JP2019108889A - 点火タイミングの遅延のためのシステムおよび方法 - Google Patents

点火タイミングの遅延のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】火花タイミングによる、望ましくない振動を防止するため、各種変数を制御する。【解決手段】往復動エンジン（１０）の少なくとも第１のシリンダ（２６）の動作状態を監視し、往復動エンジン（１０）を制御するように構成された制御システムで、第１のシリンダ（２６）の第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）と、第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）に通信可能に結合したコントローラ（２５）とを含む。コントローラ（２５）は、第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）から第１の種類の動作状態の第１の測定値を示す第１の信号を受信し、第１の信号を分析して第１のシリンダ（２６）における失火状態を検出し、失火状態が検出された場合に第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出し、残留ガスの量に基づいて往復動エンジン（１０）の制御を調節するように構成される。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、燃料燃焼エンジンに関し、より具体的には、点火タイミングの遅延のためのシステムおよび方法に関する。
燃焼エンジンは、典型的には、天然ガス、ガソリン、およびディーゼル燃料などの炭素質燃料を燃焼させ、高温高圧のガスの対応する膨張を利用して、例えばエンジンのシリンダ内に配置されたピストンなどのエンジンの特定の構成要素に力を加え、これらの構成要素を或る距離にわたって作動させる。動作において、例えばピストンの圧縮行程の最中に、火花によって燃焼室内の空気−燃料混合物に点火することができる。火花のタイミングが、エンジンの寿命、燃料経済性、およびエンジン出力を含む多くの変数に影響を及ぼし得る。例えば、エンジンサイクルにおいてあまりにも早く生じ、あるいはあまりにも遅く生じる火花は、望ましくない振動の原因となる可能性がある。場合によっては、火花点火を遅らせることが有益となり得る。
出願時に特許請求される発明と同等の範囲の特定の実施形態が、以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示について考えられる形態の概要を提供しようとするものにすぎない。実際に、本開示は、以下に記載される実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよいさまざまな形態を含むことができる。
第１の実施形態においては、システムが、往復動エンジンの少なくとも第１のシリンダの動作状態を監視し、往復動エンジンを制御するように構成された制御システムを含み、制御システムは、第１のシリンダの第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサと、第１のセンサに通信可能に結合したコントローラとを含む。コントローラは、第１のセンサから第１の種類の動作状態の第１の測定値を示す第１の信号を受信し、第１の信号を分析して第１のシリンダにおける失火状態を検出し、失火状態が検出された場合に第１のシリンダ内の残留ガスの量を導出し、残留ガスの量に基づいて往復動エンジンの制御を調節するように構成される。
第２の実施形態においては、エンジンを制御する方法が、往復動エンジンの第１のシリンダの第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサから、第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を受信するステップを含む。この方法は、第１の信号を分析して第１のシリンダにおける失火状態を検出するステップと、失火状態が検出された場合に、第１のシリンダ内の残留ガスの量を導出するステップとをさらに含む。この方法は、残留ガスの量に基づいて往復動エンジンの制御を調節するステップをさらに含む。
第３の実施形態においては、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体にコンピュータ命令が格納され、コンピュータ命令は、プロセッサによって実行されたときに、往復動エンジンの第１のシリンダの第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサから、第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を受信するステップと、第１の信号を分析して第１のシリンダにおける失火状態を検出するステップとを、プロセッサに実行させるように構成される。命令は、失火状態が検出された場合に、第１のシリンダ内の残留ガスの量を導出するステップと、残留ガスの量に基づいて往復動エンジンの制御を調節するステップとを、プロセッサにさらに実行させるように構成される。
本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しつつ検討することで、よりよく理解されるであろう。添付の図面において、類似の符号は、図面の全体を通して、類似の部分を表している。
本開示のいくつかの態様による往復動エンジンによって駆動される発電システムの一部分の実施形態のブロック図である。 本開示のいくつかの態様による図１に示した往復動エンジンのシリンダ内のピストンアセンブリの一実施形態の側面断面図である。 図１の往復動エンジンシステムの駆動系のクランクシャフトの一実施形態のブロック図である。 図３のクランクシャフトに使用されるカップリングの周囲の剛体マウント上に配置された３つのセンサの実施形態の概略図である。 往復動エンジンシステムの動作時の駆動系の状態を検出するためのプロセスの一実施形態のフロー図である。 図５のプロセスにおいて実行される特定のエンジンタイミング事象の最中のインパルスと応答とのペアリングのベースラインを決定するためのプロセスの一実施形態のフロー図である。 例えば失火などのエンジン状態を判断し、例えばシリンダ内の残留ガスの量などの特定のエンジンパラメータを導出し、導出したエンジンパラメータに基づいてエンジン制御を調節するためのプロセスの一実施形態のフロー図である。
以下で、本発明の１つ以上の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する努力において、実際の実施例の特徴は、明細書において必ずしもすべては説明されないかもしれない。そのような実際の実施例の開発においては、あらゆる工学プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約の順守など、実施例ごとにさまざまであり得る開発者の具体的な目標を達成するために、実施例ごとに特有の多数の決定を行わなければならないことを、理解すべきである。さらに、このような開発の努力は、複雑で時間がかかるかもしれないが、それにもかかわらず、本開示の恩恵を被る当業者にとって、製作および製造の日常的な仕事であると考えられることを、理解すべきである。
本発明の種々の実施形態の構成要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの構成要素が１つ以上存在することを意味するように意図される。「・・・を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「・・・を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「・・・を有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包含であるように意図され、列挙された構成要素以外のさらなる構成要素が存在してもよいことを意味する。
本開示は、往復動エンジンに関し、より詳細には、燃焼エンジンにおける点火タイミングの遅延に関する。一般に、往復動エンジンは、ピストンがシリンダの頂部に向かって上方へと移動するときに燃焼室内の燃料−空気混合物に点火する点火の特徴または機構（例えば、点火プラグ）を備える。例えば、点火プラグは、クランクシャフトのクランク角度が上死点（ＴＤＣ）から約５〜３５度であるときに燃料−空気混合気に点火することができ、ＴＤＣは、シリンダ内でのピストンの「最高」位置である。点火のタイミングを（例えば、点火がエンジンのサイクルにおける特定の瞬間に生じるように）改善することで、往復動エンジンの性能を改善することができる。例えば、点火のタイミングが良好でないと、過早点火（例えば、エンジンのノッキング、ピンジング）が生じる可能性があり、過早点火とは、燃料−空気混合物の小領域（ｐｏｃｋｅｔ）が主たる燃焼の前面の包絡線の外側で燃焼する状態を表す。過早点火により、膨張する燃焼ガスからの（例えば、ピストンによる）仕事の回収が少なくなる可能性がある。
通常の動作時に、シリンダ内に或る程度の残留排気ガスが存在する可能性がある。往復動エンジンの失火時に、残留排気ガスは新鮮な混合気によって置き換えられる。したがって、新鮮な混合気の後に往復動エンジンが燃焼する場合、ピークシリンダ圧力が所望のレベルを超えて上昇し、シリンダ構成要素に望ましくない影響を及ぼす可能性がある。失火したシリンダの燃焼時の点火タイミングを遅らせることにより、ピークシリンダ圧力は低くなる。とくには、エンジンが失火している場合に、火花点火を遅らせることによって、シリンダ圧力を好都合に低下させ、エンジンの寿命を延ばすことができる。本明細書に記載の技術は、一実施形態において、最初に失火の発生をリアルタイムで検出し、次いで点火タイミングを遅らせることができる。点火の遅延後に、点火のタイミングを、通常の動作へと戻すことができる。本明細書に記載の技術が、例えば圧縮による点火のためにディーゼル燃料を使用することができる往復動エンジンにも適用可能であることを、理解されたい。リアルタイムで失火を検出し、次いで点火タイミングを遅らせることによって、本明細書に記載の技術は、エンジンの効率を高め、エンジンの寿命を延ばすことができる。
図面を参照すると、図１が、エンジンによって駆動される発電システム８の一部分の一実施形態のブロック図を示している。以下で詳しく説明されるように、システム８は、１つ以上の燃焼室１２（例えば、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、１０個、１２個、１４個、１６個、１８個、または２０個以上の燃焼室１２）を有するエンジン１０（例えば、往復動内燃機関）を含む。空気供給源１４が、空気、酸素、酸素を豊富にした空気、酸素を減らした空気、またはこれらの任意の組み合わせなどの加圧された酸化剤１６を、各々の燃焼室１２へと供給するように構成される。さらに、燃焼室１２は、燃料供給源１９から燃料１８（例えば、液体および／または気体燃料）を受け取るように構成され、燃料−空気混合物が、各々の燃焼室１２において点火され、燃焼する。高温高圧の燃焼ガスが、各々の燃焼室１２に隣接するピストン２０をシリンダ２６内で直線的に移動させ、ガスがもたらす圧力を回転運動に変換して、シャフト２２を回転させる。さらに、シャフト２２を、シャフト２２の回転によって動作する負荷２４に結合させることができる。例えば、負荷２４は、発電機など、システム１０の回転出力によって電力を発生させることができる任意の適切な装置であってよい。さらに、以下の説明においては、酸化剤１６として空気に言及するが、開示される実施形態において、任意の適切な酸化剤を使用することが可能である。同様に、燃料１８は、例えば天然ガス、随伴石油ガス、プロパン、バイオガス、下水ガス、埋立地ガス、炭鉱ガス、などの任意の適切な気体燃料であってよい。
本明細書に開示のシステム８を、固定の用途（例えば、産業用発電エンジン）または移動の用途（例えば、自動車または航空機）における使用に適合させることができる。エンジン１０は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストロークエンジンであってよい。さらに、エンジン１０は、任意の数（例えば、１〜２４）の燃焼室１２、ピストン２０、および関連のシリンダを備えることができる。例えば、特定の実施形態において、システム８は、シリンダ２６内を往復する４個、６個、８個、１０個、１６個、または２４個以上のピストン２０を有する大規模な産業用往復動エンジンを含むことができる。いくつかのそのような事例において、シリンダ２６および／またはピストン２０は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）の直径を有することができる。いくつかの実施形態において、シリンダおよび／またはピストン２０は、約１０〜４０ｃｍ、１５〜２５ｃｍ、または約１５ｃｍの直径を有することができる。システム１０は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を発生させることができる。いくつかの実施形態において、エンジン１０は、おおむね１８００回転／分（ＲＰＭ）未満で動作することができる。いくつかの実施形態において、エンジン１０は、おおむね２０００ＲＰＭ、１９００ＲＰＭ、１７００ＲＰＭ、１６００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１４００ＲＰＭ、１３００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、９００ＲＰＭ、または７５０ＲＰＭ未満で動作することができる。いくつかの実施形態において、エンジン１０は、おおむね７５０〜２０００ＲＰＭ、９００〜１８００ＲＰＭ、または１０００〜１６００ＲＰＭで動作することができる。いくつかの実施形態において、エンジン１０は、おおむね１８００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、または９００ＲＰＭで動作することができる。典型的なエンジン１０として、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＪｅｎｂａｃｈｅｒ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒ Ｔｙｐｅ ２、Ｔｙｐｅ ３、Ｔｙｐｅ ４、Ｔｙｐｅ ６、またはＪ９２０ ＦｌｅＸｔｒａ）、あるいはＷａｕｋｅｓｈａ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を挙げることができる。
駆動される発電システム８は、各々のシリンダ２６について、エンジンの「ノック」の検出に適した１つ以上のノックセンサ２３を含むことができる。ノックセンサ２３は、デトネーション、過早点火、および／またはピンギングによるエンジン１０のシリンダ２６内の音または振動などのエンジン１０によって引き起こされる音または振動を感知するように構成された任意のセンサであってよい。ノックセンサ２３は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２５に通信可能に接続されて図示されている。動作時に、ノックセンサ２３からの信号が、ノッキング状態（例えば、ピンギング）が存在するか否かを判定するためにＥＣＵ２５に伝達される。次いで、ＥＣＵ２５は、ノッキング状態を改善または解消するために、エンジン１０の特定のパラメータを調節することができる。例えば、ＥＣＵ２５は、ノッキングを解消するために、点火タイミングを調整でき、さらには／あるいはブースト圧を調整することができる。本明細書においてさらに説明されるように、ノックセンサ２３は、例えばエンジンの状態（例えば、失火、過早点火、またはピンギング）を検出すべく特定の音または振動をさらに分析および分類すべきであることを、さらに導き出すことができる。
さらに、駆動される発電システム８は、各々のシリンダ２６について、該当のシリンダ２６または発電システム８のクランクシャフトの位置を検出、監視、または追跡するために適した１つ以上のクランクシャフトセンサ６６を含むことができる。例えば、発電システム８は、各々が１つ以上のシリンダ２６に結合した複数のクランクシャフトを含むことができ、あるいは発電システム８は、すべてのシリンダ２６に結合したただ１つのクランクシャフトを含むことができる。クランクシャフトセンサ６６の各々は、例えば各々のシリンダ２６内の点火のタイミングに対するクランクシャフトの位置を監視することができる。
さらに、駆動される発電システム８は、１つ以上のシリンダ２６（例えば、シリンダ２６内の燃焼室１２）またはエンジン１０の任意の他の構成要素に通信可能に結合したイオン化センサ２７（または、複数のイオン化センサ２７）を含むことができる。イオン化センサ２７は、電圧を供給し、電流が流れる場合（例えば、燃焼）および電流が流れない場合（例えば、燃焼なし）を検出することによって、燃焼を検出することができる。これに加え、あるいはこれに代えて、点火プラグシステム３１に配置された容量センサ２９を使用して、失火を検出することができる。点火時に、コイルの容量を測定し、失火を検出することができる。しかしながら、ノックセンサは、さらに詳しく後述されるように、原因（例えば、点火原因）に関係なく失火を検出することができる。ひとたび失火が検出されると、例えばシリンダ２６内にすでに存在する残留ガスの量を計算するために、特定の分析を実行することができる。次いで、分析の結果を、制御を調節するためにＥＣＵ２５によって使用することができる。例えば、ＥＣＵ２５は、点火プラグの点火を制御することによってタイミングを遅らせることができ、残留ガスを考慮するように燃料および／または酸化剤（例えば、空気）の量を調節することができ、あるいはこれらを組み合わせることができる。したがって、失火の事象の後の次の燃焼が、高圧側へと陥ることなく、あるいは製造者の推奨範囲を超えることなく、製造者の推奨の範囲内に入るピーク燃焼圧力を有することができる。すなわち、本明細書に記載の技術が用いられない場合、ＥＣＵ２５は、残留ガスを考慮せずに燃料を追加してしまう可能性があり、さらには／あるいは点火を遅らせない可能性があり、結果として、ピーク燃焼圧力が望ましい圧力よりも高くなる可能性がある。
図２は、往復動エンジン１０のシリンダ２６（例えば、エンジンシリンダ）内に配置されたピストン２０を有するピストンアセンブリ２５の一実施形態の側面断面図である。例えば、図１の往復動エンジン１０は、図２に示す１つ以上のピストンアセンブリ２５（および、関連のシリンダ２６）を含むことができる。図示のシリンダ２６は、円柱形のキャビティ３０（例えば、ボア）を定める内側環状壁２８を有する。ピストン２０を、軸方向の軸または方向３４と、半径方向の軸または方向３６と、周方向の軸または方向３８とによって定義することができる。ピストン２０は、上部４０（例えば、トップランド）を含む。上部４０は、一般に、ピストン２０の往復運動の最中の燃焼室１２からの燃料１８および空気１６あるいは燃料−空気混合物３２の逃げ出しを阻止する。
図示のように、ピストン２０は、コネクティングロッド５６およびピン５８を介してクランクシャフト５４に取り付けられている。クランクシャフト５４は、ピストン２４の往復直線運動を回転運動に変換する。すでに述べたように、エンジン１０は、１つ以上のクランクシャフト５４を含むことができ、各々のクランクシャフトは、エンジン１０の１つのピストンアセンブリ２５または複数のピストンアセンブリ２５（および、関連のシリンダ２６）に結合している。上述のように、ピストン２０が移動するとき、クランクシャフト５４が回転し、負荷２４（図１に示されている）を動作させる。図示のように、燃焼室１２は、ピストン２４のトップランド４０に隣接して位置する。吸気弁６２が、燃焼室１２への空気１６の供給を制御する。排気弁６４が、エンジン１０からの排気の排出を制御する。しかしながら、燃料１８および空気１６を燃焼室１２へと供給し、さらには／あるいは排気を排出するために、任意の適切な要素および／または技術を利用することができ、いくつかの実施形態においては燃料噴射が使用されることを、理解すべきである。動作時に、燃焼室１２において燃料１８が空気１６と燃焼することで、ピストン２０がシリンダ２６のキャビティ３０内で軸方向３４に往復の様相で運動（例えば、行ったり来たり）する。
動作時に、ピストン２０がシリンダ２６内での最高点にあるとき、ピストン２０は上死点（ＴＤＣ）と呼ばれる位置にある。ピストン２０がシリンダ２６内での最下点にあるとき、ピストン２０は下死点（ＢＤＣ）と呼ばれる位置にある。ピストン２０が最上部から最下部まで移動し、あるいは最下部から最上部まで移動するとき、クランクシャフト５４は１回転の半分だけ回転する。最上部から最下部まで、または最下部から最上部までのピストン２０の各々の移動は、ストロークと呼ばれ、エンジン１０の実施形態は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストローク以上のエンジンを含むことができる。
エンジン１０の動作時に、吸気プロセス、圧縮プロセス、出力プロセス、および排気プロセスを含むシーケンスが発生する。吸気プロセスは、燃料および空気などの可燃混合物をシリンダ２６へと引き込むことを可能にし、したがって、吸気弁６２は開かれ、排気弁６４は閉じられる。圧縮プロセスは、可燃混合物をより小さな空間へと圧縮し、したがって、吸気弁６２および排気弁６４の両方が閉じられる。出力プロセスは、圧縮された燃料−空気混合物に点火し、これは、点火プラグシステムによる火花点火および／または圧縮熱による圧縮点火を含むことができる。これにより、結果として生じる燃焼からの圧力が、ピストン２０をＢＤＣへと押す。排気プロセスは、典型的には、排気弁６４を開いた状態に保ちつつ、ピストン２０をＴＤＣへと戻す。したがって、排気プロセスは、燃焼後の燃料−空気混合物（例えば、燃焼ガス）を排気弁６４を通って排出させる。シリンダ２６ごとに２つ以上の吸気弁６２および排気弁６４を使用してもよいことに、注意すべきである。
特定の条件下で、空気−燃料混合物が、時期尚早にもピストン２０がＴＤＣへと戻る前に燃焼する可能性がある。これらの状態は、「ノック」または「ピンギング」と呼ばれることがあり、ノックセンサ２３、イオン化センサ２７、および／または容量センサ２９によって検出することができる。他の条件下では、空気−燃料混合物が、ピストン２０がＴＤＣを通過した後に遅れて燃焼する可能性がある。これらの状態は、「失火」と呼ばれることがある。ノックまたは失火は、環境条件、エンジンの調子、エンジン１０の負荷、空気の流れ、燃料の流れ、または燃料の組成を含む多数の条件によって左右され得る。
図示のエンジン１０は、クランクシャフトセンサ６６、ノックセンサ２３、ならびにプロセッサ７２およびメモリ７４を含む図１からのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２５をやはり含む。クランクシャフトセンサ６６は、クランクシャフト５４の位置および／または回転速度を検出することができる。したがって、特定の実施形態においては、クランク角度またはクランクタイミング情報を導き出すことができる。すなわち、燃焼エンジンを監視する場合、タイミングは、多くの場合にクランクシャフト５４の角度に関して表現され、これは時間に相関している。例えば、４ストロークエンジン１０の１サイクルを、或る時間期間にわたる７２０°のサイクルとして測定することができる。いくつかの実施形態において、クランクシャフトセンサ６６は、クランクシャフト５４の動作角速度を検出することもできる。クランクシャフト５４の動作角速度の変化（例えば、動作角速度が、角速度のベースライン、しきい値、または所望の値を上回る、など）は、後の図を参照して以下で詳述されるように、ピーク燃焼圧力の変化（例えば、上昇）を示すことができる。
ノックセンサ２３は、圧電（Ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ）加速度計、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、ホール効果センサ、磁歪センサ、などのうちの１つ以上を含むことができる。センサ２３は、振動、加速度、音、および／または運動を感知するように設計された任意の他のセンサを含むこともできる。他の実施形態において、センサ２３は、伝統的な意味でのノックセンサである必要はなく、振動、圧力、加速度、偏向、または運動を感知でき、エンジンの「ノック」を検出するために使用されなくてもよい任意のセンサであってよい。
イオン化センサ２７は、燃焼の最中のプラズマの生成に適した電圧をもたらすことができ、電流ももたらすことができる。したがって、生成されたプラズマを通る電流が、燃焼を表すことができる一方で、電流がないことが、燃焼がないことを表すことができる。特定の実施形態においては、イオン化センサを、点火プラグシステム３１に配置することができる。容量センサ２９も、点火コイルが点火プラグシステム３１を介して火花を発生させるための高電圧を生成するときの容量の変化を通じて、失火を検出することができる。例えば、ベースライン容量が、失火の際に変化する可能性がある。
エンジン１０の打診の性質ゆえに、ノックセンサ２３は、たとえシリンダ２６の外部に取り付けられた場合であっても特徴を検出することができる。しかしながら、ノックセンサ２３は、各々のシリンダ２６の内部または周囲のさまざまな場所に配置されてよい。さらに、いくつかの実施形態においては、単一のノックセンサ２３を、例えば１つ以上の隣接するシリンダ２６で共有してもよい。他の実施形態においては、各々のシリンダ２６が、１つ以上のノックセンサ２３を含むことができる。クランクシャフトセンサ６６およびノックセンサ２３は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２５と電子的に通信するものとして図示されている。ＥＣＵ２５は、プロセッサ７２とメモリ７４とを備えている。メモリ７４は、プロセッサ７２によって実行され得るコンピュータ命令を格納することができる。ＥＣＵ２５は、例えば、燃焼タイミングの調節（例えば、点火タイミングの遅延）、弁６２，６４のタイミングの調節、燃料および酸化剤（例えば、空気）の供給の調節、などによって、エンジン１０の動作を監視および制御する。
センサ２３，２７，２９，６６の各々は、センサ２３，２７，２９，６６の監視対象のそれぞれの動作状態を示す信号をコントローラ２５へと送信することができ、コントローラ２５は、後述されるように、信号を分析して動作ピーク燃焼圧力の変化を検出し、ピーク燃焼圧力の変化の原因を診断することができる。すなわち、本明細書に記載の技術は、ＥＣＵ２５を使用して、各々のシリンダ２６（または、シリンダ２６のグループ）のノックセンサ２３、各々のシリンダ２６（または、シリンダ２６のグループ）のクランクシャフトセンサ６６、各々のシリンダ２６（または、シリンダ２６のグループ）のイオン化センサ２７、および／または各々のシリンダ２６（または、シリンダ２６のグループ）の容量センサ２９からデータを受信することができる。次いで、ＥＣＵ２５は、データを分析してエンジン１０の動作状態を明らかにする処理を実行し、異常または望ましくない動作状態の原因を診断することができる。例えば、ＥＣＵ２５は、１つ以上の信号を分析して、１つ以上のシリンダにおける動作ピーク燃焼圧力の変化（例えば、上昇）を検出し、さらなる１つ以上の信号を分析して、１つ以上のシリンダにおける動作ピーク燃焼圧力の変化（例えば、上昇）の原因を診断することができる。
本明細書に記載の実施形態は、リアルタイムで（例えば、実質的に瞬時に）失火を検出するために、さまざまな技術を使用することができるが、図３に関してさらに詳しく示されるように、ノックセンサ２３の使用に適用されるリアルタイムの失火検出技術を説明することが、有益かもしれない。
図３は、図１の往復動エンジンシステム１０の駆動系１３２のクランクシャフト２２の一実施形態のブロック図である。図示のように、クランクシャフト２２は、フライホイール１４２と、複数のクランクピン１４４と、シャフト１４８に接続されたハブ１４６とを含むことができる。クランクピン１４４を、それぞれのシリンダのコネクティングロッドの「ビッグ」エンドに接続することができる。クランクシャフト２２を使用して、ピストン２４の往復運動を回転運動に変換することができる。フライホイール１４２は、クランクシャフト２２に接続された他のピストンから蓄えられた動力を使用し、あるいはピストンの他方側に作用する同じプロセスによって、ピストンを下死点（ＢＤＣ）からＴＤＣへと移動させるために使用される。例えば、フライホイール１４２を、エンジン１２のエンジンサイクルの非動力部分の実行に使用することができる。さらに、フライホイール１４２は、クランクシャフト２２の滑らかな回転を提供し、ハブ４６を、とりわけ、クランクシャフト２２のねじり振動を減衰させるために使用することができる。いくつかの実施形態において、クランクシャフト２２は、クランクピン１４４、ハブ１４６、および／またはフライホイール１４２をシャフト１４８に接続するためのカップリングを含むことができる。さらに、クランクシャフト２２は、ピストン２４によって生成されてコネクティングロッドによってクランクシャフト２２へと伝達される力によるクランクシャフト２２の変位を抑制するベアリングまたはジャーナル上で回転することができる。開示される状態に基づく監視技術が、上述した構成要素（例えば、クランクシャフト２２、カップリング、ベアリング、ジャーナル、ベースフレーム、取り付け点、他の関連の構成要素）を含む駆動系１３２のすべての構成要素を監視することができることを、理解すべきである。
図４は、図１のクランクシャフト２２に使用されるカップリング５２の周囲の剛体マウント５０上に配置された３つのセンサ２３の実施形態の概略図である。３つのセンサ２３は、１２０°の互いの間隔で円に配置されており、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸における測定を可能にする。３つのセンサ２３は、クランクシャフト２２の局部振動を測定し、測定値を分析のためにプロセッサ７２へと送ることができる。例えば、３つのセンサ２３からの測定値を使用して、検出されたクランクシャフト２２の振動応答が、システム１０への入力（例えば、ねじり加速度、ピーク燃焼圧力）に基づいて適切であるか否かを評価することができる。
さらに、ノックセンサ２３を、クランクシャフト２２と同じ平面（例えば、ｘ−ｙ平面）内でエンジン１２に局所的に配置することができる。ノックセンサをクランクシャフト２２と同じ平面に配置することにより、ピストン２４の動きが妨げられる（例えば、立ち往生する）とき、および／またはピストン２４が過熱するときの振動を検出することが可能になる。ピストンが立ち往生すると、クランクシャフト２２に接触したロッドジャーナルおよびメインジャーナル上の回転運動に影響を及ぼすシリンダ２６に内の垂直方向の直線運動が存在し得る。すなわち、クランクシャフト２２の運動における抵抗が、ノックセンサ２３からのパルスとして現れることがある。ノックセンサ２３を、クランクシャフト２２の中心に対して９０°（例えば、クランクシャフト２２に対して垂直）に配置することができる。いくつかの実施形態においては、ノックセンサを、近い位置でのクランクシャフト２２のより明瞭な共振の読み取りをもたらすベアリングキャップ上に配置することができる。
図５は、ノックセンサ２３によって失火状態などの往復動エンジンシステム１０の状態をシステム１０が動作しているときに検出するためのプロセス１６０の一実施形態のフロー図である。プロセス１６０を、非一時的なコンピュータ可読媒体（例えば、メモリ７４）に格納され、プロセッサ７２によって実行することが可能であるコンピュータ命令として実現することができる。プロセス１６０の以下の説明は、コントローラまたはＥＣＵ２５のプロセッサ７２に関して説明されるが、プロセス１６０を、コントローラまたはＥＣＵ２５ならびに／あるいはセンサ２３，２７，２９，６６と通信することが可能であってよい他の装置上に配置された他のプロセッサによって実行してもよいことに、注意すべきである。さらに、以下のプロセス１６０は、実行されてよいいくつかの動作を説明するが、プロセス１６０は、種々の適切な順序で実行されてよく、すべての動作が実行されなくてもよいことに、注意すべきである。プロセス１６０の全体をＥＣＵ２５によって実行してもよく、あるいは実行をＥＣＵ２５と別の装置（例えば、ワークステーション）との間に分散させてもよいことを、理解すべきである。
ここでプロセス１６０を参照すると、プロセッサ７２は、１つ以上のセンサ２３、２７、２９、および／または６６からデータを受信することができる（ブロック１６２）。例えば、プロセッサ７２は、プロセッサがクランクシャフト２２のねじり加速度／減速度を割り出すために使用することができるクランクシャフト２２の速度センサからの速度データ、エンジン１２に局所的な（例えば、ヘッドに位置する）ノックセンサ２３からの失火事象および／またはサイクルごとのピーク燃焼圧力を示す振動データ、ピストン２０の位置を示すクランクシャフト角度、点火タイミングを決定するために使用されるＴＤＣにおけるクランクシャフト位置（例えば、点火順序における位置）の指標、ならびに／あるいはクランクシャフト２２に局所的なノックセンサ２３およびセンサ２７，２９，６６からのクランクシャフト２２の振動周波数を受信することができる。いくつかの実施形態において、プロセッサ７２は、シリンダ２６の点火順序を決定する（例えば、どのシリンダ２６が点火直後であるかを判断する）ための情報および点火事象からもたらされる振動応答を使用することができる。したがって、プロセッサ７２は、特定のエンジン事象の最中のインパルスと応答とのペアリングのベースラインを決定することができる（ブロック１６４）。インパルスは、クランクシャフト２２に加わるねじり加速度、ピーク燃焼圧力、などを含むことができ、インパルスは、どのエンジン事象（例えば、吸気、燃焼、出力、排気）が発生しているかに応じて変化し得る。したがって、インパルスに対する振動応答も同様に、エンジン事象の各々について変化し得る。ベースラインを、エンジン１２を最初に作動させたとき、またはオンラインにしたときに、決定することができる。これに加え、あるいはこれに代えて、ベースラインを、製造業者が試験施設において決定してもよい。ベースラインを、エンジン１２の始動の都度など、定期的に決定してもよいことに注意すべきである。インパルスと応答とのペアリングのベースラインを、後のアクセスのためにメモリ７４に記憶することができる。
プロセッサ７２は、１つ以上のセンサ２３から受信した後続のデータに基づいて、後続のインパルスと応答とのペアリングを決定することができる（ブロック１６６）。次に、プロセッサ７２は、後続の振動応答が、特定のエンジン事象における同様のインパルスについてのベースライン応答と実質的に異なるか否かを判定することができる。すなわち、プロセッサ７２は、例えば、多次元モデルを使用して、後続の振動応答が同じ入力についてのベースライン振動応答から逸脱しているか否かを判定することができる。「多次元」は、少なくともモデルによって考慮される複数の入力を指すことができることに、注意すべきである。すでに述べたように、組み合わせることができる入力は、センサ２３から受信されるクランクシャフト２２に加わるねじり加速度／減速度、クランク角度にての（または、シリンダ内の位置、例えばＴＤＣに対する）ピストンの位置、エンジン事象のタイミング（例えば、点火順序におけるシリンダ位置）、シリンダ２６が失火状態であったか否か、推定によるシリンダ内圧力、および／または電気負荷などを含むことができる。
シリンダの燃焼について、さまざまな様相が存在し得ることを、理解できるであろう。例えば、シリンダは、所与の速度およびモードについて標準的に燃焼可能であり、あるいはシリンダは、激しい点火（例えば、特定のエンジン事象に関するより高い圧力）あるいは失火または静かな点火（例えば、より低い圧力またはトルク）によって異常に点火する可能性がある。多次元モデルは、振動応答がシリンダの燃焼の個々の様相（例えば、燃焼圧力、ねじり加速度、特定の点火タイミング、などに関する入力）に関係するがゆえに、シリンダの燃焼の種々の様相を区別して、振動応答を正確に評価することができる。
さらに、ベースライン振動応答特徴を、特定の事象について記憶することができる。例えば、エンジンが正常に動作しており、クランクシャフト２２に特定の量のねじり加速度が加わるときに、結果として生じる振動応答の特徴は、特定の周波数を有することができる。エンジンの失火の場合や、シリンダのピーク燃焼圧力が存在する場合に、結果として生じる振動の特徴は、異なる周波数を有する可能性がある。さらに、吸気、圧縮、出力、排気などのサイクルの各々のエンジン事象は、同様の振動応答の特徴または異なる振動応答の特徴をもたらす可能性がある異なる入力（例えば、ねじり加速度、ピーク燃焼圧力）を含むことができる。したがって、ベースライン入力と同様の入力においてエンジン事象が再び発生したときに、プロセッサ７２は、生じた振動応答の特徴をベースラインの振動応答の特徴と比較して、駆動系１３２の或る状態が存在するか否かを判断することができる。
後続の振動応答の特徴が、類似の入力についてのベースラインの振動応答の特徴と異なる場合、プロセッサ７２は、駆動系１３２の構成要素に問題があると判断し、予防処置、予測、および／または診断を実行することができるブロック１７０）。いくつかの実施形態において、プロセッサ７２は、駆動系１３２に一般的な問題が存在すると、その問題が何であり得るかを正確に明らかにすることなく、判断することができる。そのような場合、プロセッサ７２は、上述のように、後続の振動応答の特徴とベースラインの振動応答の特徴との間の不一致の大きさに応じて、予防処置を実行することができる。例えば、不一致がしきい値量またはしきい値パーセンテージを上回る場合、プロセッサ７２は、エンジン１２を停止させることができる。いくつかの実施形態においては、不一致が比較的小さい場合に、プロセッサ７２は、警報を送信してコントローラ２５と共に含まれるユーザインターフェース画面上に表示させ、警報を送信してワークステーションにおいて表示させ、ＣＡＮおよび／またはＯＢＤＩＩインターフェースを介して警報を伝達し、音声警報を発し、あるいはこれらの何らかの組み合わせを行うことができる。さらに、プロセッサ７２は、顧客の休止時間を短縮するように、特徴の不一致がしきい値量を下回る場合に保守を計画することができる。また、コントローラ２５のディスプレイまたは付属のヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）が、駆動系１３２の劣化率を表示することができ、これは、いつ保守を予定するかについてのユーザの洞察を提供することができる。別の実施形態において、コントローラ２５は、部品をよりよい時期に交換できるように、残り寿命を提示することができる。このように、本明細書に開示の技術は、計画に基づく監視によって行われる一定の時間とは対照的に、駆動系１３２の状態に基づいて保守を計画することを可能にする。
いくつかの実施形態において、プロセッサ７２は、センサ２３からのデータに基づいて、どの構成要素の状態に問題があるのかを診断することができる。例えば、エンジン１２の至る所に多数のセンサ２３が配置されている（例えば、いくつかはエンジン１２に局部的であり、いくつかはクランクシャフト２２と同じ平面に位置する）ため、音響共振および／または振動の特徴が、エンジン１２の特定の部品においてより強いかもしれない。例えば、カップリングではなくベアリングが或る状態を有する場合、音響共振および／または振動の特徴は、駆動系の対をなすカップリングよりもクランクケースにおいてより強いかもしれない。しかしながら、カップリングが或る状態を有する場合、第４組のセンサ（例えば、カップリングの周囲の剛体マウント上の３つのセンサ２３）が、より強い音響共振および／または振動の特徴をもたらす（例えば、振幅が局部エンジン１２よりも速い速度で大きくなる）と考えられる。このように、プロセッサ７２は、或る状態を有する駆動系１３２の領域を特定することができ、これは、ユーザにとって調査の研鑽および時間の節約を可能にすることができる。
いくつかの実施形態において、予測または診断を実行するために、プロセッサ７２は、特定のインパルスと応答とのペアリングがどの状態を知らせているのかについての知識ベースを蓄積することができる。いくつかの実施形態においては、これを可能にするために、シミュレーションにおいて多次元モデルを使用して、駆動系１３２の構成要素の特定の入力および／または特性を変更し、関連する振動応答の特徴を明らかにすることにより、テストを実行することができる。例えば、或るシミュレーションにおいて、カップリングのゴム要素の厚さが約２０％減らされ、結果として、後続の振動応答の特徴の周波数が約５％高くなった。したがって、同様の入力が使用され、約５％高い後続の振動応答の特徴が得られたとき、プロセッサ７２は診断を実行して、カップリングのゴム要素の厚さが薄くなっていると判断することができる。このようにして、テストを実行することによって、特定の状態を知らせるインパルスと応答とのペアリングを取得して、動作中にインパルスと応答とのペアリングが見られたときに問題を診断することができる。
さらに、前述したように、プロセッサ７２は、履歴データに基づいて将来にどのような状態が発生する可能性があるかについての予測を行うことができる。すなわち、プロセッサ７２は、時間につれて或る状態につながるインパルスと応答とのペアリングの傾向を記憶することができる。例えば、プロセッサ７２は、履歴データ（例えば、インパルスと応答とのペアリング）を分析することによって駆動系１３２の構成要素（例えば、カップリング）の劣化速度を明らかにし、これに基づいて、将来においてエンジン１２が同様に挙動している（例えば、インパルスと応答とのペアリングの同様の傾向を示している）場合に、プロセッサ７２は、カップリングが特定の時間枠内で特定の状態へと進むことが予想されると判断することができる。しかしながら、燃料劣化または構成要素の劣化を加速させ得る他の要因など、他の要因が予測に影響を与える可能性があることに、注意すべきである。このように、予測は、さらなる要因を考慮するために時間枠に制約を課すことができる。
図６は、図５のプロセス１６０（例えば、ブロック１６４）において実行される特定のエンジン事象の最中のインパルスと応答とのペアリングのベースラインを決定するためのプロセス１８０の一実施形態のフロー図である。プロセス１８０を、非一時的なコンピュータ可読媒体（例えば、メモリ７４）に格納され、プロセッサ７２によって実行することが可能であるコンピュータ命令として実現することができる。プロセス１８０の以下の説明は、コントローラ２５のプロセッサ７２に関して説明されるが、プロセス１８０を、コントローラ２５および／またはセンサ２３と通信することが可能であってよい他の装置上に配置された他のプロセッサによって実行してもよいことに、注意すべきである。さらに、以下のプロセス１８０は、実行されてよいいくつかの動作を説明するが、プロセス１８０は、種々の適切な順序で実行されてよく、すべての動作が実行されなくてもよいことに、注意すべきである。プロセス１８０の全体をコントローラ２５によって実行してもよく、あるいは実行をコントローラ２５と別の装置（例えば、ワークステーション）との間に分散させてもよいことを、理解すべきである。プロセス１８０は、種々の入力を組み合わせて堅牢かつ強力な状態ベースの監視システムを提供する方法を示す。
ここでプロセス１８０を参照すると、プロセッサ７２は、速度（ブロック１８２）および時間に基づいてクランクシャフト２２上のねじり加速度／減速度を割り出すことができる。前述したように、第１組のセンサ２３（例えば、クランクシャフト速度／位置センサ）を使用して、歯がリングギアを通過するたびにパルスをもたらすことができ、プロセッサ７２は、パルスに基づいて速度を割り出すことができる。次いで、加速度／減速度は、時間に対する速度の微分である。したがって、プロセッサ７２は、時間に対する速度の微分を求めて、クランクシャフト２２の加速度を割り出すことができ、これを、ねじり加速度／減速度へと定量化することができる。さらに、いくつかの実施形態においては、パルスを使用して、リングギアのどの歯を通過するか（例えば、回転の程度）に基づいてクランクシャフトの角度位置を割り出すことができる。さらに、プロセッサ７２は、エンジン１２（例えば、シリンダ２６のヘッド）に配置された第２組のセンサ２３からの振動が失火事象を示しているかどうかを判断し、さらには／あるいはピーク燃焼圧力を推定して、ねじり応力の振幅の定量化を補強することもできる（ブロック１８４）。すなわち、第２組のセンサ２３（例えば、ノックセンサ）からのデータを使用して、さまざまなエンジン状態（例えば、失火、ピーク燃焼圧力）において生じるねじり応力のより全体的な眺めをプロセッサ７２に提供することができる。
さらに、プロセッサ７２は、第３組のセンサ２３からのデータを使用して、クランクシャフト位置２２に基づいてねじり加速度に関連するエンジン事象のタイミングを決定することができる（ブロック１８６）。点火のためのエンジン事象タイミング情報を、プロセッサ７２によって第３組のセンサ２３に提供することができ、したがって、センサは、ピストン２４がＴＤＣにあるときのクランクシャフト位置を示すことができる。この情報は、どの点火事象がエンジン１２においてオンであるかを確認し、シリンダ２６の点火順序を導き出すために、プロセッサ７２によって使用され得る。さらに、プロセッサ７２は、入力に対する振動応答の特徴を決定することができる（ブロック１８８）。前述のように、クランクシャフト２２に取り付けられたカップリングの周囲の剛体マウント上の第４組のセンサ２３が、このデータをもたらすことができる。結果として、プロセッサ７２は、シリンダの点火順序、直前に点火されたシリンダはどのシリンダであるか、シリンダの燃焼の状態（例えば、ピーク燃焼圧力）、クランクシャフト２２に加わるねじり加速度の量、ならびに組み合わせられたインパルスからもたらされる振動応答の特徴を含む応答、などの入力を使用して、駆動系１３２に望ましくない状態が存在するか否かを判定することができる。
図７は、シリンダ２６の失火などのエンジン１０の状態をリアルタイムで検出し、シリンダ２６内の残留ガスの量などの特定のパラメータを導出し、次いで点火タイミングを遅らせ、さらには／あるいは燃料の供給を減らすなどの特定の処置を行うことによって、検出された状態に続くサイクルにおいて燃焼圧力を製造業者の推奨する所望の圧力の範囲内に収めることができる燃焼をもたらし、エンジンの寿命を改善するために適したプロセス２００の一実施形態のフロー図である。プロセス２００を、非一時的なコンピュータ可読媒体（例えば、メモリ７４）に格納され、プロセッサ７２によって実行することが可能であるコンピュータ命令として実現することができる。プロセス２００の以下の説明は、コントローラ２５のプロセッサ７２に関して説明されるが、プロセス２００を、コントローラ２５および／またはセンサ２３と通信することが可能であってよい他の装置上に配置された他のプロセッサによって実行してもよいことに、注意すべきである。さらに、以下のプロセス２００は、実行されてよいいくつかの動作を説明するが、プロセス２００は、種々の適切な順序で実行されてよく、すべての動作が実行されなくてもよいことに、注意すべきである。プロセス２００の全体をコントローラ２５によって実行してもよく、あるいは実行をコントローラ２５と別の装置（例えば、ワークステーション）との間に分散させてもよいことを、理解すべきである。
図示の実施形態において、プロセス２００は、最初に、対象とするエンジン状態が発生したか否かを判断することができる（ブロック２０２）。例えば、ノックセンサ２３の使用に関して上述した技術を用いて、１つ以上のシリンダ２６の失火を検出することができる。同様に、イオン化センサ２７は、電圧を供給し、電流の流れが生じる場合（例えば、燃焼）および電流の流れが生じない場合（例えば、燃焼なし）を検出することによって、失火を検出することができる。すなわち、燃焼中のイオン化に基づく電流の流れは、ベースラインの非失火の電流の流れと比較して、失火時に相違し得る。同様に、容量センサ２９は、点火時にコイル容量を測定でき、コイル容量を使用して失火を検出することができる。特定の実施形態において、センサ２３、２７、および２９は、失火をリアルタイムで検出することができる。
ひとたび失火などのエンジン状態が検出されると、本明細書で説明される技術は、１つ以上のエンジンパラメータの導出（ブロック２０４）などの特定の分析を適用することができる。導出されたエンジンパラメータは、失火したシリンダ２６内の残留ガスの量の導出を含むことができる。特定の実施形態においては、ヘイウッド残留ガス分分析を、以下のように適用することができる。
未燃の混合物の組成
シリンダ２６に閉じ込められた混合気の質量を、ｍｃで表すことができ、ここでｍｃは、サイクルごとの導入質量（ｍｉ）に前のサイクル（例えば、燃焼サイクル）から持ち越された残留質量（ｍｒ）を加えたものである。残留分率（ｘｒ）は、以下のとおりである。
Figure 2019108889
 導入された混合気が燃料および空気（または、空気のみ）である場合、圧縮中の未燃焼混合気中の燃焼ガス分率ｘｂは、残留ガス分率に等しい。排気ガス再循環（ＥＧＲ）エンジンにおいては、排気ガス再循環のパーセント（ＥＧＲ％）を、再循環排気である全吸気混合物のパーセントとして定義することができる。
Figure 2019108889
 ここで、ｍＥＧＲは、再循環の排気ガスの質量である。新鮮な混合気における燃焼ガス分率は、下記の式によって与えられる。
Figure 2019108889
 未燃焼混合気における未燃焼ガス部分の組成は、以下のように計算することができる。平均モルＨ／Ｃ比がｙの炭化水素燃料の燃焼式を、以下のように１モルのＯ２について記述することができる。
Figure 2019108889
 ここで、Ψ＝モルＮ／Ｏ比（例えば、空気については３．７７３）
Figure 2019108889
 ｙ＝燃料のモルＨ／Ｃ比
φ＝燃料／空気当量比
ｎｉ＝Ｏ２反応物１モルあたりの種Ｉのモル数
である。
以下の仮定を用いて決定することができる。
１．リーンおよびストイキオメトリック混合物（φ≦１）については、ＣＯおよびＨ２を無視することができる。
２．リッチおよびストイキオメトリック混合物（φ≧１）については、Ｏ２を無視することができる。
特定の実施形態においては、残留ガス質量分率ｘｒおよび／または燃焼ガス分率ｘｂを、例えば圧縮ストロークの最中に、失火シリンダ２６から感知されたガスサンプル中のＣＯ２濃度を測定することによって導き出すことができる。ＣＯ２濃度を、以下の式において使用することができる。
Figure 2019108889
 添え字ｃおよびｅは、それぞれ圧縮および排気を表し、
Figure 2019108889
 は、湿性ガス中のモル分率である。湿性ガスを乾燥ガスに変換するために、補正係数Ｋを使用することができる。
Figure 2019108889
 ここで、ｙは燃料のモル水素／炭素比であり、
Figure 2019108889
 は乾燥モル分率である。したがって、ｘｒを導出することができる。実際に、本明細書に記載の技術は、シリンダ２６内の残留ガスの量を導出し（ブロック２０６）、次いで導出された量に基づいてエンジン制御を調整する（ブロック２０８）ことができる。一実施形態においては、既存の参照表にオフセットを適用することができる。例えば、既存の参照表は、タイミング（例えば、クランク角度）を火花点火、追加すべき燃料の量、追加すべき酸化剤、などの燃焼のためのさまざまな制御動作へとマッピングすることができる。前述の動作（例えば、火花点火、燃料の量、酸化剤、など）のうちの１つ以上に残留ガス量に基づくオフセット値（負の値を含み得る）を加えることによって、本明細書に記載の技術は、失火後に残り得る残留ガスの量に基づいて、次の燃焼事象において製造業者の推奨範囲内に入ることができる改善された燃焼をもたらすことができるように制御を調節することができる。別の実施形態においては、オフセットをすでに含む参照表を使用することができる。すなわち、例えば、点火タイミング、燃料の量、酸化剤の量、などについての行または列に加えて、失火後に見られ得る残留ガスについての行または列を含む参照表を作成することができる。
さらに別の実施形態においては、導出されたシリンダ２６内の残留ガスを入力として使用して点火タイミング遅延時間を出力としてもたらす１つ以上の式に基づく点火遅延時間の導出に基づいて、調整（ブロック２０８）を適用することができる。式を、例えば、シリンダ２６のサイズ、動作ＲＰＭ、エンジン１０の温度、圧力、流量（例えば、排気流量、燃料流量）、などを考慮するように導出することができる。式は、失火している可能性のあるシリンダ２６をすでに存在する残留ガスに基づいて燃料および／または酸化剤で満たすための時間に関する式を含むことができる。他の式は、物理学に基づく式（例えば、理想気体の法則、ボイルの法則、ダルトンの法則、シャルルの法則、アボガドロの法則、など）であってよい。したがって、失火が発生したことを導出（ブロック２０４）し、次いで失火シリンダ２６内に存在する残留ガスを導出（ブロック２０６）した後に、本明細書に記載の技術は、失火後の燃焼事象があたかも失火が生じなかったかのような範囲内のシリンダ圧力となるように、エンジン１０の制御を調整（ブロック２０８）することができる。
技術的効果として、１つ以上の異なる種類の１つ以上のセンサ（例えば、ノックセンサ、容量センサ、イオン化センサ、またはこれらの組み合わせ）を介してリアルタイムでシリンダ失火を検出し、次いで例えば失火後の残留ガスの量を導出することが挙げられる。さらに、技術的効果として、失火シリンダ内の残留ガスの量に基づいて、例えば火花点火を遅らせること、燃料の流量を調整すること、酸化剤の流量を調整すること、またはこれらの組み合わせによって、エンジン制御を調節することが挙げられる。この調節を、失火に続く燃焼において、ピーク圧力が、高いピーク圧力ではなく、製造業者の仕様の範囲内のピーク圧力となるように実行することで、エンジン性能を向上させ、エンジン寿命を延ばすことができる。
本明細書は、本開示を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本開示の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有し、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
［実施態様１］
往復動エンジン（１０）の少なくとも第１のシリンダ（２６）内の動作状態を監視し、前記往復動エンジン（１０）を制御するように構成された制御システム
を備えており、
前記制御システムは、
前記第１のシリンダ（２６）の第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）と、
前記第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）に通信可能に結合したコントローラ（２５）と
を備え、
前記コントローラ（２５）は、
前記第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を前記第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）から受信し、
前記第１の信号を分析して前記第１のシリンダ（２６）における失火状態を検出し、
失火状態が検出された場合に、前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出し、
前記残留ガスの量に基づいて前記往復動エンジン（１０）の制御を調節する
ように構成されている、システム（８）。
［実施態様２］
前記第１のセンサは、第１のノックセンサ（２３）を備える、実施態様１に記載のシステム（８）。
［実施態様３］
前記コントローラ（２５）は、
エンジン事象に関するベースラインインパルスおよびベースライン応答特徴を読み出すこと、
エンジン上に配置された複数のセンサから後続データを受信すること、
前記後続データに基づいてエンジン事象に関する後続インパルスおよび後続応答特徴を導出すること、および
それぞれのエンジン事象における後続インパルスおよびベースラインインパルスについて、前記後続応答特徴が前記ベースライン応答特徴から相違するか否かを判断すること
によって前記第１の信号を分析して前記失火状態を検出するように構成されている、実施態様２に記載のシステム（８）。
［実施態様４］
前記第１のセンサは、点火コイル容量の変化を通じて失火を検出するように較正された容量センサ（２９）、イオン化による燃焼時の電流の変化を検出するように構成されたイオン化センサ（２７）、またはこれらの組み合わせを備える、実施態様１に記載のシステム（８）。
［実施態様５］
前記コントローラ（２５）は、残留分率導出によって前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するように構成されている、実施態様１に記載のシステム（８）。
［実施態様６］
前記残留分率は、
Figure 2019108889
 を含み、ここでｘｒは、残留分率であり、ｃおよびｅは、それぞれ圧縮および排気を指し、
Figure 2019108889
 は、湿性ガスにおけるモル分率である、実施態様５に記載のシステム（８）。
［実施態様７］
湿性ガスを乾燥ガスに変換するために補正係数Ｋを適用することを含み、ここで
Figure 2019108889
 であり、ｙは、前記往復動エンジン（１０）のための燃料のモル水素／炭素比であり、
Figure 2019108889
 は、乾燥モル分率である、実施態様６に記載のシステム（８）。
［実施態様８］
前記コントローラ（２５）は、火花点火を遅らせることによって前記エンジンの制御を調節するように構成されている、実施態様１に記載のシステム（８）。
［実施態様９］
前記コントローラ（２５）は、燃料の流量、酸化剤の流量、またはこれらの組み合わせを調節することによって前記エンジンの制御を調節するように構成されている、実施態様１に記載のシステム（８）。
［実施態様１０］
エンジン（１０）を制御する方法であって、
往復動エンジン（１０）の第１のシリンダ（２６）の第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）から、第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を受信するステップと、
前記第１の信号を分析して前記第１のシリンダ（２６）における失火状態を検出するステップと、
失火状態が検出された場合に、前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するステップと、
前記残留ガスの量に基づいて前記往復動エンジン（１０）の制御を調節するステップと
を含む方法。
［実施態様１１］
前記第１の信号を分析して失火状態を検出するステップは、
エンジン事象に関するベースラインインパルスおよびベースライン応答特徴を読み出すステップと、
エンジンに配置された複数のセンサから後続データを受信するステップと、
前記後続データに基づいてエンジン事象に関する後続インパルスおよび後続応答特徴を導出するステップと、
それぞれのエンジン事象における後続インパルスおよびベースラインインパルスについて、前記後続応答特徴が前記ベースライン応答特徴から相違するか否かを判断するステップと
を含み、
前記第１のセンサは、ノックセンサ（２３）を備える、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１２］
前記第１の信号を分析して失火状態を検出するステップは、点火コイル容量の変化を通じて失火を検出すること、イオン化による燃焼時の電流の変化を検出すること、またはこれらの組み合わせを含み、前記第１のセンサは、容量センサ（２９）、イオン化センサ（２７）、またはこれらの組み合わせを備える、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１３］
前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するステップは、残留分率導出を適用することを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１４］
前記残留分率は、
Figure 2019108889
 を含み、ここでｘｒは、残留分率であり、ｃおよびｅは、それぞれ圧縮および排気を指し、
Figure 2019108889
 は、湿性ガスにおけるモル分率である、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１５］
コンピュータ命令を格納した有形の非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記コンピュータ命令は、プロセッサによって実行されたときに、
往復動エンジン（１０）の第１のシリンダ（２６）の第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）から、第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を受信するステップと、
前記第１の信号を分析して前記第１のシリンダ（２６）における失火状態を検出するステップと、
失火状態が検出された場合に、前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するステップと、
前記残留ガスの量に基づいて前記往復動エンジン（１０）の制御を調節するステップと
を該プロセッサに実行させるように構成されている、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１６］
前記第１の信号を分析して失火状態を検出するステップを前記プロセッサに実行させるように構成された命令は、
エンジン事象に関するベースラインインパルスおよびベースライン応答特徴を読み出すステップと、
エンジンに配置された複数のセンサから後続データを受信するステップと、
前記後続データに基づいてエンジン事象に関する後続インパルスおよび後続応答特徴を導出するステップと、
それぞれのエンジン事象における後続インパルスおよびベースラインインパルスについて、前記後続応答特徴が前記ベースライン応答特徴から相違するか否かを判断するステップと
を前記プロセッサに実行させるように構成された命令を含み、
前記第１のセンサは、ノックセンサ（２３）を備える、実施態様１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１７］
前記第１の信号を分析して失火状態を検出するステップを前記プロセッサに実行させるように構成された命令は、点火コイル容量の変化を通じて失火を検出すること、イオン化による燃焼時の電流の変化を検出すること、またはこれらの組み合わせを前記プロセッサに実行させるように構成された命令を含み、
前記第１のセンサは、容量センサ（２９）、イオン化センサ（２７）、またはこれらの組み合わせを備える、実施態様１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１８］
前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するステップを前記プロセッサに実行させるように構成された命令は、残留分率導出を適用することを前記プロセッサに実行させるように構成された命令を含む、実施態様１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１９］
前記残留分率は、
Figure 2019108889
 を含み、ここでｘｒは、残留分率であり、ｃおよびｅは、それぞれ圧縮および排気を指し、
Figure 2019108889
 は、湿性ガスにおけるモル分率である、実施態様１８に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様２０］
前記エンジン（１０）の制御を調節するステップを前記プロセッサに実行させるように構成された命令は、燃料の流量、酸化剤の流量、またはこれらの組み合わせを調節することを前記プロセッサに実行させるように構成された命令を含む、実施態様１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
８ 発電システム
１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 空気供給源
１６ 酸化剤、空気
１８ 燃料
１９ 燃料供給源
２０ ピストン
２２ クランクシャフト、クランクシャフト位置
２３ ノックセンサ
２４ ピストン、負荷
２５ ピストンアセンブリ、コントローラ、ＥＣＵ
２６ シリンダ、失火シリンダ
２７ イオン化センサ
２８ 内側環状壁
２９ 容量センサ
３０ キャビティ
３１ 点火プラグシステム
３２ 空気混合物
３４ 軸方向
３６ 方向
３８ 方向
４０ 上部、トップランド
４６ ハブ
５０ 剛体マウント
５２ カップリング
５４ クランクシャフト
５６ コネクティングロッド
５８ ピン
６２ 吸気弁
６４ 排気弁
６６ クランクシャフトセンサ
７２ プロセッサ
７４ メモリ
１３２ 駆動系
１４２ フライホイール
１４４ クランクピン
１４６ ハブ
１４８ シャフト
１６０ プロセス
１６２ ブロック
１６４ ブロック
１６６ ブロック
１７０ ブロック
１８０ プロセス
１８２ ブロック
１８４ ブロック
１８６ ブロック
１８８ ブロック
２００ プロセス
２０２ ブロック
２０４ ブロック
２０６ ブロック
２０８ ブロック
Ｈ モル
Ｈ 平均モル
Ｉ 種
Ｋ 補正係数
Ｋ 補正係数
Ｎ モル
ｃ 添え字
ｘｂ 燃焼ガス分率
ｘｒ 残留ガス質量分率

Claims (14)

  1. 往復動エンジン（１０）の少なくとも第１のシリンダ（２６）内の動作状態を監視し、前記往復動エンジン（１０）を制御するように構成された制御システム
    を備えており、
    前記制御システムは、
    前記第１のシリンダ（２６）の第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）と、
    前記第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）に通信可能に結合したコントローラ（２５）と
    を備え、
    前記コントローラ（２５）は、
    前記第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を前記第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）から受信し、
    前記第１の信号を分析して前記第１のシリンダ（２６）における失火状態を検出し、
    失火状態が検出された場合に、前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出し、
    前記残留ガスの量に基づいて前記往復動エンジン（１０）の制御を調節する
    ように構成されている、システム（８）。
  2. 前記第１のセンサは、第１のノックセンサ（２３）を備える、請求項１に記載のシステム（８）。
  3. 前記コントローラ（２５）は、
    エンジン事象に関するベースラインインパルスおよびベースライン応答特徴を読み出すこと、
    エンジン上に配置された複数のセンサから後続データを受信すること、
    前記後続データに基づいてエンジン事象に関する後続インパルスおよび後続応答特徴を導出すること、および
    それぞれのエンジン事象における後続インパルスおよびベースラインインパルスについて、前記後続応答特徴が前記ベースライン応答特徴から相違するか否かを判断すること
    によって前記第１の信号を分析して前記失火状態を検出するように構成されている、請求項２に記載のシステム（８）。
  4. 前記第１のセンサは、点火コイル容量の変化を通じて失火を検出するように較正された容量センサ（２９）、イオン化による燃焼時の電流の変化を検出するように構成されたイオン化センサ（２７）、またはこれらの組み合わせを備える、請求項１に記載のシステム（８）。
  5. 前記コントローラ（２５）は、残留分率導出によって前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するように構成されている、請求項１に記載のシステム（８）。
  6. 前記残留分率は、
    Figure 2019108889
     を含み、ここでｘｒは、残留分率であり、ｃおよびｅは、それぞれ圧縮および排気を指し、
    Figure 2019108889
     は、湿性ガスにおけるモル分率である、請求項５に記載のシステム（８）。
  7. 湿性ガスを乾燥ガスに変換するために補正係数Ｋを適用することを含み、ここで
    Figure 2019108889
     であり、ｙは、前記往復動エンジン（１０）のための燃料のモル水素／炭素比であり、
    Figure 2019108889
     は、乾燥モル分率である、請求項６に記載のシステム（８）。
  8. 前記コントローラ（２５）は、火花点火を遅らせることによって前記エンジンの制御を調節するように構成されている、請求項１に記載のシステム（８）。
  9. 前記コントローラ（２５）は、燃料の流量、酸化剤の流量、またはこれらの組み合わせを調節することによって前記エンジンの制御を調節するように構成されている、請求項１に記載のシステム（８）。
  10. エンジン（１０）を制御する方法であって、
    往復動エンジン（１０）の第１のシリンダ（２６）の第１の種類の動作状態を監視するように構成された第１のセンサ（２３，２７，２９，６６）から、第１の種類の動作状態の第１の測定値を表す第１の信号を受信するステップと、
    前記第１の信号を分析して前記第１のシリンダ（２６）における失火状態を検出するステップと、
    失火状態が検出された場合に、前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するステップと、
    前記残留ガスの量に基づいて前記往復動エンジン（１０）の制御を調節するステップと
    を含む方法。
  11. 前記第１の信号を分析して失火状態を検出するステップは、
    エンジン事象に関するベースラインインパルスおよびベースライン応答特徴を読み出すステップと、
    エンジンに配置された複数のセンサから後続データを受信するステップと、
    前記後続データに基づいてエンジン事象に関する後続インパルスおよび後続応答特徴を導出するステップと、
    それぞれのエンジン事象における後続インパルスおよびベースラインインパルスについて、前記後続応答特徴が前記ベースライン応答特徴から相違するか否かを判断するステップと
    を含み、
    前記第１のセンサは、ノックセンサ（２３）を備える、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第１の信号を分析して失火状態を検出するステップは、点火コイル容量の変化を通じて失火を検出すること、イオン化による燃焼時の電流の変化を検出すること、またはこれらの組み合わせを含み、前記第１のセンサは、容量センサ（２９）、イオン化センサ（２７）、またはこれらの組み合わせを備える、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記第１のシリンダ（２６）内の残留ガスの量を導出するステップは、残留分率導出を適用することを含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記残留分率は、
    Figure 2019108889
     を含み、ここでｘｒは、残留分率であり、ｃおよびｅは、それぞれ圧縮および排気を指し、
    Figure 2019108889
     は、湿性ガスにおけるモル分率である、請求項１３に記載の方法。
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