２ センサ素子
３１ 温度センサ
５１、５２ 水滴付着判定部
６１ 絶対湿度計算部
６２ 絶対水分量計算部

Claims (9)

1. 内燃機関の吸入空気の湿度を計測する湿度計測装置であって、
   前記湿度を検出するセンサ素子の表面に水滴が付着しているか否かを、前記吸入空気の湿度と温度の変化に基づいて判定する水滴付着判定手段を有し、
   前記水滴付着判定手段は、前記温度の変化率と相対湿度の変化率に基づいて判定値を算出し、該判定値と閾値とを比較して、前記判定値が前記閾値よりも大きい状態が判定時間以上継続した場合に前記センサ素子の表面に水滴が付着していると判定することを特徴とする湿度計測装置。
2. 前記水滴付着判定手段は、前記吸入空気の相対湿度と温度の少なくとも一方に基づいて前記閾値を設定することを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
3. 前記水滴付着判定手段は、前記内燃機関の冷却水温に応じて前記閾値を設定することを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
4. 前記水滴付着判定手段は、前記内燃機関の冷却水温が予め設定された基準水温よりも低い場合に前記判定を実施することを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
5. 前記水滴付着判定手段は、前記吸入空気の相対湿度と温度の少なくとも一方に基づいて前記判定時間を設定することを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
6. 前記水滴付着判定手段は、前記内燃機関の冷却水温に応じて前記判定時間を設定することを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
7. 前記水滴付着判定手段により前記判定に用いられた前記判定値と前記閾値と前記判定時間の少なくとも一つを、過去の判定情報として記憶する記憶手段を有し、
   前記水滴付着判定手段は、前記記憶手段に記憶されている過去の判定情報と比較して今回の判定に用いる前記判定値と前記閾値と前記判定時間の少なくとも一つを補正することを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
8. 前記水滴付着判定手段は、前記内燃機関が運転中または運転停止後から一定期間内に前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。
9. 前記内燃機関は、車両に搭載されており、
   前記水滴付着判定手段は、前記車両が走行中であることを条件に前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の湿度計測装置。

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