(57)【要約】  従来の石油系燃料、他の代替燃料、および再生可能燃料の燃焼中、ディーゼルエンジンの燃焼室（単数または複数）において生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を、サイクル毎に判定するためにイオン電流を利用する技術を示している。この技術は、エンジン制御装置（ＥＣＵ）に接続されたイオン電流測定手段、較正手段および信号処理手段を使用する。イオン電流検出手段は、エンジンのチャンバ（単数または複数）内に位置しており、燃焼過程中に生成されるイオン電流を計測する。較正手段は、エンジンの排気口またはマニホールド内で計測されたＮＯｘ値を利用してイオン電流信号を較正する。較正されたイオン電流信号は、各種運転パラメータを調整してＮＯｘと他の排出物とのトレードオフ、燃料経済性、および出力を改善するためにＥＣＵに接続されたプロセッサに送られる。
2010501053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮点火エンジンの燃焼室において形成される窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を判定する方法であって：
前記燃焼室におけるイオンの濃度を表すイオン電流信号を受信するステップと；
前記ＮＯｘの排出量を前記イオン電流信号と前記ＮＯｘの排出量との派生的関係に基づいて判定するステップとを備える；
方法。
【請求項２】
エンジン運転パラメータおよび導き出されるＮＯｘの排出量に基づいて前記圧縮点火エンジンを制御するステップを更に備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオン電流信号と前記ＮＯｘの排出量との前記派生的関係を導き出すステップを更に備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記派生的関係を導き出す前記ステップが、
イオン電流信号をイオン電流センサから受信するステップと；
ＮＯｘの排出量データを排気排出量測定機器から受信するステップと；
前記イオン電流信号を前記ＮＯｘの排出量データと比較するステップと；
関数を前記ＮＯｘの排出量データおよびイオン電流データに当てはめるステップとを有する；
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
関数を前記ＮＯｘの排出量データおよび前記イオン電流データに当てはめる前記ステップが、
前記ＮＯｘの排出量対イオン電流強度のプロットを作成するステップと；
関数を前記プロットに当てはめるステップとを有する；
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記関数を前記プロットに当てはめる前記ステップが、線形関数または区分線形関数の一方を前記プロットに当てはめるステップを有する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記関数を前記プロットに当てはめる前記ステップが、数学関数を前記プロットに当てはめるステップを有する、
請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記関数を当てはめる前記ステップが、イオン電流の単位当たりのＮＯｘの体積分率という関数を当てはめるステップを有する、
請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記イオン電流信号と前記ＮＯｘの排出量との前記派生的関係を導き出す前記ステップが、前記ＮＯｘの排出量を排気排出量測定機器から受信し前記イオン電流信号をイオン電流測定手段から受信する較正モジュールを用いて前記派生的関係を導くステップを有する、
請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１に記載のステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を有する、
コンピュータ読取可能媒体。
【請求項１１】
エンジン運転パラメータおよび導き出されるＮＯｘの排出量に基づいて前記圧縮点火エンジンを制御するステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項１０に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１２】
前記イオン電流信号と前記ＮＯｘの排出量との前記派生的関係を導き出すステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項１０に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１３】
前記派生的関係を導き出す前記ステップが、
イオン電流信号をイオン電流センサから受信するステップと；
ＮＯｘの排出量データを排気排出量測定機器から受信するステップと；
前記イオン電流信号を前記ＮＯｘの排出量データと比較するステップと；
関数を前記ＮＯｘの排出量データおよびイオン電流データに当てはめるステップとを有する；
請求項１２に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１４】
関数をＮＯｘの排出量データおよびイオン電流データに当てはめる前記ステップが、
前記ＮＯｘの排出量対イオン電流強度のプロットを作成するステップと；
関数を前記プロットに当てはめるステップとを有する；
請求項１３に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１５】
前記関数を前記プロットに当てはめるステップが、
線形関数を前記プロットに当てはめるステップ、
区分線形関数を前記プロットに当てはめるステップ、
数学関数の一種を前記プロットに当てはめるステップのうちのひとつのステップを有する、
請求項１４に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１６】
前記関数を当てはめる前記ステップが、イオン電流の単位当たりのＮＯｘの体積分率という関数を当てはめるステップを有する、
請求項１３に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１７】
前記イオン電流信号と前記ＮＯｘの排出量との前記派生的関係を導き出す前記ステップが、
前記ＮＯｘの排出量を排気排出量測定機器から受信し前記イオン電流信号をイオン電流測定手段から受信する較正モジュールを用いて前記派生的関係を導くステップを有する、
請求項１２に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１８】
前記圧縮点火エンジンが複数の燃焼室を有し、
前記コンピュータ読取可能媒体が：
前記複数の燃焼室の各１について、前記複数の燃焼室のうちの前記各１の燃焼室の内部のイオン濃度を表すイオン電流信号を受信するステップと；
前記イオン電流信号と前記ＮＯｘの排出量との派生的関係に基づいて前記複数の燃焼室の各１について前記ＮＯｘの排出量を判定するステップを；
実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項１０に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項１９】
前記複数の燃焼室の各１について、前記複数の燃焼室のうちの前記各１の燃焼室からの前記イオン電流信号から導き出される前記ＮＯｘの排出量に基づいて少なくとも１つのエンジンパラメータを制御するステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項１８に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項２０】
少なくとも１つのエンジンパラメータを調整する前記ステップが、燃料噴射パラメータの少なくとも１つおよびシリンダ運転パラメータの少なくとも１つを調整するステップを有する、
請求項１９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項２１】
前記複数の燃焼室のそれぞれについて、前記複数の燃焼室のうちの前記１つの燃焼室内を流れるイオン電流の単位当たりのＮＯｘの体積分率という関数を判定するステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項１９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項２２】
前記圧縮点火エンジンが複数の燃焼室を有し、前記コンピュータ読取可能媒体が：
前記複数の燃焼室の各１について、前記複数の燃焼室のうちの前記各１の燃焼室の内部のイオン濃度を表すイオン電流信号を受信するステップと；
前記複数の燃焼室からの前記イオン電流信号と、前記ＮＯｘの排出量との派生的関係に基づいて前記複数の燃焼室の前記ＮＯｘの排出量を判定するステップを；
実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する；
請求項１０に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項２３】
前記複数の燃焼室のそれぞれについて、前記複数の燃焼室からの前記イオン電流信号から導き出される前記ＮＯｘの排出量に基づいて少なくとも１つのエンジンパラメータを制御するステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項２２に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項２４】
少なくとも１つのエンジンパラメータを制御する前記ステップが、燃料噴射パラメータの少なくとも１つおよびシリンダ運転パラメータの少なくとも１つを制御するステップを有する、
請求項２３に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項２５】
エンジン全体について、前記複数の燃焼室を流れるイオン電流の単位当たりのＮＯｘの体積分率という関数を判定するステップを実行するためにコンピュータが実行可能な命令を更に有する、
請求項２２に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ディーゼルエンジンおよび他の圧縮点火エンジンが、軽量車両および大型車両、機関車、オフハイウェイ機器、船舶ならびに多数の工業用途の動力源として使用されている。政府による規制は、こうしたエンジンがこれら用途のそれぞれにおける排気排出量に対するある種の基準を満たすよう、義務づけている。現在、窒素酸化物ＮＯｘ、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および粒子状物質（ＰＭ）に対する排出量基準がある。政府系機関および産業基準設定団体は、環境における汚染物質を減少させることを目指してディーゼルエンジンの許容排出量を減少させている。これらエンジンに対する環境排出量規制は、一層厳しく、満たすのが難しくなっている。特にＮＯｘおよびＰＭ排出量に関して難しくなっている。この難問に対処するため、産業界は、エンジンから排出される排気ガスを処理し排気管排出量を減少させる後処理装置の適用に加え、シリンダ内燃焼過程を制御する多数の技術を開発してきた。新製品エンジンに対する排出量目標値は、実際に長期間使用した後のエンジンの耐用期間中に予想される機器の劣化を補うため、規制排出量基準よりも更に低くなっている。例えば、新しい高馬力エンジンに対する規制案では、現在の排出量制限から７０％を超える更なるＮＯｘおよびディーゼル粒子排出量の削減が求められている。こうした排出量の削減は、ほとんどの排出量削減策に関連するＮＯｘ−ディーゼル粒子排出量と燃料経済性とのトレードオフのために、エンジン設計にとっては引き続き存在する課題である。更に、使用中のオンハイウェイ車両およびオフハイウェイ車両に対しても排出量削減が望まれている。
【０００２】
従来、往復ピストンまたはロータリー内燃エンジンには、２つの基本形態がある。ディーゼルエンジンと火花点火エンジンである。これらのエンジン形式は、構成および機械的作用は類似しているが、互いに大きく異なる明確な運転上の特徴がある。ディーゼルエンジンは、燃焼開始（ＳＯＣ）を燃料噴射のタイミングによって制御する。火花点火エンジンは、ＳＯＣを点火のタイミングによって制御する。その結果、ディーゼルエンジンと火花点火エンジンの利点と欠点には重要な違いがある。予混合給気火花点火天然ガスまたはガソリンエンジン（例えば乗用車のガソリンエンジンおよび希薄燃焼天然ガスエンジン）のディーゼルエンジンに勝る主な利点は、ＮＯｘおよび粒子排出量レベルを低くできる点である。ディーゼルエンジンの予混合給気火花点火エンジンに勝る主な利点は、高い熱効率である。
【０００３】
ディーゼルエンジンの効率が高い理由のひとつは、火花点火エンジンよりも高い圧縮比が使えることにある。これは、火花点火エンジンの圧縮比はノッキングを避けるため、比較的低く抑えなければならないためである。しかし、典型的なディーゼルエンジンは、予混合給気火花点火エンジンでは可能な非常に低いＮＯｘおよび粒子排出量レベルを達成することができない。ディーゼル燃焼の混合制御という性質のため、燃料の大部分が非常に燃料リッチな当量比で存在し、これが粒子排出量の原因となることが知られている。第２の要因は、ディーゼルエンジンにおける燃焼は燃料と空気が化学量論的当量比に近い状態で存在するときに発生し、これが高い温度を引き起こすことである。この高温が、今度はＮＯｘの排出量増加を引き起こす。その結果、エンジンから排出される排出量を削減するだけでなく、後処理装置の動作を高め、その有効性を向上させる排気ガス組成および温度を生成するためにも、この燃焼過程を制御することが急務である。
【０００４】
シリンダ内燃焼過程の制御は、エンジン設計および運転パラメータを最適化することによって達成可能である。エンジン設計パラメータは、エンジン圧縮比、行程内径比、噴射システム設計、燃焼室設計（例えば、ボウル設計、リエントランス形状、スキッシュ領域）、吸気口および排気口設計、吸気バルブおよび排気バルブの数、バルブ開閉のタイミング、およびターボチャージャー形状を含むがこれに限らない。どんな特殊なエンジン設計の場合でも、更に運転変数を最適化することができる。この変数としては、噴射圧力、噴射タイミング、噴射イベントの数（パイロット噴射、主噴射、分割主噴射、後噴射またはこれらの組合せ）、各イベントにおける噴射率、各イベントの持続時間、噴射イベント間のドウェル時間、ＥＧＲ（排気ガス再循環）率、クールＥＧＲ、スワール比およびターボチャージャー運転パラメータを含むがこれに限らない。
【０００５】
ディーゼルエンジンにおいてＮＯｘおよびＰＭなどのエンジンから排出される排出物を削減するため、多くの種類の後処理装置が開発され、または現在も開発中である。後処理装置それぞれの有効性は、主として温度、ならびにＮＯｘ、炭化水素および炭素（すす）などの様々な化学種の比を含む組成といった排気ガスの性質次第である。そして、排気ガスの性質は、主として燃焼過程によって決まる。
【０００６】
ディーゼルエンジンにおいて燃焼過程を精密に制御するには、燃焼過程を示すフィードバック信号が必要である。現在、最も一般的に考えられている信号は、水晶振動子圧力トランスデューサ、または他のタイプの圧力トランスデューサで計測したシリンダガス圧である。シリンダ圧力トランスデューサの使用は、高コストおよび実際の運転条件下での耐久性の低さから、研究室内に限られており、製品エンジンに使用することができない。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書に記載したのは、何よりも、燃焼過程中の圧縮点火エンジンのシリンダ内のＮＯｘの廉価な直接指示計器であり、シリンダヘッドを全くまたはほとんど変更する必要がなく、ディーゼルエンジン等において燃焼過程およびエンジンから排出される排気ガス、特にＮＯｘを制御するのに用いることができる信号を発する指示計器である。
【０００８】
一実施の形態においては、圧縮点火エンジンの燃焼室において形成されたＮＯｘの排出量が、燃焼室におけるイオン濃度を示すイオン電流信号を受信し、そのイオン電流信号とＮＯｘの排出量との派生的関係に基づいてＮＯｘの排出量を判定することによって、判定される。エンジンは、導き出されるＮＯｘの排出量をひとつの基準として制御されてもよい。
【０００９】
この関係は、イオン電流センサからのイオン電流信号と、ＮＯｘの排出量測定機器から得られたＮＯｘ排気排出量データを受信すること、イオン電流信号とＮＯｘの排出量データを比較すること、ＮＯｘの排出量データおよびイオン電流データに関数を当てはめることによって導き出される。これは、ＮＯｘの排出量対イオン電流強度のプロットを作成すること、およびこのプロットに関数を当てはめることによって達成してもよい。一実施の形態においては、関数はイオン電流の単位当たりのＮＯｘの体積分率である。
【００１０】
一実施の形態においては、ＮＯｘの排出量とイオン電流との関係は、圧縮点火エンジンの各チャンバについて導き出される。これは、シリンダそれぞれにおけるイオン濃度を示すイオン電流信号とＮＯｘの排出量データを受信すること、および一実施の形態においては、複数のシリンダのうちのひとつを流れるイオン電流の単位当たりのＮＯｘの体積分率という関係を導き出すことによって達成される。この関係については、他の関数を導き出してもよい。各シリンダについて、イオン電流によって示されるシリンダ内の導き出されたＮＯｘの排出量に基づいて燃料噴射のためのパラメータ、ＥＧＲ（排気ガス再循環）率およびその他のパラメータが調整される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
更なる特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる以下の例示的実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、ここに記載されている本技術のいくつかの態様を示すものである。さらに、記載とともに、本技術の原理を説明するのに役立つものである。
【００１３】
【図１】本技術が作動する代表的な環境の概略図である。
【００１４】
【図２】本技術が取り込まれたイオン化モジュールのブロック図である。
【００１５】
【図３】燃焼圧とイオン化電流対エンジンピストンクランク角度の図解である。
【００１６】
【図４】ｐｐｍ単位で体積分率としてプロットされたＮＯｘの排出量と、イオン電流との関係をプロットした例を説明するグラフである。
【００１７】
【図５】ＮＯｘの排出量とイオン電流との関係を導き出すために実行されるステップを説明するフローチャートである。
【００１８】
【図６】ＮＯｘの排出量とイオン電流との関係を導き出すために用いられる構成部品の実施形態を説明する略ブロック図である。
【００１９】
【図７】エンジンの運転中、イオン信号に基づくＮＯｘの排出量を判定するために実行されるステップを説明するフローチャートである。
【００２０】
【図８】イオン電流とエンジン運転パラメータに基づいてエンジンを制御するために用いられる構成部品の実施形態を説明する略ブロック図である。
【００２１】
【図９】独立した各シリンダ内のＮＯｘの排出量に対するイオン電流を較正し、各シリンダを別々に制御するために用いられる構成部品の実施形態を説明する略ブロック図である。
【００２２】
本技術をある実施形態に関連させて説明するが、本技術をこれらの実施形態に制限する意図はない。むしろ、添付された特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲に含まれる代替物、変形例および均等物全てを包括することを意図している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本明細書において説明する装置および方法は、従来のディーゼル燃料、代替ディーゼル燃料、または再生可能ディーゼル燃料で走行中、様々な設計の圧縮点火エンジンにおいて、シリンダ内ＮＯｘセンサまたは排気中のＮＯｘ計測を要することなく、圧縮過程中に生成されるイオン電流に基づいてＮＯｘの排出量を判定する。
【００２４】
まず図１を参照すると、本装置および方法が用いられる例となるシステム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、ドライバ１０４、エンジン電子制御装置（ＥＣＵ）１０６、およびディーゼルエンジンを含む。イオン化モジュール１０２は、例えば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通信する。イオン化モジュール１０２、ドライバ１０４およびエンジン制御装置１０６は別々に示されているが、当然ながら、構成部品１０２、１０４、１０６は、結合させて単一のモジュールとしても、他の入力部および出力部を有するエンジン制御器の一部であってもよい。構成部品１０２および１０６は、通常多種多様なコンピュータで読み取り可能な媒体を含む。コンピュータで読み取り可能な媒体は、構成部品１０２、１０６がアクセス可能である、利用可能な任意の媒体でよく、揮発性および不揮発性媒体、取り外し可能および取り外し不能な媒体の双方を含む。ディーゼルエンジンは、それぞれピストン、吸気バルブおよび排気バルブ（図示せず）を有するエンジンシリンダ１１０を含む。吸気マニホールドが吸気バルブを通じてシリンダ１１０と連通している。排気マニホールドは排気バルブを介してシリンダから排気ガスを受け入れる。吸気バルブおよび排気バルブは、電子的に、機械的に、油圧式にまたは空気圧式に制御されても、カムシャフトを介して制御されてもよい。燃料噴射器１１２がノズル１１４を介してシリンダ１１０内へ燃料１１６を噴射する。燃料は、従来の石油系燃料、石油系代替燃料、再生可能燃料、またはこれらの燃料の任意の組合せでよい。イオン検出装置１１８がイオン電流を検出するために用いられ、更にコールドスタート中にシリンダ１１０の燃焼室１２０内の混合気に点火するのに用いてもよい。あるいは、シリンダを温めてエンジンのコールドスタート特性を向上させ、イオン電流を検出するのにグロープラグを用いることもできる。
【００２５】
イオン検出装置１１８は、電気的に絶縁され、間隔を開けて配置され、ディーゼルエンジンのシリンダ内部の燃焼生成物に接触する２つの電極を有する。イオン検出装置１１８は、間隔を開けて配置された中央電極と１つ以上のサイド電極を有するスパークプラグ、エンジンボディからは絶縁されたグロープラグであって、グロープラグとエンジンボディのそれぞれが電極として作用するもの、プラズマ発生器およびイオンセンサを組み合わせたもの等の形態が可能である。イオン検出装置１１８は、ドライバ１０４によって２つの電極間に与えられる電圧を受ける。その電圧により、２つの電極間に存在する窒素酸化物および他の燃焼生成物の存在下で、２つの電極間に電流が流れる。ドライバ１０４は、イオン検出装置１１８に電力を供給する。ドライバ１０４は更に、イオン検出装置のイオン検出検知領域を燃料汚染物質および炭素堆積がない状態に保つために高エネルギー放電を供給してもよい。イオン検出装置１１８は燃料噴射器１１２とは分離した形で示されているが、燃料噴射器１１２と一体でもよい。
【００２６】
イオン化モジュールは、イオン化信号を検知し解析する回路を内包する。図示した実施形態においては、図２に示すように、イオン化モジュール１０２は、イオン化信号検知モジュール１３０、イオン化信号解析器１３２、およびイオン化信号制御モジュール１３４を含む。シリンダ内のイオン濃度を検知するため、イオン化モジュール１０２は、イオン検出装置１１８に電力を供給し、イオン化信号検知モジュール１３０を介してイオン検出装置１１８からのイオン化電流を計測する。イオン化信号解析器１３２は、イオン化信号検知モジュール１３０からイオン化信号を受信し、燃焼開始および燃焼持続時間などの様々な燃焼パラメータを判定する。イオン化信号制御モジュール１３４は、イオン化信号解析器１３２およびイオン化信号検知モジュール１３０を制御する。イオン化信号制御モジュール１３４は、以下に説明するように、エンジンＥＣＵ１０６に指示値を供給する。一実施の形態においては、イオン化モジュール１０２は、エンジンシステム内の他のモジュールにその指示値を送信する。イオン化信号検知モジュール１３０、イオン化信号解析器１３２、およびイオン化信号制御モジュール１３４は別々に示されているが、当然ながらこれらは結合させて単一のモジュールとしても、および／または他の入力部および出力部を有するエンジン制御器の一部であってもよい。ここで再び図１を参照すると、エンジン性能の向上、燃料経済性の改善、および／または排気排出量の削減を達成するため、ＥＣＵ１０６はイオン化モジュールからフィードバックを得て燃料噴射器１１２を制御するが、更に空気搬送システムおよびＥＧＲシステムなどの他のシステムを制御してもよい。
【００２７】
イオン電流信号は、燃焼中に生成されるＮＯｘの排出量のレベルおよびシリンダ内圧と相関関係にある。ここで図３を参照すると、４シリンダ、２Ｌ直噴ターボチャージャー付きディーゼルエンジンのシリンダの１つにおいて計測したイオン電流とガス圧力のサンプルが示されている。運転条件は、トルク７５Ｎｍ、１６００ｒｐｍ、４０％ＥＧＲ、および上死点前１３°に調整された噴射タイミングである。イオン電流記録１４０は、火花点火エンジンにおける知見では説明できない２つのピークを示しており、第１のピークは火炎前面における化学イオン化によるものであって、ディーゼルエンジンではみられないものであり、第２のピークは熱イオン化によるものである。ガス圧力記録１４２は、シリンダガス圧力のわずかな上昇を引き起こす冷炎によって、自己発火が始まったことをはっきりと示している。冷炎によって放出されるエネルギーは極めて小さく、燃焼ガス温度をわずかに上昇させるだけであることが知られている。この期間に発生したイオンは、濃度が極めて低いと考えられる。冷炎の終了時には、上死点前のクランク角度がおよそ０．５度（ａ  ｈａｌｆ  ＣＡＤ）の時点（点１４４）でイオン電流が急激に増加し始める。
【００２８】
図示したサンプルにおいては、イオン電流はそのスタート地点からクランク角度３°後にピーク（点１４６）に達している。この点までは、給気の予混合燃焼期において燃焼が起こっている。この期間に燃焼する給気の量と、これに対応する温度上昇は、点火遅れと冷炎期間との合計時間長、燃料噴射率、ならびに給気における燃料の蒸発率および新鮮な酸素との混合率を含む多数の要因によって異なる。イオン電流は、クランク角度約３°または約０．３ｍｓまでにかなり高いピークに達し、その後降下して底値（点１４８）に達し、やや緩やかに再び上昇し始めて上死点後１０°で第２のピーク（点１５０）に達する。これは、第２のピークを引き起こすイオン形成の速度が、第１のピークに対して遥かに遅いことを示している。この第２のピークを引き起こすイオン形成の速度が遅いのは、未燃焼燃料が残りの給気と混合する速度が遅いこと、膨張ストロークにおけるピストン運動によって燃焼生成物の温度が低下すること、およびシリンダ壁への冷却損失が増加することに起因している。第２のピークにおけるイオン化は混合制御燃焼期および拡散制御燃焼期と同じ特性をたどるため、その原因がこの燃焼形態によるものであると考えるのが合理的である。ここで、イオン化は化学イオン化と熱イオン化との組合せによって生じている。第２のピークに続いて、膨張行程中にガス温度が徐々に低下するため、イオン化信号は緩やかに低下する。この図では、約３０から４０°のクランク角度にわたってイオン化が検知された。
【００２９】
イオンおよびＮＯｘの形成速度は、多数のエンジン設計パラメータおよびエンジンを駆動するために用いられる燃料の性質によって変わる。設計パラメータはエンジンによって変わり得るものであり、以下のようなものが挙げられるが、これに限らない；圧縮比、行程内径比、燃焼室の表面積対体積率、吸気口、排気口、およびバルブの設計、バルブ開閉のタイミング、燃焼室設計、噴射システム設計パラメータ、および冷却システム設計パラメータである。噴射システムパラメータは、噴射圧力、ノズル形状、燃焼室への侵入度、ノズル穴の数、その大きさ、および形と噴霧角度を含むが、これに限らない。燃焼過程、ＮＯｘ形成およびイオン電流に影響する重要な燃料の性質は、水素対炭素比、蒸留範囲、揮発性およびセタン価を含む。その結果、エンジンによって異なる設計パラメータのばらつきおよび燃料性質のばらつきが燃焼室におけるシリンダガス温度および圧力、混合気形成、および当量比分布に影響し、これら全てがイオンおよびＮＯｘの形成に影響する。
【００３０】
前述の内容からわかるように、ＮＯｘの判定にイオン電流を用いることができる。更に、イオン電流信号は各エンジン形式および種類におけるＮＯｘの排出量に関して、および使用する燃料の種類それぞれについて較正（キャリブレーション）すべきであることもわかる。ここで図４を参照すると、多気筒エンジンにおけるイオン電流信号較正のサンプルが示されている。図４は、４つのシリンダにおいて、１６００ｒｐｍで、多種多様な運転条件（ＥＧＲ：４０％、４５％、５０％、５５％；トルク：２５Ｎｍ、５０Ｎｍ、７５Ｎｍ；負荷およびＥＧＲ率に応じて上死点前１１°と上死点前２５°の間で変化させた噴射タイミング）下で計測した、エンジンから排出されたＮＯｘの排出量（１００万分の１単位の体積分率）対イオン電流のピークの総和をプロットしたものである。プロットから明らかなように、イオン電流ピークの強度とＮＯｘの排出量レベルとの間には関係がある。
【００３１】
ここで図５を参照すると、イオン電流ピークの強度とＮＯｘの排出量レベルとの関係を判定するステップが示されている。イオン電流信号がイオン電流センサから受信される（ステップ１６０）。エンジンから排出されたＮＯｘの排出量がＮＯｘ基準排出量測定機器から受信される（ステップ１６２）。ＮＯｘの排出量データおよびイオン電流信号が比較され（ステップ１６４）、ＮＯｘの排出量とイオン電流との関係が導き出される（ステップ１６６）。この関係は、ＮＯｘの排出量対イオン電流強度をプロットし、そのデータに関数を当てはめることによって導き出すことができる。関数は、線形関数、区分線形関数、多項式関数、指数関数等になるかもしれない。この関係は、イオン化モジュール１０４、ＥＣＵ１０６等の適切な制御モジュールへと伝送される（ステップ１６８）。
【００３２】
図６は、イオン電流信号の較正の一実装を示す。エンジン２００の運転中、ＮＯｘ排出量測定器２０２が排気マニホールド２０４からサンプリングプローブ２０６を通じて排気ガスのサンプルを引き出してＮＯｘの排出量を判定し、オプションのディスプレイユニット２０８に表示する。一実施の形態においては、ＮＯｘの排出量は、ｐｐｍ（１００万分の１）単位の体積分率で判定される。ＮＯｘ排出量測定器２０２は、このＮＯｘデータを較正モジュール２１０に送信する。例示のため、較正モジュール２１０は独立した構成部品として示されている。較正モジュールは、独立したモジュールでも、イオン化モジュール１０２の一部でも、ＥＣＵ１０６の一部でもよい。イオンプローブが、エンジンの燃焼室１２０内の燃焼生成物に接触する電極を用いてイオン電流信号２１２を生成する。較正モジュール２１０がイオン電流信号２１２、およびシリンダの排気内のＮＯｘの体積分率を計測する排出量測定ユニットからの信号を受信する。較正モジュール２１０はＮＯｘに関してイオン電流信号２１２を較正する。一度、一運転条件についてイオン信号が較正されると、それをエンジン速度、負荷、および運転モードの全範囲にわたって使用できる。較正モジュール２１０の出力は、ＮＯｘとイオン電流（例えば、単位当たりのｐｐｍ単位のＮＯｘ体積分率とイオン電流）との関係を与え、これがＥＣＵ１０６に送られてエンジンの制御に用いられる。較正モジュールは、動作環境内の他のモジュールに出力を送ってもよい。
【００３３】
ここで図７および８を参照すると、運転中、ＥＣＵ１０６はイオン電流信号を受信し（ステップ２２０）、イオン電流信号を解析し、燃焼開始、放熱速度、予混合燃焼期に見込まれる最大放熱速度、予混合燃焼期と混合・拡散制御燃焼期との間の最低放熱速度、混合・拡散制御燃焼期に見込まれる最大放熱速度、および膨張ストローク中の放熱減衰率などの主要燃焼パラメータを判定する。この情報に基づき、様々なアクチュエータへの信号を生成し、エンジン内の全システムを制御するようにＥＣＵ１０６はプログラムされている。ＥＣＵ１０６は、該派生的関係に基づき、較正モジュール２１０を介してＮＯｘの排出量を判定し（ステップ２２２）、エンジン運転パラメータ２３２と併せてエンジン２００の運転を制御する（ステップ２２４）。ＥＣＵ１０６は、ＮＯｘの排出量を最小限に抑え、ＮＯｘと、粒子状物質、一酸化炭素、炭化水素およびアルデヒド類などの他の排出物とのトレードオフを改善するためにエンジンを制御してもよい。更に、ＥＣＵ１０６は、エンジンパラメータを制御し、エンジン出力を増加させてその効率を向上させるために較正された信号を用いてもよい。イオン電流信号２１２は、１つのシリンダからでも、あるいは、多気筒エンジンにおける全シリンダからのイオン電流の合計から得てもよい。一実施の形態においては、排気サンプリングプローブ２０６がひとつのシリンダのマニホールド内、あるいは、シリンダからの全排気ガスが合流する地点に配置されている。較正モジュール２１０は、エンジンが径年変化したり、新しい構成部品が追加されるなどした際にＮＯｘの排出量とイオン電流との関係を更新するために使用することができる。
【００３４】
ここで図９を参照すると、ＥＣＵ１０６は、エンジン２００の各シリンダを別々に制御してもよい。各シリンダからのイオン信号２１２ｘが較正モジュール２１０ｘ（ただし、ｘはシリンダ番号を表す）によって較正され、それぞれのシリンダ用のパラメータを他のシリンダとは切り離して制御するＥＣＵ１０６へと送られる。ＥＣＵ１０６は、較正モジュール出力を用いて対応するエンジンシリンダ（例えば、シリンダ１、シリンダ２等）内のＮＯｘを判定し、各シリンダの運転パラメータ２４０ｘと併せて特定のシリンダの動作を制御する。明確化のためｘ個の較正モジュールが示されているが、較正モジュールは単一の較正モジュール内にあってもよく、イオン化モジュールの一部、ＥＣＵ１０６の一部等でもよい。ＥＣＵ１０６は、ＮＯｘの排出量を最小限に抑え、各シリンダについてのＮＯｘと、粒子状物質、一酸化炭素、炭化水素およびアルデヒド類などの他の排出物とのトレードオフを改善するために各シリンダを制御してもよい。ＥＣＵ１０６は、ＮＯｘの排出量を最小限に抑え、エンジン全体のＮＯｘと、粒子状物質、一酸化炭素、炭化水素およびアルデヒド類などの他の排出物とのトレードオフを改善するためにエンジン全体を制御してもよい。例えば、各シリンダにおける燃料噴射パラメータを調整することによって多気筒ディーゼルエンジンにおけるシリンダ間の出力のバランスを取ることができる。こうしてバランスを取ることによって、シリンダ間の負荷分散を向上させ、エンジン全体の運転、燃料経済性およびエンジン排出物を改善することができる。
【００３５】
前述の内容からわかるように、ＮＯｘの排出量とイオン電流強度との関係を判定し、ディーゼルエンジンの制御に用いることができる。その関係を判定するため、イオン電流を計測されたＮＯｘの排出量とを比較する。そして、その関係は、計測されたイオン電流からＮＯｘの排出量を判定することによって運転中に使用される。
【００３６】
本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）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たかのように、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。明細書中のいかなる言い回しも、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。
【００３７】
本明細書中では、本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本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、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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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