JP6410788B2 - エンジンのサイクル毎の変動を低減する方法 - Google Patents
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Description
関連出願
本特許文献は、「内燃エンジンにおける予測補正」という発明の名称で２０１３年３月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／７７６４２１号の、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく出願日の利益を主張するものであり、当該米国仮特許出願は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
本特許文献は、「内燃エンジンにおける予測補正」という発明の名称で２０１３年３月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／７７６４２１号の、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく出願日の利益を主張するものであり、当該米国仮特許出願は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
簡単な概要
エンジンのサイクル毎の変動を低減する方法及びシステムを提供する。システムは、燃料噴射特性を特定し、燃料噴射特性に基づいてガス燃焼速度又は火炎速度を予測することができる。システムは、予測されたガス燃焼速度に応じて同じエンジンサイクル中に点火時期を調整することができる。
エンジンのサイクル毎の変動を低減する方法及びシステムを提供する。システムは、燃料噴射特性を特定し、燃料噴射特性に基づいてガス燃焼速度又は火炎速度を予測することができる。システムは、予測されたガス燃焼速度に応じて同じエンジンサイクル中に点火時期を調整することができる。
詳細な説明
Ｉ．動作パラメーターの検出
本開示は、燃料供給速度を内燃エンジンの燃焼室内の火炎速度又は燃料燃焼速度と関連付けるための新たな技術に関する。燃料供給速度は、ホール効果センサー、電流プローブ、針弁リフトセンサー、又は燃料比供給センサーなどの様々な方法で検出することができる。火炎速度又は燃料燃焼速度は、火炎が燃焼室の内部で特定の既知の距離にわたって伝播するのに必要な時間を測定することによって検出することができる。この距離は、燃焼室の内部に挿入された、火炎の特定の場所への到達を検出することが可能な任意の２つ又は複数のセンサーの間にあってもよい。このようなセンサーは、これらに限定されないが、イオン電流センサー、光学センサー、又は火炎に曝されたときに電気信号を生成することが可能な任意のセンサーを含む。本開示はまた、異常なエンジン動作をその発生前に予測するために、エンジンの燃焼室の内部で燃料燃焼速度又は火炎速度を監視するための新しい技術に関することもできる。
Ｉ．動作パラメーターの検出
本開示は、燃料供給速度を内燃エンジンの燃焼室内の火炎速度又は燃料燃焼速度と関連付けるための新たな技術に関する。燃料供給速度は、ホール効果センサー、電流プローブ、針弁リフトセンサー、又は燃料比供給センサーなどの様々な方法で検出することができる。火炎速度又は燃料燃焼速度は、火炎が燃焼室の内部で特定の既知の距離にわたって伝播するのに必要な時間を測定することによって検出することができる。この距離は、燃焼室の内部に挿入された、火炎の特定の場所への到達を検出することが可能な任意の２つ又は複数のセンサーの間にあってもよい。このようなセンサーは、これらに限定されないが、イオン電流センサー、光学センサー、又は火炎に曝されたときに電気信号を生成することが可能な任意のセンサーを含む。本開示はまた、異常なエンジン動作をその発生前に予測するために、エンジンの燃焼室の内部で燃料燃焼速度又は火炎速度を監視するための新しい技術に関することもできる。
本開示内のデータは、燃料供給速度を検出するためのホール効果センサー及び電流プローブとして燃料噴射器を備える開示されるシステムの実施で記録された。システムは更に、既知の距離にわたって燃焼室の内部で燃焼速度を測定するために、２つのイオン電流センサー、点火プラグに位置する第１イオン電流センサー及び燃料噴射器の先端に位置する第２イオン電流センサーを含んでいた。燃焼室の内部で燃料噴射器を使用しないポート噴射ガソリンエンジン用の他の実施では、２つのイオンセンサーは、点火プラグに位置する第１イオン電流センサーと、燃焼室の内部で既知の距離に位置する第２イオン電流センサーとを含むことができる。他の構成では、２つ又は複数のイオンセンサーは、燃焼室の内部にある距離を置いて配置された任意のプローブを含むことができる。
説明されるシステム及び方法の一部の利点は、サイクル毎の変動を予測し且つ制御し、エンジンアイドル回転数の低減を可能にすること、エンジン振動を低減すること、様々なエンジン負荷及び速度での燃料消費量を削減することを含み得る。本開示は更に、様々な燃料で効率的にエンジンを動作させること、燃焼方式（ＨＣＣＩ、ＳＡ−ＨＣＣＩ、成層、従来のガソリンなど）を変えながらエンジン動作を制御することを提供し得る。本開示の他の利点は更に、ランダムな過早点火及びエンジンノックを予測し且つ回避することによって、エンジンの電力制限を拡大することを含み得る。
ＩＩ．サイクル毎の変動の予測及び制御
エンジン動作におけるサイクル毎の変動は、内燃エンジンの動作に関連する様々な問題を引き起こす可能性がある。最も顕著な問題の１つは、エンジンの熱効率が、この変動によって、特にエンジンにかかる負荷が減少するにつれて、低下することである。すなわち、エンジンの負荷が減少するにつれて、サイクル毎の変動が増大する。正常動作条件下でのサイクル毎の変動は、エンジンにかかる負荷に応じて、少なくとも２０〜４０％以上の最大気筒圧力の変動を引き起こす可能性がある。サイクル毎の変動を制限することは、特に実質的な車両停止を含む市街地走行又は交通渋滞の状況で、燃費の向上をもたらすことができる。
ＩＩ．サイクル毎の変動の予測及び制御
エンジン動作におけるサイクル毎の変動は、内燃エンジンの動作に関連する様々な問題を引き起こす可能性がある。最も顕著な問題の１つは、エンジンの熱効率が、この変動によって、特にエンジンにかかる負荷が減少するにつれて、低下することである。すなわち、エンジンの負荷が減少するにつれて、サイクル毎の変動が増大する。正常動作条件下でのサイクル毎の変動は、エンジンにかかる負荷に応じて、少なくとも２０〜４０％以上の最大気筒圧力の変動を引き起こす可能性がある。サイクル毎の変動を制限することは、特に実質的な車両停止を含む市街地走行又は交通渋滞の状況で、燃費の向上をもたらすことができる。
燃費の改善を制限する主な問題は、現在の診断法が定常状態のエンジン動作の下でサイクル毎の変動を予測する能力を持っていないことである。現代のエンジンは、効率を高めるために可変タイミングのような様々な技術を使用することができるが、このプロセスは、燃焼工程がエンジンサイクルを通して安定し且つ繰り返し可能であるという前提に依存している。この場合、点火時期は、同じエンジン動作条件下で一定である。本明細書で説明されるシステム及び方法は、燃料供給速度に基づいてエンジンのサイクル毎の変動を示すいくつかの要因を予測し、同じサイクル中に点火時期などの制御パラメーターを再調整することが可能なシステムを提供する。システムの様々な実施は、内燃エンジン動作におけるサイクル毎の変動を制限し、燃費を向上させるためのシステム及び方法を提供することができる。
図１を参照すると、直噴ガソリンエンジン（ＧＤＩ）の燃焼室が示されている。気筒１１２の燃焼室１１０は、一般に、点火プラグ１１４、４つのバルブ１１６、ピストン１１８、及び燃料噴射器１２０を含むことができる。
この実施では、燃焼室１１０は、燃料供給速度及び燃焼速度を測定するためのセンサー１１６を含むことができる。センサーは、別個であるか又は１つ以上の他の構成要素に組み合わせることができる。ある特定の実施では、燃焼室にある知覚装置を制限するために、燃料噴射器１２０をホール効果センサーとして利用することができる。このセンサーは、燃焼室の内部で燃料供給速度を捉えるのに使用される。電流プローブも、燃料噴射ソレノイドの電気配線の周りに追加される。
燃料供給速度は、ホール効果センサー、針弁リフトセンサー、燃料比供給センサー、又は電流プローブで測定することができる。ホール効果センサーは、燃料が燃料噴射器を通過するときにホール効果センサーによって検出される特性信号から、気筒への燃料供給速度を測定することができる。火炎速度又は燃焼速度は、火炎が燃焼室内である定められた距離にわたって伝播するのに要する時間から測定することができる。この実施における燃料噴射器は、標準的な燃料噴射器から、ホール効果センサー及びイオン電流プローブを含むマルチセンシング回路を含むように変更されている。同様の機能が可能なマルチセンシング燃料噴射システムは、米国特許出願第１３／３８６０２８号に見出すことができ、当該米国特許出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。他の実施では、イオン化センサーは、様々な位置に配置された様々なセンサーを含むことができる。一般に、既知の距離だけ離れた、燃焼炎を感知することができる２つ以上のセンサーは、燃焼速度を計算するのに利用することができる。他の実施は、２つ以上のイオン電流プローブ、光学センサー、又はセンサーに対して一定の近さで燃焼を検出することができる任意の他のセンサーを含むことができる。
イオン電流センサーは、少なくとも燃焼速度を測定するように構成することができ、燃焼速度は、イオン化された火炎が第１センサーから第２センサーへ移動するのに必要な時間の関数として測定される。本実施では、２つのセンサーは、図１に示すように、点火プラグ及び燃料噴射ノズルに組み込むことができる。正常動作条件下では、点火信号は、点火プラグを始動させ、点火プラグギャップ内にスパークアークを発生させることができる。点火の際に、点火プラグは、燃焼室内の燃料に点火することができる。点火プラグに組み込まれたイオン化センサーは、その結果、燃焼を感知することができる。燃焼炎が燃焼室を通って膨張した後、燃料噴射器内のイオン化センサーは、火炎がセンサーに近づくときに、燃焼イオン電流を測定することができる。燃焼室内での燃焼速度を特定するために、火炎が点火プラグのイオン化センサーから燃料噴射器のイオン化センサーへ移動するのに必要な時間を測定することができる。
イオン電流プローブ用の一般的な回路図を図２に示す。回路は、この場合は気筒２１０内の燃焼に相当する、帯電したイオンの存在を反映する電流の変化を測定することによって機能することができる。信号処理モジュール２２０は、既知の抵抗値を有する抵抗器２２４の両端の電圧の変化を検出することによってイオン化プローブ２２２によって検出された電流信号をフィルタリングし、処理するように機能することができる。データ収集モジュール２２６は更に、例えばシャフトエンコーダ２２８によって測定されたクランク角に基づいて、現在のエンジンタイミングに関する情報を提供し、且つイオン化プローブ２２２からの電流の変化を記録することができる。
燃料噴射器２３０は更に、ホール効果センサーを含むことができる。ホール効果センサーは、燃料噴射器の針を開けるための付勢信号が噴射器コイルを通過するときに図２の回路におけるインピーダンスの変化を検出することによって、燃料供給速度を検出することができる。これらのセンサーは、気筒内の燃焼を予測し、非効率的な変動を低減し且つエンジン燃焼サイクル中に発生する可能性がある他の潜在的に有害な異常を防止することにより改善するために、本開示によって利用される信号を測定するように機能することができる一実施を示す。
図３は、燃焼エンジンで正常な燃焼サイクル中に測定された信号を示すグラフである。グラフは、燃料噴射器３１０（ホール効果センサー及びイオン電流センサー）、点火プラグのイオン電流センサー３１２、及び電流プローブ３１４によって測定された様々な信号を示す。これらの信号は、点火信号３１６及び気筒圧力３１８と比較してグラフ化されている。これらの信号は、気筒への燃料供給速度と火炎速度又は燃料燃焼速度の両方を測定するのに利用することができる。これらの信号から、燃料供給速度は、サイクル毎の変動を制限し且つ燃費を向上させるために、エンジンサイクル中の燃料燃焼速度を予測し且つ制御することができる。火炎速度を監視するためにイオンセンサーから得られる信号は、エンジン動作中に予測の正確さを確認し、予測能力を改良（セルフチューニング）するためにフィードバック信号として使用することができる。
前述のように、この実施では、燃料噴射器は、ホール効果センサー及びイオン電流センサーを含むように変更することができる。グラフの左側で、燃料噴射器に組み込まれたホール効果センサーは、燃料噴射器における燃料供給速度及び燃料供給のタイミングを測定する。同様に、図３に示される電流プローブ信号も、燃料供給速度を測定するのに利用することができる。燃料供給速度から、エンジンの各燃焼サイクルの燃焼速度を高精度で予測することができる。
グラフの右側で、燃料噴射器のイオン電流センサーによってイオン電流が測定される。グラフは、気筒圧力と共に増大する燃料噴射器で測定されたイオン電流を示す。また、点火プラグにあるイオン電流センサーも、気筒圧力及び点火プラグで測定したイオン電流と共に増加するが、火炎は点火プラグの近くで始まって燃料噴射器へ伝搬するので、点火プラグで測定したイオン電流信号は、時間的に燃料噴射器で測定したイオン電流に先行する。
次に図４から６を参照すると、同じ定常状態のエンジン動作条件下にある２つの連続するエンジンサイクルを示すグラフが、測定された信号間の関係を明らかにするために示されている。サイクル１は実線で示され、共に振幅が大きい最大気筒圧力とイオン電流を示し、点線で示されるサイクル２に先行する。点火信号は符号４１０で示されている。サイクル１のエンジン圧力は符号４２０で示され、サイクル２のエンジン圧力は符号４２２で示されている。サイクル１の燃料噴射器は符号４３０で示され、サイクル２の燃料噴射器は符号４３２で示されている。サイクル１の点火プラグのイオン信号は符号４４０で示され、サイクル２の点火プラグのイオン信号は符号４４２で示されている。サイクル１の電流プローブ信号は符号４５０で示され、サイクル２の電流プローブ信号は符号４５２で示されている。
サイクル毎の変動は、点火信号を最大気筒圧力及びイオン電流と比較した場合に明らかである。点火信号は各サイクルでほぼ正確に同時に活性化されるが、最大圧力のタイミング及び大きさは実質的に変化する。エンジン動作パラメーターによっては、サイクル毎の変動は、より大きい可能性がある。
次に図５を参照すると、サイクル毎の変動を明らかにするために図４の拡大図が示されている。第２サイクルは、すべての測定について第１サイクルの後に示されている。この比較は、燃料噴射器のイオンプローブ、点火プラグのイオンプローブ、及び測定された気筒圧力の間の関係の一貫した性質を示すことができる。
次に図６を参照すると、電流プローブと燃料噴射器のホール効果センサーの両方の予測値も明らかである。第１サイクルでは、電流プローブとホール効果センサーの両方が時間的に早く始まり、第２サイクルよりも時間的に後で安定化する。この関係と気筒内の火炎速度比に関する電流プローブ及びホール効果信号の類似の特定成分及び特性から、燃焼速度を予測し、エンジン気筒毎に独立してサイクル毎の変動を制限するように点火時期を調整することができる。
先に述べたように、サイクル毎の変動は、エンジン負荷が減少するにつれて大きくなる可能性がある。図７は、１２５Ｎｍで１６５０ＲＰＭでの定常状態動作下で噴射器のイオン信号７１２及び気筒の圧力７１０に関してサイクル毎の変動（ａ−ｃ）を示すグラフである。熱発生率（ＲＨＲ）７１４も示されている。この場合の最大圧力の変動はほぼ２０％に等しい。燃料噴射器でのイオン電流センサーの測定値は、信号と気筒内で測定された実際の圧力との関係を示す。この関係は、気筒での正確な点火時期を特定するために後で利用することができる。
図８は、エンジン負荷を１５００ＲＰＭで７５Ｎｍまで低減したときのサイクル毎の変動（ａ−ｄ）の増加を示す。燃焼室側の燃料噴射器によって得られたイオン電流信号８１０は、圧力８１０の変動と相関している。この結果から、最大圧力の変動は明らかに低下した負荷ではるかに大きい。最大気筒圧力のサイクル毎の変動は、これらの条件下で約５０％に増加した。ＲＨＲ８１４も示されている。
これらの結果から、サイクル毎の変動を低減することの利点は、特に負荷が減少した期間中に、燃費を大幅に向上させる。これらの結果は、車両をアイドリングしているとき、この変動を低減することによってその性能を劇的に改善することができることを示唆している。サイクル毎の変動を低減することにより、エンジン性能及び燃費を最大にするように最大圧力を維持することができる。
図９及び１０を参照すると、追加のサンプル結果がそれぞれ１２５Ｎｍで１６５０ＲＰＭ及び９０Ｎｍで２０００ＲＰＭで動作するエンジンに関して示されている。図９では、気筒圧力は線群９１０として示されている。噴射器の信号は線群９１２として示され、電流プローブ信号は線群９１４として示されている。図１０では、気筒圧力は線群１０１０として示されている。噴射器の信号は線群１０１２として示され、点火プラグのイオン信号は線群１０１４として示されている。
図１１及び１２を参照すると、１００個の連続的なサイクルを含む追加のサンプル結果が、９０Ｎｍで２０００ＲＰＭで動作するエンジンに関して示されている。この場合、点火信号はかなり一貫しているが、サイクル毎の変動が発生していることが分かる。図１１では、気筒圧力は線群１１１０として示されている。噴射器の信号は線群１１１２として示され、点火プラグのイオン信号は線群１１１４として示され、噴射信号は線群１１１６として示され、点火信号は線群１１１８として示されている。図１２では、電流プローブは線群１２１０として示され、噴射器のホール効果信号は線群１２１２として示されている。
図１２に示される結果は、多数のサンプルにわたってホール効果センサー及び電流センサーの変動を示す。これらの信号の特性の変動は、気筒内の燃焼の特定のタイミングの予測因子としての役割を果たす。エンジンのサイクル毎の変動は、変動を制限するように点火信号のタイミングを変えることによって制限することができる。他の方法は、燃焼速度を制御すること含み得る。
炎が噴射器先端に到達する時期を予測するべくホール効果センサーを使用するためにアルゴリズムを開発することができ、アルゴリズムは更に気筒内の火炎速度比を予測することができる。作動中、システムは、ホール効果センサー信号から燃焼速度を予測し、変動が的確に制限されることを確実にするために閉フィードバックループで予測を評価することができる。この方法は、サイクル毎の変動が可能な限り制限されることを確実にするために、サイクル毎の変動の検討を考慮に入れることができる。この分析の詳細をここで更に詳細に提供する。
電流プローブ又はホール効果センサーの特性（以下、予測信号）は、火炎速度又は各気筒内の燃焼速度を予測するのに利用することができる。一部の実施では、予測信号の始点と終点の検出は、火炎速度又は燃焼速度を特定するのに利用することができる。他の場合、予測信号曲線の傾き、最大測定値の相対的なタイミング、及び曲線下面積を測定する、より高度なアルゴリズムを利用することができる。これらの特性の１つ以上を測定し、多項式の１つ以上の係数を提供するために計算することができる。この式は、その結果、特定の気筒における燃焼速度を予測するのに利用することができる。予測は更に、火炎速度や燃焼速度に直接関係する、イオン電流の始点、又は２つ以上のイオン電流センサーのピークの差に対応してもよい。予測はまた、第１センサーのイオン電流の始点と第２イオンセンサーのイオン電流信号の始点の間の時間に対応してもよい。予測はまた、２つのピークの間の時間、ピークに対する始点、ピークに対する終点、始点に対するピーク、始点に対する終点、及び他の類似の関係であることができる。
気筒内の燃焼速度が特定されると、その特定の気筒の点火時期は、サイクル毎の変動を制限するように調整することができる。燃焼速度の予測を確認し、補正及び的確な調整を行うために、イオン電流センサーは、閉フィードバックループを形成するのに利用することができる。各サイクルの燃焼速度は、気筒内の燃焼の特定のタイミングを特定するために、イオン電流センサーから測定することができる。ある方法は、点火プラグにおけるイオン電流のピークと燃料噴射器のイオン電流におけるピークとを検出することを含み得る。他の方法は、各サイクルにおけるイオン電流信号の始点又は終点、時間と共に比較される各曲線の下の面積、又は任意の他の識別可能な特性を含む、他の識別可能な信号特性を測定することを含み得る。
作動中、理想的には、タイミングは、予測信号に基づく補正によって変動しないであろう。しかしながら、時間と共にエンジンが劣化するので、サイクル毎の変動が可能な限り制限されることを確実にするために、信号は調整、再校正及び更新する必要があり得る。この実施では、イオン電流センサーは、サイクル間の変動を検出し、予測信号に基づいてタイミングを補正するのに利用することができる第２のアルゴリズムを提供することができる。イオン電流信号特性の１つ以上を測定し、多項式の１つ以上の係数を提供するために計算することができる。この式は、その結果、特定の気筒における実際の火炎伝播のタイミングを測定するのに利用することができる。
予測信号が計算され、実際の火炎伝播タイミングが測定されると、両方の信号からの出力を比較することができ、予測信号のアルゴリズム係数に調整を加えることができる。別の実施では、比較に基づいて予測されたタイミングを調整及び更新するために、第３のアルゴリズムを利用することができる。本明細書に開示される方法は更に、気筒内の燃焼のタイミングを予測するために、本明細書に記載される信号の比較を含むことができる。
一般に、開示される方法は、気筒への燃料供給速度を検出し、及び燃料燃焼速度、火炎速度、又は気筒内の燃焼のタイミングを予測するのに燃料供給速度信号の特性を使用するアルゴリズムを利用することを提供する。火花点火のタイミング又は燃料の供給のタイミング又は任意の他のエンジン制御パラメーターは、その結果、サイクル毎の変動を制限するために、同じサイクル中に又は次のサイクルで調整することができる。燃料燃焼速度の特性はまた、複数の情報源から検出又は測定され、気筒内の燃焼の実際の速度を特定するのに利用することができる。実際の燃焼速度は、燃料供給速度信号からの予測がサイクル毎の変動を的確に制限することを確認するために比較することができる。
図１３を参照すると、燃料噴射ノズルの近くでのイオン電流（ＳＩＣ）の開始に基づいてサイクル毎の変動を明らかにするグラフを示す。燃料供給速度は、燃料噴射器におけるイオン電流の開始を予測するのに使用された。グラフは、予測値１３１０と測定値１３１２の両方の間の比較を周期的に示す。
予測情報に基づいて、この方法は、点火制御装置の特定のタイミングを同じサイクル中にずらすのに利用することができる。予測される変動を相殺するように火花点火時期を調整することによって、システムは、サイクル毎の変動を実質的に低減し、図１３に示される変動を最小化することができる。
適合性のあるシステムを可能にするために、燃焼時期を予測するのに利用されるアルゴリズムを、特定のエンジン、燃料の種類、及び動作条件に基づいて調整することもできる。これらの設定は、車両に組み込むこができる診断システムによって又は自動車サービスセンターで提供されるサービスとして最初に調整することができる。この実施は更に、システムを動作の間中ずっと確認し、任意の燃焼エンジンに合わせることを可能にする。
ＩＩＩ．エンジンノックの予測及び制御
第Ｉ節で述べたシステムに関連する別の実施は、エンジンノックを予測することが可能なシステムを提供することができる。エンジンノックは一般に、火花が起こり、火炎が伝播を開始し、火炎前面が到達する前にエンドガスが自己着火するときに引き起こされる。これは、過早点火とエンジンの摩耗及び損傷につながる可能性がある。現在の技術は、エンジンノックを検出することが可能なノックセンサーを提供することができるが、現在のシステムは、より早いサイクルでノックを予測し、ノックが発生するのを防ぐことができるエンジン制御システムを提供しない。第ＩＩ節に記載されるイオン電流センサーを実施することによって、本開示は、特定の気筒に対して、前の気筒燃焼サイクルでノックを予測し、且つ現在の気筒燃焼サイクルでその発生を防止することができる方法及びシステムを提供する。
ＩＩＩ．エンジンノックの予測及び制御
第Ｉ節で述べたシステムに関連する別の実施は、エンジンノックを予測することが可能なシステムを提供することができる。エンジンノックは一般に、火花が起こり、火炎が伝播を開始し、火炎前面が到達する前にエンドガスが自己着火するときに引き起こされる。これは、過早点火とエンジンの摩耗及び損傷につながる可能性がある。現在の技術は、エンジンノックを検出することが可能なノックセンサーを提供することができるが、現在のシステムは、より早いサイクルでノックを予測し、ノックが発生するのを防ぐことができるエンジン制御システムを提供しない。第ＩＩ節に記載されるイオン電流センサーを実施することによって、本開示は、特定の気筒に対して、前の気筒燃焼サイクルでノックを予測し、且つ現在の気筒燃焼サイクルでその発生を防止することができる方法及びシステムを提供する。
図１４を参照すると、３つの点火サイクルに関して測定された信号が示されている。気筒圧力は符号１４１０ａ−ｃで示され、燃料噴射イオン信号は符号１４１２ａ−ｃで示され、点火プラグイオン信号は符号１４１４ａ−ｃで示されている。第ＩＩ節と同様に、２つのイオン電流センサー、点火プラグに位置する第１イオン電流センサーと燃料噴射器に位置する第２イオン電流センサーの測定値が、気筒圧力と同様に示されている。３つのサイクルは、３つの異なるエンジン負荷、５０Ｎｍ（ａ）、１００Ｎｍ（ｂ）、及び１５０Ｎｍ（ｃ）に関するものである。正常動作下で、点火プラグのイオン電流センサーの第１ピーク及び第２ピークは、燃料噴射器のイオン電流センサーのピークに先行する。また、圧力が増加するにつれて、点火プラグのイオン電流信号のピークが燃料噴射器のイオン電流信号のピークに近づく。これらのピークが互いに近づくにつれて、エンジンノックが発生する可能性が増大する。このため、ノック予測はピーク間の距離に基づいて計算することができる。
次に図１５から１７を参照すると、一連のイオン電流のグラフが、３つの連続した気筒燃焼サイクル（それぞれサイクル８０〜８２）に関して示されている。図は４つの信号、気筒圧力１５１０、燃料噴射器のイオン電流センサー信号１５２０、点火プラグのイオン電流センサー信号１５３０、及び圧力トレースから計算されたＲＨＲ１５４０を示している。
サイクル８０からサイクル８１へ移行すると、点火プラグのイオン電流信号の第２ピークが、噴射器のイオン電流信号ピークの前から燃料噴射器イオン電流信号ピークの後に起こるようにずれていることが分かる。噴射器のイオン電流センサーの傾きはまた、これらの条件下で増大する可能性がある。これらの又は類似の条件下で、エンジン制御ユニットは条件を確認し、特定の気筒の制御において予防策を取ることができる。
次にサイクル８１から８２へ移行すると、監視される気筒で予防策がないことによってノックが記録された。燃料噴射器のイオン電流信号の二重のピーク及びイオン電流上昇率の高さと、ＲＨＲ信号における変動の増加は、ノックが発生したことを示す。後のグラフに示されるように、この場合のノックは深刻ではない。しかしながら、システムは、未来のエンジンノックを予測することができた。
一般に、非常に重要な傾向は、燃料噴射器のイオン電流信号のピークが点火プラグの第２ピークよりも早い場合に示される。これはノックが発生し始めたことの兆候である。噴射器のイオン電流センサーにおける振動の増加は、ノックの重症度を反映する可能性がある。エンジンノックの開始は通常、燃焼室の中央よりも側面に近いので、噴射器のイオン電流信号は一般に、点火プラグから得られるイオン電流信号よりも影響を受ける。燃料噴射器及び点火プラグのイオン電流信号の両方を監視することによって、ノックを回避することができる。
火炎速度比を監視することにより、次のサイクル中に発生するノックの予測は、ノックが発生するのを防ぐためにエンジン制御装置が特定の気筒の制御パラメーターを調整することを可能にする。有害なノックが発生するのを防ぐことができる一部の解決策は、点火信号と、その結果、燃焼室でのスパークとを遅らせること、１つ以上の気筒のバルブをより早く解放すること、複数の噴射（例えば、燃料噴射を２つ以上の間隔に分けること）とを含む。他の多くの解決策を本発明の主旨の範囲内で利用可能である。エンジンノックを回避することを提供する本明細書に開示される予測応答は、ノックを防ぐための様々な解決策に関する最大の関心事であり得る。
次に図１８及び１９を参照すると、エンジンノックのより深刻なケースの予測の例が、２つの連続した気筒サイクル（それぞれサイクル１５０及び１５１）で示されている。図は４つの信号、気筒圧力１８１０、燃料噴射器の燃料噴射信号１８２０、点火プラグのイオン電流センサー信号１８３０、及び圧力トレースから計算されたＲＨＲ１８４０を示している。
次に図２０及び２１を参照すると、ノックの予測の他の例が２つの連続した気筒サイクルで示されている。図は４つの信号、気筒圧力２０１０、ノックを検出するための加速度計２０２０、燃料噴射器の燃料噴射器イオン信号２０３０、及び点火プラグのイオン電流センサー信号２０４０を示している。
一旦ノックが始まると、より深刻な問題につながる可能性がある。多くの場合、ノックは更なる異常な燃焼特性によって継続する可能性がある。ノックは短い継続時間ではエンジンに大きな損傷を与えないかもしれないが、ノックは過早点火につながる可能性がある。過早点火はエンジンに特に有害な可能性がある。ノック及び過早点火は燃焼中に別々の現象によって引き起こされるが、それらの両方が、それらの発生の要因でもあり得る燃焼室の温度の上昇につながる。これは、どちらか一方の異常の発生によって他方の異常が発生する可能性が更に増大し得ることを意味する。本明細書に開示されるシステム及び方法の予測能力は、燃焼異常の予防を提供することができるが、それはまた、エンジンの短時間最大出力を改善することによって改善された性能を提供することができる。第ＩＶ節で更に説明するように、本明細書に記載されるシステム及び方法は、過早点火の予測及び補正を、それが発生する前に提供することができる。
最大圧力の位置及び大きさを維持することは更に、高負荷で安全に動作するエンジンをもたらすことができる。高負荷での動作は、増大した圧力及び負荷条件下で動作するエンジン（例えば、ターボチャージャー付きエンジン）において特に有益な可能性がある。図１４に示されるように、圧力の増加は、図１５から２１に示される同じ挙動傾向に直接関係する。エンジンに加えられる圧力又は負荷が増加するにつれて、点火プラグのイオン電流信号の第２ピークが燃料噴射器イオン電流信号のピークに近づく。この挙動は、ターボチャージャー付きエンジン、及びより高い圧力及び／又は負荷要件で動作する任意の他のエンジンタイプにおいてノックにつながる可能性がある。
ノックの特徴をその発生前に特定することによって、本明細書に開示されるシステム及び方法は、ノックを防止するために、点火時期、バルブ解放、燃料噴射計画、及び他のエンジン制御パラメーター及びそれらの組み合わせを調整することができる、高度なエンジン制御システムを提供することができる。本明細書で利用される制御の方法は、効率の向上と、現在エンジンの作業能力を制限している燃焼異常の予防とを提供することができる。本明細書に開示される方法及びシステムは、ノックの予測及び補正をそれが始まる前に提供することができ、その結果、更に、より高いレベルの効率と性能を可能にする性能及び負荷可能性の向上を提供することができる。
ＩＶ．過早点火及びランダム過早点火の予測及び制御
第ＩＩＩ節に記載されるのと同様のシステム及び方法は更に、内燃エンジンにおける過早点火の予測を提供することができる。第ＩＩ節で述べたように、エンジンノック及び過早点火は異なる現象によって引き起こされ、このため、それらは異なる予測アプローチを必要とする可能性がある。過早点火は厳しいノック条件によって引き起こされる可能性がある。一方、ランダムな過早点火の原因は知られておらず、それはエンジンが順調に且つ着実に動作しているときに突然発生する。過早点火の発生は、本明細書に開示される燃焼室内の燃焼速度を検出する方法及びシステムの様々な実施形態によって予測し且つ防止することができる。
ＩＶ．過早点火及びランダム過早点火の予測及び制御
第ＩＩＩ節に記載されるのと同様のシステム及び方法は更に、内燃エンジンにおける過早点火の予測を提供することができる。第ＩＩ節で述べたように、エンジンノック及び過早点火は異なる現象によって引き起こされ、このため、それらは異なる予測アプローチを必要とする可能性がある。過早点火は厳しいノック条件によって引き起こされる可能性がある。一方、ランダムな過早点火の原因は知られておらず、それはエンジンが順調に且つ着実に動作しているときに突然発生する。過早点火の発生は、本明細書に開示される燃焼室内の燃焼速度を検出する方法及びシステムの様々な実施形態によって予測し且つ防止することができる。
エンジン負荷が増加するにつれて、点火プラグ及び燃料噴射器のイオン電流センサーによって得られるイオン電流ピーク間の距離が減少する。過早点火では、燃料噴射器によって得られるイオン電流信号が点火プラグのイオン電流信号よりもはるかに早く（点火信号と相関がある最初の火花活性化ピークの前に）起こり得る。点火プラグのイオン電流信号の変動も、過早点火が点火プラグイオンセンサーの近くで始まる場合、点火信号の前に発生し得る。また、過早点火サイクルの前のサイクルでのイオン電流信号の特性の異常は、過早点火の発生を予測するために使用することができる。一度予測されると、過早点火は、特定の気筒においてエンジン制御パラメーターを調整することによって回避することができる。
過早点火の予測は、火炎が気筒の中央に位置する点火プラグから生じ且つ燃料噴射器が配置される気筒の外壁に達する可能性がある点火時期に先立って変動する燃料噴射器のイオン電流と関連付けることができる。同様の挙動は、光学センサー、イオン電流センサー、又は点火を検出することが可能な他のセンサーによって監視することができる。別の実施形態では、点火プラグから離れた燃焼活動を検出することが可能な単独のイオン電流センサーを、初期の燃焼、又は過早点火に関連する状態を監視するために点火信号と比較することができる。
開示されるシステム及び方法による過早点火の予測は、燃料噴射器のイオン電流センサー又は点火プラグのイオン電流センサー又は燃焼室の内側に位置する任意の他の火炎検出器によって検出される異常の検出を含むことができる。検出することができる活動は一般に、図１５に示すような正常な燃焼サイクルの活動に先立って測定されたイオン電流として説明することができる。図１５を参照すると、正常な燃焼サイクルでは、点火信号及び点火プラグのイオン電流信号の第１ピークの前に、燃料噴射イオン電流センサーでは何の活動も検出されないことが明らかであろう。しかしながら、過早点火の場合には、少なくとも点火プラグの点火時期より前に顕著な活動がある場合がある。活動は、燃料噴射イオン電流センサーに関して示される重大性、傾き、又は正確なタイミングでないかもしれないが、さもなければ検出され得るランダムな過早点火信号の前の周期でいくつかの測定可能な現象が発生すると考えられる。この予測挙動が検出されると、複数のエンジン動作パラメーターの１つを調節することによってそれを防ぐことができる。
別の実施形態では、第ＩＩ節で述べた燃料噴射特性を、現在又はその後の燃焼サイクルにおける過早点火の予測に利用することができる。ホール効果センサー、電流プローブ、針弁リフトセンサー、又は任意の他の燃料比供給センサーは、気筒の燃料噴射特性を特定するために利用することができる。気筒内の燃焼速度の特性を予測するために、１つ以上の燃焼サイクルの燃料噴射特性を利用することができる。本開示に記載されるこれらの要因及び他の要因を、予測するための１つ以上の多項式からなる予測アルゴリズムの係数として利用し、且つ／又は、複数のエンジン動作パラメーターの１つの調整において考慮することができる。
開示される方法及びシステムは、先に述べた過早点火に関連する挙動の将来の発生を検出し且つ予測する能力を提供する。燃焼室の内部で燃焼又は増大した熱の存在を監視することができる様々なセンサーによって測定される多くの他の同様の信号異常もまた開示されるシステム及び方法を同等に実施するのに同様に利用できることは、当業者に自明であると思われる。一実施形態では、燃焼サイクルにおける異常は、点火プラグのイオン電流センサー、又は燃料噴射器のイオン電流センサーと点火プラグの電流イオン化信号の両方によって検出することができる。他の実施形態では、光学センサーを含むがそれに限定されない他のセンサーによって、予測信号を特定することができる。
過早点火の特性をその発生前に特定することによって、本明細書に開示されるシステム及び方法は、過早点火を防止するために、点火時期、バルブ解放、燃料噴射特性、気筒圧力、及び他の動作パラメーター及びそれらの組合せを調整することができる、高度なエンジン制御システムを提供することができる。本明細書で利用される制御の方法は、効率の向上と、現在エンジンの作業能力を制限している燃焼異常の予防とを提供することができる。本明細書に開示される方法及びシステムは、過早点火の予測及び補正をそれが発生する前に提供することができ、その結果、更に、より高いレベルの効率と性能を可能にする性能及び負荷可能性の向上を提供することができる。
Ｖ．結論
開示される予測方法及びシステムはまた、センサーの様々な組み合わせによって予測し且つ制御することができ、センサーは、本開示の主旨から逸脱することなく、異なる場所に配置することができ、且つ燃焼、流量、電流変化、及び本明細書に記載される、又は記載されるものに類似する任意の他の診断信号を監視することが可能な他の機器を含むことができる。開示される方法及びシステムは、サイクル毎の変動、ノック、過早点火、及び任意の他の関連する又は組み合わせた内燃特性の予測及び補正を提供することができる。
Ｖ．結論
開示される予測方法及びシステムはまた、センサーの様々な組み合わせによって予測し且つ制御することができ、センサーは、本開示の主旨から逸脱することなく、異なる場所に配置することができ、且つ燃焼、流量、電流変化、及び本明細書に記載される、又は記載されるものに類似する任意の他の診断信号を監視することが可能な他の機器を含むことができる。開示される方法及びシステムは、サイクル毎の変動、ノック、過早点火、及び任意の他の関連する又は組み合わせた内燃特性の予測及び補正を提供することができる。
本明細書に記載される任意のセンサー又はプローブは、評価及び更なる処理のために回路又は処理装置に接続することができる。一部の実施形態では、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックアレイ及び他のハードウェアデバイスなどの専用のハードウェアの実施を、本明細書に記載される方法の１つ以上を実施するように構成することができる。様々な実施形態の装置及びシステムを含むことができる応用は、様々な電子システム及びコンピューターシステムを広く含むことができる。本明細書に記載される１つ以上の実施形態は、モジュール間で及びモジュールを介して通信することができる関連する制御信号及びデータ信号と共に２つ以上の特定の相互接続されたハードウェアモジュール又はデバイスを使用して、又は特定用途向け集積回路の一部として、機能を実現することができる。従って、本発明のシステムは、ソフトウェア、ファームウェア、及びハードウェアの実施を含む。
本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、コンピューターシステムによって実行可能なソフトウェアプログラムによって実施することができる。また、例示的且つ非限定的な実施形態では、実施は、分散処理、コンポーネント／オブジェクト分散処理、及び並列処理を含むことができる。代替的に、仮想コンピューターシステムの処理を、本明細書に記載される方法又は機能の１つ以上を実施するように構成することができる。
また、本明細書に記載される方法は、コンピューター可読媒体で具現化することができる。用語「コンピューター可読媒体」は、集中データベース又は分散データベースのような単独の媒体又は複数の媒体、及び／又は１つ以上のセットの命令を格納する関連するキャッシュ及びサーバを含む。用語「コンピューター可読媒体」はまた、処理装置による実行のための一連の命令を記憶し、符号化し又は送ることが可能であるか、又はコンピューターシステムに本明細書に開示される方法又は動作の１つ以上を実行させる、任意の媒体を含む。
本明細書に記載される方法及びシステムは、その主旨又は特徴から逸脱することなく、他の形態で実施することができる。記載される実施は、あらゆる点で例示であり、限定的でないとみなされるべきである。本開示の同等の意味及び範囲内に入るすべての変更は、その範囲内に含まれる。
Claims (5)
- エンジンのサイクル毎の変動を低減する方法であって、
燃料噴射特性を特定することと、
アルゴリズムを利用して前記燃料噴射特性に基づいてガス燃焼速度又は火炎速度を予測することと、
予測したガス燃焼速度に応じて同じエンジンサイクル中に点火時期を調整することと、
燃焼室内で燃焼炎を感知する２つ以上のセンサーから得られる信号をフィードバック信号として使用して前記アルゴリズムを調整することと
を含む方法。 - 前記燃料噴射特性は、少なくともホール効果信号、電流プローブ信号、針弁リフトセンサー信号、又は燃料比供給センサー信号から特定される、請求項１に記載の方法。
- 前記燃料噴射特性は、振幅、長さ、傾き、タイミング、最大値、及び／又は形状の少なくとも１つ又は組み合わせを含む、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記ガス燃焼速度又は火炎速度は、前記２つ以上のセンサーから得られる第１イオン電流信号のタイミング及び第２イオン電流信号のタイミング又は第１光学センサー信号のタイミング及び第２光学センサーの信号のタイミングから特定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ガス燃焼速度は、第１イオン電流信号の始点、終点、最大値、又は重心の少なくとも１つのタイミングを第２イオン電流信号の始点、終点、最大値、又は重心の少なくとも１つのタイミングと比較することによって特定される、請求項４に記載の方法。
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