(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の石油ベースの燃料、その他の代替的燃料、および再生可能燃料の燃焼期間において、予め定めた基準の下で、往復動エンジンおよび連続燃焼エンジンの燃焼室内で感知されるイオン信号における変動空燃特性を補償する是正要因を提供する装置を提示する。【解決手段】当該装置は、イオン電流基準センサ装置および処理モジュールを使用して、是正要因をイオン信号に提供する。イオン電流基準センサ装置はエンジンの燃焼室近傍に位置決めされ、燃焼室に供給される燃料は拡散火炎を提供すべく流路指定され、当該火炎からの結果としてのイオン電流が測定され、燃焼プロセスの間に離散的な間隔において処理モジュールに対して提供される。代替として、予混合火炎が使用される。処理モジュールが、燃焼状態を検出すべく使用されるイオン信号、および／または、較正ポイントに対して適用されるスケーリング因子を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室内で感知されるイオン電流信号における変動する空燃特性を補償する方法であって：
基準燃焼室内におけるイオンの濃度を示す基準イオン電流信号を受信し；
前記基準イオン電流信号と先行基準イオン電流信号の間の差を決定し；
前記基準イオン電流信号と前記先行基準イオン電流信号の間の前記差に基づいてスケーリング因子を決定し；および、
前記イオン電流信号を受信する少なくとも１つのコントローラに前記スケーリング因子を送信する各ステップを含む、
前記変動空燃特性を補償する方法。
【請求項２】
更に、前記イオン電流信号を前記スケーリング因子によってスケーリングするステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
更に、前記スケーリング因子を使用して前記少なくとも１つのコントローラにおける少なくとも１つの較正ポイントをスケーリングするステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記基準イオン電流信号のサンプルを受信する前記ステップが、前記基準イオン電流信号の前記サンプルを周期的に受信するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、前記先行基準イオン電流信号に対する前記基準イオン電流信号の比率に基づいて前記スケーリング因子を決定することを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、線形なスケーリング因子を決定するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、前記先行基準イオン電流信号に対する前記基準イオン電流信号の比率の２乗に比例するスケーリング因子を決定するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、前記先行基準イオン電流信号に対する前記基準イオン電流信号の比率の自然対数に比例するスケーリング因子を決定するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
更に、前記エンジン燃焼室に供給されている混合気を前記基準燃焼室に供給するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の各ステップを実行するためのコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１１】
前記スケーリング因子によって前記イオン電流信号をスケーリングすることを含むステップを実行するための更なるコンピュータ実行可能命令を有する、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１２】
前記スケーリング因子を使用して前記少なくとも１つのコントローラにおける少なくとも１つの較正ポイントをスケーリングすることを含むステップを実行するための更なるコンピュータ実行可能命令を有する、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１３】
前記基準イオン電流信号のサンプルを受信する前記ステップが、前記基準イオン電流信号の前記サンプルを周期的に受信するステップを含む、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１４】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、前記先行基準イオン電流信号に対する前記基準イオン電流信号の比率に基づいて前記スケーリング因子を決定することを含む、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１５】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、線形なスケーリング因子を決定するステップを含む、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１６】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、前記先行基準イオン電流信号に対する前記基準イオン電流信号の比率の２乗に比例するスケーリング因子を決定するステップを含む、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１７】
前記スケーリング因子を決定する前記ステップが、前記先行基準イオン電流信号に対する前記基準イオン電流信号の比率の自然対数に比例するスケーリング因子を決定するステップを含む、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１８】
前記エンジン燃焼室に供給されている混合気を前記基準燃焼室に供給することを含むステップを実行するための更なるコンピュータ実行可能命令を有する、
請求項１０記載のコンピュータ判読可能媒体。
【請求項１９】
エンジンの燃焼室内で感知されるイオン電流信号における変動する空燃特性を補償する装置であって：
基準燃焼室内におけるイオンの濃度を示す基準イオン電流信号を受信する手段と；
前記基準イオン電流信号が先行基準イオン電流信号から変化したかどうかを決定し、前記基準イオン電流信号が先行基準イオン電流信号から変化した場合にスケーリング因子を決定し、前記イオン電流信号を受信する少なくとも１つのコントローラに前記スケーリング因子を送信する処理手段と、を含む、
前記変動する空燃特性を補償する装置。
【請求項２０】
更に、前記基準イオン電流信号を生成する手段を含む、
請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記基準イオン電流信号を生成する前記手段が前記基準燃焼室内に位置する基準バーナーを備え、前記基準バーナーが混合気を燃焼させるよう適応する、
請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記基準イオン電流信号を受信する前記手段が、イオンセンサが前記基準バーナーによって生成された火炎からのイオンを検出し得るような位置において、前記基準燃焼室内に位置する前記イオンセンサを備える、
請求項１９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
イオン信号は、軽・重量車両、機関車、オフハイウェイ機器、海洋船舶、および多くの産業用途等、様々な産業界における様々なタイプのエンジンに対する多種多様な制御装置において使用される。例えば、イオン電流は、希薄燃焼エンジンにおけるノッキングまたは点火不良の検出、連続燃焼システムにおける燃焼の不安定さの検出、ＮＯｘ排出物の検出、排気ガス再循環の制御等のために使用されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
イオン信号は、Ａ／Ｆ（空気／燃料）比、火炎近接度、湿度、および燃料の特性を含めた多くの要因によって変動する。例えば、イオン電流（そして、燃焼プロセス）に影響を与える重要な燃料の特性は、水素対炭素比、分留範囲、揮発度およびセタン価を含む。或るエンジンから別のエンジンへの設計パラメータにおける違いおよび燃料特性における違いは、シリンダーガスの温度および圧力、混合物の組成、燃焼室内における等価比率（equivalence ratio）の配分等に影響し、それらの全てがイオンの組成にも影響を与える。イオン信号は、多くの未知数を備えた単一の方程式として表されると考えられる。未知数の多くはイオン信号に対しては小さな影響を与えるに過ぎないが、それらは、制御の有効性を低下させるのには十分なものであり得る。
【０００４】
イオン信号変動の１つの具体例を、図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。同じ条件下では、イオン信号（符号７００を付けて示す）は、燃料タイプに応じて、大小の「第２ハンプ」を示す。図７（ａ）は、燃料タイプが純粋な天然ガスである場合の初期ノック事象を示している。図７（ｂ）は、その他の要因を同じままに留めて、燃料タイプが天然ガスとプロパンの混合物である場合の初期ノック事象を示している。異なった燃料タイプから生じるイオン信号の違いは、初期ノック信号としては同じオーダーの大きさのものであると、理解されよう。結果として、そのノック検出制御は、幾つかの燃料の場合のようには有効でなく、誤った検出に至る可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本文において説明するものは、特には、空燃特性における違いによって変化するイオン電流信号を検出して、使用する運転環境における空燃特性の違いを補償する方法および装置である。当該方法および装置により、イオン電流信号に影響を与える構成要素についての完全な分析または理解を必要とすることなく、変動する空燃特性がわかる。更に、本方法および装置は、燃料の正確な組成または湿度に関する理解を必要としない。
【０００６】
本方法および装置は、基準燃焼室内におけるイオンの濃度を示す基準イオン電流信号を受信する。基準イオン電流信号が先行基準イオン電流信号から変化したかどうかについての決定が行われる。基準イオン電流信号が変化した場合、スケーリング因子が決定されて、イオン電流信号を受信する少なくとも１つのコントローラに送信される。当該コントローラは、スケーリング因子によってイオン電流信号をスケーリングする。代替として、当該コントローラは、燃焼状態を決定するようコントローラ内において使用される少なくとも１つの較正ポイントをスケーリングする。
【０００７】
スケーリング因子は、基準イオン電流信号のサンプルを周期的に受信することによって周期的に更新される。スケーリング因子は、線形であるかまたは非線形であっても良い。例えば、それは、先行基準イオン電流信号に対する基準イオン電流信号の比率の２乗に比例し、先行基準イオン電流信号に対する基準イオン電流信号の比率の自然対数等に比例するものであっても良い。
【０００８】
本装置は、基準イオン電流信号を生成する手段と、基準燃焼室内におけるイオンの濃度を示す基準イオン電流信号を受信する手段と、基準イオン電流信号が先行基準イオン電流信号から変化したかどうかを決定し、基準イオン電流信号が先行基準イオン電流信号から変化した場合、スケーリング因子を決定し、イオン電流信号を受信するコントローラにそのスケーリング因子を送信するようにした処理手段とを含んでいる。
【０００９】
一実施の形態では、基準イオン電流信号を生成する手段は、混合気を燃焼させるよう基準バーナーが適応された基準燃焼室内の当該基準バーナーの近傍に位置留めされたイオンセンサを備えている。イオンセンサの位置設定は、基準バーナーによって生成された火炎からのイオンをイオンセンサが検出し得るような位置に置かれる。
【００１０】
更なる特徴および利点は、図面を参照して進められる例示的な実施の形態に関する後続の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
当該技術は、特定の実施の形態に関連して説明されるが、それらの実施の形態に対してそれを限定するようには意図していない。それどころか、特許請求の範囲の欄の請求項によって規定される本発明の精神および範囲の中に包含されるような全ての代替案、修正案および同等物をカバーすることを意図している。
【００１２】
本文において説明する装置および方法は、イオン信号に影響を与える構成要素についての完全な分析または理解を必要とすることなく、イオン信号において変動空燃特性を補償する。
【００１３】
ここで、同様な参照番号が同様な要素を示している各図面を参照すると、図１に上記装置がその中において機能するのに適する燃焼エンジン環境が示されている。環境１００は、イオン化モジュール１０２と、空燃モジュール１０４と、スパークモジュール１０６と、往復動エンジン１０８とを含んでいる。往復動エンジン１０８を示しているが、当該装置は、例えば、タービンエンジン等の連続燃焼エンジンのような他の環境において使用されても良い。イオン化モジュール１０２、空燃モジュール１０４およびスパークモジュール１０６は別体として示されているが、各モジュール１０２，１０４，１０６は、単一のモジュールになるように結合されるか、またはその他の入力装置および出力装置を有するエンジンコントローラの一部であっても良い。往復動エンジンは、エンジンシリンダ１１０と、ピストン１１２と、吸気弁１１４と、排気弁１１６とを含む。吸気マニホルド１１８は、吸気弁１１４を介してシリンダ１１０に連通する。排気マニホルド１２０は、排気弁１１６を経由してシリンダ１１０からの排気ガスを受ける。吸気弁１１４および排気弁１１６は、電子的に、機械的に、油圧を用いて、または圧縮空気を用いて制御されるか、カムシャフトを経由して制御されても良い。スパークギャップ１２４を持つスパークプラグ１２２は、シリンダ１１０の中における混合気（燃料及び空気）に点火する。スパークモジュール１０６は、点火タイミングを制御し、スパークプラグ１２２に対して電力を供給する。
【００１４】
１つの実施の形態では、排気マニホルド１２０は、ＥＧＲ弁１３０に流体連通している。ＥＧＲモジュール１３２によって制御されるＥＧＲ弁１３０は、好ましくは往復動エンジン１０８のＥＧＲ制御装置のためのスロットル弁１２８の下流において、吸気マニホルド１１８に対して排気ガスを供給する。明快にするために、ＥＧＲ弁１３０から当該吸気までの再循環通路を、矢印１３４で示す。幾つかのシステムでは、排気ガスは、排気ガス再循環通路内の冷却器によって更に冷却されても良い。更に、排気弁１１６は、可変タイミングで制御されて幾分かの排気ガスをシリンダ１１０内に維持することを補助しても良い。空燃モジュール１０４は、燃料噴射器１２６を制御するものであり、空気および燃料をエンジンシリンダ１１０に対して所望の比率で送出するようスロットル弁１２８を制御しても良い。空燃モジュール１０４は、イオン化モジュールからのフィードバックを受信し、空燃比を調節する。幾つかの用途において使用されるＥＧＲモジュール１３２は、吸気マニホルド内に再循環され、結果としてシリンダ内にも再循環される排気ガスの量を制御する。
【００１５】
イオン化モジュールは、イオン化信号を検出して分析するための回路を包含する。図示の実施の形態では、図２に示すように、イオン化モジュールは、イオン化信号検出モジュール１４０と、イオン化信号アナライザ１４２と、イオン化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、混合気が点火された後にスパークギャップ１２４に対して電力を供給し、イオン化信号検出モジュール１４０を介してスパークギャップ１２４からのイオン電流信号を測定する。代替として、イオン化を検出する従来のイオン化プローブまたはその他の従来装置が、イオン化信号を測定するために使用されても良い。イオン化信号アナライザ１４２は、イオン化信号検出モジュール１４０からのイオン電流信号を受信して、異常な燃焼状態が存在するか否かを決定する。イオン化信号制御モジュール１４４は、イオン化信号アナライザ１４２およびイオン化信号検出モジュール１４０を制御する。イオン化信号制御モジュール１４４は、空燃モジュール１０４、スパークモジュール１０６およびＥＧＲモジュール１３２に対して燃焼状態の示度を提示する。１つの実施の形態では、イオン化モジュール１０２は、エンジンコントローラ１４６等のエンジンシステム内のその他のモジュールに対してその示度を提示する。イオン化信号検出モジュール１４０、イオン化信号アナライザ１４２、およびイオン化信号制御モジュール１４４は別体として示されているが、それらは、単一のモジュールになるように結合されても良く、および／または、その他の入力装置および出力装置を有するエンジンコントローラの一部であっても良い。
【００１６】
ここで、図３および図４を参照して、本装置を、上述のような往復動エンジン環境１００において説明する。本装置は、例えば、タービンエンジンおよび圧縮点火エンジン等の連続燃焼エンジンのような他の環境においても使用され得る。本装置は、エンジン環境近傍に位置決めされ、往復動エンジン１０８内の燃料噴射器１２６に燃料を供給する燃料ライン１６２からの燃料と空気ライン１６４からの空気とを受け入れるようにしたイオン基準センサモジュール１６０を提供する。代替として、その空気および燃料は、予混合され、イオン基準センサモジュール１６０に供給される。イオン基準センサモジュール１６０は、基準燃焼室１７０および較正モジュール１７２の中において基準バーナー１６８における火炎燃焼によって生じるイオンの濃度を検出するイオンセンサ１６６を包含する。図４はスパークプラグをイオンセンサとして示しているが、その他のタイプのイオンセンサもまた使用されてもよい。その火炎は、パイロット火炎と同様に、可能な限り小さいものでなければならない。後続の説明では、この火炎を、当該方法の説明に際してパイロット火炎と呼ぶ。較正モジュール１７２は、イオン化モジュール１０２の一部またはエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）等の他のコントローラの一部であっても良いことに留意されたい。基準バーナー１６８は、運転環境内に装着され、エンジンによって消費されているものと同じ混合気を使用する。ＥＧＲモジュール１３２が使用され、エンジンが高いＥＧＲ比率（例えば＞２０％）で作動している場合、基準バーナーに対する空気サンプルは、そのＥＧＲが吸気において混合された後に採取されるべきであり、その燃焼は、エンジン燃焼室内（例えばエンジンシリンダ１１０）において使用されるものと異なってはいない同じ特性を備えた空気を使用することに留意されたい。基準燃焼室１７０に対して供給され、基準バーナー１６８によって燃焼される空燃比およびガスの量は、それが変動しないようにして制御される。空燃比（およびガスの量）は、開ループまたは閉ループで調整され得る。その排気生成物は、エンジン１０８からの汚染物質の全体を削減するよう、エンジン１０８の任意の排気後処理の上流において「投棄」される。
【００１７】
ここで、図５を参照すると、基準バーナー１６８は、その火炎を一貫して燃焼させる。較正モジュール１７２は、基準燃焼室１７０内におけるイオンの濃度を示すイオンセンサ１６６からの基準イオン電流信号を周期的にサンプリングする（ステップ２００）。イオン電流信号は、燃料混合物が予測される変動と同程度の速さでサンプリングされるべきである。例えば、一実施の形態では、イオン電流信号は、埋立て処分場タイプの用途で機能するエンジンの場合には５Ｈｚのレートでサンプリングされるが、その他の用途では、基準イオン電流信号は、その用途に応じて、１０Ｈｚから０．０１Ｈｚの間でサンプリングされる。基準イオン電流は、燃焼する燃料の組成、消費される空気の湿度等に従って増減する。
【００１８】
較正モジュール１７２は、基準イオン電流信号が変動した度合を決定する処理手段を有する（ステップ２０２）。較正モジュール１７２は普通、様々なコンピュータ判読可能媒体を含んでいる。コンピュータ判読可能媒体は、コンポーネント１０２がアクセスできる任意の利用可能な媒体であっても良く、揮発性および不揮発性媒体、および取外し可能および取外し不能媒体も含んでいる。スケーリング因子は、基準イオン電流信号が変動した度合いに基づいて決定される（ステップ２０４）。スケーリング因子は、イオン化モジュール１０２に送信される（ステップ２０６）。その送信は、例えば、多くのエンジン用途において一般的であるコントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）インターフェース等のネットワークインターフェースに関するものと同様である。スケーリング因子は、スパークギャップ１２４からのイオン電流信号をスケーリングするために使用されて、湿度、燃料特性等における変動を、その変動に関する認識無しに補償する量であり、それは異常なエンジン状態を検出するために使用される較正ポイントをスケーリングするために使用されても良い。各ステップ２００から２０６は、エンジン作動の間、繰り返される。
【００１９】
ここで、図６を参照すると、一代替の一実施の形態では、処理手段が、基準電流イオン信号との差が所定の閾値の範囲外にあるかどうかを決定する（ステップ２０８）。基準電流イオン信号との差が所定の閾値の範囲外ではない場合、スケーリング因子は、既存の数値であるように設定され、各ステップ２０２および２０８が繰り返される。基準電流イオン信号との差が閾値の範囲外にあるならば、スケーリング因子が決定され（ステップ２０４）、イオン化モジュール１０２に送信される（ステップ２０６）。各ステップ２００，２０４，２０６および２０８が繰り返される。
【００２０】
スケーリング因子は、線形または非線形であっても良い。例えば、スケーリング因子は、先行の基準電流イオン信号に対する直近の基準イオン電流信号の比率、先行の基準電流イオン信号に対する直近の基準イオン電流信号の比率の２乗、先行の基準電流イオン信号に対する直近の基準イオン電流信号の比率の自然対数等であってもよい。
【００２１】
上述の内容から、本装置および方法は、スケーリング因子を経由してイオン電流信号への直接的な補正ができることが理解されよう。何故なら、それがシリンダ内／燃焼器内のイオン電流信号と同じ様式で測定されるからである。スケーリング因子は、イオン電流信号に影響を与える構成要素についての完全な分析または理解を必要とすることなく、変動する空燃特性の全ての特性がわかる。
【００２２】
本発明の説明に関連して（特に特許請求の範囲に関連して）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。
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本件明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付図面は、本明細書において説明する技術の幾つかの局面を図示し、その説明と共に、当該技術の原理を説明すべく機能する。
【図１】図１は、当該技術が機能し得る典型的な環境の概略図である。
【図２】図２は、本明細書において説明した技術と共に相互作用するイオン化モジュールのブロック図である。
【図３】図３は、図１の環境における当該技術の実施の形態のブロック図である。
【図４】図４は、図３のイオン基準センサモジュールの実施の形態のブロック図である。
【図５】図５は、変動する空燃特性を補償するステップを示すフローチャートである。
【図６】図６は、変動する空燃特性を補償するステップの代替的な実施の形態を示すフローチャートである。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、イオン信号およびシリンダ圧力が燃料の異なった混合に応じて変動する様子を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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