JP3790434B2 - シリンダーの圧力検出を使用して車内の不点火、部分燃焼の検出及びスパークの遅延を制御する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力比管理と称される方法論を使用したシリンダー圧力ベースのエンジン制御に関する。本発明の文脈では、「圧力比」という用語は、シリンダーが同じ体積で同じ混合物を含むとき、運動性（点火でない）のエンジンの圧力に対する、与えられたクランク角度（即ちピストン位置）におけるエンジンシリンダー内で燃焼される空気−燃料混合圧力の比に言及する。理解されるように、「圧力比管理」という用語は、エンジン作動に影響を与える幾つかのパラメータを管理するため、プログラムされたエンジン制御コンピュータにおけるそのような比の使用に言及する。より詳しくは、本発明は、シリンダー内の部分燃焼及び不点火の状況を検出するため内燃エンジンの圧力比管理を使用する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
現代の４ストロークガソリンエンジンに対する進んだエンジン制御システムの発展は、より高い燃料経済及び益々厳しくなる排気放出標準規格に対する需要によって推進されている。その上、そのようなシステムの更なる発展は、例えば、触媒コンバータ又は他の放出制御設備に逆方向に影響を与えることができるエンジン作動事象の車内診断方法（ＤＢＤ ＩＩ）に対する合衆国内の要求により推進されている。
【０００３】
個々のシリンダー圧力ベースのフィードバッグは、エンジン作動を最適化する上で適切な方法である。エンジンシリンダー圧力は、各燃焼事象に対する燃焼プロセスを特徴付けるため使用することができる基本的な燃焼変数であるからである。例えば、最適なエンジン制御は、各シリンダー内の圧力を監視し、スパークタイミングのフィードバッグ制御に対するその情報、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、空気−燃料比率（Ａ／Ｆ）、シリンダー間の燃料バランスシステム及び燃焼ノックを使用することによって、維持することができることが実証された。
【０００４】
フレデリック・マテクナスは、「圧力比管理」と呼ばれる方法論を、空気−燃料比の管理（シリンダー間の燃料バランスを含む）、点火タイミング及びＥＧＲ稀釈を各々向上させるためコンピュータベースの閉ループのエンジン燃焼制御内で使用することができることを実証した（米国特許４，６２１，６０３号、４，６２２，９３９号及び４，６２４，２２９号を見よ）。これら３つの特許の教えは、参照することにより本文中に組み込まれる。マテクナスの圧力比管理（ＰＲＭ）は、コンピュータベースのエンジン制御、及び、製品として存立可能な（production-viable）高信頼性のシリンダー圧力センサーの有益性により容易にされる制御アルゴリズムを含む。ＰＲＭ法は、シリンダー圧力関連信号のゲイン及びオフセットのいずれの知識無しにシリンダー圧力への線形的関係を有する信号のみを要求する。これは、較正される必要が無く且つエンジンシリンダー内の燃焼ガスに曝されなければならないセンサーより直接的でない手段により圧力を測定し得るセンサーに印加するポテンシャルを提供する。そのようなセンサーは、マーク・セルナウに付与された米国特許番号４，９６９，３５２号で開示されたようなシリンダー圧力センサーであり、「スパークプラグボス」と呼ばれる図示しない装置である。ＰＲＭの幾つかの特徴は、ここに要約される。それらを本発明のプロセスと連結して使用することができるからである。
【０００５】
ＰＲＭは、特定のピストン位置及び対応する既知のシリンダー体積において、１つ又はそれ以上の個々のエンジンシリンダーからの圧力データを使用する。このデータは、発火されたシリンダーの圧力と「運動性圧力（motored pressure）」（即ち、燃焼が起こらなかった場合に空気及び燃料混合物の存在に起因してシリンダー内に存在するであろう圧力である）との比率の形態で使用される。圧力比率は、次の方程式（１）に従って、現在のクランク角度位置θの点でピストン位置に対して計算される。
【０００６】
ＰＲ（θ）＝Ｐ（θ）／Ｐ_mot（θ） （１）
ピストンの上死中心位置前後のある範囲に亘るクランク角度位置に関して発火圧力及び運動性圧力のプロットが図１に示されている。図２は、図１の圧力データに対応する圧力比率（ＰＲ）のグラフである。図２で理解されるように、ＰＲは、燃焼前に単一値を有し、燃焼の間に、燃焼可能な燃料及び空気の混合物の単位チャージ質量当たりの熱解放量に依存する最終的な圧力比（ＦＰＲ）まで上昇する。
【０００７】
最終圧力比の増加は、修正圧力比ＭＰＲと呼ばれ、次式で表される。
ＭＰＲ＝ＦＰＲ−１ （２）
圧力比におけるある割合の上昇は、単一の燃焼事象の間のシリンダー内における燃焼割合量の推定値に対応する。マテクナス特許で説明されているように、推定値の精度は、熱輸送及びピストン運動によって僅かにしか影響されていない。圧力比は、定義によってシリンダー圧力の比測定基準測度（ratiometric measure）であるので、ＰＲＭアルゴリズムは、圧力センサーのゲインを必要としない。圧力信号のバイアス（電圧）は、信号が絶対圧力であろうとなかろうと満足されるポリトロープな振る舞いを仮定して、２つの比較サンプルを使用して計算される。従って、ＰＲＭは、圧力測定における並の誤差の多くに対して本質的に鈍感である。重要なことには、これは、システムの実用的な設備に対して低コストの圧力センサーの使用を可能にする。
【０００８】
（未較正及び任意にバイアスされた圧力信号のための）ＰＲＭの設備は、シリンダー体積が知られているところの４つの離散的なクランク角度位置でサンプリングすることを必要とする。（絶対圧力変換器を用いた場合、単一の早期サンプルポイントのみが必要とされる。ここで説明される機械化は、１５度間隔でサンプリングする能力を提供する２４歯のクランクホイールを使用して圧力サンプルをトリガーすることに基づいている。このホイールは、１０度毎のサンプルを提供するように整列されている（ＡＴＤＣ）。）適切には、２つのサンプルは、ポリトロープな関係から両方とも、運動性圧力波形（図１を見よ）及び圧力センサー信号バイアスの決定のために、圧縮ストローク上のピストンの上死中央（ＢＴＤＣ）位置の前において典型的に３５度及び５０度のクランク角度で有意な熱解放の前に取られる。燃焼が完了した後に取られたサンプルは、典型的には、上死中心（ＡＴＤＣ）の後、５５度のクランク角度により特徴付けられたピストン位置であり、図２で量Ｂとして表されたＦＰＲを決定するため必要とされる。クランク角度（ＡＴＤＣ）１０度（燃焼中）で取られたサンプルは、このサンプリングポイントで圧力比を提供する。圧力比のある割合の上昇は、圧力が測定されるところのシリンダー内の燃焼割合量の推定値に対応する。１０度のＡＴＤＣポイントに対して、これは、図２で量Ａ／Ｂによって表され、ＰＲＭ１０と称される、ＰＲＭ燃焼タイミングパラメータとしてマテクナスにより使用されてもいる。
【０００９】
ＰＲＭ１０＝[ＰＲ（１０）−１]／[ＦＰＲ−１] （３）
ＰＲＭ１０タイミングパラメータ（式３）は、燃焼フェージング（combustion phasing）の非常に敏感な測度であり、最良のトルクに対する最小点火（スパーク）進角にとって有用である。
【００１０】
ＰＲＭ１０の値は、０及び１の間の範囲に亘る。スパーク点火エンジンに対して、ＭＢＴスパークタイミングは、強度及びエンジン速度の混合に対し僅かにしか敏感でなく、約０．５５のＰＲＭ１０の値を通常与える。図２に示されるように、ＭＢＴタイミングの例示の値は、４０℃のＢＴＤＣにおけるスパーク点火である。遅角されたスパークタイミングはＰＲＭ１０のより低い値を与え、進角されたタイミングはＰＲＭ１０のより高い値を与える。典型的には、ＰＲＭ１０の０．１の変化は、スパークタイミングにおける３度乃至５度のクランク角度に対応する。燃焼量率（mass burn rate）及びＰＲ曲線の勾配は、ＡＴＤＣ１０度でそれらの最大値近傍にある（例えば図２を見よ）ので、ＰＲＭ１０のパラメータは、高稀釈比率に対してさえ、燃焼フェージングの敏感な測度のままである。
【００１１】
ＭＢＴスパークタイミングでの燃焼に対して、ＦＰＲの値は、稀釈無しの化学量論通りの混合物に対する最大値であり、余剰空気、ＥＧＲ又は残余物が増加するにつれて減少する。従って、ＦＰＲは、トータルのチャージ稀釈のインジケータとして有用であり、リーンで燃焼され、高い量のＥＧＲを使用し、或いは可変バルブトレインシステムを通った残余物の量を変動させるシステム内の混合物稀釈の制御に応用可能である。ＭＢＴスパークタイミングでのスパーク点火エンジンに対して、ＦＰＲは、典型的に２．８及び４．０の間の範囲に亘る。
【００１２】
ＦＰＲ＝ＰＲ（５５） （４）
ＦＰＲの値は、最良のタイミングから遅角するとより高く、進角するとより低く変動するように、サイクルタイミングに関して変動する。オリジナルのＰＲＭ特許で論じられたように、ＰＲＭ１０により測定されたサイクルタイミングとのＦＰＲの相関は、最良のタイミングからの遅角又は進角の量に基づく最良のタイミングにおける予測値の計算を可能にする。これは、たとえサイクルのタイミングが最良のタイミングではなかったとしても、ＦＰＲ（ＭＢＴ）に基づいて混合物の個々のサイクル推定を可能にする。この相関を使用して計算されたＦＰＲ（ＭＢＴ）−１．０は、稀釈パラメータ即ちＤＩＬＰＡＲと呼ばれる。（ＦＰＲ値からの１．０の差分は、稀釈のトータル量に対する燃焼される燃料の比と、直接比例するパラメータを提供する。）
ＤＩＬＰＥＲ＝ＦＰＲ＋（０．５＊ＰＲＭ１０）−１．２７５ （５）
ＤＩＬＰＥＲは、完全に燃焼する任意の一つのサイクルに対してトータルのチャージ稀釈の推定値を提供する。ＤＩＬＰＥＲは、燃焼フェージングの効果を備えるＦＰＲ（又はＭＰＲ）より低い周期性変動を示す。燃焼システムが許容することができるトータルのチャージ稀釈が全作動範囲に亘ってほとんど一定の状態を維持しているので、ＤＩＬＰＡＲは、リーンのＡ／Ｆ比又は高ＥＧＲの状態での燃焼制御に対する非常に有用な推定手段である。
【００１３】
マテクナス特許の圧力比及び燃焼プロセスを特徴付けるためのそれを使用することに関するこの理解から、様々なエンジン診断及び制御戦略が考えられてきた。このシステムに対する全体的なエンジン制御戦略は、各車両の使用期間に亘って最大の燃料経済及び最小の排気のため、稀釈限界近傍にＥＧＲを配給し、個々のシリンダースパークタイミングを最適化し、及び、シリンダー間のＡ／Ｆ比をバランスさせることであった。
【００１４】
上記したマテクナス特許の教えは、閉ループエンジン制御で実質的な改善に対する基礎を提供するが、シリンダーの燃焼可能な混合物の部分燃焼の検出、不点火の検出、様々なエンジン状態の下でのスパーク遅角制御に関する更なる改善に対する必要性がまだ残されている。高信頼性の不点火検出は、エンジン作動速度及び負荷の全範囲に亘る車両触媒コンバータの保護のための米国ＯＢＤＩＩ連合の診断要求にとって必要不可欠である。しかし、部分燃焼の状況は、触媒劣化にも寄与することができ、それらは、しばしば不点火が発生する前に起こる。更には、正確で高信頼性の部分燃焼検出は、エンジンの低温始動及びトランスミッションのギアシフト及びエンジンアイドルの周期の間に制御戦略のより効率的な使用を可能にするであろう。そのような状態に対して、遅角の高いレベルは、非常に遅い燃焼又は部分的に燃焼するサイクルを意図的に導入することができる。これらのサイクルは、速度変動又はイオン検知による不点火検出のスキームによって「不点火サイクル」と誤ってみなされ得る。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、その能力を増加させるＰＲＭを使用したプロセスを提供し、部分的燃焼及び不点火を高い信頼度でシリンダー毎に検出するためそれを使用することができるようにすることである。本発明の更なる目的は、燃焼事象が厳密に遅角されるときロバストである上記したプロセスを提供すること、及び、これらの条件下でスパークタイミング制御を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の実施形態では、本発明は、燃焼された燃料の割合の測度として内燃エンジンの膨張ストローク間の適切なクランク角度において評価される、（（１）式で定義されるように）シリンダー圧力比を使用するプロセスである。この評価は、各シリンダー及び各エンジンサイクルの排気物に入り込む未燃焼燃料の計算を可能にする。一連の式として表すと、本発明の本実施形態は、以下の計算ステップからなるプロセスである。
【００１７】

ＰＲ（クランク角度１）は、選択されたクランク角度において評価された圧力比である。適切なクランク角度１の一例は、５５度クランク角度ＡＴＤＣである。
【００１８】
ＰＲ（完全燃焼）は、クランク角度１で完全燃焼するに至る圧力比の値、例えばＦＰＲである。この値は、実験を通して、或いは、残余の燃焼ガス、余剰空気、又は、作動条件に対するＥＧＲによるチャージの相対稀釈に基づいて推定された特定の作動条件に対して決定することができる。（残余物（軽い負荷）、過剰空気（リーン）又はＥＧＲによる）高レベルのチャージ稀釈に対応する弱い混合物に対して、完全燃焼に対するＰＲは、従来のガソリンエンジンに対して３．０に近い数値に対応する。非常にリーンな作動が可能なエンジン（階層化チャージ（stratified charge）又はディーゼルエンジン）に対しては、完全燃焼に対するＰＲはより低くなり、次の関係式により概略比べられる。
【００１９】
ＰＲ（完全燃焼）−１＝一定値＊燃料量／（空気量＋ＥＧＲ量＋燃料量）
比較的低いチャージ稀釈（高負荷、ＥＧＲ無し、化学量論通りの混合物）での作動条件に対して完全燃焼するためのＰＲは、４．０を幾分超える。
【００２０】
全シリンダーから与えられた時間期間に対して排気物に入り込む燃料の累積量は、時間期間又はサイクル数に亘って個々のサイクル及び個々のシリンダーに対する未燃焼燃料の推定値を加算することによって計算される。この量は、特定のエンジンシステム及びある範囲の作動条件に亘ってテスト又は較正を通して確立されるように、触媒の損傷を結果として生成する臨界値と比較される。（例えば、エンジンテストの間、臨界温度が到達されて触媒の損傷が発生し得るか否かを判定するため、熱電対を触媒内に配置することができる。）
未燃焼の燃料流率が臨海値を超えた場合、２つの作用を作り出すことができる。エンジン作動条件の診断が実行され、例えば未燃焼燃料率を減少し及び／又は触媒を保護するため、スパークタイミングを進角するなどの適切な「修正作用」が実行される。車両エンジンコントローラが個々のシリンダー制御を提供するか否かに応じて、修正作用は、個々のシリンダー、又は、平均化に基づいて１つのグループのシリンダーになされる。当該条件に対する修正作用が不成功であるか又は許容できない場合、ドライバーは、ダッシュボード上の光を介して通知される。この未燃焼燃料計算プロセスの目的は、可能な限り多数の場合における触媒損傷を防止するためである。
【００２１】
本発明は、関連する実施形態に従って実行されてもよい。１つのシリンダー又はグループのシリンダーから出た未燃焼燃料の量を計算するため選択された圧力比を使用する代わりに、適切な最終圧力比を使用した修正圧力比（（２）式）が、完全な燃焼、部分燃焼又は不点火を特徴付けるように選択され得る。最終圧力比は、燃焼が発生すべきであったときのクランク角度で取られた発火圧力を使用して計算される。これらの状況下では、ゼロに近いＭＰＲは、テストされたサイクルの不点火を示し、約２以下の値は、部分燃焼を示し得る。そのような低いＭＰＲがシリンダーに対して検出された場合、当該テストは、現在のエンジン作動パラメータ又は点火の失敗が燃焼の問題を引き起こしていることを確認するため数サイクルに亘って繰り返される。上記態様で説明したように、例えばスパーク進角などのエンジン制御修正作用が引き受けられ、及び／又は、触媒コンバータへの可能な損傷の通知が車両オペレータに対し与えられる。
【００２２】
本発明の他の目的及び利点は、以下に続く本発明の好ましい実施形態についての詳細な説明から明らかとなろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図３は、自動車の内燃エンジン１０及びマイクロプロセッサーベースの制御モジュール（ＥＣＭ）１２を表している。図解の目的のために、エンジン１０は、４つのシリンダー１４、スロットルバルブ１８を備える吸引マニホルド１６、及び、３方触媒コンバータ２２を備える排気マニホルド２０を有するように表されている。排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ２４は、排気マニホルド２０から吸引マニホルド１６に排気ガスの一部分を戻す。各々のシリンダー１４は、スパークプラグ２６、吸引マニホルド１６に連結された吸引バルブ２８及び排気マニホルド２０に連結された排気バルブ３０が設けられている。燃料は、夫々の燃料インジェクタ３２により各々の吸引バルブ２８のところで吸引マニホルド１６に配給される。図示しない幾つかのエンジンでは、燃料は、エンジンの各シリンダーに直接注入される。
【００２４】
図３には図示していないが、各々のシリンダー１４は、クランクシャフトに機械的に連結されたピストンを収め、該クランクシャフトは、トランスミッション及びドライブトレーンを通して車両に動力を提供する。クランクシャフトの回転の間、ピストンは、通常ピストンの上死中心位置に対するクランクシャフト角度により特徴付けられる位置を通して、シリンダー内で往復運動する。
【００２５】
ＥＣＭ１２は、様々なエンジン及び周囲のパラメータを表す多数の入力信号を受け取り、入力信号に全て基づいて、燃料インジェクタ３２、スパークプラグ２６のためのＳ１〜Ｓ４、及び、ＥＧＲバルブ２４のためのＥＧＲに対する制御信号Ｆ１〜Ｆ４を生成する。従来では、入力信号は、可変リラクタンスセンサー３４により提供されるようなクランクシャフト（又はカムシャフト）位置、酸素センサー３６により提供されるような排気ガス空気／燃料比、及び、圧力センサー３８により提供されるような吸引マニホルド絶対圧力（ＭＡＰ）を含む。他の典型的な入力信号は、マニホルド絶対温度（ＭＡＴ）、周囲（気圧）圧力（ＢＡＲＯ）、燃料レール圧力（fuel rail pressure）（ＦＲＰ）及び空気流量（ＭＡＦ）を含む。
【００２６】
ＥＣＭ１２は、１つ又はそれ以上の圧力センサー４０からのシリンダー圧力を示す入力信号も受け取る。本発明のプロセスが、エンジンの各シリンダーに関して実施されるべきである場合、適切な圧力表示センサー４０が、図３に示されるように、各シリンダーに設けられる。上述したように、シリンダー圧力を表示するためのスパークプラグボス形式のセンサーが本発明の実用化の上で非常に有用である。その形式のセンサーは、シリンダーに侵入すること無く、適時に信号を提供するように反応しやすいからである。本実施形態では、スパークプラグボス形式の圧力表示センサー４０は、勿論、各々のスパークプラグ２６の回りに配置されよう。ＥＣＭ１２は、本発明を実施する上で使用するためのシリンダー圧力比を計算するため各シリンダー内の適切なクランク角度位置で圧力表示信号を使用する。
【００２７】
ほとんどの部分に対して、燃料及びスパーク制御信号を生成する制御アルゴリズムは、従来通りであり、周知されている。例えば、燃料は、ＭＡＦに基づいて供給されてもよく、或いは、酸素センサー３６のフィードバッグに基づく閉ループ修正を備えた速度−密度アルゴリズムによって供給されてもよい。この実施態様は、エンジンが化学量論通りの空燃比に近接して作動することを意図された状態で最良に機能する。スパークタイミングは、エンジン速度及びスロットル位置に基づきクランクシャフト位置に関して制御され、及び／又は、マクテナス特許で開示された（センサー４０からの信号を備えた）ＰＲＭ実施態様によって制御されてもよい。ＰＲＭ実施態様は、大きいＥＧＲ及び又は高い空燃比を使用して稀釈燃焼エンジンを制御する際に特に有用でもある。定常状態及びウォームアップのエンジン条件の下では、本閉ループフィードバッグプロセスは、ＥＣＭ１２が、性能及び駆動能力を維持する間に放出を最小にするようにエンジン１０を合理的に制御することを可能にする。
【００２８】
しかし、酸素センサーがその作動温度まで暖められておらず、且つ、閉ループ作動が可能でないとき、低温始動の間に困難な点に遭遇する。低温始動では、空気及び燃料のチャージが排気バルブが開放する前に仕上げられるように、スパークタイミングを遅角させることが望ましい。この遅い燃焼から損失するパワーが存在するが、高温排気ガスは、触媒コンバータ及び酸素センサーをより急速に加熱するため役立つ。本発明以前では、余剰の未燃焼燃料のコンバータへの排出を回避するか、又は、低温燃料配給における可変性により引き起こされる不点火及び結果として生成される燃焼率の不確定性を誤って検出する一方で、スパークの遅角を制御するための適切なプロセスは存在しなかった。その結果として、保守的な開ループスパーク較正は、コンバータを加熱するため遅角された燃焼を最良に使用することをできなくするように使用されてきた。
【００２９】
低温始動の問題に加えて、不点火の誤った検出というリスクを犯すことなく、スパークタイミングを更に遅角させるため望ましい他のエンジン作動条件が存在する。これらの状況は、トランスミッションのギアシフト及びエンジンアイドル制御の間でスパーク遅角を使用するトルク管理を含んでいる。これらの状況のいずれにおいても、排気中の未燃焼燃料の量に度を越えた制限を与えることなく、又は、不点火を誤って検出することなく、有意なスパーク遅角を正確に適用することが望ましい。本発明以前では、トルク減少及びアイドル速度制御に対する遅角の度合いを診断するためのロバストなフィードバッグエンジン制御プロセスが存在しなかった。これによって、スパーク遅角をより低い量にした状態で、長ったらしい開ループ較正を行うことが必要不可欠であった。
（シリンダー圧力センサー及び圧力比管理（ＰＲＭ）を使用した不点火及び部分燃焼の検出）
本実施形態に係る不点火検出システムの主要な目的は、全範囲のエンジン速度及び負荷に亘って触媒保護のためのＯＢＤＩＩの要求を満足させることである。シリンダー圧力センサー及び各エンジン発火に対して各シリンダーから出た未燃焼の燃料の推定値を提供する圧力比管理アルゴリズム（Pressure-Ratio Management algorithms）を使用してシステムを実施することができることが今や見出された。本方法は、修正圧力比（ＭＰＲ）を使用することに基づいたサイクル分類を考慮する。修正圧力比（ＭＰＲ）は、上述したように、
ＭＰＲ＝ＦＰＲ−１
と定義される。ここで、ＦＰＲは、最終的な圧力比であり、基本的には、単位チャージ量当たりの熱開放のインジケータである。本方法は、シリンダーから出た未燃焼の燃料量の推定値を提供する。本方法全体は、以下の表１に要約される。ＭＰＲの要求された精度は、通常、±０．３である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
アルゴリズムの使用及び有効性の一例は、２．４リットル、Ｌ４、４バルブ、ダブルオーバーヘッドカムシャフト、スパーク点火ガソリンエンジンを使用したエンジンテストにより図解された。キストラーの圧力変換器は、図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）並びに各燃焼サイクルに対するＰＲＭパラメータを測定するためシリンダー内で使用された。テストの間、エンジンは、ＢＴＤＣ１０度の固定されたスパークタイミングにおいて２０００ｒｐｍでの部分スロットルの下で作動された。エンジンは、化学量論通りのＡ／Ｆ比（１４．７／１）で約５０サイクルに対して最初作動された。次に、燃料流れを減少させることによって、エンジンは、２３／１の非常にリーンなＡ／Ｆ比で約１００サイクルに亘って作動された。最終的には、Ａ／Ｆ比は、化学量論通りのレベルまで戻され、追加の５０サイクルに対して圧力データが得られる。このデータは、図４にｋＰａ単位の対応するＩＭＥＰ値に対する２００ＭＰＲ（５５）のプロットとして要約される。テストエンジンを用いた圧力比管理作動経験に基づいて、化学量論通りのＡ／Ｆ比に比してリーンに対するＭＰＲ（５５）の通常燃焼値は約２乃至３（又はそれ以上）の範囲内に落ち、この経験は図４に示されている。２以下のＭＰＲ（５５）の値は、遅延燃焼サイクル又は部分燃焼サイクルを示し、及び、ほとんどゼロに近い値は全体的に不点火な状態を示している。
【００３２】
図４を参照すると、化学量論通りの空燃比での作動は、適切なＩＭＥＰ及びＭＰＲ（５５）の値により示されるように、通常の完全燃焼サイクルのクラスターを形成していることがわかる。これとは対照的に、リーンのＡ／Ｆ比は、更にゆっくりと燃焼し、高い周期的変動を示し、完全な不点火を示すサイクルの割合を与えるのに十分にリーンでもある。一定の燃料比及びスパークタイミングで作動したにも係らず、燃焼結果は、ＭＰＲ（５５）及びＩＭＥＰデータにより示されるように１００サイクルに亘って非常に変動する。５５度のサンプルポイントにおける燃焼範囲の測度としてＭＰＲを使用したとき、データは、このタイミングの後に発生する任意の燃焼がサイクルの仕事出力への寄与をほとんど持っていないことを示している。
【００３３】
ガソリンエンジンにおける通常の燃焼条件に対して、熱解放は、典型的に、圧力比計算のため使用される５５度のＣＡＤ ＡＴＤＣサンプルポイント前に完了する。非常に遅い燃焼特性を持つ異常な燃焼サイクルに対しては、５５度のＣＡＤ ＡＴＤＣによっては燃焼を必ずしも完了しないサイクルが存在する可能性がある。５５度のＣＡＤ ＡＴＤＣを超えて発生する燃焼の量をアクセスするため、５５ＡＴＤＣにおけるＭＰＲ及び１２０ＡＴＤＣにおけるＭＰＲの両方が、測定された圧力から計算された。１２０度のＣＡＤ ＡＴＤＣのサンプルポイントは、排気バルブが開放する直前のクランク位置に相当する。
【００３４】
図５は、ＭＰＲ（１２０）対ＭＰＲ（５５）のプロットを示している。傾斜された破線は、両方のサンプルポイントに対して等しい圧力比に相当している。このライン上のサイクルに対して、圧力比は等しく、５５度のＣＡＤ ＡＴＤＣの後に燃焼は存在しない。最上の水平ラインに沿った又は近傍のサイクルに対しては、燃焼は、排気バルブ開放で完了したと考えられる（１．８＜ＭＰＲ（５５）＜２．０）。ＭＰＲ（５５）が０．５及び１．８の間にあるサイクルに対しては、燃焼は不完全であり、ほとんどのサイクルは、ＭＰＲ（１２０）がＭＰＲ（５５）より大きいので、５５度のサンプルポイントの後にある度合いの燃焼状態を持っていた。ＭＰＲ（５５）が約０．５以下のサイクルに対しては、チャージのうち２５％以上が燃焼しておらず、燃焼は冷やされている。特に０．５以下の領域のＭＰＲ（５５）の値は、触媒加熱率を推定するという目的のため、シリンダーから出た燃焼された燃料の部分に対する合理的且つ控え目な推定器を表していると結論することができる。
【００３５】
上述されたのと同様のテストは、「ゼロブレーキトルク」（ニュートラルギア）における幅広い範囲のエンジン速度に亘って、セルナウ特許で説明されたスパークプラグボス圧力センサーを使用して実行された。混合物は非常に稀釈され、全体的な不点火、部分燃焼又は遅延燃焼、及び、完全燃焼サイクルの分布を形成する。１００サイクルが、１２５０、２０００、３０００及び４０００ｒｐｍの速度で各々サンプリングされた。各シリンダーに取り付けられたキストラー圧力変換器は、参考として使用された。これらのデータは、部分燃焼サイクル及び全体的不点火サイクルが当該プロセスによって容易に検出されたことを示している。
（触媒加熱のための低温始動の間並びにトルク減少のためのトランスミッションシフトの間にスパーク遅延制御を行うための遅延燃焼検出）
本明細書の従来技術の欄で述べたように、従来のガソリンエンジンに対して最良の熱効率を生み出すスパークタイミングは、上死中心位置（ＣＡ５０〜１０ＡＴＤＣ）後の約１０°における５０％の燃焼割合量（ＭＢＦ）に対応する。このスパークタイミングは、「最良のトルクのための最小スパーク進角」（ＭＢＴ）と呼ばれる。フィードバッグ制御を使用したＭＢＴスパークタイミングを達成するため、シリンダー圧力比に基づいたアルゴリズムが開発された。ＰＲＭの基本によれば、断片的な圧力比率は、燃焼量の良い近似である。この理由のため、０．５の公称目標を持つ１０ＡＴＤＣ（ＰＲＭ１０）における断片的な圧力比は、ＭＢＴスパーク制御（上記した（３）式を見よ）のためのロバストなタイミングパラメータであることがわかった。それは、ＰＲＭ１０のタイミングパラメータと呼ばれる。シリンダー圧力、圧力比、及び、ＰＲＭ１０は、一つの燃焼サイクルに対して図１及び図２に示されている。
（ＰＲＭ２５を使用した閉ループスパーク遅角制御）
遅角されたスパークタイミング制御は、ＮＯｘ放出物（何らかの燃料経済の不利益を伴う）を減少させるため、及び、爆発音抑制のため有用である。遅角されたスパークタイミング制御は、ＰＲＭ１０のタイミングパラメータを０．５以下のターゲットに制御することによって達成することができる。
【００３６】
ＰＲＭ１０を使用して（即ち、１０度のＡＴＤＣポイントを使用して）正確に検出することができるよりも遅くスパークタイミングを遅角することが望ましい作動条件に対しては、より遅い圧力サンプルポイントを、「追加のタイミングパラメータ」を計算するため定義することができる。これらの作動条件は、迅速な触媒加熱、エンジントルクを減少させるため瞬間的なスパーク遅角を備えたトランスミッションシフト制御（エンジントルク管理）及びアイドル速度制御のため、重いスパーク遅角が排気温度を増加させるように使用することができる低温作動を含んでいる。低温始動及びウォームアップの間の利益は、駆動可能限界を越えることの無い最適な触媒加熱である。トランスミッションシフト制御に対しては、エンジントルクを、改善されたシフト品質のためのシフトの間に制御することができる。
【００３７】
圧力サンプリングが２４個のクランクタイミングホイールによりトリガーされるエンジン制御システムでは、圧力信号は、１５度のクランク角度インターバルでのみ利用可能である。従って、ＡＤＴＣ１０度のＰＲデータが適切でないことが判定された場合、ＡＤＴＣ２５度が次に利用可能なサンプルポイントとなる（より遅いサンプルタイミングも有用である可能性がある）。ＰＲＭ２５のタイミングパラメータは、このサンプルポイントを使用して定義されており、図２に示されている。追加の「より遅い最終サンプルポイント」（即ち、ＡＴＤＣ７０度又は８５度、或いは１００度でさえ）は、高いスパーク遅角条件の下でのＰＲＭ２５の意義深い計算にとって望ましい。最終的なサンプルポイントは、典型的に、燃焼が終わった後、膨張ストローク上に位置決めされている。
（ＭＰＲを使用した閉ループスパーク遅角制御）
スパーク遅角制御を提供するための別の方法は、圧力比それ自体（ＭＰＲ）上のループを閉じることである。これは、燃焼が終わった後の最終的なサンプルポイントを便宜的に支持しないシステムアーキテクチャーにとって有用であり得る。部分燃焼検出に対して本明細書で前述したように、ＭＰＲ（５５）は、サイクル仕事（ＩＭＥＰ）の減少と直接相関する。
【００３８】
スパーク遅角制御は、ＭＰＲ（５５）の目標値を生成するためスパークタイミングを調整することによって実施することができる。実際の制御の目標値は、そのような遅角が有用である作動条件に対する較正によって決定され得る。ＭＰＲ値に基づく排気に対して未燃焼燃料率を平行的に計算することは、炭化水素放出又は過剰の触媒加熱に対する制限、或いは極端な遅角のレベル上の２つの可能な限界を越えること無く適切な遅角を提供する。第３の基準はエンジントルクの安定性となり得る。これは、ＭＰＲ（５５）に対するより低い目標値で増加する傾向にあり、駆動能力に影響を与える。
（エンジン及び車両開発ツール）
上述したパラメータの両方、即ち、ＰＲＭ２５（又は同様にＰＲＭｘｘ）及びＭＰＲ（５５）（又は同様にＭＰＲｘｘ）は、エンジン開発及び車両較正プロセスを強化し及び開発するため使用することができる。これらのパラメータは、圧力比管理に基づいて燃焼分析及び診断エンジニアリングツール内に統合化することができる。
（システムの実施）
実際には、スパーク遅角制御は、おそらくＰＲＭタイミングパラメータ（例えばＰＲＭ２５）及びＭＰＲ検出の両方を使用して実施されるであろう。一般的には、これは、最大の情報を提供し、これにより正確なフィードバッグ制御が達成される。
【００３９】
スパークタイミング制御の実施に対して、燃焼駆動能力は、フィードバッグシステムの設計及び較正において考慮されなければならない。トランスミッションシフトの間では、十分多い数のサイクルが直接フィードバッグ制御にとって利用可能とはなり得ない。これらの状況下では、ＭＰＲ値は、同様の作動範囲での他のシフトに対する観察で平均化され、未来のシフトに対してスパークタイミングを修正するため使用される、シフトを観察することができる。
【００４０】
本発明は、幾つかの特定の実施形態の観点で説明されたが、本発明の他の形態が当業者により容易に採用され得ることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ピストンの上死中心位置（ＡＴＤＣ度）の後−５０度からＡＴＤＣ８５度までの範囲に亘るクランク角度位置のシリンダー運動性圧力及びシリンダー発火圧力のグラフである。
【図２】図２は、図１と同じ範囲のクランク角度位置に亘る、図１に表されたシリンダー運動性圧力及びシリンダー発火圧力の圧力比のグラフである。
【図３】図３は、本発明の実施態様のためのマイクロプロセッサーベースのコントローラを含むエンジン及びエンジン制御システムの図である。
【図４】図４は、ＡＴＤＣ５５度、ＭＰＲ（５５）における修正圧力比データ、対、化学量論通りの空気対燃料比及び非常にリーンな燃料比で作動される２．４Ｌエンジンに対する、キロパスカル単位でサイクル表示の平均有効圧力（ＩＭＥＰ）のグラフである。
【図５】図５は、図４における、ＭＰＲ（１２０）データ対ＭＰＲ（５５）データのグラフである。
【符号の説明】
１０ マルチシリンダーエンジン
１２ コンピュータ（マイクロプロセッサーベースの制御モジュール（ＥＣＭ））
１４ シリンダー
１６ 吸引マニホルド
１８ スロットルバルブ
２２ 排気ガス処理システム（触媒コンバータ）
２４ 排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ
２６ スパークプラグ
２８ 吸引バルブ
３０ 排気バルブ
３２ 燃料インジェクタ
３４ クランクシャフト位置センサー
４０ 圧力表示センサー

Claims (19)

1. 自動車のマルチシリンダーエンジン（１０）の少なくとも１つのシリンダー（１４）からの排気物に対する未燃焼燃料の率を推定する方法であって、
   前記エンジン（１０）は、複数のシリンダー（１４）を含み、各々のシリンダーは、往復可能なピストンを含み且つ該ピストンの各位置で既知の体積を有し、該ピストンは、それら各々のシリンダー内の上死中心位置を通って往復運動するため回転するクランクシャフトに接続され、
   前記エンジンは、燃焼可能な混合物を形成するため前記シリンダー（１４）内に空気及び燃料を導入するための手段（１６、１８、２８、３２）、前記燃焼可能な混合物の点火のための手段（２６）、前記シリンダーから燃焼ガスを排気するための手段（３０）、前記ピストンのそれら上死中心位置に関する位置を決定するためのクランクシャフト位置センサー（３４）、及び、所定のクランクシャフト位置で前記シリンダー内の圧力を示す信号を提供するためのセンサー（４０）、を更に含み、
   前記車両は、前記シリンダーへの燃料配給及びオプションの排気ガス再循環流れ（２４）と、該シリンダー内での点火タイミングとを制御するため、及び、前記車両の排気ガス処理システム（２２）に不利な可能性のあるエンジン作動条件を検出し記録するためプログラム化されたコンピュータ（１２）を含み、該コンピュータは、前記センサー（３４、４０）から圧力表示信号及びクランクシャフト位置信号を受け取るよう構成され、
   前記方法は、前記条件が検出されるべき各シリンダーに関する所定の燃焼事象に直ちに続いて前記コンピュータにより実行され、
   前記ピストンの圧縮ストロークの上死中心位置の前のクランク角度における圧力表示信号の値に基づいて複数のクランクシャフト角度に対する運動性圧力を示す値を計算し、
   前記ピストンの膨張ストロークの上死中心位置後の所定のクランク角度における前記シリンダーに対する圧力表示信号の値を決定し、
   前記所定のクランク角度における前記圧力表示値の、同じクランク角度での運動性圧力の計算された値に対する圧力比を計算し、前記クランク角度における修正圧力比を決定するため前記圧力比から１の値を差分し、
   前記修正圧力比と、現在の作動条件での完全燃焼に対する所定の基準値との比率を計算し、
   前記燃焼事象の間における未燃焼の燃料の割合の測度として、前記比率を１から差し引いた差分値を使用し、
   前記シリンダーから出た未燃焼燃料の量を推定するため、前記シリンダーに配給される燃料で前記差分値を乗じ、該乗算値を前記エンジン制御コンピュータ内に記憶する、各工程を含む前記方法。
2. 未燃焼燃料量又は全シリンダーに対する排気への率を決定するため、全シリンダーからの未燃焼燃料の前記記憶された値を所定数の発火に亘って使用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記排気ガス処理システムを保護するため修正エンジン制御作用を取るべきか否かを決定するという目的のため、前記未燃焼燃料量と、前記車両の排気ガス処理システムの触媒の過熱を引き起こすものとしてテストにより確立された値とを比較する工程を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記未燃焼燃料量又は率を減少させるため、前記燃料配給、排気ガス再循環及び点火タイミングのうち少なくとも１つを変更する工程を含む、請求項３に記載の方法。
5. 自動車のマルチシリンダー内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダーにおける相対的な燃焼の完全さを検出するための、又は、不点火状態を分類するための方法であって、
   前記エンジンは、複数のシリンダーを含み、各々のシリンダーは、往復可能なピストンを含み且つ該ピストンの各位置で既知の体積を有し、該ピストンは、それら各々のシリンダー内の上死中心位置を通って往復運動するため回転するクランクシャフトに接続され、
   前記エンジンは、燃焼可能な混合物を形成するため前記シリンダー内に空気及び燃料を導入するための手段、前記燃焼可能な混合物の点火のための手段、前記シリンダーから燃焼ガスを排気するための手段、前記ピストンのそれら上死中心位置に関する位置を決定するためのクランクシャフト位置センサー、及び、所定のクランクシャフト位置で前記シリンダー内の圧力を示す信号を提供するためのセンサー、を更に含み、
   前記車両は、前記シリンダーへの燃料配給及びオプションの排気ガス再循環流れと、該シリンダー内での点火タイミングとを制御するため、及び、前記車両の排気ガス処理システムに不利な可能性のあるエンジン作動条件を検出し記録するためプログラム化されたコンピュータを含み、該コンピュータは、前記センサーから圧力表示信号及びクランクシャフト位置信号を受け取るよう構成され、
   前記方法は、前記条件が検出されるべき各シリンダーに関する所定の燃焼事象に直ちに続いて前記コンピュータにより実行され、
   前記ピストンの圧縮ストロークの上死中心位置の前のクランク角度における圧力表示信号の値に基づいて複数のクランクシャフト角度に対する運動性圧力を示す値を計算し、
   上死中心位置後で、前記シリンダー内の燃焼が前記エンジンの現在の作動モードで発生したと予期された後、所定のクランク角度における該シリンダー内の実際の圧力を示す値を決定し、
   前記所定のクランク角度における実際の圧力を示す前記値の、同じクランク角度での運動性圧力を示す値に対する圧力比を計算し、前記クランク角度における修正圧力比を決定するため前記圧力比から１の値を差分し、
   前記修正圧力比がゼロから約２の範囲内にある所定値である場合、前記シリンダー内の燃焼の完全さ又は不点火状態の測度を示すものとして、前記修正圧力比を前記コンピュータ内に記憶する、各工程を含む前記方法。
6. 前記エンジンの各シリンダーに対して、前記修正圧力比を決定する工程を含む、請求項５に記載の方法。
7. 部分燃焼又は不点火状態の可能性があることを検出したとき、前記記憶された修正圧力比が部分燃焼又は不点火状態を示していることを確実に決定するため、前記シリンダー内の所定数の点火事象に対して、該シリンダーに対する前記圧力決定及び修正圧力比計算を繰り返す、工程を含む、請求項５又は請求項６に記載の方法。
8. 前記修正圧力比計算の前記確実に決定された値が、ゼロから所定値の範囲内にある場合、前記コンピュータ内に不点火状態の通知を記憶する工程を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記修正圧力比の値をより高い値に増加させるため、前記燃料配給、排気ガス再循環及び点火タイミングのうち少なくとも１つを変更する工程を含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記修正圧力比の値を少なくとも２の値に増加させるため、前記燃料配給、排気ガス再循環及び点火タイミングのうち少なくとも１つを変更する工程を含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記修正圧力比は、上死中心位置の後２５度又はそれ以上のクランク角度で計算される、請求項７に記載の方法。
12. エンジンの点火タイミングが最良の効率タイミングから有意に遅角されるべきである自動車のマルチシリンダー内燃エンジンの作動を制御する方法であって、
    前記エンジンは、複数のシリンダーを含み、各々のシリンダーは、往復可能なピストンを含み且つ該ピストンの各位置で既知の体積を有し、該ピストンは、それら各々のシリンダー内の上死中心位置を通って往復運動するため回転するクランクシャフトに接続され、
    前記エンジンは、燃焼可能な混合物を形成するため前記シリンダー内に空気及び燃料を導入するための手段、前記燃焼可能な混合物の点火のための手段、前記シリンダーから燃焼ガスを排気するための手段、前記ピストンのそれら上死中心位置に関する位置を決定するためのクランクシャフト位置センサー、及び、所定のクランクシャフト位置で前記シリンダー内の圧力を示す信号を提供するためのセンサー、を更に含み、
    前記車両は、前記シリンダーへの燃料配給及びオプションの排気ガス再循環流れと、該シリンダー内での点火タイミングとを制御するようにプログラム化されたコンピュータを含み、該コンピュータは、前記センサーから圧力表示信号及びクランクシャフト位置信号を受け取るよう構成され、
    前記方法は、前記条件が検出されるべき各シリンダーに関する所定の燃焼事象の間に前記コンピュータにより実行され、
    前記ピストンの圧縮ストロークの上死中心位置の前のクランク角度における圧力表示信号の値に基づいて複数のクランクシャフト角度に対する運動性圧力を示す値を計算し、
    上死中心位置の後２５度又はそれ以上の所定のクランク角度で前記シリンダーの各々における実際の圧力を示す値を決定し、
    前記所定のクランク角度における実際の圧力を示す前記値の、同じクランク角度での運動性圧力を示す値に対する比を示す圧力比値を計算し、
    前記シリンダーに対する所定の圧力比値を維持するため、各シリンダーにおける点火タイミングを調整する、各工程を含む前記方法。
13. エンジン作動の低温始動及びウォームアップモードの間に排気ガス処理システムを最適に加熱するため前記所定圧力比値を与えるように各シリンダー内の点火タイミングを調整する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
14. エンジン作動のトランスミッションシフトモードの間にエンジントルクを正確に減少させるため前記所定の圧力比値を与えるように各シリンダー内の点火タイミングを調整する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
15. アイドルモードのエンジン作動の周期の間にエンジントルクを正確に減少させるため前記所定の圧力比値を与えるように各シリンダー内の点火タイミングを調整する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
16. エンジンの点火タイミングが最良の効率タイミングから有意に遅角されるべきである自動車のマルチシリンダー内燃エンジンの作動を制御する方法であって、
    前記エンジンは、複数のシリンダーを含み、各々のシリンダーは、往復可能なピストンを含み且つ該ピストンの各位置で既知の体積を有し、該ピストンは、それら各々のシリンダー内の上死中心位置を通って往復運動するため回転するクランクシャフトに接続され、
    前記エンジンは、燃焼可能な混合物を形成するため前記シリンダー内に空気及び燃料を導入するための手段、前記燃焼可能な混合物の点火のための手段、前記シリンダーから燃焼ガスを排気するための手段、前記ピストンのそれら上死中心位置に関する位置を決定するためのクランクシャフト位置センサー、及び、所定のクランクシャフト位置で前記シリンダー内の圧力を示す信号を提供するためのセンサー、を更に含み、
    前記車両は、前記シリンダーへの燃料配給及びオプションの排気ガス再循環流れと、該シリンダー内での点火タイミングとを制御するようにプログラム化されたコンピュータを含み、該コンピュータは、前記センサーから圧力表示信号及びクランクシャフト位置信号を受け取るよう構成され、
    前記方法は、前記条件が検出されるべき各シリンダーに関する所定の燃焼事象の間に前記コンピュータにより実行され、
    前記ピストンの圧縮ストロークの上死中心位置の前のクランク角度における圧力表示信号の値に基づいて複数のクランクシャフト角度に対する運動性圧力を示す値を計算し、
    上死中心位置の後２５度又はそれ以上の所定のクランク角度、及び、燃焼が完全（完全燃焼）であるべきより遅い所定クランク角度において前記シリンダーの各々における実際の圧力を示す値を決定し、
    前記所定のクランク角度における実際の圧力の、同じクランク角度での運動性圧力を示す値に対する比を示す圧力比値を計算し、該圧力比の各々に対する修正圧力比を決定するため該圧力比の各々から１の値を差分し、
    前記修正圧力比に対する、２５度又はそれより遅いクランク角度に対応する該修正圧力比の比率を計算し、
    エンジン作動条件に対する所定の最適値に等しい前記比率の値を与えるように、前記各々のシリンダーのスパークタイミングを調整する、各工程を含む前記方法。
17. エンジン低温始動及びウォームアップモードの間に前記排気ガス処理システムの最適な加熱のため前記所定の比率値を与えるように前記各々のシリンダーの点火タイミングを調整する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
18. エンジン作動のトランスミッションシフトモードの間にエンジントルクを正確に減少するため前記所定の比率値を与えるように前記各々のシリンダーの点火タイミングを調整する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
19. アイドルモードのエンジン作動期間の間に前記所定の比率値を与えるように前記各々のシリンダーの点火タイミングを調整する工程を含む、請求項１６に記載の方法。

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