JP6501902B2

JP6501902B2 - 内燃機関制御装置

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Publication number: JP6501902B2
Application number: JP2017547699A
Authority: JP
Inventors: 浩昭星加; 丈夫細川
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: JPWO2017073273A1; WO2017073273A1; US10519891B2; US20180328302A1

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気の湿度計測に好適な検出装置に関する。

内燃機関の吸気部分に湿度を検出するセンサを取り付け、この情報を電子制御式の制御装置で処理して内燃機関を制御する方法は排気や燃費の改善策として広く利用されている。また空気の湿度検出方法も様々な原理があり、特許文献１のような放熱を利用する熱式湿度センサや、特許文献２のように高分子の中に水分が侵入して誘電率が変化し、これを静電容量として検出する相対湿度センサなどがある。

内燃機関の制御では水分の絶対量、つまり絶対湿度の把握が重要である。熱式湿度センサは直接絶対湿度を検出しているが、相対湿度センサを使用する場合は相対湿度とその場所の温度から絶対湿度を算出している。また、内燃機関で湿度センサをどの場所に取り付けるのかも特許文献３及び４に示すように様々な方法が考案されている。

特許第5628236号特許第05516505号特開2002-195114号公報特開2004-360495号公報

大気環境の温湿度を測定する場合と比べ、内燃機関内の吸気経路中で使用される湿度センサはその測定環境が様々に変化する。また、湿度の計測場所は単一ではなく複数の場所に設ける場合もある。たとえば過給機付の機関では、圧縮されて高温になった空気を冷却するインタクーラーで結露が発生して水分が水蒸気から液滴の水になって絶対湿度が変化するし、過給器後の吸気温度や圧力も急変する。また、EGR付の機関では排気ガスに含まれる水分が吸気に合流しかつ、急変もする。さらに、多くの場合これらは複合的に発生する。

大気の湿度を検出する場合は圧力、温度ともに急変はしないため、応答は遅いが精度の高い静電容量式の相対湿度センサが広く利用されるが、このセンサを過給器下流や、EGRガス混合後に使用すると、応答性が不足するため正しく絶対湿度が算出できない。一方、熱式湿度センサは微小な空間の放熱現象を測定しておりセンサの温度依存性がないことから応答性に優れるが、抵抗体を高温動作させるため、少しずつ特性が変化するリスクがある。また、単一の湿度センサを使用しただけでは湿度計測精度が低下していることを判別する手段がない問題がある。

本発明の目的は、これらの課題を解決する高精度・高応答で診断の容易な湿度検出手段を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
その一例を挙げるならば、大気または該大気に排気ガスが混合された混合ガスの湿度を検出するセンサを少なくとも２個以上を内燃機関の吸気通路の流れ途中に具備し、これらの少なくとも１個は前記大気または混合ガスの相対湿度を検出する相対湿度センサであり、他の少なくとも１個は前記大気または混合ガスの絶対湿度を検出する絶対湿度センサであり、前記相対湿度センサが前記絶対湿度センサよりも流れの上流に配置される内燃機関制御装置であって、吸入する大気の相対湿度及び前記大気の温度を測定し、前記相対湿度と前記温度の測定結果から前記大気の絶対湿度を算出し、該絶対湿度で前記絶対湿度センサの測定値を調整する。

本発明によれば、高精度・高応答で診断の容易な湿度検出手段を提供することが可能となる。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。

内燃機関の構成を示す図。相対湿度、温度、混合比の関係を示す図。熱式絶対湿度センサの構成を示す図。熱式絶対湿度の回路を示す図。熱式絶対湿度センサの特性を示す図。静電容量式相対湿度センサの構成を示す図。静電容量式相対湿度センサとその温度センサの特性を示す図。静電容量式相対湿度センサとその温度センサの応答特性を示す図。車両が走行中の第一の湿度センサ部の空気の温湿度及び混合比を示す図。車両が走行中の第二の湿度センサ部の空気の温湿度及び混合比を示す図。 EGRシステムを具備する内燃機関の構成を示す図。湿度センサの調整を行う場合のフローチャート。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
まず本発明の前提として、以下に述べる実施例が利用される内燃機関の構成を図１を用いて説明する。なお図１は様々な構成がとられる内燃機関の一例を示したものであり、記載される補機類などの配置や構成が異なっていても、記載されていない補機が接続されていても、あるいは記載している補機が使用されていなくても本発明の効果は同一であるし、ガソリン機関であっても、ディーゼル機関であっても本発明の効果は同じである。

エアクリーナーからの吸気は第一の湿度センサ102で湿度が検出され、過給器103で過給される。過給器を出た吸気104は圧縮されて高温となっているため、しばしばインタクーラー105で冷却される。その後空気は、機関の出力を制御する絞り弁106を経て、各気筒に空気を分配するインテークマニフォルド107に充填され、第二の湿度センサ108でこの場所の湿度を測定する。その後空気は吸気バルブを経由して燃焼室113へ吸入され、インジェクタ109から噴射された燃料と混合され、点火プラグ115で点火・燃焼が行われ、排気バルブより排気ガス110となって過給器103を駆動してから、触媒111で浄化され、さらにその後消音器112を経て大気へ排出される。

燃焼圧力によってピストンリングからクランクケース側に漏れた燃焼ガスあるいは未燃ガスはブローバイガス115は、排ガス規制によりこれを大気へ放出できないため、過給器103付の機関だと過給器103近傍の上流、過給器無しの機関だと絞り弁106の近傍上流に戻され、再度燃焼に利用されるが、燃焼ガス成分の中には水分も含まれている。内燃機関全体の計測及び制御は機関制御ユニット114で行われる。

内燃機関は空気を吸入して燃料と混合後に点火・着火させて動力を得るため、大気中の水分によってその性能や、排気ガスの特性が変化する。さらにEGR（排気ガス再循環）を使用している機関では、排ガス中に含まれる燃焼によって発生した水分も機関に吸入されるため、EGRの還流量を増やすと、燃焼が不安定になって失火したり、吸気経路中で結露が発生するなどの問題が発生するため、吸気通路中に湿度センサを設置して、機関制御に利用する技術が実用化されている。

機関制御においては、気象予報などで使われる相対湿度ではなく、空気中の水分の絶対質量を示す混合比SHを使用する。混合比に吸気管圧力を乗ずれば機関の燃焼室へ吸入された水分の質量を求めることができる。

これら相対湿度と混合比の関係を図２の湿り空気線図を用いて説明する。
相対湿度RHとは、下記の式(１)に示すように空気温度だけで定まる飽和水蒸気圧ｐ_sat.とその時の混合気体の水蒸気圧つまり空気圧ｐに対する比を百分率で示したものであり、空気中の水分質量が同じ状態であっても、空気の温度が変われば飽和水蒸気圧ｐ_sat.が変化して相対湿度RHが変化するし、また、空気圧ｐが変化しても相対湿度RHは変化する。

一方、空気に含まれる水分の質量を、乾燥した空気の質量で除したものが混合比であり、水分の絶対量を質量で示すため、対象とする空気の温度が変わっても混合比は変化しない。例えば温度202、相対湿度204の状態の空気201があったとすると、その時の混合比は207である。空気201を加熱して205にすると温度は203になり、混合比は207のままであるが、相対湿度は206へ変化する。このように、温度、相対湿度、混合比、圧力は関連しており、これらのどれか３つが判明すれば、残りは計算によって求めることができる。

よって、混合比は相対湿度と、その空気の温度と、圧力がわかれば計算によって求めることができる。その式は下記に示すとおりである。下記の式（１）は、相対湿度と圧力の関係を示す式、式（２）は、相対湿度と温度から混合比ＳＨを求める式である。

次に図３から図８を用いて、湿度センサの構成について説明する。
図３は、熱式絶対湿度センサの構成を示す図であり、図３（１）は、熱式湿度センサの概要を示し、図３（２）は、（１）のＡ−Ａ線断面を示している。基板302の表面に加熱ヒーター301を形成し、エッチングなどを利用して背面にキャビティ303を作り、薄い膜の上で抵抗体ヒーター301形成する。このヒーターは配線パターン307を経由して、パッド304に接続されており、センサ回路306に接続される。

このような構成とした薄膜ヒーターをある温度に加熱し、センサ回路によってこの温度を一定に保つと、ヒーターを流れる電流は放熱量305に依存する。これは薄い薄膜上に形成されたヒーターは熱的にほぼ基板から絶縁されており、基板へはほとんど熱が逃げないからである。このヒーターをある範囲の温度にして空気流れのない空間に置くと、空気への放熱量が混合比を示すようになる。よって、ヒーター301の加熱電流を測定すれば混合比が直接検出可能である。

図４は熱式湿度センサの駆動回路の概要を示している。
ヒーター301はホイートストンブリッジの一部として構成されており、回路上では一定の温度抵抗変化率（ＴＣＲ）を持つ抵抗体として機能するＯＰアンプ402は差動アンプとして機能し、温度調整抵抗401とバランスするよう電流供給回路405をフィードバック制御する。

回路405の電圧はヒーターへの電流値とほぼ同一であるため、回路405部の電圧が空気への放熱量を示す。この電圧を電圧原404でオフセット調整して、さらにＯＰアンプ403で増幅することによって、出力電圧406はヒーター301の空気への放熱量、すなわち混合比に応じた電圧となる。これにより混合比を直接検出することが可能であり、これは図５に示すセンサ特性のように、空気温度に依存せずに空気中の水分を検出していることでもある。また、極めて微小で基板への放熱が小さいため高い応答性で混合比を検出可能であるが、もっぱら低温低湿よりも高温高湿の領域のほうが高精度になる傾向がある。

次に図６を使用して静電容量式相対湿度センサの概要を説明する。この例では半導体チップ式相対湿度センサの例を示しているが、静電容量を利用する他の方式の相対湿度センサであっても本発明の効果は同じである。

図６（１）に示すように、半導体基板601上に、櫛形電極部602を設け、その近傍に温度センサ603を配置し、両方の信号検出及び信号出力を行う回路部604が設けられており、電極610により外部と接続され、電源供給や信号出力を行う。図６（２）の符号605は、櫛形電極部の一部分を示しているが、この部分ではくし型電極は＋の電極607と、−の電極606が絶縁された状態で近接して互い違いに数多く配置される。

図６（２）のB-B線断面である図６（３）に櫛形電極の断面を示す。符号606と607で示される櫛形電極は半導体基板601の表面に設置されており、これらの電極表面には高分子608が塗布されている。高分子608は、電極606及び607の側とは反対側の表面が大気に暴露されている。上記高分子は一般にはポリイミドが使用される。609は高分子中の電気力線を模式的に示している。

ポリイミドの比誘電率は３．５程度であり、電極606と607の間にポリイミドの比誘電率に応じた静電容量を持つ。一方、ポリイミドは比較的高い吸湿性があり、吸湿率は相対湿度に相関がある。水、つまり水蒸気の比誘電率は80.4（20℃の場合）とポリイミドに比べ大きいので、ポリイミド中の平均的な比誘電率が相対湿度に応じて変化し、電極606と607の間の静電容量が大きくなる。つまり上記構成で電極間の静電容量を計測すれば相対湿度を知ることができる。

また、温度センサ603は櫛形電極部602に極めて近い部分に設けられており、空気の温度というよりも櫛形電極606、607、及び高分子608の温度を計測する。半導体チップ式相対湿度センサではもっぱらバンドギャップ式温度センサが用いられる。回路部604で櫛形電極606、607の静電容量から相対湿度を、温度センサ603で温度を測定し、回路部604で様々な補正などを行ったのちに、電極610から計測信号を出力すれば相対湿度センサを構成できる。

図７に一般的な相対湿度センサと、ほぼ同じ個所に設けられる温度センサの特性を示す。図７（１）は、相対湿度センサの特性図、図７（２）は、温度センサの特性図である。静電容量式湿度センサは、相対湿度を検出しているため、空気の飽和水蒸気量が少ない低温度領域でも相対湿度が変わればそれを検出するため、常温以下の混合比の小さな領域で高精度であり、また安価である。

図８は上記相対湿度センサの応答特性を示している。相対湿度センサは、ポリイミドの吸湿性を利用して相対湿度を計測しているため、ポリイミドの吸湿応答性が相対湿度センサの主たる応答性になる。特性801が相対湿度センサの応答性を示しており、温度によって大きく応答性が変化し、温度が低下するほど応答が遅くなり、逆に温度が高くなると応答が早くなる。一方、温度センサ603の応答性は温度が変わってもあまり変わらない。相対湿度センサを機関制御に利用する場合、前記図２に示す式から混合比SHを求めるが、ここで使用する相対湿度RHと空気温度ｔは一対であり、正しい混合比SHを算出するにはどちらかの値に時間的なずれや応答遅れが生じてはならない。

しかしながら、図８に示すように、相対湿度センサの応答特性801と、温度センサの応答特性802は同一でないため、相対湿度RHが変化している過渡状態では、その時の空気の温度によって相対湿度RHの検出が遅れたり、温度センサの応答より早くなったりする。この状態は上記、相対湿度RHと空気温度ｔが一対でなくなっている状態なので正しく混合比SHが計測されない問題が生じる。このため相対湿度RHの変化が急峻な部位での湿度測定には適していない。

このように、湿度センサの種類によって特徴が異なり、機関制御で湿度センサの情報を効果的に理利用するには、センサの種類とその取り付け場所が重要である。従来技術では、内燃機関に湿度センサを複数取り付ける場合に、取り付け場所によってどのような種類の湿度センサをどの場所に設けると、より効果的に機関制御が可能になるのかが示されていない。

次に、図９を用いて内燃機関、とりわけ自動車用の内燃機関に湿度センサを取り付けた場合の計測精度について説明する。

図９は、図１に示す内燃機関を車両に搭載し、第一の湿度センサ102が静電容量式相対湿度センサであり、車両が走行しているときの相対湿度901と図６の温度センサ603が計測した温度902を示している。また上記相対湿度901と温度902から図２を利用して求めた水分量903(混合比SHに空気圧力を乗じたもの)を示している。

車両が道路などを走行する時の吸入空気はエアフィルタを経て101から取り込まれ、これは外気である。図９（２）のグラフに示すように走行中の外気は気象条件や、車両の機関室温度の影響で、温度も相対湿度も刻々と変化する。

しかしながら、この温湿度から求めた水分量903は車両が走行している場所周辺の気象条件に依存しているため、走行中はあまり変化しない。このことは走行中の吸入空気101を第一の湿度センサ102で測定した時の相対湿度変化は主にセンサ本体や、配管の温度による吸入空気101の温度変化によるものであることを示しており、温度ｔの動きと相反するような動きとなる。さらにこの時の相対湿度RHの変化もセンサの応答を超えないことがほとんどであるため、エアフィルタを経た空気101を相対湿度センサで測定することは、得られる測定精度からしても理にかなっている。

しかしながら、図１０の第二の湿度センサ108が取り付けられているインテークマニフォルド内107で相対湿度を測定すると、図１０（３）に示すように、過給器103による過給圧上昇や、絞り弁106の操作によって、空気温度1001、相対湿度1002が共に急変してしまうため、共に実際の温湿度にセンサの信号が応答できない。このため、これらから求めた混合比1003は大きく変動し、しかも大きな誤差が発生する。この状態では正確な機関制御ができなくなるのは言うまでもない。この問題を解決するための実施例を以下に示す。

［実施例１］
図１１の例において、第一の湿度センサ102を、エアフィルタの下流であって過給器103の上流に配置し、静電容量式の相対湿度センサを使用する。これはこの場所の空気はほぼ大気環境に近く、高い温湿度応答性が求められないため、比較的精度が高く安価な湿度センサを使う方が、制御精度もよく車両を安価に製造できる。

しかしながら、第一の湿度センサのすぐ下流ではブローバイガス115が合流するため、燃焼ガスに含まれている水分が合流する。この水分量は燃焼ガスの漏れ量に依存し、燃焼ガスの漏れ量はエンジン負荷によって急変するため、前記で示した理由によりブローバイガス115が合流点より下流の位置は、相対湿度センサで混合比SHが正しく求められない。

この問題を解決するため、第一の湿度センサ102の下流に配置される第二の湿度センサ108を絶対湿度センサとする。混合比SHを直接検出できるため、相対湿度RHの急変に左右されず、機関が吸入する水分量を正しく検出できる。このことにより、第一の湿度センサから求めた混合比SHと第二の湿度センサで計測した混合比SHを比較することができるようになり、EGR制御に利用したり、湿度センサの診断などが正確に行うことができる。ひいては良好な機関制御が可能となる。

本実施例では、第二の湿度センサ108の位置が絞り弁106の下流であるとして説明しているが、絞り弁106と中間冷却器105の間の1111だったり、過給器103と中間冷却器105の1109であったり、第一の湿度センサ102と過給器103の間の1110であってもよい。さらに、第二の湿度センサが熱式の絶対湿度センサであれば十分に応答性が高いので本発明の効果をより多く得ることができる。

上記は排ガス対策や燃費向上のためにEGRシステムを具備する機関でも同様である。
EGRは排気ガスを吸気側に戻して機関に再吸入させ、ポンプ燃焼温度低減による窒素酸化物低減や、ノックの抑制、ガソリン機関ではポンプ損失低減による燃費向上などを目的とするものである。このEGRは排気ガスの導入と混合の経路違いで大きく二種類の方法がある。

まずは排ガスを高圧のまま取り出すHP-EGRについて説明する。機関本体と過給器103の間の排気マニフォルド1108に第一の排気取り出し口1101を設けここから排ガスを採取し、HP-EGR用のEGRバルブ1103で排ガス流量を調整し、EGR冷却器1104で冷却してからインテークマニフォルド上の合流部1105から吸気に合流させる。

EGRのもう一つの方法は、過給器103を排ガスが通過した低圧排気部から排ガスを採取するLP-EGRである。HP-EGR同様、低圧排気取出し口1102からLP-EGR用EGRバルブ1106で流量を調節し、EGR冷却器1104で冷却してから、過給器103上流であって、第一の湿度センサ下流の合流部1107から吸気に合流させる。排ガスを過給器上流で混合するのは排気ガスの圧力が低いため、過給後の高圧吸気部分に合流できないためである。

HP-EGRもLP-EGRも目的は同じであり、機関が必要とする排ガス還流量や制御性に応じて、片方のみであったり、両方のEGRシステムを具備したりする。また、EGR冷却器1104はあってもなくてもよいし、EGRバルブ1103，1106と順番が入れ替わっていてもよい。

上記の何れも、EGRが混合されると排ガスに含まれる水分が第一の湿度センサ102の部分の水分に加わる。つまり絶対湿度センサである第二の湿度センサ108計測する混合比SHは大気とEGRガスの両方の水分を計測していることになる。排気ガス中に含まれる水分の量は、元々大気に含まれていた水分と燃焼によって、空気中の酸素と燃料中の炭化水素成分の反応水分との和である。通常、内燃機関では燃焼の空燃比制御によって、上記反応水分は間接的に管理されているため、第二の湿度センサで測定した混合比SHから、第一の湿度センサの相対湿度RHと空気温度ｔから求めた混合比SHを減ずれば、EGRがどれくらいの割合で還流しているかを知ることも可能である。

［実施例２］
上記は複数の湿度センサの配置とその種類についての実施例であるが、EGRなどの制御に複数の湿度センサの情報を利用する場合は、第一の湿度センサと第二の湿度センサが同じ環境になった時に、それぞれのセンサの出力から同一の混合比を算出または計測できるように常にしておかなければならない。このためには、片方の湿度センサの信号を基準にして他方を調整することが必要であり、この調整は、水分量の変化としての外乱がない状態で行わなければならない。

先述のように湿度センサは相対湿度センサと絶対湿度センサの異なり、応答性が異なるため、この調整を精度よく行うためには、応答が遅く、大気の湿度だけを測定していてかつ、精度を高めやすい第一の湿度センサ、つまり相対湿度センサ側を基準とし、この相対湿度RHと、空気温度ｔから図２の式を使用して混合比SHを求め、この混合比SHを下流に設置される第二の湿度センサ、つまり絶対湿度センサに対して調整すれば、より精度よく安定して調整が可能である。

［実施例３］
本実施例は、前記調整をさらに安定して行うためのものである。
前記調整は、第一の湿度センサ102を流れた空気が、大気以外の水分の合流なしに第二の湿度センサへ到達することが、調整することの前提となるため、常に調整するのではなく、調整するかしないかの判定を行うことが必要である。さらにこの判定には機関の状態が安定していることも重要であり、これらを示す以下の情報とその閾値によって調整するかしないかの判断を行う。具体的には、湿度センサの温度及び湿度の範囲、センサ部分の圧力、吸気または排気バルブのタイミング、内燃機関の負荷または回転速度、車両の速度、内燃機関の始動時温度、高度、気象情報、大気または混合ガスの温度変化率、内燃機関の始動してからの時間、EGRガスの温度などが含まれる。

図12に上記のフローチャートを示す。図12における適正とは、判定を行う単一の閾値に対しての大小関係と、複数の閾値の範囲に入ることの両方を示している。また、判定の順番やその個別の値は任意である。湿度センサの調整を行うかどうかを他の補機類の状態や、機関の運転条件で判断することによって、より安定したセンサの調整を行うことができる。

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。

101…エアフィルタ下流空気、102…第一の湿度センサ、108…第二の湿度センサ、301…ヒーター、406…熱式絶対湿度センサの出力、602…櫛形電極部、603…温度センサ、609…電気力線、801…相対湿度センサの応答特性、802…温度センサの応答特性、901…車両が走行しているときの相対湿度、902…車両が走行しているときの温度、903…車両が走行しているときの混合比、1001…第二の湿度センサ取付位置での相対湿度、1002…第二の湿度センサ取付位置での温度、1003…第二の湿度センサ取付位置での混合比、1105…HP-EGRの合流点、1107…LP-EGRの合流点

Claims

大気または該大気に排気ガスが混合された混合ガスの湿度を検出するセンサを少なくとも２個以上を内燃機関の吸気通路の流れ途中に具備し、これらの少なくとも１個は前記大気または混合ガスの相対湿度を検出する相対湿度センサであり、他の少なくとも１個は前記大気または混合ガスの絶対湿度を検出する絶対湿度センサであり、前記相対湿度センサが前記絶対湿度センサよりも流れの上流に配置される内燃機関制御装置であって、
吸入する大気の相対湿度及び前記大気の温度を測定し、前記相対湿度と前記温度の測定結果から前記大気の絶対湿度を算出し、該絶対湿度で前記絶対湿度センサの測定値を調整することを特徴とした内燃機関制御装置。
前記内燃機関の状態に基づいて前記絶対湿度センサの調整を実施するかしないかの判定を行う判定部を有することを特徴とした請求項１に記載の内燃機関制御装置。
前記判定部は、前記絶対湿度センサの調整を実施するかしないかの判定の条件として、前記相対湿度センサの温度及び湿度の範囲、センサ部分の圧力、前記内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブのバルブタイミング、EGRバルブの故障の有無、前記内燃機関の負荷または回転速度、該内燃機関を搭載した車両の速度、前記内燃機関の始動時温度、前記車両が位置している場所の高度、気象情報、前記大気または前記混合ガスの温度変化率、前記内燃機関の始動してからの時間、EGRガスの温度の少なくとも一つが含まれることを特徴とした請求項２に記載の内燃機関制御装置。