排気還流率計測装置
【課題】 排気還流通路を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる還流排気の比率、すなわち排気還流率を精度よく求めることができる排気還流率計測装置を提供する。
【解決手段】 検出される新気湿度Ｈａ１及び新気温度Ｔａ１に基づいて新気中の水蒸気濃度ＭＣＷを算出し、水蒸気濃度ＭＣＷ及び新気と還流排気の混合ガスの温度Ｔｉｎに基づいて温度Ｔｉｎにおける新気の音速Ｖａ２を算出する（Ｓ１２〜Ｓ１６）。水蒸気濃度ＭＣＷ及び還流排気に含まれるガス成分の比率、並びに温度Ｔｉｎに応じて温度Ｔｉｎにおける還流排気の音速Ｖｆを算出する（Ｓ１７，Ｓ１８）。超音波センサにより検出される混合ガスの音速Ｖｉｎ、新気の音速Ｖａ２、及び還流排気の音速Ｖｆを用いて排気還流率ＲＥＧＲを算出する（Ｓ１９）。
【解決手段】 検出される新気湿度Ｈａ１及び新気温度Ｔａ１に基づいて新気中の水蒸気濃度ＭＣＷを算出し、水蒸気濃度ＭＣＷ及び新気と還流排気の混合ガスの温度Ｔｉｎに基づいて温度Ｔｉｎにおける新気の音速Ｖａ２を算出する（Ｓ１２〜Ｓ１６）。水蒸気濃度ＭＣＷ及び還流排気に含まれるガス成分の比率、並びに温度Ｔｉｎに応じて温度Ｔｉｎにおける還流排気の音速Ｖｆを算出する（Ｓ１７，Ｓ１８）。超音波センサにより検出される混合ガスの音速Ｖｉｎ、新気の音速Ｖａ２、及び還流排気の音速Ｖｆを用いて排気還流率ＲＥＧＲを算出する（Ｓ１９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気還流通路を備える内燃機関において排気還流率を計測する排気還流率計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の吸入空気中の特定成分の濃度を測定するガス濃度センサが示されている。このガス濃度センサは、被測定ガス（測定対象ガス）中において超音波が一定距離を伝播するのに要する伝播時間、換言すれば被測定ガスの音速に基づいて、特定成分の濃度を検出するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４１３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関に吸入されるガス中には、濃度測定の対象となる特定成分（例えば蒸発燃料）以外の他の成分（水蒸気、還流される排気）が含まれており、被測定ガスの音速は、他の成分の影響も受ける。そのため、他の成分の濃度が変化すると、被測定ガスの音速と特定成分の濃度との関係も変化し、特定成分濃度の測定精度が低下する。内燃機関に吸入される新気中には少なからず水蒸気が含まれており、排気系から還流される還流排気中には燃焼により生成された水蒸気も含まれる。
【０００５】
特許文献１は、ガス濃度センサを、吸気通路に供給される蒸発燃料の濃度の測定に適用する例と、水蒸気の濃度を測定する例とを示しているが、蒸発燃料濃度と水蒸気濃度との関係（被測定ガスにおける両者の比率）に着目して、正確な蒸発燃料濃度を測定する手法を示していない。したがって、特許文献１に示されたガス濃度センサ及びそのセンサを用いたガス濃度測定手法を、新気と還流排気との混合ガス中の還流排気の割合である排気還流率の測定にそのまま適用することはできない。
【０００６】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、排気還流通路を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる還流排気の比率、すなわち排気還流率を精度よく求めることができる排気還流率計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気還流通路（７）を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる前記還流排気の割合である排気還流率（ＲＥＧＲ）を計測する排気還流率計測装置であって、前記新気の音速（Ｖａ２）を求める第１音速取得手段と、前記還流排気の音速（Ｖｆ）を求める第２音速取得手段と、前記混合ガスの音速（Ｖｉｎ）を求める第３音速取得手段と、前記新気の音速（Ｖａ２）と前記還流排気の音速（Ｖｆ）と前記混合ガスの音速（Ｖｉｎ）とに基づいて前記排気還流率（ＲＥＧＲ）を算出する排気還流率算出手段とを備えることを特徴とするものを提供する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気還流率計測装置において、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）を検出する混合ガス温度検出手段（１４）と、前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）を取得する水蒸気濃度取得手段とを備え、前記第１音速取得手段は、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）と前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）とに基づいて、前記新気の音速（Ｖａ２）を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の排気還流率計測装置において、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）を検出する混合ガス温度検出手段（１４）と、前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）を取得する水蒸気濃度取得手段と、前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）に基づいて前記還流排気中の水蒸気濃度（ｎ(5)＋０．９４４）を推定する水蒸気濃度推定手段とを備え、前記第２音速取得手段は、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）と前記還流排気中の水蒸気濃度（ｎ(5)＋０．９４４）とに基づいて、前記還流排気の音速（Ｖｆ）を算出することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の排気還流率計測装置において、前記水蒸気濃度取得手段は、前記新気の温度（Ｔａ１）を検出する新気温度検出手段（１２）と、前記新気の湿度（Ｈａ１）を検出する新気湿度検出手段（１１）とを有し、検出した新気温度（Ｔａ１）及び新気湿度（Ｈａ１）に基づいて前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）を算出することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の排気還流率計測装置において、前記第３音速取得手段は、超音波を送信する超音波送信手段と、前記混合ガスを介して前記超音波を受信する超音波受信手段とを有し、前記超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間（ＴＬ）に基づいて、前記混合ガスの音速（Ｖｉｎ）を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、新気の音速、還流排気の音速、及び新気と還流排気の混合ガスの音速が求められ、これらの音速に基づいて排気還流率が算出される。機関に吸入される混合ガスの音速は、混合ガスの構成要素である新気と還流排気の音速、及び新気と還流排気の比率に依存して変化する。したがって、混合ガス、新気、及び還流排気の各音速を用いることにより、混合ガスに含まれる還流排気の割合である排気還流率を精度良く算出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、新気中の水蒸気濃度が取得され、混合ガスの温度と新気中の水蒸気濃度とに基づいて、新気の音速が算出される。新気の音速は、水蒸気濃度及び温度によって変化するので、混合ガスの温度と新気中の水蒸気濃度とに基づいて新気の音速を算出することにより、還流排気と混合された状態での新気の音速を正確に算出することができる。また新気の音速を求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、新気中の水蒸気濃度に基づいて還流排気中の水蒸気濃度が推定され、混合ガスの温度と還流排気中の水蒸気濃度とに基づいて、還流排気の音速が算出される。還流排気に含まれる成分のうち、水蒸気以外の成分の比率は、標準的な燃料の完全燃焼を前提とすることにより算出可能であるが、水蒸気の比率は新気中の水蒸気濃度に依存して変化する。したがって、新気中の水蒸気濃度に基づいて推定された還流排気中の水蒸気濃度と、混合ガスの温度とを用いることにより、新気と混合された状態での還流排気の音速を正確に算出することができる。また還流排気の音速を求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、検出した新気温度及び新気湿度に基づいて新気中の水蒸気濃度が算出される。空気中の飽和水蒸気圧は、テテンスの式を用いることにより、新気温度から算出できるので、飽和水蒸気圧と検出湿度から、正確な水蒸気濃度を得ることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間に基づいて混合ガスの音速を精度良く算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有し、エンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。
【００１８】
燃料噴射弁６は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共に電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１９】
エンジン１の排気管４と吸気管２のスロットル弁下流側との間には、排気還流通路７が設けられており、排気還流通路７には排気還流量を制御する排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）８が設けられている。ＥＧＲ弁８がＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によりＥＧＲ弁８の弁開度が制御される。
【００２０】
吸気管２のスロットル弁３の上流側には、エンジン１に吸入される新気の湿度Ｈａ１を検出する湿度センサ１１及び新気の温度Ｔａ１を検出する新気温度センサ１２が設けられている。また吸気管２と排気還流通路７との接続部の下流側には、新気と還流排気の混合ガスの音速Ｖｉｎを検出する超音波センサ１３と、混合ガスの温度Ｔｉｎを検出する混合ガス温度センサ１４とが設けられている。これらのセンサ１１〜１４の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。またＥＣＵ５には大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ１５が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。
【００２１】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、ＥＧＲ弁８及び燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６の開弁時間の制御、及びＥＧＲ弁８の開度制御（ＥＧＲ流量制御）を行うとともに、排気還流率ＲＥＧＲの算出を行う。
【００２２】
本実施形態では、上記センサ１１〜１５及びＥＣＵ５によって、排気還流率計測装置が構成される。
【００２３】
図２は、本実施形態における排気還流率ＲＥＧＲの算出手法の概要を説明するための図である。新気ＧＡが、還流排気ＧＥＧＲと混合され、混合ガスＧＭＸが生成される。混合ガスＧＭＸには燃料噴射弁６により燃料が噴射され、燃料空気混合気として燃焼室１ａに供給される。すなわち、本明細書においては「混合ガス」は、新気と還流排気とが混合したガスであって、燃料が噴射（混合）される前のガスを意味するものとする。
【００２４】
燃焼室１ａからは、燃料空気混合気が燃焼した後のガス（既燃ガス）がフィードガスＧＦとして排出される。フィードガスＧＦの一部が排気還流通路７を介して還流排気ＧＥＧＲとして吸気管２に還流される。
【００２５】
本実施形態では、混合ガス温度Ｔｉｎにおける新気ＧＡの音速（新気中における音の伝播速度）Ｖａ２、還流排気ＧＥＧＲの音速Ｖｆ、及び超音波センサ１３により検出される混合ガスＧＭＸの音速Ｖｉｎを用いて、排気還流率ＲＥＧＲが算出される。新気の音速Ｖａ２は、検出される新気湿度Ｈａ１、新気温度Ｔａ１、及び混合ガス温度Ｔｉｎに応じて算出され、還流排気の音速Ｖｆは、フィードガス（還流排気）に含まれる成分の比率及び混合ガス温度Ｔｉｎに応じて算出される。
【００２６】
図３は、排気還流率ＲＥＧＲを算出する処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ５のＣＰＵで所定時間毎に実行される。
ステップＳ１１では、センサにより検出される新気温度Ｔａ１、新気湿度Ｈａ１、混合ガス温度Ｔｉｎ、混合ガス音速Ｖｉｎ、及び大気圧ＰＡを読み込む。ステップＳ１２では、下記式（１）に新気温度Ｔａ１［℃］を適用して、温度Ｔａ１における空気（標準大気圧）中の飽和水蒸気圧Ｅｓａｔ［ｈＰａ］を算出する。式（１）はテテンス（Tetens）の式として周知のものである。
【数１】
【００２７】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した飽和水蒸気圧Ｅｓａｔ及び検出した新気湿度Ｈａ１［％］を下記式（２）に適用し、新気中の水蒸気圧ＰＷを算出する。
ＰＷ＝Ｅａｓｔ×Ｈａ１／１００ （２）
【００２８】
ステップＳ１４では、水蒸気圧ＰＷ及び大気圧ＰＡを下記式（３）に適用して新気中の水蒸気モル濃度ＭＣＷを算出し、さらに水蒸気モル濃度ＭＣＷ［％］を下記式（４）に適用して、新気中の乾燥空気（湿度０％の空気）のモル濃度ＭＣＡ［％］を算出する。
ＭＣＷ＝（ＰＷ／ＰＡ）×１００ （３）
ＭＣＡ＝１００−ＭＣＷ （４）
【００２９】
ステップＳ１５では、混合ガス温度Ｔｉｎ［℃］を下記式（５）及び（６）に適用し、温度Ｔｉｎにおける新気中の水蒸気の音速ＶＷ［ｍ／ｓ］及び新気中の乾燥空気の音速ＶＡ［ｍ／ｓ］を算出する。式（５）のκW及びＭＷは、それぞれ水蒸気の比熱比及び分子量であり、式（６）のκA及びＭＡは、それぞれ乾燥空気の比熱比及び等価分子量（乾燥空気の各成分の分子量及び各成分のモル比率から算出される）である。また式（５）及び（６）のＲは気体定数である。
【数２】
【００３０】
ステップＳ１６では、ステップＳ１４で算出したモル濃度ＭＣＷ，ＭＣＡ、及びステップＳ１５で算出した音速ＶＷ，ＶＡを下記式（７）に適用し、温度Ｔｉｎにおける新気の音速Ｖａ２を算出する。
Ｖａ２＝（ＶＷ×ＭＣＷ＋ＶＡ×ＭＣＡ）／１００ （７）
【００３１】
ステップＳ１７では、モル濃度ＭＣＷ及びＭＣＡに応じてフィードガスの成分比率、すなわちフィードガスに含まれる各成分のモル比率を算出する。以下この算出手法を詳細に説明する。
【００３２】
先ず温度２０℃、湿度３０％で窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）、アルゴン（Ａｒ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）を成分とする空気中で燃料が燃焼したときに理論空燃比が１４．７となる標準的なガソリンの組成式をＣＨ1.888とする。このガソリンＣＨ1.888の燃焼の反応式は下記式（８）で与えられる。
ＣＨ1.888＋１．４７２Ｏ2 → ＣＯ2＋０．９４４Ｈ2Ｏ （８）
【００３３】
空気を構成する窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素、及び水蒸気のモル比率を示すモル比率パラメータをそれぞれｎ(1)，ｎ(2)，ｎ(3)，ｎ(4)，及びｎ(5)で表すものとすると、ガソリンＣＨ1.888が燃焼するときの反応式は下記式（９）で与えられる。
【００３４】
ｎ(1)Ｎ2＋ｎ(2)Ｏ2＋ｎ(3)Ａｒ＋ｎ(4)ＣＯ2＋ｎ(5)Ｈ2Ｏ＋ＣＨ1.888
→ ｎ(1)Ｎ2＋ｎ(3)Ａｒ＋（ｎ(4)＋１）ＣＯ2＋（ｎ(5)＋０．９４４）Ｈ2Ｏ
（９）
ここで、乾燥空気を構成する成分のモル比率はほぼ下記式（１０）で示される。
Ｎ2：Ｏ2：Ａｒ：ＣＯ2＝78.06:21:0.9:0.04 （１０）
【００３５】
空気中の水蒸気モル濃度ＣＭＷ［％］が既知であると、下記式（１１）により、乾燥空気濃度ＣＭＡを示す係数ａを算出し、係数ａと式（１０）の関係を用いて、水蒸気を含む空気を構成する成分のモル比率は下記式（１２）で与えられる。
ａ＝(100-MCW)/100=MCA/100 （１１）
Ｎ2：Ｏ2：Ａｒ：ＣＯ2：Ｈ2Ｏ
＝78.06a:21a:0.9a:0.04a:MCW （１２）
【００３６】
ここで、燃焼反応を示す式（８）の酸素の係数１．４７２に着目し、式（１２）の「２１ａ」が１．４７２となるように（１．４７２／２１ａ）を乗算すると、下記式（１３）が得られる。
Ｎ2：Ｏ2：Ａｒ：ＣＯ2：Ｈ2Ｏ
＝5.472:1.472:0.063:0.003:7.01MCW/MCA （１３）
【００３７】
よって式（９）に含まれるモル比率パラメータｎ(1)〜ｎ(4)は下記のようになり、ｎ(5)は下記式（１４）で与えられる。
ｎ(1)＝５．４７２，ｎ(2)＝１．４７２，ｎ(3)＝０．０６３，ｎ(4)＝０．００３
ｎ(5)＝７．０１×ＭＣＷ／ＭＣＡ （１４）
【００３８】
図３のステップＳ１８では、混合ガス温度Ｔｉｎを用いて、フィードガス（還流排気）の成分である窒素、アルゴン、二酸化炭素、及び水蒸気の音速Ｖ(1)，Ｖ(3)，Ｖ(4)，及びＶ(5)を算出する。水蒸気の音速Ｖ(5)は、ステップＳ１５で算出した音速ＶＷである。音速Ｖ(1)，Ｖ(3)，及びＶ(4)は、式（５）の比熱比κ及び分子量Ｍをそれぞれの成分に対応する数値を適用することにより、算出される。
【００３９】
そして、モル比率パラメータｎ(1)，ｎ(3)〜ｎ(5)及び音速Ｖ(1)，Ｖ(3)〜Ｖ(5)を下記式（１５）に適用し、還流排気（フィードガス）の音速Ｖｆを算出する。
【数３】
【００４０】
ステップＳ１９では、ステップＳ１６で算出した新気の音速Ｖａ２、ステップＳ１８で算出した還流排気の音速Ｖｆ、及び検出された混合ガスの音速Ｖｉｎを下記式（１６）に適用し、排気還流率ＲＥＧＲを算出する。
【数４】
【００４１】
式（１６）は以下のようにして導出される。混合ガス中の新気と還流排気のモル比率をｘ：ｙとすると、混合ガスの音速Ｖｉｎは下記式（１７）で与えられ、排気還流率ＲＥＧＲは下記式（１８）で与えられる。これらの式（１７）及び（１８）から式（１６）が得られる。
Ｖｉｎ＝（Ｖａ２×ｘ＋Ｖｆ×ｙ）／（ｘ＋ｙ） （１７）
ＲＥＧＲ＝ｙ／（ｘ＋ｙ） （１８）
【００４２】
本実施形態では、図３の処理により算出された排気還流率ＲＥＧＲがエンジン運転状態（エンジン負荷及びエンジン回転数）に応じて設定される目標排気還流率ＲＥＧＲＴと一致するように、ＥＧＲ弁８の開度制御が行われる。
【００４３】
次に超音波センサ１３の構成及び音速の検出手法ついて説明する。図４は、超音波センサ１３の構成を示すブロック図であり、超音波センサ１３は、信号発生部２１と、送信部２２と、受信部２３と、増幅部２４と、整流部２５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６，２９と、トリガ信号生成部２７と、ＦＶ変換部２８とを備えている。送信部２２及び受信部２３は、吸気管２の内壁に互いに対向する位置に取り付けられている。
【００４４】
信号発生部２１は、図５（ｄ）に示すトリガ信号ＳＴＧに応じて図５（ａ）に示すバースト状の送信信号ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，…）を発生する。送信部２２は、送信信号ＳＴを音波に変換して出力する。受信部２３は、送信部２２から距離Ｌを隔てて設けられており、送信される音波を図５（ｂ）に示す受信信号ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，…）に変換する。受信信号ＳＲ１，ＳＲ２，及びＳＲ３は、それぞれ送信信号ＳＴ１，ＳＴ２，及びＳＴ３に対応する。すなわち送信信号ＳＴは、距離Ｌを音波が伝播するのに要する伝播時間ＴＬだけ遅れて受信部２３で受信される。
【００４５】
増幅部２４は、受信信号ＳＲを増幅し、整流部２５は受信信号ＳＲを全波整流する。ＬＰＦ２６は全波整流された受信信号の高周波成分を除去し、図５（ｃ）に示す検波信号ＳＲＦを出力する。トリガ信号生成部２７は、検波信号ＳＲＦを閾値ＶＴＨで二値化し、トリガ信号ＳＴＧを生成する。このトリガ信号ＳＴＧは、信号発生部２１に供給されるとともに、ＦＶ変換部２８に供給される。
【００４６】
ＦＶ変換部２８は、トリガ信号ＳＴＧの周波数ＦＴを、その周波数ＦＴに比例する電圧に変換して出力する。ＬＰＦ２９は、ＦＶ変換部２８から出力される信号の高周波成分を除去し、周波数ＦＴを示す周波数信号ＶＦＴを出力する。
【００４７】
伝播時間ＴＬは周波数ＦＴの逆数として求められ、混合ガスの音速Ｖｉｎは、（Ｌ／ＴＬ）であって周波数信号ＶＦＴに比例する。したがって、周波数信号ＶＦＴに適当な係数を乗算することにより、音速Ｖｉｎが得られる。このとき伝播時間ＴＬに信号処理に伴う遅延時間が含まれないように補正を行うことにより、正確な音速Ｖｉｎが得られる。
【００４８】
以上のように本実施形態では、新気の音速Ｖａ２及び還流排気の音速Ｖｆが算出されるとともに、新気と還流排気の混合ガスの音速Ｖｉｎが検出され、これらの音速に基づいて排気還流率ＲＥＧＲが算出される。混合ガスの音速Ｖｉｎは、混合ガスの構成要素である新気と還流排気の音速Ｖａ２，Ｖｆ、及び新気と還流排気の比率（すなわち排気還流率）に依存して変化する。したがって、混合ガス、新気、及び還流排気の音速Ｖｉｎ，Ｖａ２，Ｖｆを用いることにより、混合ガスに含まれる還流排気の割合である排気還流率ＲＥＧＲを精度良く算出することができる。
【００４９】
また新気中の水蒸気濃度ＣＭＷが、新気温度Ｔａ１及び新気湿度Ｈａ１に応じて算出され、混合ガスの温度Ｔｉｎと新気中の水蒸気濃度ＣＭＷとに基づいて、新気の音速Ｖａ２が算出される。新気の音速は、水蒸気濃度及び温度によって変化するので、混合ガスの温度と新気中の水蒸気濃度とに基づいて新気の音速を算出することにより、還流排気と混合された状態での新気の音速Ｖａ２を正確に算出することができる。また新気の音速Ｖａ２を求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００５０】
さらに新気中の水蒸気濃度ＣＭＷに基づいて還流排気中の水蒸気濃度を示すモル比率パラメータ（ｎ(5)＋０．９４４）が算出され、混合ガスの温度Ｔｉｎに応じて還流排気中の各成分の音速Ｖ(1)〜Ｖ(5)が算出される。そして、音速Ｖ(1)〜Ｖ(5)とモル比率パラメータ（ｎ(5)＋０．９４４）とを用いて、式（１５）により還流排気の音速Ｖｆが算出される。還流排気に含まれる成分のうち、水蒸気以外の成分のモル比率パラメータｎ(1)，ｎ(3)，及び（ｎ(4)＋１）は、空気成分の標準的な比率及び標準的な燃料であるガソリンＣＨ1.888の燃焼式（８）を前提とすることにより算出可能であるが、水蒸気の比率は新気中の水蒸気濃度に依存して変化する。したがって、新気中の水蒸気濃度ＭＣＷに基づいて推定された還流排気中の水蒸気濃度を示すモル比率パラメータ（ｎ(5)＋０．９４４）と、混合ガス温度Ｔｉｎとを用いることにより、新気と混合された状態での還流排気の音速Ｖｆを正確に算出することができる。また還流排気の音速Ｖｆを求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００５１】
また新気中の水蒸気濃度ＣＭＷは空気中の飽和水蒸気圧Ｅｓａｔと検出新気湿度Ｈａ１から算出される。飽和水蒸気圧Ｅｓａｔは、テテンスの式（式（１））を用いることにより、新気温度Ｔａ１から算出できるので、正確な水蒸気濃度を得ることができる。
【００５２】
また超音波センサ１３を用いることにより、超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間ＴＬに基づいて混合ガスの音速Ｖｉｎを精度良く算出することができる。
【００５３】
本実施形態では、湿度センサ１１が新気湿度検出手段に相当し、新気温度センサ１２が新気温度検出手段に相当し、混合ガス温度センサ１４が混合ガス温度検出手段に相当する。また湿度センサ１１、新気温度センサ１２、混合ガス温度センサ１４及びＥＣＵ５が第１音速取得手段及び第２音速取得手段を構成し、超音波センサ１３が第３音速取得手段を構成し、ＥＣＵ５が排気還流率算出手段及び水蒸気濃度推定手段を構成する。また湿度センサ１１、新気温度センサ１２、及びＥＣＵ５が水蒸気濃度取得手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ１１〜Ｓ１６が第１音速取得手段に相当し、ステップＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ１７，及びＳ１８が第２音速取得手段に相当し、ステップＳ１９が排気還流率算出手段に相当し、ステップＳ１１〜Ｓ１４が水蒸気濃度取得手段に相当し、ステップＳ１７が水蒸気濃度推定手段に相当する。また図４の信号発生部２１及び送信部２２が超音波送信手段に相当し、受信部２３が超音波受信手段に相当する。
【００５４】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図３の処理では、ステップＳ１２〜Ｓ１６の演算により、温度Ｔｉｎにおける新気の音速Ｖａ２を算出するようにしたが、図６に示すように空気の温度Ｔａ１及び湿度Ｈａ１から音速Ｖａ１を算出するマップを予め作成しておき、このマップを用いて検出された温度Ｔａ１及び湿度Ｈａ１から音速Ｖａ１を算出し、この温度Ｔａ１における音速Ｖａ１を下記式（２０）により温度Ｔｉｎにおける音速Ｖａ２に換算するようにしてもよい。
【数５】
【００５５】
また音速の算出式は、下記式（２１）〜（２４）のように成分毎に知られている近似式を用いてもよい。算出される音速の単位は［ｍ／ｓ］である。
Ｖ(1)＝３３７＋０．８５Ｔｉｎ （２１）
Ｖ(3)＝３１９＋０．５７Ｔｉｎ （２２）
Ｖ(4)＝２５８＋０．８７Ｔｉｎ （２３）
Ｖ(5)＝４０４．８＋０．６８Ｔｉｎ （２４）
【００５６】
また吸気管２のスロットル弁３の下流側に超音波センサを設けて、新気温度Ｔａ１における音速Ｖａ１を検出し、音速Ｖａ１を温度Ｔｉｎにおける音速Ｖａ２に変換するようにしてもよい。還流排気の音速Ｖｆも同様に求めることができる。例えば排気還流通路７に超音波センサ及び温度センサを設けて、音速Ｖｆ１及び還流排気温度ＴＥＧＲを検出し、検出した音速Ｖｆ１を温度Ｔｉｎにおける音速Ｖｆに変換するようにしてもよい。
【００５７】
また特許文献１に記載されているように、超音波センサを用いて被測定ガス中の水蒸気濃度を検出することができるので、吸気管２のスロットル弁３の下流側に設けた超音波センサにより新気中の水蒸気濃度を検出するようにしてもよい。また排気還流通路７に設けた超音波センサにより還流排気中の水蒸気濃度を検出するようにしてよい。
【００５８】
また上述した実施形態では、大気圧ＰＡを検出して式（３）に適用したが、式（３）のＰＡを平均的な大気圧、例えば「１０１．３ｋＰａ」に設定してもよい。
【００５９】
また本発明は、ガソリン内燃機関だけでなく、ディーゼル内燃機関にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】排気還流率の算出手法を説明するための図である。
【図３】排気還流率を算出する処理のフローチャートである。
【図４】超音波センサの構成を示すブロック図である。
【図５】超音波センサの動作を説明するための波形図である。
【図６】湿度及び温度から音速を算出するためのマップを示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 内燃機関
２ 吸気管
４ 排気管
５ 電子制御ユニット（第１音速取得手段、第２音速取得手段、排気還流率算出手段、水蒸気濃度取得手段、水蒸気濃度推定手段）
６ 排気還流通路
１１ 湿度センサ（新気湿度検出手段）
１２ 新気温度センサ（新気温度検出手段）
１３ 超音波センサ（第３音速取得手段）
１４ 混合ガス温度センサ（混合ガス温度検出手段）
２１ 信号発生部（超音波送信手段）
２２ 送信部（超音波送信手段）
２３ 受信部（超音波受信手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気還流通路を備える内燃機関において排気還流率を計測する排気還流率計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の吸入空気中の特定成分の濃度を測定するガス濃度センサが示されている。このガス濃度センサは、被測定ガス（測定対象ガス）中において超音波が一定距離を伝播するのに要する伝播時間、換言すれば被測定ガスの音速に基づいて、特定成分の濃度を検出するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４１３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関に吸入されるガス中には、濃度測定の対象となる特定成分（例えば蒸発燃料）以外の他の成分（水蒸気、還流される排気）が含まれており、被測定ガスの音速は、他の成分の影響も受ける。そのため、他の成分の濃度が変化すると、被測定ガスの音速と特定成分の濃度との関係も変化し、特定成分濃度の測定精度が低下する。内燃機関に吸入される新気中には少なからず水蒸気が含まれており、排気系から還流される還流排気中には燃焼により生成された水蒸気も含まれる。
【０００５】
特許文献１は、ガス濃度センサを、吸気通路に供給される蒸発燃料の濃度の測定に適用する例と、水蒸気の濃度を測定する例とを示しているが、蒸発燃料濃度と水蒸気濃度との関係（被測定ガスにおける両者の比率）に着目して、正確な蒸発燃料濃度を測定する手法を示していない。したがって、特許文献１に示されたガス濃度センサ及びそのセンサを用いたガス濃度測定手法を、新気と還流排気との混合ガス中の還流排気の割合である排気還流率の測定にそのまま適用することはできない。
【０００６】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、排気還流通路を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる還流排気の比率、すなわち排気還流率を精度よく求めることができる排気還流率計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気還流通路（７）を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる前記還流排気の割合である排気還流率（ＲＥＧＲ）を計測する排気還流率計測装置であって、前記新気の音速（Ｖａ２）を求める第１音速取得手段と、前記還流排気の音速（Ｖｆ）を求める第２音速取得手段と、前記混合ガスの音速（Ｖｉｎ）を求める第３音速取得手段と、前記新気の音速（Ｖａ２）と前記還流排気の音速（Ｖｆ）と前記混合ガスの音速（Ｖｉｎ）とに基づいて前記排気還流率（ＲＥＧＲ）を算出する排気還流率算出手段とを備えることを特徴とするものを提供する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気還流率計測装置において、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）を検出する混合ガス温度検出手段（１４）と、前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）を取得する水蒸気濃度取得手段とを備え、前記第１音速取得手段は、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）と前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）とに基づいて、前記新気の音速（Ｖａ２）を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の排気還流率計測装置において、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）を検出する混合ガス温度検出手段（１４）と、前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）を取得する水蒸気濃度取得手段と、前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）に基づいて前記還流排気中の水蒸気濃度（ｎ(5)＋０．９４４）を推定する水蒸気濃度推定手段とを備え、前記第２音速取得手段は、前記混合ガスの温度（Ｔｉｎ）と前記還流排気中の水蒸気濃度（ｎ(5)＋０．９４４）とに基づいて、前記還流排気の音速（Ｖｆ）を算出することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の排気還流率計測装置において、前記水蒸気濃度取得手段は、前記新気の温度（Ｔａ１）を検出する新気温度検出手段（１２）と、前記新気の湿度（Ｈａ１）を検出する新気湿度検出手段（１１）とを有し、検出した新気温度（Ｔａ１）及び新気湿度（Ｈａ１）に基づいて前記新気中の水蒸気濃度（ＭＣＷ）を算出することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の排気還流率計測装置において、前記第３音速取得手段は、超音波を送信する超音波送信手段と、前記混合ガスを介して前記超音波を受信する超音波受信手段とを有し、前記超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間（ＴＬ）に基づいて、前記混合ガスの音速（Ｖｉｎ）を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、新気の音速、還流排気の音速、及び新気と還流排気の混合ガスの音速が求められ、これらの音速に基づいて排気還流率が算出される。機関に吸入される混合ガスの音速は、混合ガスの構成要素である新気と還流排気の音速、及び新気と還流排気の比率に依存して変化する。したがって、混合ガス、新気、及び還流排気の各音速を用いることにより、混合ガスに含まれる還流排気の割合である排気還流率を精度良く算出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、新気中の水蒸気濃度が取得され、混合ガスの温度と新気中の水蒸気濃度とに基づいて、新気の音速が算出される。新気の音速は、水蒸気濃度及び温度によって変化するので、混合ガスの温度と新気中の水蒸気濃度とに基づいて新気の音速を算出することにより、還流排気と混合された状態での新気の音速を正確に算出することができる。また新気の音速を求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、新気中の水蒸気濃度に基づいて還流排気中の水蒸気濃度が推定され、混合ガスの温度と還流排気中の水蒸気濃度とに基づいて、還流排気の音速が算出される。還流排気に含まれる成分のうち、水蒸気以外の成分の比率は、標準的な燃料の完全燃焼を前提とすることにより算出可能であるが、水蒸気の比率は新気中の水蒸気濃度に依存して変化する。したがって、新気中の水蒸気濃度に基づいて推定された還流排気中の水蒸気濃度と、混合ガスの温度とを用いることにより、新気と混合された状態での還流排気の音速を正確に算出することができる。また還流排気の音速を求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、検出した新気温度及び新気湿度に基づいて新気中の水蒸気濃度が算出される。空気中の飽和水蒸気圧は、テテンスの式を用いることにより、新気温度から算出できるので、飽和水蒸気圧と検出湿度から、正確な水蒸気濃度を得ることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間に基づいて混合ガスの音速を精度良く算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有し、エンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。
【００１８】
燃料噴射弁６は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共に電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１９】
エンジン１の排気管４と吸気管２のスロットル弁下流側との間には、排気還流通路７が設けられており、排気還流通路７には排気還流量を制御する排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）８が設けられている。ＥＧＲ弁８がＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によりＥＧＲ弁８の弁開度が制御される。
【００２０】
吸気管２のスロットル弁３の上流側には、エンジン１に吸入される新気の湿度Ｈａ１を検出する湿度センサ１１及び新気の温度Ｔａ１を検出する新気温度センサ１２が設けられている。また吸気管２と排気還流通路７との接続部の下流側には、新気と還流排気の混合ガスの音速Ｖｉｎを検出する超音波センサ１３と、混合ガスの温度Ｔｉｎを検出する混合ガス温度センサ１４とが設けられている。これらのセンサ１１〜１４の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。またＥＣＵ５には大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ１５が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。
【００２１】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、ＥＧＲ弁８及び燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６の開弁時間の制御、及びＥＧＲ弁８の開度制御（ＥＧＲ流量制御）を行うとともに、排気還流率ＲＥＧＲの算出を行う。
【００２２】
本実施形態では、上記センサ１１〜１５及びＥＣＵ５によって、排気還流率計測装置が構成される。
【００２３】
図２は、本実施形態における排気還流率ＲＥＧＲの算出手法の概要を説明するための図である。新気ＧＡが、還流排気ＧＥＧＲと混合され、混合ガスＧＭＸが生成される。混合ガスＧＭＸには燃料噴射弁６により燃料が噴射され、燃料空気混合気として燃焼室１ａに供給される。すなわち、本明細書においては「混合ガス」は、新気と還流排気とが混合したガスであって、燃料が噴射（混合）される前のガスを意味するものとする。
【００２４】
燃焼室１ａからは、燃料空気混合気が燃焼した後のガス（既燃ガス）がフィードガスＧＦとして排出される。フィードガスＧＦの一部が排気還流通路７を介して還流排気ＧＥＧＲとして吸気管２に還流される。
【００２５】
本実施形態では、混合ガス温度Ｔｉｎにおける新気ＧＡの音速（新気中における音の伝播速度）Ｖａ２、還流排気ＧＥＧＲの音速Ｖｆ、及び超音波センサ１３により検出される混合ガスＧＭＸの音速Ｖｉｎを用いて、排気還流率ＲＥＧＲが算出される。新気の音速Ｖａ２は、検出される新気湿度Ｈａ１、新気温度Ｔａ１、及び混合ガス温度Ｔｉｎに応じて算出され、還流排気の音速Ｖｆは、フィードガス（還流排気）に含まれる成分の比率及び混合ガス温度Ｔｉｎに応じて算出される。
【００２６】
図３は、排気還流率ＲＥＧＲを算出する処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ５のＣＰＵで所定時間毎に実行される。
ステップＳ１１では、センサにより検出される新気温度Ｔａ１、新気湿度Ｈａ１、混合ガス温度Ｔｉｎ、混合ガス音速Ｖｉｎ、及び大気圧ＰＡを読み込む。ステップＳ１２では、下記式（１）に新気温度Ｔａ１［℃］を適用して、温度Ｔａ１における空気（標準大気圧）中の飽和水蒸気圧Ｅｓａｔ［ｈＰａ］を算出する。式（１）はテテンス（Tetens）の式として周知のものである。
【数１】
【００２７】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した飽和水蒸気圧Ｅｓａｔ及び検出した新気湿度Ｈａ１［％］を下記式（２）に適用し、新気中の水蒸気圧ＰＷを算出する。
ＰＷ＝Ｅａｓｔ×Ｈａ１／１００ （２）
【００２８】
ステップＳ１４では、水蒸気圧ＰＷ及び大気圧ＰＡを下記式（３）に適用して新気中の水蒸気モル濃度ＭＣＷを算出し、さらに水蒸気モル濃度ＭＣＷ［％］を下記式（４）に適用して、新気中の乾燥空気（湿度０％の空気）のモル濃度ＭＣＡ［％］を算出する。
ＭＣＷ＝（ＰＷ／ＰＡ）×１００ （３）
ＭＣＡ＝１００−ＭＣＷ （４）
【００２９】
ステップＳ１５では、混合ガス温度Ｔｉｎ［℃］を下記式（５）及び（６）に適用し、温度Ｔｉｎにおける新気中の水蒸気の音速ＶＷ［ｍ／ｓ］及び新気中の乾燥空気の音速ＶＡ［ｍ／ｓ］を算出する。式（５）のκW及びＭＷは、それぞれ水蒸気の比熱比及び分子量であり、式（６）のκA及びＭＡは、それぞれ乾燥空気の比熱比及び等価分子量（乾燥空気の各成分の分子量及び各成分のモル比率から算出される）である。また式（５）及び（６）のＲは気体定数である。
【数２】
【００３０】
ステップＳ１６では、ステップＳ１４で算出したモル濃度ＭＣＷ，ＭＣＡ、及びステップＳ１５で算出した音速ＶＷ，ＶＡを下記式（７）に適用し、温度Ｔｉｎにおける新気の音速Ｖａ２を算出する。
Ｖａ２＝（ＶＷ×ＭＣＷ＋ＶＡ×ＭＣＡ）／１００ （７）
【００３１】
ステップＳ１７では、モル濃度ＭＣＷ及びＭＣＡに応じてフィードガスの成分比率、すなわちフィードガスに含まれる各成分のモル比率を算出する。以下この算出手法を詳細に説明する。
【００３２】
先ず温度２０℃、湿度３０％で窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）、アルゴン（Ａｒ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）を成分とする空気中で燃料が燃焼したときに理論空燃比が１４．７となる標準的なガソリンの組成式をＣＨ1.888とする。このガソリンＣＨ1.888の燃焼の反応式は下記式（８）で与えられる。
ＣＨ1.888＋１．４７２Ｏ2 → ＣＯ2＋０．９４４Ｈ2Ｏ （８）
【００３３】
空気を構成する窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素、及び水蒸気のモル比率を示すモル比率パラメータをそれぞれｎ(1)，ｎ(2)，ｎ(3)，ｎ(4)，及びｎ(5)で表すものとすると、ガソリンＣＨ1.888が燃焼するときの反応式は下記式（９）で与えられる。
【００３４】
ｎ(1)Ｎ2＋ｎ(2)Ｏ2＋ｎ(3)Ａｒ＋ｎ(4)ＣＯ2＋ｎ(5)Ｈ2Ｏ＋ＣＨ1.888
→ ｎ(1)Ｎ2＋ｎ(3)Ａｒ＋（ｎ(4)＋１）ＣＯ2＋（ｎ(5)＋０．９４４）Ｈ2Ｏ
（９）
ここで、乾燥空気を構成する成分のモル比率はほぼ下記式（１０）で示される。
Ｎ2：Ｏ2：Ａｒ：ＣＯ2＝78.06:21:0.9:0.04 （１０）
【００３５】
空気中の水蒸気モル濃度ＣＭＷ［％］が既知であると、下記式（１１）により、乾燥空気濃度ＣＭＡを示す係数ａを算出し、係数ａと式（１０）の関係を用いて、水蒸気を含む空気を構成する成分のモル比率は下記式（１２）で与えられる。
ａ＝(100-MCW)/100=MCA/100 （１１）
Ｎ2：Ｏ2：Ａｒ：ＣＯ2：Ｈ2Ｏ
＝78.06a:21a:0.9a:0.04a:MCW （１２）
【００３６】
ここで、燃焼反応を示す式（８）の酸素の係数１．４７２に着目し、式（１２）の「２１ａ」が１．４７２となるように（１．４７２／２１ａ）を乗算すると、下記式（１３）が得られる。
Ｎ2：Ｏ2：Ａｒ：ＣＯ2：Ｈ2Ｏ
＝5.472:1.472:0.063:0.003:7.01MCW/MCA （１３）
【００３７】
よって式（９）に含まれるモル比率パラメータｎ(1)〜ｎ(4)は下記のようになり、ｎ(5)は下記式（１４）で与えられる。
ｎ(1)＝５．４７２，ｎ(2)＝１．４７２，ｎ(3)＝０．０６３，ｎ(4)＝０．００３
ｎ(5)＝７．０１×ＭＣＷ／ＭＣＡ （１４）
【００３８】
図３のステップＳ１８では、混合ガス温度Ｔｉｎを用いて、フィードガス（還流排気）の成分である窒素、アルゴン、二酸化炭素、及び水蒸気の音速Ｖ(1)，Ｖ(3)，Ｖ(4)，及びＶ(5)を算出する。水蒸気の音速Ｖ(5)は、ステップＳ１５で算出した音速ＶＷである。音速Ｖ(1)，Ｖ(3)，及びＶ(4)は、式（５）の比熱比κ及び分子量Ｍをそれぞれの成分に対応する数値を適用することにより、算出される。
【００３９】
そして、モル比率パラメータｎ(1)，ｎ(3)〜ｎ(5)及び音速Ｖ(1)，Ｖ(3)〜Ｖ(5)を下記式（１５）に適用し、還流排気（フィードガス）の音速Ｖｆを算出する。
【数３】
【００４０】
ステップＳ１９では、ステップＳ１６で算出した新気の音速Ｖａ２、ステップＳ１８で算出した還流排気の音速Ｖｆ、及び検出された混合ガスの音速Ｖｉｎを下記式（１６）に適用し、排気還流率ＲＥＧＲを算出する。
【数４】
【００４１】
式（１６）は以下のようにして導出される。混合ガス中の新気と還流排気のモル比率をｘ：ｙとすると、混合ガスの音速Ｖｉｎは下記式（１７）で与えられ、排気還流率ＲＥＧＲは下記式（１８）で与えられる。これらの式（１７）及び（１８）から式（１６）が得られる。
Ｖｉｎ＝（Ｖａ２×ｘ＋Ｖｆ×ｙ）／（ｘ＋ｙ） （１７）
ＲＥＧＲ＝ｙ／（ｘ＋ｙ） （１８）
【００４２】
本実施形態では、図３の処理により算出された排気還流率ＲＥＧＲがエンジン運転状態（エンジン負荷及びエンジン回転数）に応じて設定される目標排気還流率ＲＥＧＲＴと一致するように、ＥＧＲ弁８の開度制御が行われる。
【００４３】
次に超音波センサ１３の構成及び音速の検出手法ついて説明する。図４は、超音波センサ１３の構成を示すブロック図であり、超音波センサ１３は、信号発生部２１と、送信部２２と、受信部２３と、増幅部２４と、整流部２５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６，２９と、トリガ信号生成部２７と、ＦＶ変換部２８とを備えている。送信部２２及び受信部２３は、吸気管２の内壁に互いに対向する位置に取り付けられている。
【００４４】
信号発生部２１は、図５（ｄ）に示すトリガ信号ＳＴＧに応じて図５（ａ）に示すバースト状の送信信号ＳＴ（ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，…）を発生する。送信部２２は、送信信号ＳＴを音波に変換して出力する。受信部２３は、送信部２２から距離Ｌを隔てて設けられており、送信される音波を図５（ｂ）に示す受信信号ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，…）に変換する。受信信号ＳＲ１，ＳＲ２，及びＳＲ３は、それぞれ送信信号ＳＴ１，ＳＴ２，及びＳＴ３に対応する。すなわち送信信号ＳＴは、距離Ｌを音波が伝播するのに要する伝播時間ＴＬだけ遅れて受信部２３で受信される。
【００４５】
増幅部２４は、受信信号ＳＲを増幅し、整流部２５は受信信号ＳＲを全波整流する。ＬＰＦ２６は全波整流された受信信号の高周波成分を除去し、図５（ｃ）に示す検波信号ＳＲＦを出力する。トリガ信号生成部２７は、検波信号ＳＲＦを閾値ＶＴＨで二値化し、トリガ信号ＳＴＧを生成する。このトリガ信号ＳＴＧは、信号発生部２１に供給されるとともに、ＦＶ変換部２８に供給される。
【００４６】
ＦＶ変換部２８は、トリガ信号ＳＴＧの周波数ＦＴを、その周波数ＦＴに比例する電圧に変換して出力する。ＬＰＦ２９は、ＦＶ変換部２８から出力される信号の高周波成分を除去し、周波数ＦＴを示す周波数信号ＶＦＴを出力する。
【００４７】
伝播時間ＴＬは周波数ＦＴの逆数として求められ、混合ガスの音速Ｖｉｎは、（Ｌ／ＴＬ）であって周波数信号ＶＦＴに比例する。したがって、周波数信号ＶＦＴに適当な係数を乗算することにより、音速Ｖｉｎが得られる。このとき伝播時間ＴＬに信号処理に伴う遅延時間が含まれないように補正を行うことにより、正確な音速Ｖｉｎが得られる。
【００４８】
以上のように本実施形態では、新気の音速Ｖａ２及び還流排気の音速Ｖｆが算出されるとともに、新気と還流排気の混合ガスの音速Ｖｉｎが検出され、これらの音速に基づいて排気還流率ＲＥＧＲが算出される。混合ガスの音速Ｖｉｎは、混合ガスの構成要素である新気と還流排気の音速Ｖａ２，Ｖｆ、及び新気と還流排気の比率（すなわち排気還流率）に依存して変化する。したがって、混合ガス、新気、及び還流排気の音速Ｖｉｎ，Ｖａ２，Ｖｆを用いることにより、混合ガスに含まれる還流排気の割合である排気還流率ＲＥＧＲを精度良く算出することができる。
【００４９】
また新気中の水蒸気濃度ＣＭＷが、新気温度Ｔａ１及び新気湿度Ｈａ１に応じて算出され、混合ガスの温度Ｔｉｎと新気中の水蒸気濃度ＣＭＷとに基づいて、新気の音速Ｖａ２が算出される。新気の音速は、水蒸気濃度及び温度によって変化するので、混合ガスの温度と新気中の水蒸気濃度とに基づいて新気の音速を算出することにより、還流排気と混合された状態での新気の音速Ｖａ２を正確に算出することができる。また新気の音速Ｖａ２を求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００５０】
さらに新気中の水蒸気濃度ＣＭＷに基づいて還流排気中の水蒸気濃度を示すモル比率パラメータ（ｎ(5)＋０．９４４）が算出され、混合ガスの温度Ｔｉｎに応じて還流排気中の各成分の音速Ｖ(1)〜Ｖ(5)が算出される。そして、音速Ｖ(1)〜Ｖ(5)とモル比率パラメータ（ｎ(5)＋０．９４４）とを用いて、式（１５）により還流排気の音速Ｖｆが算出される。還流排気に含まれる成分のうち、水蒸気以外の成分のモル比率パラメータｎ(1)，ｎ(3)，及び（ｎ(4)＋１）は、空気成分の標準的な比率及び標準的な燃料であるガソリンＣＨ1.888の燃焼式（８）を前提とすることにより算出可能であるが、水蒸気の比率は新気中の水蒸気濃度に依存して変化する。したがって、新気中の水蒸気濃度ＭＣＷに基づいて推定された還流排気中の水蒸気濃度を示すモル比率パラメータ（ｎ(5)＋０．９４４）と、混合ガス温度Ｔｉｎとを用いることにより、新気と混合された状態での還流排気の音速Ｖｆを正確に算出することができる。また還流排気の音速Ｖｆを求めるために超音波センサを用いる必要が無く、コストを低減することができる。
【００５１】
また新気中の水蒸気濃度ＣＭＷは空気中の飽和水蒸気圧Ｅｓａｔと検出新気湿度Ｈａ１から算出される。飽和水蒸気圧Ｅｓａｔは、テテンスの式（式（１））を用いることにより、新気温度Ｔａ１から算出できるので、正確な水蒸気濃度を得ることができる。
【００５２】
また超音波センサ１３を用いることにより、超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間ＴＬに基づいて混合ガスの音速Ｖｉｎを精度良く算出することができる。
【００５３】
本実施形態では、湿度センサ１１が新気湿度検出手段に相当し、新気温度センサ１２が新気温度検出手段に相当し、混合ガス温度センサ１４が混合ガス温度検出手段に相当する。また湿度センサ１１、新気温度センサ１２、混合ガス温度センサ１４及びＥＣＵ５が第１音速取得手段及び第２音速取得手段を構成し、超音波センサ１３が第３音速取得手段を構成し、ＥＣＵ５が排気還流率算出手段及び水蒸気濃度推定手段を構成する。また湿度センサ１１、新気温度センサ１２、及びＥＣＵ５が水蒸気濃度取得手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ１１〜Ｓ１６が第１音速取得手段に相当し、ステップＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ１７，及びＳ１８が第２音速取得手段に相当し、ステップＳ１９が排気還流率算出手段に相当し、ステップＳ１１〜Ｓ１４が水蒸気濃度取得手段に相当し、ステップＳ１７が水蒸気濃度推定手段に相当する。また図４の信号発生部２１及び送信部２２が超音波送信手段に相当し、受信部２３が超音波受信手段に相当する。
【００５４】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図３の処理では、ステップＳ１２〜Ｓ１６の演算により、温度Ｔｉｎにおける新気の音速Ｖａ２を算出するようにしたが、図６に示すように空気の温度Ｔａ１及び湿度Ｈａ１から音速Ｖａ１を算出するマップを予め作成しておき、このマップを用いて検出された温度Ｔａ１及び湿度Ｈａ１から音速Ｖａ１を算出し、この温度Ｔａ１における音速Ｖａ１を下記式（２０）により温度Ｔｉｎにおける音速Ｖａ２に換算するようにしてもよい。
【数５】
【００５５】
また音速の算出式は、下記式（２１）〜（２４）のように成分毎に知られている近似式を用いてもよい。算出される音速の単位は［ｍ／ｓ］である。
Ｖ(1)＝３３７＋０．８５Ｔｉｎ （２１）
Ｖ(3)＝３１９＋０．５７Ｔｉｎ （２２）
Ｖ(4)＝２５８＋０．８７Ｔｉｎ （２３）
Ｖ(5)＝４０４．８＋０．６８Ｔｉｎ （２４）
【００５６】
また吸気管２のスロットル弁３の下流側に超音波センサを設けて、新気温度Ｔａ１における音速Ｖａ１を検出し、音速Ｖａ１を温度Ｔｉｎにおける音速Ｖａ２に変換するようにしてもよい。還流排気の音速Ｖｆも同様に求めることができる。例えば排気還流通路７に超音波センサ及び温度センサを設けて、音速Ｖｆ１及び還流排気温度ＴＥＧＲを検出し、検出した音速Ｖｆ１を温度Ｔｉｎにおける音速Ｖｆに変換するようにしてもよい。
【００５７】
また特許文献１に記載されているように、超音波センサを用いて被測定ガス中の水蒸気濃度を検出することができるので、吸気管２のスロットル弁３の下流側に設けた超音波センサにより新気中の水蒸気濃度を検出するようにしてもよい。また排気還流通路７に設けた超音波センサにより還流排気中の水蒸気濃度を検出するようにしてよい。
【００５８】
また上述した実施形態では、大気圧ＰＡを検出して式（３）に適用したが、式（３）のＰＡを平均的な大気圧、例えば「１０１．３ｋＰａ」に設定してもよい。
【００５９】
また本発明は、ガソリン内燃機関だけでなく、ディーゼル内燃機関にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】排気還流率の算出手法を説明するための図である。
【図３】排気還流率を算出する処理のフローチャートである。
【図４】超音波センサの構成を示すブロック図である。
【図５】超音波センサの動作を説明するための波形図である。
【図６】湿度及び温度から音速を算出するためのマップを示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 内燃機関
２ 吸気管
４ 排気管
５ 電子制御ユニット（第１音速取得手段、第２音速取得手段、排気還流率算出手段、水蒸気濃度取得手段、水蒸気濃度推定手段）
６ 排気還流通路
１１ 湿度センサ（新気湿度検出手段）
１２ 新気温度センサ（新気温度検出手段）
１３ 超音波センサ（第３音速取得手段）
１４ 混合ガス温度センサ（混合ガス温度検出手段）
２１ 信号発生部（超音波送信手段）
２２ 送信部（超音波送信手段）
２３ 受信部（超音波受信手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気還流通路を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる前記還流排気の割合である排気還流率を計測する排気還流率計測装置であって、
前記新気の音速を求める第１音速取得手段と、
前記還流排気の音速を求める第２音速取得手段と、
前記混合ガスの音速を求める第３音速取得手段と、
前記新気の音速と前記還流排気の音速と前記混合ガスの音速とに基づいて前記排気還流率を算出する排気還流率算出手段とを備えることを特徴とする排気還流率計測装置。
【請求項２】
前記混合ガスの温度を検出する混合ガス温度検出手段と、
前記新気中の水蒸気濃度を取得する水蒸気濃度取得手段とを備え、
前記第１音速取得手段は、前記混合ガスの温度と前記新気中の水蒸気濃度とに基づいて、前記新気の音速を算出することを特徴とする請求項１に記載の排気還流率計測装置。
【請求項３】
前記混合ガスの温度を検出する混合ガス温度検出手段と、
前記新気中の水蒸気濃度を取得する水蒸気濃度取得手段と、
前記新気中の水蒸気濃度に基づいて前記還流排気中の水蒸気濃度を推定する水蒸気濃度推定手段とを備え、
前記第２音速取得手段は、前記混合ガスの温度と前記還流排気中の水蒸気濃度とに基づいて、前記還流排気の音速を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の排気還流率計測装置。
【請求項４】
前記水蒸気濃度取得手段は、前記新気の温度を検出する新気温度検出手段と、前記新気の湿度を検出する新気湿度検出手段とを有し、検出した新気温度及び新気湿度に基づいて前記新気中の水蒸気濃度を算出することを特徴とする請求項２または３に記載の排気還流率計測装置。
【請求項５】
前記第３音速取得手段は、超音波を送信する超音波送信手段と、前記混合ガスを介して前記超音波を受信する超音波受信手段とを有し、前記超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間に基づいて、前記混合ガスの音速を求めることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の排気還流率計測装置。
【請求項１】
排気還流通路を備える内燃機関に吸入される新気と還流排気との混合ガスに含まれる前記還流排気の割合である排気還流率を計測する排気還流率計測装置であって、
前記新気の音速を求める第１音速取得手段と、
前記還流排気の音速を求める第２音速取得手段と、
前記混合ガスの音速を求める第３音速取得手段と、
前記新気の音速と前記還流排気の音速と前記混合ガスの音速とに基づいて前記排気還流率を算出する排気還流率算出手段とを備えることを特徴とする排気還流率計測装置。
【請求項２】
前記混合ガスの温度を検出する混合ガス温度検出手段と、
前記新気中の水蒸気濃度を取得する水蒸気濃度取得手段とを備え、
前記第１音速取得手段は、前記混合ガスの温度と前記新気中の水蒸気濃度とに基づいて、前記新気の音速を算出することを特徴とする請求項１に記載の排気還流率計測装置。
【請求項３】
前記混合ガスの温度を検出する混合ガス温度検出手段と、
前記新気中の水蒸気濃度を取得する水蒸気濃度取得手段と、
前記新気中の水蒸気濃度に基づいて前記還流排気中の水蒸気濃度を推定する水蒸気濃度推定手段とを備え、
前記第２音速取得手段は、前記混合ガスの温度と前記還流排気中の水蒸気濃度とに基づいて、前記還流排気の音速を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の排気還流率計測装置。
【請求項４】
前記水蒸気濃度取得手段は、前記新気の温度を検出する新気温度検出手段と、前記新気の湿度を検出する新気湿度検出手段とを有し、検出した新気温度及び新気湿度に基づいて前記新気中の水蒸気濃度を算出することを特徴とする請求項２または３に記載の排気還流率計測装置。
【請求項５】
前記第３音速取得手段は、超音波を送信する超音波送信手段と、前記混合ガスを介して前記超音波を受信する超音波受信手段とを有し、前記超音波の送信時点から受信時点までの伝播時間に基づいて、前記混合ガスの音速を求めることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の排気還流率計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２６４２３７（Ｐ２００９−２６４２３７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１４７０６（Ｐ２００８−１１４７０６）
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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