JPH07117005B2 - 内燃機関の吸気湿度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の吸気湿度制御装置に関し、詳しくは
吸入空気（以下、吸気という）を加湿制御する内燃機関
の吸気湿度制御装置に関する。

［従来の技術］ 近年、燃費改善のため、特に通常走行等の低負荷時の燃
費改善のため、空燃比を制御し、希薄混合気を用いる内
燃機関を運転・制御する燃料噴射制御装置が知られてい
る。このような、希薄混合気を用いる内燃機関では、あ
る空燃比のときの吸気湿度とNOx濃度，トルク変動，燃
料消費率との関係を示す第６図のごとく、吸気湿度が変
化すると、排気ガス中のNOx濃度が大きく変化し、出力
性能を示す一手段であるトルク変動及び燃料消費率も変
化することが知られていた。これらの関係を、湿度をパ
ラメータとし、空燃比との相関において示したのが第７
図である。図示より明らかなように、NOx濃度を吸入空
気中の湿度によらず許容値Ａ以下に保ち、かつトルク変
動，燃料消費率もできるだけ小さくしようとすると、混
合気の空燃比は第７図に示す空燃比Ｂの近傍としなけれ
ばならない。そこで、従来より、内燃機関の混合気を空
燃比Ｂの近傍に制御する燃料噴射制御装置が提案されて
いた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、内燃機関のNOx濃度やトルク変動，燃料
消費率は点火時期によっても変化する。第８図は希薄混
合気における内燃機関の点火時期とNOx濃度，トルク変
動，燃料消費率との相関を示すグラフである。図示より
明らかなように、吸入空気の湿度によっては、NOx濃度
の許容値Ａによる限界から、点火時期を十分に進角させ
ることができず、トルク変動や燃料消費率の減少を図る
のに限度があるという問題があった。

そこで本発明は上記の問題点を解決することを目的と
し、吸気を加湿して目標湿度とする内燃機関の吸気湿度
制御装置を提供することを目的としてなされた。

発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成すべく、本発明は問題点を解決するた
めの手段として次の構成をとった。即ち、第１図に例示
するように、 希薄混合気を用いる内燃機関M1の少なくとも吸入空気の
湿度を含む運転状態を検出する運転状態検出手段M2と、 吸入空気を加湿する加湿手段M3と、 上記検出された少なくとも吸入空気の湿度を含む運転状
態に基づいて、上記加湿手段M3を制御して内燃機関M1の
気筒に吸入される空気を目標湿度に加湿する湿度制御手
段M4、 を備えた内燃機関の吸気湿度制御装置の構成がそれであ
る。

ここで、運転状態検出手段M2により検出される運転状態
には少なくとも吸気の湿度を含めばよく、他には、例え
ば吸気の温度，吸気の圧力，内燃機関の回転数等を含ん
でもよい。

運転状態検出手段M2による吸気湿度の検出は加湿手段M3
より外気に近い側で行なう構成としてもよく、この場合
には湿度制御手段M4は目標湿度と吸気湿度との差を加湿
するオープンループ制御を行なう構成とすればよい。ま
た、運転状態検出手段M2による吸気湿度の検出を加湿手
段M3より内燃機関M1の気筒に近い側で行なう構成として
もよく、この場合には、湿度制御手段M4は吸気を目標湿
度に加湿するクローズドループ制御を行なう構成として
もよい。

［作用］ 上記構成を有する本発明の内燃機関の吸気湿度制御装置
は、運転状態検出手段M2により少なくとも吸気の湿度を
含む運転状態を検出し、この検出された運転状態に基づ
いて、湿度制御手段M4により加湿手段M3を制御して内燃
機関M1の気筒に吸入される空気を目標湿度に加湿する。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例である内燃機関の吸気湿度制
御装置の概略説明図である。この内燃機関の吸気湿度制
御装置はエンジン１に吸気を供給する吸気管２、吸気管
２の入口側に設けられた吸気温度を検出する吸気温セン
サ４、吸気をエンジン１の各気筒に分配するサージタン
ク５、サージタンク５中に設けられ吸気湿度を検出する
湿度センサ６、サージタンク５内の圧力を検出する圧力
センサ８、吸気管２に設けられかつ湿度センサ６より入
口側に設けられて吸気を加湿する加湿器10、エンジン１
の回転数を検出する回転数センサ14、加湿制御手段とし
て働く制御装置16等から構成されている。

ここで、湿度センサ６は吸湿性物質の薄層の電気抵抗が
湿度によって変わる特性を利用して相対湿度を測定する
電気抵抗式湿度センサである。また加湿器10は超音波に
より振動される振動子（図示せず）により加湿用ウォー
タタンク11より供給される水を霧化させ加湿を行なうも
のである。霧化された水は、吸気と共に各気筒へ導かれ
るが、通常吸気系、特にスロットルバルブ下流のサージ
タンク５内は負圧となっていることから、サージタンク
５内で減圧沸騰し、加湿が促進される。

次に本実施例の電気系統を第２図に示すブロック図を用
いて説明する。制御装置16は周知のCPU51、ROM52、RAM5
3、バックアップRAM54を論理演算回路の中心として構成
され、外部との入出力を行なう入出力回路、ここでは入
力回路55、駆動出力回路56とをコモンバス57を介して相
互に接続し、互いにデータを遺取りして上記加湿器10を
制御している。

ここでROM52には、制御プログラムや後述する吸気湿度
が80％のときにNOx濃度を一定レベルとする点火時期，
燃料噴射時期，燃料噴射量等のデータが書き込まれてい
る。

CPU51は予め設定されたプログラムやデータをROM52か
ら、また、吸気温センサ4,湿度センサ6,圧力センサ8,回
転数センサ14からの信号を入力回路55を介して、各々入
力する。更にCPU51は、駆動出力回路56を介して加湿器1
0に駆動信号を出力し、吸気湿度を制御している。

次に上述した制御装置16において行なわれる処理につい
て、第３図及び第４図のフローチャートに拠って説明す
る。尚、本実施例では目標湿度を、リーンバーンで燃焼
させてNOx濃度が小さくトルク変動が少ない80％とし、
この目標湿度において最適な点火時期，燃料噴射時期，
空燃比で運転されている。

制御装置16は、第３図に示く加湿デューティ比算出ルー
チン、第４図に示す加湿制御ルーチンを他の制御、例え
ば空燃比制御等と共に繰り返し実行する。加湿デューテ
ィ比算出ルーチンの実行に先立ち、後述する積分定数ｋ
の初期化（ｋ＝０）が行なわれるが、この初期化は、エ
ンジン１の始動時のみ行なわれる。加湿デューティ比算
出ルーチンが実行されると、まずステップ100では、湿
度センサ６により検出される吸気管２内の吸気湿度γＳ
の読み込みが行われる。続くステップ110では、加湿湿
度Δγを求める処理が行なわれる。これステップ100で
読み込まれた吸気湿度γＳから目標湿度γＲ（本実施例
では80％）を減算することにより求められる。次にステ
ップ120へは、目標湿度γＲとするために加湿量を増や
すべきか否かの判断が行なわれる。この判断はステップ
110で求めた加湿湿度Δγが零より大きいか否かにより
行なわれる。Δγが零より大きいと判断されるとステッ
プ130へ進む。ここで、加湿湿度Δγが零より小さいと
判断されるとステップ140へ進む。ステップ14では積分
定数ｋに定数ｃを加算する処理が行なわれる。この定数
ｃは10^-7〜10^-5程度の値で加湿量をフィードバック制御
するための定数である。

一方、上記ステップ120でΔγが０より大きいと判断さ
れるとステップ130へ進む。ステップ130では目標湿度γ
Ｒとするために加湿量を増やすべきか否かの判断が行な
われる。この判断はステップ110で求められた加湿湿度
Δγが零に等しいか否かにより行なわれる。加湿湿度Δ
γが零でないと判断されるとステップ145へ進む。加湿
湿度Δγが零であると判断されると適正な加湿が行なわ
れるとしてステップ150へ進む。ステップ150ではその適
正な加湿を続けるため積分定数ｋの値を保持する処理が
行なわれる。一方、ステップ130で加湿湿度Δγが零で
ないと判断されてステップ145へ進むと、ステップ145で
は積分定数ｋから定数ｃを減算する処理が行なわれてい
る。減算する処理が終了するとステップ155へ進む。

以上のステップ140,145,150のいずれかの処理の後、ス
テップ155に進み、ステップ155では吸気を加湿すべきか
否かの判断が行なわれる。積分定数ｋが零より小さいと
きは吸気湿度γＳが目標湿度γＲより大きいと判断され
加湿しないものとしてステップ160へ進む。ステップ160
では加湿器10の稼動時間割合いわゆるデューティ比Ｄを
零とする処理が行なわれる。このステップ160の処理を
終了すると「END」へ抜けて本加湿デューティ比算出ル
ーチンを一旦終了する。

一方、上記ステップ155において積分定数ｋが零より大
きいと判断されたときには処理はステップ165へ進み、
ステップ165では運転状態、本実施例では圧力センサ８
で検出される吸気管２内の吸気圧力Ｐ、吸気温センサ４
により検出される吸気管２内の吸気温度Ｔ、回転数セン
サ14により検出されるエンジン回転数Ｒとが読み込まれ
る処理が行なわれる。続くステップ170では単位時間当
りの気筒に吸入される空気量Gaを算出する処理が行なわ
れる。この処理は、ステップ165で読み込まれたエンジ
ン回転数Ｒから求められる単位時間当りの吸入容積と同
じくステップ165で読み込まれた吸気圧力P,吸気温度Ｔ
とから吸気重量Gaを求める処理が行なわれる。次にステ
ップ180では単位時間当りの必要加湿量ｑを求める処理
が行なわれる。これは、ステップ170で求められた吸気
重量Gaに積分定数ｋを乗算することにより求められる。
ステップ190ではディーティ比Ｄを求める処理が行なわ
れる。これは、ステップ180で求められた必要加湿量ｑ
を加湿器の単位時間当りの連続稼動による加湿量Ｑで除
算することにより求められる。このステップ190での処
理が終了すると加湿デューティ比算出ルーチンを一旦終
了する。

本加湿デューティ比算出ルーチンで求められた加湿器10
のデューティ比Ｄに従って、第４図（ａ），（ｂ）に示
す加湿開始制御ルーチン，加湿停止制御ルーチンによ
り、吸気が一定湿度に加湿される。本実施例において、
この加湿開始制御ルーチンは32ms毎に定時処理される。
まずステップ300では上記加湿デューティ比算出ルーチ
ンで予め求められたデューティ比Ｄから加湿器10の稼動
時間TONを求める処理が行なわれる。これは定時処理時
間32msにディーティ比Ｄを乗算することにより求められ
る。続くステップ310では加湿器10を稼動し、吸気を加
湿開始する処理が行なわれる。次にステップ320では加
湿器10を停止させる時間TOFFを求める処理が行なわれ
る。これはCPU51に内臓されたタイマの時間TIMERにステ
ップ300で求めた稼動時間TONを加算することにより求め
られる。このステップ320の処理が終了すると本加湿開
始制御ルーチンを一旦終了する。

次に、本実施例においては、加湿停止制御ルーチンを所
定時間ごとに実行する。まず、ステップ300では加湿を
停止する時間となったか否かの判断が行なわれる。この
判断はステップ320で求められた時間となったか否かに
より行なわれる。停止時間TOFFとなったと判断されると
処理はステップ340へ進む。続くステップ340では加湿器
10の稼動が停止され、吸気の加湿を停止する処理が行な
われる。上記ステップ330で停止時間TOFFになっていな
いと判断されるか若しくはステップ340の処理が終了す
ると本加湿停止制御ルーチンを一旦終了する。

以上のように本実施例の内燃機関の吸気湿度制御装置に
よると、吸気を湿度80％に加湿制御するので、湿度が低
いときと比較して、第６図の下段に示す如く、希薄混合
気を用いる内燃機関において、燃料消費率及びトルク変
動の増加をおさえてNOx濃度を大きく減少させることが
できる。しかも、第８図に示す様に、吸気を湿度80％
（第８図に一点鎖線で示す）に加湿制御するので、湿度
が低い状態、例えば、第８図に実線で示す湿度50％の状
態と比較して、NOx濃度を一定レベルＡに保って点火時
期を進角させることができる。これにより湿度50％の状
態よりトルク変動を減少（第８図に示すＦ）させること
ができ、また、燃料消費量をも減少（第８図に示すＧ）
させることができる。また、従来から知られているよう
に、加湿を行なうことにより、ノッキングの発生をおさ
えることができ、点火時期を進めることができるのでト
ルクを増加させることができる。

次に、第２実施例として、湿度センサ６を加湿器10より
外気に近い側に設け、第５図に示す加湿デューティ比算
出ルーチンに従ってデューティ比Ｄを求め、オープンル
ープ制御により吸気を加湿制御する場合を説明する。

この加湿デューティ比算出ルーチンは、まずステップ40
0で吸気湿度γＳ、吸気圧力Ｐ、吸気温度Ｔ、エンジン
回転数Ｒを読み込む処理が行なわれる。続くステップ41
0では実際の吸気の単位吸気重量あたりの水蒸気重量す
なわち吸気絶対湿度γSaを算出する処理が行なわれる。
これは、ステップ400で読み込まれた吸気湿度γＳ、吸
気圧力Ｐ、吸気温度Ｔにより予めROM52に書き込まれた
マップから算出される。次にステップ420では湿度80％
に相当する目標絶対湿度γＥを算出する処理が行なわれ
る。これは、ステップ400で読み込まれた吸気圧力Ｐ、
吸気温度Ｔにより予めROM52に書き込まれたマップから
算出される。ステップ430では加湿絶対湿度γを算出す
る処理が行なわれる。これは上記ステップ410、420で各
々算出された目標絶対湿度γＥから吸気絶対湿度γSaを
減算することにより算出される。続くステップ440では
上記第１実施例の加湿デューティ比算出ルーチンにおけ
るステップ155と同様の吸気を加湿すべきか否かの判断
が行なわれる。加湿すべきと判断されるとステップ470
以下の処理がステップ170以下の処理と同様に行なわ
れ、加湿しないと判断されるとステップ460の処理がス
テップ160の処理と同様に行なわれ、本加湿デューティ
比算出ルーチンを一旦終了する。

以上説明した第２実施例によれば第１実施例と同様の効
果を奏する上、上記第１実施例の加湿デューティ比算出
ルーチンよりプログラムを短縮することができる。

以上本発明の実施例について説明したが本発明はこのよ
うな実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る
ことは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように本発明の内燃機関の吸気湿度制御装
置によると、吸気の湿度を検出し、吸気を目標湿度に加
湿することにより、希薄混合気を用いる内燃機関におい
て、燃料消費率及びトルク変動の増加をおさえて、NOx
濃度を大きく減少させることがでるという効果を奏す
る。また、NOx濃度を一定レベルに保って点火時期を進
めることができるという効果も奏する。これにより、ト
ルク変動を減少させ、また、燃料消費率をも減少させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は本発明の一実施例としての内燃機関の吸気湿度制
御装置、第３図及び第４図（ａ），（ｂ）は各々本実施
例の制御装置において行なわれる制御ルーチンの一例を
示すフローチャート、第５図は制御ルーチンの他の例を
示すフローチャート、第６図は吸気湿度とNOx濃度，ト
ルク変動，燃料消費率との関係を示すグラフ、第７図は
空燃比とNOx濃度，トルク変動，燃料消費率との関係を
吸気湿度をパラメータとして示すグラフ、第８図は点火
時期とNOx濃度，トルク変動，燃料消費率との関係を吸
気湿度をパラメータとして示すグラフ、である。 １……エンジン ４……吸気温センサ ６……湿度センサ ８……圧力センサ 10……加湿器 14……回転数センサ 16……制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】希薄混合気を用いる内燃機関の少なくとも
   吸入空気の湿度を含む運転状態を検出する運転状態検出
   手段と、 吸入空気を加湿する加湿手段と、 上記検出された少なくとも吸入空気の湿度を含む運転状
   態に基づいて、上記加湿手段を制御して内燃機関の気筒
   に吸入される空気を目標湿度に加湿する湿度制御手段
   と、 を備えた内燃機関の吸気湿度制御装置。