JP4545759B2 - イオン化測定を用い、点火システムを持つ往復圧縮点火エンジンにおける排ガス再循環および燃焼開始を制御する方法 - Google Patents

Description

［関連特許出願のクロスリファレンス］
本特許出願は、２００３年１０月３１日に出願した米国仮特許出願第６０／５１６，１４８号の利益を主張する。

［発明の分野］
本発明は一般的に、ディーゼルエンジンにおいてイオン化フィードバックを有する点火システムに関し、更に詳細には、プラズマ放電点火システムによってコールドスタート燃焼を開始する往復圧縮点火エンジンにおけるシステムなどに関する。

政府機関は環境汚染の低減を目指して、ディーゼルエンジンおよび他の圧縮点火エンジンにおける許容排ガス量を削減している。例えば過去１０年において、オンハイウェイ大型自動車用エンジンに対する排ガス規制はますます厳しくなり、ＮＯｘおよびディーゼル微粒子の排出量をそれぞれ７０％および９０％削減するエンジンの開発へと至らしめている。新型の大型エンジンに対する規制の提案では、ＮＯｘおよびディーゼル微粒子の排出量を現在の排出限度から更に７０％以上削減するよう要求している。これらの排出量削減は、ほとんどの排ガス削減戦略に伴う、ＮＯｘ−ディーゼル微粒子の排出量と燃費とのトレードオフに由来するエンジン設計への継続的な挑戦を意味する。また、オンハイウェイ型またはオフハイウェイ型を問わず、使用中の車両に対しても排ガス削減が望まれている。

従来、往復ピストンまたはロータリー内燃機関の主に２種の形式があった。これらの形式とは、ディーゼルエンジンおよびスパーク点火式エンジンである。これらのエンジン方式は、類似のアーキテクチャおよび機械的動作を有する一方、相互に大きく異なる別個の運転特性をそれぞれ有する。ディーゼルエンジンは、燃料噴射タイミングによって燃焼開始（ＳＯＣ）を制御する。スパーク点火式エンジンは、スパークのタイミングによってＳＯＣを制御する。その結果、ディーゼルエンジンおよびスパーク点火式エンジンの利点と欠点とにおいて重要な相違が生じる。スパーク点火式天然ガスエンジンまたはガソリンエンジン（乗用車ガソリンエンジンおよび希薄燃焼天然ガスエンジン等）がディーゼルエンジンに対して有する主要な利点は、ＮＯｘおよび微粒子排出レベルを著しく低下させられることである。ディーゼルエンジンが予混合給気スパーク点火式エンジンに対して有する主要な利点は、熱効率が高いことである。

ディーゼルエンジンが高効率である理由の１つは、スパ−ク点火式エンジンよりも高い圧縮率を適用できることである。なぜなら、スパ−ク点火式エンジンの圧縮率は、ノッキングを回避するために比較的低く保つ必要があるからである。しかし典型的なディーゼルエンジンは、予混合給気スパ−ク点火式エンジンを用いれば達成可能な超低ＮＯｘおよび微粒子排出レベルを達成できない。ディーゼル燃焼の混合制御という性質により、大部分の燃料は、微粒子排出をもたらすことで知られる超燃料過濃当量比で存在する。その一方でスパ−ク点火式エンジンは、ほぼ均一の空気燃料混合気を有し、それは希薄か、化学量論に近いかのいずれかとなる傾向にあるため、微粒子排出は非常に少ない。第２に考慮すべき点は、燃料および空気が略化学量論的当量比で存在するとき、ディーゼルエンジンでは調整燃焼が生じ、高温となる点である。また高温になると、高ＮＯｘ排出を引起こす。一方で希薄燃焼スパ−ク点火式エンジンは、かなり希薄な当量比で燃料を燃やすため、著しく低温となり、それによってさらに低ＮＯｘ排出となる。その一方で化学量論的スパ−ク点火式エンジンは、化学量論的燃焼の結果、炎が高温になるため、高ＮＯｘ排出となる。しかし実質的に無酸素の排ガスでは、三元触媒を用いてＮＯｘ排出を超低レベルにまで削減できる。

近年、幾つかの業界メンバーは、排出を削減するのに予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）を利用する別方式のエンジンへ方針を転換している。ＨＣＣＩ原理により運転されるエンジンは、燃焼を開始する予混合燃料空気混合気の自己点火に依存する。点火発生前に、吸気ポートまたはシリンダ内で燃料と空気とを混合する。混合度合いを、所望の燃焼特性に応じて変化させてもよい。エンジンによっては、確実に燃料と空気とを均一状態または略均一状態に混合するよう設計および／または運転されている。加えて、やや均一さに欠けるがわずかな成層状態を有する給気をもたらすよう、エンジンを特に設計および／または運転してもよい。双方の例において、混合気は、点火が発生するかなり前から予混合状態で存在し、混合気が自動点火するまで圧縮される。ＨＣＣＩ燃焼の特徴は、大部分の燃料が十分に空気と予混合され、点火時までの給気の間および燃焼の間、燃焼可能な混合気を終始形成し、そして圧縮点火によって燃焼を開始することである。ディーゼルエンジンと異なり、ＨＣＣＩエンジンの燃料配給タイミング、例えば噴射タイミングは、点火タイミングにそれほど大きな影響を及ぼさない。高排出量を生じるディーゼルの層状給気燃焼と異なり、ＨＣＣＩエンジンでは早期の燃料配給によって予混合給気が十分に混合され、好ましくは略均質になるため、排出量を削減できる。好ましくは、ＨＣＣＩ燃焼は、混合気の大部分または全部が燃焼中に過濃状態で存在する典型的なディーゼルエンジンサイクルとは異なり、混合気の大部分が化学量論よりも顕著に希薄であるため排出を削減できることを特徴とする。

その他の業界メンバーは、気体燃料混合気とディーゼル燃料との両方で運転される「デュアルモード」エンジンへと移行している。これらのエンジンは、部分負荷ではＨＣＣＩモード、および全負荷ではディーゼルモードまたはＳＩモードで運転される。その結果、デュアル燃料エンジンは、最も通常のディーゼルエンジンおよび天然ガスエンジンと同様な排ガスを生成する。特に、高負荷でディーゼル燃料と天然ガスとの両方を用いる公知のデュアルモードエンジンでは、点火を開始するのに少量のディーゼル燃料しか必要としないので、生じる排ガスはスパ−ク点火式天然ガスエンジンと同様であろう。大量のディーゼル燃料を噴射するような別の条件下では、生成される排ガスは従来のディーゼルエンジンの場合と同様であろう。

排ガスを監視するためには、エンジン方式にかかわらず、エンジン運転中にエンジン燃焼状態を検出する必要がある。エンジン燃焼状態を検出するあらゆる測定方法の中でも、イオン電流測定は、その使用によってエンジン燃焼に起因する化学反応を直に観察できるため、非常に有用であると考えられている。しかし、イオン電流検出器は通常、グロープラグに組み込まれている。例えば、白金製の導電性層がグロープラグの発熱体の表面上に形成され、燃焼室およびグロープラグ締付け具から電気絶縁されている。

これらグロープラグにおいて、燃料点火およびその燃焼は一般的に、エンジンが低温で始動する場合、グロープラグ発熱体の加熱作用によって促される。発熱体の加熱状態は通常、エンジンの暖機運転完了後、燃焼が安定するまで継続される（一般的に「残光」と呼ばれる）。残光終了後、グロープラグの加熱作用が停止し、イオン電流を検出する工程が開始される。カーボンは、グロープラグのセラミック加熱部の周縁に付着し、イオン電流検出に用いられる露出した電極と、電極から絶縁される接地部（プラグハウジングおよびシリンダヘッド）との間の絶縁抵抗を減少する。この場合、燃焼ガスからイオンが生じなくても、付着したカーボンを介して漏れ電流の流れが生成されることがある。これが起こると、検出されたイオン電流は、漏れ電流の発生に因って所望の波形とは異なる波形を示す。そしてそのような誤った検出結果は点火時期および消炎検出の精度低下の原因となる。更に、電極は燃焼室内でほぼ完全に露出され、ハウジングと電極との空間は狭い。このような理由から、電極がアースと短絡したり、電極表面に付着するカーボンに因ってハウジングが導電性を帯びたりすることになり、その結果、イオン電流検出に誤りを生じる危険性がある。

それに加え、グロープラグの先端で支持されるイオン電流検出電極は、直接高温の炎に接触するため、応力がイオン電流検出電極付近に集中し易く、セラミックグロープラグに亀裂等の損傷を与えかねない。

上記に鑑み、本発明の目的は、圧縮点火エンジンおよびデュアルモードエンジンにおいて、確実にイオン電流信号を検出し、イオン電流信号をフィードバックとしてエンジン制御に用いることである。

上記目的は、本発明が達成する目的に含まれ、イオン電流を確実に検出し、イオン電流をフィードバックとして本発明の制御に用いる方法および装置を提供する。イオンセンサは、燃料噴霧の直接衝突および拡散炎の包囲から完全または部分的に遮蔽されるスパークプラグ型センサであってもよい。また、燃焼室の燃料噴射器と一体化する検知装置であってもよい。また、グロープラグの代わりにスパークプラグセンサを用い、ディーゼル点火にコールドスタート機構を与えてもよい。

上記装置を用いてディーゼル点火時にコールドスタートを行うだけでなく、この装置を制御ループに用いて、イオンセンサによって測定される燃焼室を流れるイオン電流に基づき、制御ループがエンジンへの排ガス再循環（ＥＧＲ）量を制御する。

本発明の更なる特徴および利点は、添付図面を参照してなされる、例示の実施の形態に関する以下の詳細な説明から明らかとなろう。

本発明を特定の好適な実施の形態と関連付けて説明するが、これらの実施の形態に限定する意図はない。逆に、付帯する請求項により明確にされるように、本発明の精神および範囲内に含まれるように、全ての代替、改変、および均等物を包含することを意図する。

本発明は、ディーゼル燃焼エンジンにおいて、燃焼イオン電流を検出し、イオン電流信号を用いて、ＥＧＲ（排ガス再循環）制御、点火後のディーゼル噴射タイミング制御、およびディーゼルエンジンのコールドスタート等、様々な制御機能を実行する方法を提供する。本明細書中で使用する用語「圧縮点火エンジン」は、代表的往復ディーゼルエンジン、ＨＣＣＩエンジン、およびデュアルモードエンジンを指す。

ここで図を参照すると、図中の類似符号は類似要素を指し、本発明が適切な運転環境で実施されているものとして図示されている。初めに図１を参照すると、本発明の運転環境を例示するシステム１００が示されている。このシステムは、イオン化モジュール１０２と、プラズマドライバ１０４と、エンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０６と、圧縮点火エンジンとを含む。イオン化モジュール１０２は、ＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）バス１０８を介してＥＣＵ１０６および他のモジュールと交信する。圧縮点火エンジンは、ピストン１１２と、吸気弁１１４と、１つ以上の排気弁１１６とを有するエンジンシリンダ１１０（例えば燃焼室）を含む。吸気マニホルド１１８は、吸気弁１１４を介してシリンダ１１０と連通する。排気マニホルド１２０は、排気弁１１６を介してシリンダ１１０から排気ガスを受け入れる。吸気弁および排気弁の制御を、電子的、機械的、油圧式、または空気圧式で行ってもよいし、カムシャフトを介して行ってもよい。燃料噴射器１２２は、ノズル１２６を介して燃料１２４をシリンダ１１０内に噴射する。イオン検知装置１２８を用いてイオン電流を検知し、一実施の形態では、エンジンのコールドスタート中にイオン検知装置１２８がシリンダ１１０の燃焼室１３０内の空気／燃料混合気に着火する。プラズマドライバ１０４は、イオン検知装置１２８に電力を提供して高エネルギープラズマ放電を発生させ、カーボンの蓄積に因る燃料汚染からイオン検知装置のイオン検知検出エリアを保護する。図示ではイオン検知装置１２８を燃料噴射器１２２から離間させているが、燃料噴射器１２２と一体化させてもよい。排気マニホルド１２０はＥＧＲ弁１３２と液体連通する。ＥＧＲ弁はＥＧＲモジュール１３４に制御される。ＥＧＲ弁１３２は排気ガスを吸気マニホルド１１８に提供する。簡略化のため、ＥＧＲ弁１３２から吸気への再循環通路を矢印１３６で示す。システムによっては、排気ガスを排気ガス再循環通路内の冷却器で更に冷却してもよい。それに加え、排気弁１１６を可変タイミングで制御すれば、効果的に一部の排気ガスをシリンダ１１０内に留めておくことができる。イオン化モジュール１０２、プラズマドライバ１０４、エンジン制御ユニット１０６、およびＥＧＲモジュール１３４は別体として示されているが、これらのコンポーネントを組合せて一体のモジュールとしてもよいし、または他の入出力を有するエンジン制御装置の一部としてもよいことは認識できよう。

イオン化モジュールは、イオン電流信号を検出および分析する回路を含む。図２に示すように実施の形態では、イオン化モジュール１０２は、イオン電流信号検出モジュール１４０と、イオン電流信号分析器１４２と、イオン電流信号制御モジュール１４４とを含む。燃焼状態を検出するために、イオン化モジュール１０２は、空気燃料混合気に点火後、イオン検知装置１２８に電力を供給し、イオン電流信号検出モジュール１４０を介してイオン検知装置１２８からのイオン電流信号を測定する。イオン電流信号分析器１４２は、イオン電流信号検出モジュール１４０からイオン電流信号を受信し、異常燃焼状態がないかを判定する。イオン電流信号制御モジュール１４４は、イオン電流信号分析器１４２およびイオン電流信号検出モジュール１４０を制御する。イオン電流信号制御モジュール１４４は、以下で説明するように、エンジンＥＣＵ１０６へ指示を与える。一実施の形態では、イオン化モジュール１０２は、エンジンシステムにおける他のモジュールへ指示を送る。イオン電流信号検出モジュール１４０、イオン電流信号分析器１４２、およびイオン電流信号制御モジュール１４４は別体として示されているが、これらを組合せて一体のモジュールおよび／または他の入出力を有するエンジン制御装置の一部としてもよいことは認識できよう。

ここで図１を参照すると、ＥＣＵ１０６は、燃料噴射器１２２を制御して所望の速度および量で燃料（および空気）をエンジンシリンダ１１０に配給する。またＥＣＵは、燃焼室１３０内に再循環される排ガスの量および速度を制御する。ＥＣＵ１０６は、以下で述べるように、イオン化モジュールからフィードバックを受け取り、燃料およびＥＧＲを調節する。

イオン電流信号を、ＮＯｘ排出レベルおよび圧縮中に生じるシリンダ内の圧力と関連付けることができる。ここで図３を参照すると、シリンダ圧力トレースと、イオン電流トレースと、ＮＯｘレベルとの相関が示されている。曲線３００〜３１０はイオン電流トレースであり、曲線３２０〜３３０はシリンダ圧力トレースである。以下の数式において、曲線３００および３２０に対応するλは１．５８、ＮＯｘレベルは２．４ｇ／ｋＷ時（３．２ｇｒ／ＢＨＰ・時）である。ここで、λ＝（実際の空気／燃料比）／（化学量論による空気／燃料比）である。
曲線３０２および３２２に対応するλは１．６０、ＮＯｘレベルは１．４ｇ／ｋＷ時（１．９ｇｒ／ＢＨＰ・時）である。曲線３０４および３２４に対応するλは１．６１、ＮＯｘレベルは０．８９ｇ／ｋＷ時（１．２ｇｒ／ＢＨＰ・時）である。曲線３０６および３２６に対応するλは１．６２、ＮＯｘレベルは０．８２ｇ／ｋＷ時（１．１ｇｒ／ＢＨＰ・時）である。曲線３０８および３２８に対応するλは１．６３、ＮＯｘレベルは０．５９ｇ／ｋＷ時（０．７９ｇｒ／ＢＨＰ・時）である。曲線３１０および３３０に対応するλは１．６４、ＮＯｘレベルは０．２６ｇ／ｋＷ時（０．３５ｇｒ／ＢＨＰ・時）である。ＮＯｘレベルが２．４ｇ／ｋＷ時（３．２ｇｒ／ＢＨＰ・時）から０．２６ｇ／ｋＷ時（０．３５ｇｒ／ＢＨＰ・時）へ減少するのに伴い、イオン信号の大きさおよびそのピーク位置は一貫した傾向で変化することが見てとれる。同様にシリンダ圧力トレースも、イオン電流トレースが示す傾向と同一の傾向に追従する。図４は、イオン電流の第１ピークの振幅が、エンジンからのＮＯｘ排出量に関連してどのように変化するかを示す。エンジン運転パラメータは、１６００毎分（ｒｐｍ）のエンジン速度、可変トルク（２５、５０、７５Ｎｍ）、可変点火開始、および可変ＥＧＲ量（４０％〜５０％）である。丸印（その幾つかを符号４００で特定する）は実際のデータポイントを表し、線４０２は実際のデータポイントに基づく近似曲線である。この図から、エンジンからのＮＯｘ排出量が増加するにつれ、イオン電流の第１ピークの振幅が増加することが見てとれる。

ここで図５〜図８を参照すると、様々な速度および負荷での、ディーゼル燃焼圧力とイオン電流との関係が示されている。図５は、エンジン速度１５００毎分（ｒｐｍ）および負荷６８Ｎｍ（５０ｆｔ−ｌｂ）での、圧力５００とイオン電流５０２との関係を示す。燃焼開始５０４および燃焼時間５０６も示されている。図６は、エンジン速度１５００毎分（ｒｐｍ）および負荷２０３Ｎｍ（１５０ｆｔ−ｌｂ）での、圧力６００とイオン電流６０２との関係を示す。燃焼開始６０４および燃焼時間６０６も示されている。図７は、エンジン速度２０００毎分（ｒｐｍ）および負荷２０３Ｎｍ（１５０ｆｔ−ｌｂ）での、圧力７００とイオン電流７０２との関係を示す。燃焼開始７０４および燃焼時間７０６も示されている。図８は、エンジン速度２５００毎分（ｒｐｍ）および負荷２０３Ｎｍ（１５０ｆｔ−ｌｂ）での、圧力８００とイオン電流８０２との関係を示す。燃焼開始８０４および燃焼時間８０６も示されている。これらの図から、イオン電流の上昇は、燃焼開始時またはその付近に位置し、イオン電流信号の幅（すなわち、イオン電流の上昇と下降との間の「クランク角度」）は、燃焼圧力にもたらされる燃焼時間とほぼ揃うことが見てとれる。

図３〜図８から、イオン電流信号を用いてエンジン性能を制御し最適化できることがわかる。イオン検知装置を別体にすることも、燃料噴射器と一体化させることも可能である。センサ装置を、燃料噴射器からの燃料噴霧の直接衝突から遮蔽するのがよい。燃料噴霧が検知機構に衝突した場合、燃料がセンサをショートさせるため、イオン電流は燃焼圧力に追従しない。これを、イオン電流９０２が燃焼圧力９００を追従しないことが見てとれる図９で示す。

留意すべきは、好ましいイオン電流検知方法とは、イオン検知装置の電極で負電荷（すなわち、負電圧極性）を用いることである。これを行う理由は、燃焼工程で生じた雰囲気中の湿気（すなわち、水蒸気および高温蒸気）が正電荷に対して親和力を有するからである。正電荷電極を用いると、水蒸気および蒸気は正電荷と反応し、電極から正電荷を「引っ張る」。これによる実影響として、イオン信号の大きさが増加し、読み取り値に誤差を生じる可能性がある。多くの例では、湿気反応に起因するイオン信号は、ノイズと類似する周波数スペクトラムを有することが多いため、除去が困難である。

図１０（ａ）〜図１２（ｂ）は、本発明で使用可能な様々なタイプのイオン検知装置１２６を示す。他のタイプのイオンセンサを使用してもよい。ここで図１０（ａ）〜図１０（ｂ）を参照すると、スパークプラグ型センサが示されている。図１０（ａ）〜図１０（ｂ）は、スパークプラグ型センサのブロック図を示す。センサ１０００のセンサ電極１００２、１００４はシールド１００６で遮蔽されている。シールド１００６があることで、液状燃料スプレー１０２０によるセンサ電極１００２、１００４およびセンサ伝導領域１００８の汚損が極端に軽減される。燃焼中、拡散炎１０２２を、誘導オリフィス１０１０を介してフィルタに通すことで、センサの遮蔽された空間１０１２内に、主として予混合炎１０２４が発生する。シールド１００６があることで、拡散炎ではなく、予混合炎からの燃焼イオンの検出が可能となり、それによって燃焼の質（例えば、ＮＯｘ排出レベル）との相関を可能にする。一実施の形態では、当該技術で公知のように、実験計画法（ＤＯＥ）を用いて誘導オリフィス１０１０の大きさ、数、および方向を決定する。シールドは完全にセンサ電極１００２、１００４を囲む必要がないことに留意されたい。図１１（ａ）および図１１（ｂ）を参照すると、センサエリアに配置する囲い板１１０２を、図１０（ａ）に示すプラグのセンサ本体１１００に装着できる。囲い板１１０２は、燃料噴霧がセンサ電極１００２、１００４およびセンサ伝導領域１００８に直接衝突しないような大きさとする。運転中、センサ電極１００２、１００４に高エネルギー電流が通電でき、この電流は、高エネルギープラズマ放電を発生させ、センサ電極領域を燃料汚染およびカーボンの蓄積から保護する。

前述のように、グロープラグの代わりにスパークプラグセンサを用い、ディーゼル点火にコールドスタート機構を与えてもよい。スパークプラグセンサに十分な大きさのエネルギーを提供して、燃焼室内のディーゼル燃料混合気に着火可能なスパ−クを生成する。シールド／囲い板を使用して、プラグをディーゼル燃料に因るスパークプラグの汚損から保護することで、従来技術のスパ−ク点火システムの不具合を克服する。プラグは、高エネルギープラズマ放電により発生するプラズマスパークの過熱効果によりきれいに保たれる。高エネルギープラズマ放電は、高エネルギースパ−クが何百ミリアンペアの範囲で発生するのと比べて、アンペアの範囲の電流で発生する。以下で述べるように、イオンセンサ（例えば、スパークプラグセンサ）は、失火等の異常エンジン状態を検出および防止し、本質的に、低負荷、高ＥＧＲまたはＨＣＣＩ燃焼モードでの燃焼工程において安全策を提供できる。失火を防ぎ、スパーク作用を介して燃料混合気に点火し、面隙間スパークプラグを用いることで、スパークプラグセンサは、ディーゼルエンジンのコールドスタート排出量を低減できる。システムで使用されるグロープラグは、スパークプラグセンサに置き換えることができ、これによって、ディーゼルエンジンのコールドスタート工程を支援するために用いられてきた蓄熱ヒーターおよび吸気ヒーターの必要性を減少または排除する。それに加え、スパークプラグを用いれば、エンジンＥＣＵ（またはイオン化モジュール）が、燃焼が同調して開始されていないことを検知したとき、高電流スパ−クを提供して燃焼遅れまたは失火を防ぐことができる。

ここで図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照すると、ノズル１２６周りにイオンセンサ１２００を有する燃料噴射器１２２が示されている。センサ１２００のコントローラ１２０８、１２１０を噴射器１２２に沿って這わせて、そして、燃料噴射器インレットライン１２１２から離間する接続部１２０２を介してイオン化モジュール１０２およびドライバ１０４まで通す。コントローラは、電極１２０６を加熱するイオンバイアス電圧・加熱電流コントローラ１２１０と、センサ温度フィードバック制御用の熱伝対１２０８を備える。カーボン等の、イオン検知電極を短絡させかねない導電性汚染物質がウエハ面上に形成されないよう、電極１２０６を十分高温（例えば７００℃）に保つことが重要である。イオンバイアス電圧・加熱電流コントローラ１２１０は、電極１２０６を所望温度に維持または保持するのに十分な電流を提供する。一実施の形態では、センサスリーブ１２０４（例えばセラミックウエハ）を加熱することでこれを達成する。センサスリーブ１２０４は、例えば硝酸シリコンウエハで作られ、例えば酸化チタン製の電極１２０６が埋め込まれている。

イオンセンサを燃料噴射器１２２と一体化させる編成の別のタイプについて説明できる。例えば、イオンセンサの別の実施の形態では、イオンセンサが燃料噴射器のノズル先端に直接内蔵される。図１３にこれを示す。図１３を参照すると、ヒーター１３００およびイオン検知エレメント１３０２がノズル先端１２４に直接内蔵されている。内蔵型ヒーター１３００は、ライン１３０４を介してドライバ１０４に制御される。ヒーター１３００は温度を７００℃前後に保ち、イオンセンサを汚染から保護する。イオン検知エレメント１３０２は、ライン１３０６を介してイオン化モジュール１０２により制御される。第一の目的は、イオンセンサを燃料噴射器１２２に内蔵することで、エンジンシリンダヘッドにイオンセンサ装置用の開口を別に追加する必要性が排除されることである。イオンセンサの内蔵方法にかかわらず、センサの絶縁素子を十分高温に保つ温度制御を適用するものとし、イオン検知電極をショートさせかねない導電性汚染物質の形成を防止する。内蔵型ヒーターは、イオン検知エレメント１３０２を燃料汚染から保護することで、燃料汚損に起因する信号劣化を排除する。

これまでイオン検知装置の運転環境および様々な実施の形態について説明してきたが、以下では、イオン検知装置で使用可能な制御機能について説明する。イオン電流信号は、燃焼サイクルの間のエンジンパラメータに関連して得られる。例えばエンジンパラメータは、クランク角度、点火後時間、上死点からの時間等であってもよい。本明細書では、クランク角度をすべてを含むようにその最も一般的な意味において用いる。例えば、エンジン回転パラメータをクランク角度の度数という観点で直接的に測定するか、間接的に測定するか、または測定から推測するかに関係なく、クランク角度はエンジン回転パラメータの測定において総称的であることを意図する。クランク角度を、上死点、着火点等に関して特定してもよい。

イオン電流信号によって制御可能な機能の１つは、ＥＧＲ（排ガス再循環）制御である。空気／燃料混合気中のＥＧＲ量が多いほど、ＮＯｘ排出をより低下させ、ＥＧＲ量が過多であると失火を引起こし、ＥＧＲ量が過少であるとノッキングを引起こし、適量のＥＧＲはＨＣＣＩ燃焼を可能にすることが公知である。イオン電流信号を用い、安定状態運転および過渡運転の間、ＥＧＲレベルを制御する。ここで図１４を参照すると、４つのＥＧＲレベルの平均圧力および平均イオン電流が示されている。曲線１４００〜１４０６は平均圧力であり、曲線１４１０〜１４１６は平均イオン電流である。曲線に関するエンジン運転パラメータは、全曲線に対してエンジン負荷が７５Ｎｍ、および燃焼開始が上死点後約４度である。曲線１４００および１４１０は、ＥＧＲレベルが４０％の場合である。曲線１４０２および１４１２は、ＥＧＲレベルが４５％の場合である。曲線１４０４および１４１４は、ＥＧＲレベルが５０％の場合である。曲線１４０６および１４１６は、ＥＧＲレベルが５５％の場合である。曲線１４０６および１４１６は、エンジンがＨＣＣＩ燃焼に移行したエンジン状態を表わすことに留意されたい。図１４からわかるように、イオン信号の平均レベルが低下するにつれ、ＥＧＲレベルは増加するため、これに応じてＮＯｘ排出が低下する。それに加え、イオン電流開始が行われる燃料噴射後のタイミングすなわち遅れはＥＧＲレベルに対応する。これらの関係に基づき、ＥＧＲレベルは、イオン信号レベルから制御可能である。言い換えれば、イオン電流信号を閉ループ制御で用い、イオン信号測定に基づき、燃焼室内に入るＥＧＲ量を制御できる。例えば、図１５で示すように、閉ループ制御システムのフィードバックループでイオン電流を用いることができる。制御システムは、所望のＥＧＲレベルに対する平均イオン電流レベルを定め、当該技術で公知の制御技術を用いて、測定された平均イオン電流レベルが、所望のＥＧＲレベルに対応する平均イオン電流の許容帯域の範囲内となるまで、ＥＧＲレベルを調節する。

失火に至るまでＥＧＲレベルを増加させると、ＥＧＲレベルを最大化できる。失火は多くの方法で検出できる。失火を検出できる方法の１つは、イオン信号を用いる方法である。例えば一実施の形態において、米国特許第６，７４２，４９９号（発明の名称「希薄燃焼往復エンジンの異常燃焼状態を検出する方法および装置；Method And Apparatus For Detecting Abnormal Combustion Conditions In Lean Burn Reciprocating Engines」。そのすべてを参照して本明細書に組み込む）が使用されている。本明細書中で述べたように、エンジン燃焼事象間のエンジンパラメータに関連して変化するイオン電流信号の変動が測定され、浮動有界空間はイオン電流信号と関連付けられ、イオン電流信号の一部が浮動有界空間内に存在するか否かが判定される。イオン電流信号の一部が浮動有界空間内に存在する場合、失火状態を検出した旨が指し示される。浮動有界空間および浮動有界空間の開始点を定める。これは、燃焼事象間のエンジンパラメータに関連して変化する１セットのイオン電流信号を受信することを含む。１セットのイオン電流信号は、正常燃焼状態に対応するイオン電流信号と、エンジンの失火状態に対応するイオン電流信号とを有する。浮動有界空間の開始点および大きさは、失火状態に対応するイオン電流信号の選択部分が確実に浮動有界空間の範囲内にあり、正常燃焼状態に対応するイオン電流信号が確実に浮動有界空間の範囲外にあるよう調節される。

ここで図１６（ａ）〜図１６（ｃ）を参照すると、失火事象における浮動ボックス１６００が示されている。図１６（ａ）は、正常燃焼状態の典型的なシリンダ圧力１６０２およびイオン電流信号１６０４を示す。図１６（ｂ）は、失火状態の典型的なシリンダ圧力１６０６およびイオン電流信号１６０８を示す。７０個のエンジンサイクルに関するエンジンパラメータのデータポイントの典型的な１セットを図１６（ｃ）に示す。使用エンジンパラメータはシリンダの図示平均有効圧力ＩＭＥＰである。任意のデータポイントのＩＭＥＰが選択量未満である場合、データポイントを失火状態として区分する。選択量は、あらゆる失火を検出する点に設定されるのがよい。一実施の形態では、選択量は公称量の所定パーセント値である。図１６（ｃ）のデータポイント１６１０は失火状態に対応する。正常燃焼状態のイオン電流信号１６０４は、最初の開始点から短い平坦部を有し、その後ピーク部を迎えることがわかる。一方で、失火状態では所定時間、実質的に一定のままである。多くのエンジンのイオン電流信号における失火状態の特徴の１つは、図１６（ｂ）からわかるように、イオン電流信号の一部が、イオン電流信号の最初の開始点１６１２から長間隔の間、実質的に一定のままで、かつ、有界空間内に閉じ込められることである。その他の特徴を採用してもよい。

チューニング工程を活用して、イオン電流信号の特性を利用して浮動ボックスの開始点および大きさを定める。チューニング工程では、浮動ボックスの大きさおよび位置を調節し、確実に失火状態を捉え、かつ、正常燃焼状態を除外する。図１６（ｂ）に示すように、浮動ボックス１６００の存続時間中、失火状態のイオン電流信号の一部が確実に浮動ボックス１６００内に留まり、そして、図１６（ａ）で示すように、正常燃焼状態の間は浮動ボックス１６００を離れるよう、浮動ボックスが十分な大きさを持ち、クランク角度に関わるイオン電流信号の位置と合致するまで、開始点および浮動ボックスの大きさを調整する。これは、図１６（ｃ）に示す正常および異常燃焼サイクルに対応するイオン電流信号に浮動ボックスを重ね、ボックスパラメータ（例えば、開始点（クランク角度（すなわち時間）とイオン電流信号の大きさとに関わる）、存続時間、および高さ）を調節してボックスを最適化することで達成できる。例えば浮動ボックスは、特性を表すエンジンのデータポイント１６１０（すなわち、失火状態）の上極端および下極端に対応するイオン電流信号に重畳され、ボックスパラメータは、イオン電流信号の一部が確実にそれぞれの状態のボックス内に留まるよう調節される。その後、浮動ボックスは、失火状態のイオン電流信号と形態が最も近い正常イオン電流信号に関するイオン電流信号の上に重畳される。例えば、データポイント１６１０、１６１６および１６１８に対応するイオン電流信号は、失火状態に対応するイオン電流信号と形状または形態が最も近くなりそうである。その後、浮動ボックスが正常燃焼状態のイオン電流信号の一部を捉えられなくなるまで、浮動ボックスを調節する。この工程は、様々なエンジン運転状態（例えば、速度、エンジン負荷、所望空気／燃料比等）に関するデータセットのイオン電流信号すべてに対して繰り返され、浮動ボックスは確実に失火状態を捉え、それ以外の状態を除外する。その後、エンジン運転中にボックスパラメータを用い、失火状態を検出する。

運転中、イオン電流信号分析器１４２はイオン電流信号を受信する。イオン電流信号分析器は、ボックスパラメータに従い、浮動ボックスをイオン電流信号上で浮動させる。一実施の形態では、最小の大きさのイオン電流信号が、浮動ボックスの開始点を起点とし、浮動ボックスの境界を終点として（すなわち、浮動ボックスの存続時間）定められる。例えば、浮動ボックスの存続時間がクランク角度で３０度である場合、クランク角度の３０度にわたって最小の大きさのイオン電流信号が定められる。次に浮動ボックスの開始点は、最小の大きさのイオン電流信号での開始点クランク角度（すなわち、点火後時間）に位置づけられる。その後、イオン電流信号分析器１４２は、浮動ボックスの存続時間中において、イオン電流信号が浮動ボックス内に留まっているか否かを判断する。イオン電流信号分析器１４２は、浮動ボックスの存続時間中において、イオン電流信号が浮動ボックス内に留まっていれば、失火を検出した旨をイオン電流信号制御モジュール１４４に示す。図１６（ｂ）は、浮動ボックスの存続時間中、浮動ボックス内に留まるイオン電流信号を示す。

イオン電流信号制御モジュール１４４は、エンジンＥＣＵ１０６に、および他のモジュールに対しては要求に応じ、失火状態を示す。ＥＣＵ１０６は、どのような処置を講じるべきかを決定する。ＥＧＲ制御の場合、ＥＣＵ１０６はＥＧＲモジュール１３４に命令して、失火がそれ以上生じなくなるまで、または運転に支障のない失火レベルとなるまで、エンジンに入るＥＧＲ量を減少させる。

一実施の形態では、ＥＧＲモジュール１３４は、イオン電流信号の個々のサイクルの移動平均より下の面積が所定の閾値以下となるまで、ＥＧＲレベルを増加させることによって、エンジンに入るＥＧＲ量および／またはＥＧＲ速度を調節する。言い換えれば、イオン電流信号の積分は閾値未満である。一実施の形態では、閾値はゼロである。イオン電流信号より下の面積が所定値（例えばゼロ）以下である点での移動平均を失火限界と定義する。エンジン状態に対する平均イオン電流曲線が、失火が発生しない失火限界を上回る最小レベルとなるよう、燃焼室１３０に入るＥＧＲレベルおよび／またはＥＧＲ速度を最高レベルまで低下させる。本実施の形態を実施するにあたり、目標イオン電流波形を、失火限界を上回る所定量に対応する平均イオン電流に設定する。実時間平均イオン電流波形を、目標イオン電流波形と比較する。実時間平均イオン電流波形が目標イオン電流波形の許容窓の範囲内となるよう、ＥＧＲレベルおよび／またはＥＧＲ速度を調節する。ＥＧＲを所望レベルにしたい場合、目標イオン電流を下げて、ＥＧＲレベルを現目標イオン電流に対応する現在のレベルから上昇させる。目標イオン電流を上げて、ＥＧＲレベルを低下させる。代替の実施では、個々のイオン電流信号波形が閾値（例えばゼロ）以下の面積を有するまで、ＥＧＲレベルを上昇させる。目標レベルは、閾値以下の面積を有する個々の信号波形の１サイクル前となる点でのイオン電流信号の移動平均となるよう定められる。言い換えると、目標レベルは、失火限界をわずかに上回るよう設定される。その後、ＥＧＲレベルを、イオン電流信号の移動平均が目標レベル（すなわち、失火限界をわずかに上回る）に留まるようなレベルにまで低下させる。このことを実行する方法の１つは、所望目標ＥＧＲレベルに対応する閾値レベル（例えばゼロレベル）を上回る平均イオン電流の所望開始点または上昇を決定し、運転中の平均イオン電流の開始点と所望開始点とを比較し、そして、平均イオン電流の開始点が所望開始点の許容窓の範囲内となるまでＥＧＲレベルを調節することである。

実時間平均イオン電流波形と目標イオン電流波形とを比較する１つのアプローチは、平均イオン電流波形のピーク位置と目標イオン電流波形のピークとを比較することである。例えばエンジンによっては、イオン電流信号が、ピークの燃焼室温度に対応する第２ピークを有する。平均イオン電流波形のピーク位置（例えば第２ピーク）が目標イオン電流波形のピークの許容窓の範囲内となるよう、ＥＧＲレベルおよび／またはＥＧＲ噴射速度を調節する。

別の実施の形態では、燃焼開始と平均イオン電流波形の平均ピーク位置との間の実時間角度デルタ（差）を、燃焼開始と目標イオン電流波形のピーク位置との間の目標角度デルタと比較する。燃焼開始と平均イオン電流波形の平均ピーク位置との間の実時間角度デルタが、燃焼開始と目標イオン電流波形のピーク位置との間の目標角度デルタの許容窓の範囲内となるよう、ＥＧＲレベルおよび／またはＥＧＲ噴射速度を調節する。実時間角度デルタが目標角度デルタより進んでいればＥＧＲレベルを増加し、実時間角度デルタが目標角度デルタより遅れていれば減少する。

別の実施の形態では、所望ＥＧＲレベルを達成するため、特定の燃焼室の吸気行程中に変動する時間長で排気弁の１つを可変駆動して、ＥＧＲレベルを調節する。他の排気弁は従来の方法で駆動する。

更なる実施の形態では、スパークプラグ型イオンセンサの使用によって失火を防ぐ。ここで図１７を参照して、エンジンの特性を表し、クランク角度が様々な運転状態に到達する前にディーゼル燃料混合気の燃焼が開始されるはずの所定のクランク角度を定める。運転中、所定のクランク角度の前にディーゼル燃料混合気の燃焼を検知しなかった場合、高エネルギースパ−クを生じさせるのに十分なレベルのエネルギーをスパークプラグ型イオンセンサに提供する。例えば、所望の燃焼開始に対応する所定のクランク角度を過ぎてもイオン電流の上昇が検出されない場合、エネルギーをスパークプラグ型イオンセンサに提供することで、スパ−クを生成してディーゼル燃料混合気に点火する。

またイオンセンサ装置を用い、ディーゼルエンジンの噴射タイミング等、直噴往復圧縮点火エンジンにおける噴射開始を制御できる。図１８を参照すると、平均イオン信号１８００〜１８０４と、一段毎に噴射器タイミングが２度ずつ変化する平均圧力曲線１８１０〜１８１４とが示されている。全曲線に関し、ディーゼルエンジン負荷が５０Ｎｍであり、ＥＧＲレベルが５０％である。曲線１８００および１８１０は、上死点前（ＢＴＤＣ）２度での燃焼開始に対応する。曲線１８０２および１８１２は、上死点での燃焼開始に対応する。曲線１８０４および１８１４は、上死点後（ＡＴＤＣ）２度での燃焼開始に対応する。曲線１８０６および１８１６は、ＡＴＤＣ４度での燃焼開始に対応する。イオン電流のピークおよびピーク位置は、噴射器タイミングに伴って変化することがわかる。噴射器タイミングがＴＤＣを超えて増加するにつれ（すなわち、燃焼開始がより大きいＡＴＤＣ角度で行われる）、イオン電流のピークが上昇し、ピーク位置はＴＤＣから離れてより大きい数のＡＴＤＣ角度へと移動する。同様に、噴射器タイミングがＴＤＣ前に推移すると、イオン電流のピークは減少し、ピーク位置はより大きい数のＢＴＤＣ角度へと移動する。またイオン信号の上昇は、イオン信号のピーク位置と同じ関係で推移する。この関係を用いて噴射タイミング（例えば燃焼開始）を制御する。例えば、イオン電流信号がいつ上昇するかを検出することで、クランク軸角を求めることができる。クランク軸角は、イオン電流信号が変化して上昇を開始する時点での角度である。ここで図１９を参照すると、様々な運転状態に対しイオン電流の上昇が生じるはずのクランク軸角を特定し、エンジンの特性を表す。イオン信号が上昇するクランク軸角がどこで発生するかを検知することで、燃料噴射開始を閉ループ式で制御する。この角度を、エンジン特性に基づく所望のクランク角度と比較する。イオン信号の上昇が異なる角度で生じる場合、イオン信号が上昇するクランク軸角が所望の噴射角の許容窓の範囲内にまで推移するよう、是正処置を講じる。一実施の形態では、少なくとも２つの先行サイクルの平均を用いて、イオン電流の上昇の平均を求める。

またイオンセンサ装置を用い、圧縮点火エンジンの最大出力を制御できる。最大出力を制御する手法の１つは、エンジンの燃焼速度を制御することである。燃焼速度は、燃焼がシリンダ全体に伝わる速度である。エンジンがより希薄な燃焼を行うほど、燃焼が着火点から離れて伝わるのに時間を要する。燃焼の減速によって、着火点と、略半分の混合気が燃焼するクランク角度位置との間の燃焼時間は長くなる。略半分の混合気が燃焼する位置を「５０％燃焼点」と呼び、クランク角度で測定されることが多い。一実施の形態では、エンジンの特性を表し、イオン電流波形の第２ピークと燃焼速度との間の関係を特定する。本実施の形態では、イオン電流波形の第２ピークのクランク軸角の実時間平均を、エンジン特性に応じた所望の燃焼速度に対応する目標クランク角度と比較する。イオン電流波形の第２ピークの角度の実時間平均が目標角度の許容窓の範囲内となるよう、シリンダに注入される燃料速度を調節する。イオン電流波形の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が目標角度より進んでいる場合、イオン電流波形の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が目標角度の許容差の範囲内になるまで、燃焼室に注入される燃料速度を減少させる。同様に、イオン電流波形の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が目標角度より遅れている場合、イオン電流波形の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が目標角度の許容差の範囲内になるまで、燃焼室に注入される燃料速度を増加させる。

代替の実施の形態では、エンジンに導入されるＥＧＲ量および／またはＥＧＲ速度を調節して燃焼速度を制御することもできる。図２０は、固定負荷で運転するエンジンに関するイオン電流およびシリンダ圧力を示す。曲線２０００〜２００６はシリンダ圧力曲線であり、曲線２０１０〜２０１６はイオン電流曲線である。曲線２０００および２０１０は、ＥＧＲレベル４５％に対応する曲線である。曲線２００２および２０１２は、ＥＧＲレベル５０％に対応する曲線である。曲線２００４および２０１４は、ＥＧＲレベル５５％に対応する曲線である。曲線２００６および２０１６は、ＥＧＲレベル５９％に対応する曲線である。これらの曲線からわかるように、ＥＧＲがとても高いレベルであると、燃焼速度を減少させ、シリンダ圧力の上昇率を低下させる。エンジンに関するこの関係が分かれば、所望の燃焼速度に関連する所望のＥＧＲパーセント値を求めて、イオン電流波形に基づきエンジンに導入されるＥＧＲを調節することにより、燃焼速度を制御できる。

上記から分かるように、イオン電流を検出し、ＥＧＲ制御、噴射タイミング、およびディーゼル点火コールドスタートを実行する装置および方法について説明してきた。本装置は、燃料噴射器に一体化されたスパークプラグ型センサまたはイオンセンサを用いることにより、グロープラグの必要性を排除する。またスパークプラグ型イオンセンサを用い、より低いＮＯｘレベルでディーゼル点火のコールドスタートを行うことができる。燃料汚染からセンサエリアを保護する高エネルギープラズマ放電（またはヒーター）によって、燃料汚損に因るイオンセンサの信号劣化を排除する。スパークプラグ型センサによって、拡散炎ではなく、予混合炎からの燃焼イオンの検出が可能となり、それによって燃焼イオンと燃焼の質（例えば、ＮＯｘ排出レベル）との相関を可能とする。

本発明を説明する文脈において（特に以下のクレームの文脈において）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されるかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。

本明細書中では、発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読んだ上で、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、好ましい実施の形態で考えられるすべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。

本明細書に組み込まれその一部を成す添付図面は、本発明のいくつかの局面を示し、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
図１は、本発明のプラズマ点火制御の概略図である。 図２は、図１のプラズマ点火制御の一部を示すブロック図である。 図３は、様々なＮＯｘレベルでの圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図４は、様々な負荷での、イオン電流の第１ピーク対エンジンからの排出量を示すグラフである。 図５は、様々な速度および負荷状態に対する、圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図６は、様々な速度および負荷状態に対する、圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図７は、様々な速度および負荷状態に対する、圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図８は、様々な速度および負荷状態に対する、圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図９は、プラグ汚損時の圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図１０（ａ）は、本発明と併用するイオンセンサの実施の形態の概略図であって、燃料噴霧衝突中のイオンセンサを示し、図１０（ｂ）は、拡散炎に包囲されている図１０（ａ）のイオンセンサの概略図である。 図１１（ａ）は、標準型スパークプラグの端部を示す等角図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のスパークプラグに囲い板を装着した場合の等角図である。 図１２（ａ）は、燃料噴射器に一体化されたスリーブにおいて本発明で使用するイオンセンサの代替の実施の形態の概略図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のイオンセンサの拡大図である。 図１３は、本発明で使用する、燃料噴射器のノズル先端に一体化されたイオンセンサの更なる実施の形態を示す概略図である。 図１４は、様々なＥＧＲレベルでの圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度を示すグラフである。 図１５は、本発明の教示に従い、イオン電流に基づきＥＧＲを制御するステップを示すフローチャートである。 図１６（ａ）は、正常燃焼事象に対する、圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度をグラフ表示し、図１６（ｂ）は、失火事象に対する、圧力およびイオン電流対エンジンピストンクランク角度をグラフ表示し、図１６（ｃ）は、本発明の浮動有界空間の大きさを調整するのに用いられ、エンジンシリンダの指示平均有効圧と失火との相関を示す実験データのグラフである。 図１７は、スパークプラグ型イオンセンサを用いて失火を防止するステップを示すフローチャートである。 図１８は、平均イオン信号および平均圧力曲線のグラフであり、負荷５０ＮｍおよびＥＧＲレベル５０％を有するディーゼルエンジンにおいて一段毎に噴射器タイミングが２度ずつ変化する場合を示す。 図１９は、本発明の教示に従い、イオン電流を用いて噴射タイミングを制御するステップを示すフローチャートである。 図２０は、負荷５０Ｎｍを有するエンジンにおいて、様々なＥＧＲレベルを有する平均イオン信号および平均圧力曲線を示すグラフである。

Claims (15)

1. 往復エンジンの燃焼室に導入される排ガス再循環（ＥＧＲ）レベルを制御する方法であって：
   イオン電流信号を評価するステップと；
   実時間平均イオン電流信号と、所望のＥＧＲレベルに対応する目標イオン電流波形とを比較するステップと；
   前記イオン電流信号の評価に基づき、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節し、前記実時間平均イオン電流信号が前記目標イオン電流波形の許容窓の範囲内となるようにするステップとを備え；
   前記イオン電流信号は、燃焼工程のピーク温度に対応する第２ピークを有し、前記イオン電流信号の評価に基づき、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節するステップは：
   前記イオン電流信号の第２ピークのクランク軸角の実時間平均と、所望のＥＧＲレベルに対応する前記イオン電流信号の第２ピークの目標角度とを比較するステップと；
   前記イオン電流信号の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が前記目標角度の許容窓の範囲内となるよう、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節するステップとを備える；
   方法。
2. 前記イオン電流信号の第２ピークの前記角度の実時間平均が前記目標角度の許容窓の範囲内となるよう、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節するステップは：
   前記イオン電流信号の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が前記目標角度よりも進んでいれば、前記イオン電流信号の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が前記目標角度の許容差の範囲内となるまで、前記ＥＧＲレベルを上昇させるステップと；
   前記イオン電流信号の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が前記目標角度よりも遅れていれば、前記イオン電流信号の第２ピークのクランク軸角の実時間平均が前記目標角度の許容差の範囲内となるまで、前記ＥＧＲレベルを低下させるステップとを備える;
   請求項１に記載の方法。
3. 往復エンジンの燃焼室に導入される排ガス再循環（ＥＧＲ）レベルを制御する方法であって：
   イオン電流信号を評価するステップと；
   実時間平均イオン電流信号と、所望のＥＧＲレベルに対応する目標イオン電流波形とを比較するステップと；
   前記イオン電流信号の評価に基づき、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節し、前記実時間平均イオン電流信号が前記目標イオン電流波形の許容窓の範囲内となるようにするステップとを備え；
   前記往復エンジンがディーゼルエンジンである；
   方法。
4. 往復エンジンの燃焼室に導入される排ガス再循環（ＥＧＲ）レベルを制御する方法であって：
   イオン電流信号を評価するステップと；
   実時間平均イオン電流信号と、所望のＥＧＲレベルに対応する目標イオン電流波形とを比較するステップと；
   前記イオン電流信号の評価に基づき、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節し、前記実時間平均イオン電流信号が前記目標イオン電流波形の許容窓の範囲内となるようにするステップとを備え；
   前記往復エンジンが予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンである；
   方法。
5. 前記往復エンジンがディーゼルエンジンである；
   請求項１または請求項２に記載の方法。
6. 前記往復エンジンが予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンである；
   請求項１乃至請求項３、請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを調節するステップは、前記実時間平均イオン電流信号が、失火が発生しない最小レベルとなるよう、前記燃焼室に導入されるＥＧＲレベルを最高レベルに調節するステップを更に含む；
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記実時間平均イオン電流信号が、失火が発生しない最小レベルとなるよう、前記ＥＧＲレベルを最高レベルに調節するステップは：
   個別サイクルイオン電流信号曲線が、閾値レベル以下の面積を有するまで、前記ＥＧＲレベルを上昇させるステップと；
   移動平均の目標レベルを、前記閾値レベル以下の面積を有する前記個別サイクルイオン電流信号曲線の１サイクル前となる点に定めるステップと；
   前記ＥＧＲレベルを、エンジン状態に対する平均イオン電流信号曲線が前記目標レベル付近に留まるようなレベルまで低下させるステップとを備える；
   請求項７に記載の方法。
9. 前記目標平均イオン電流を下げて前記所望のＥＧＲレベルを上昇させるステップと；
   前記目標平均イオン電流を上げて前記所望のＥＧＲレベルを低下させるステップとを更に備える；
   請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記所望のＥＧＲレベルに対応する閾値レベルを上回る前記平均イオン電流の開始点を定めるステップを更に備え、平均イオン電流信号と前記目標平均イオン電流とを比較するステップは、前記平均イオン電流の開始点と前記平均イオン電流の上昇に対する所望の開始点目標とを比較するステップを備える；
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. イオンセンサの電極上のイオン化の負極性によって前記イオン電流信号を測定するステップを更に備える；
    請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 複数のエンジン燃焼サイクルに渡って複数のイオン電流信号を受信するステップと；
    前記複数のイオン電流信号を平均化して、前記実時間平均イオン電流を導き出すステップとを更に備える；
    請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記複数のエンジン燃焼サイクルに渡って複数のイオン電流信号を受信するステップは、設定した数のエンジン燃焼サイクルに渡って前記複数のイオン電流信号を測定するステップを備える；
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記複数のイオン電流信号を測定するステップは、スパークプラグ型イオンセンサを用いて前記複数のイオン電流信号を測定するステップを備える；
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数のイオン電流信号を測定するステップは、点火システムと一体化したイオン検知装置を用いて前記複数のイオン電流信号を測定するステップを備える；
    請求項１３に記載の方法。

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