(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のデトネーションを制御する方法であって、
燃焼シリンダ内で燃料および空気混合物を燃焼させるステップと、
圧力センサにより前記燃焼シリンダ内の圧力を検知するステップと、
前記燃焼シリンダ内の燃焼のピーク圧力を判定するステップと、
前記燃焼シリンダ内のピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップと、
前記ピーク圧力の前に起こるデトネーションを抑制するステップとを備え、
前記デトネーションを抑制するステップは、
前記燃焼シリンダへの燃料の量を低減するステップと、
前記圧縮式燃焼エンジンへの負荷を低減するステップとの少なくとも１つを備え、
前記ピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップは、前記圧力センサの検知した圧力に基づいて、前記燃焼シリンダ内の圧力の周波数を検知するステップと、前記ピーク圧力の前に、ノイズレベルを超えるデトネーションによる圧力の高周波変動を検知したときにデトネーションの発生を検知するステップとを備える方法。
【請求項２】
前記燃焼シリンダ内のピストンの上死点位置を判定するステップを含み、前記デトネーションを抑制するステップは、前記上死点位置の前に実行される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃焼シリンダ内のピストンの上死点位置を判定するステップを含み、前記ピーク圧力は前記上死点位置後約１０度において生ずる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
さらに、燃料および空気混合物の点火の前記タイミングを進めるステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記デトネーションが前記ピーク圧力後に起こるように燃料および空気混合物の点火の前記タイミングを進めるステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ピーク圧力後に起こる前記デトネーションは、デトネーションの自己着火に対応し、前記ピーク圧力前に起こる前記デトネーションは、ハードデトネーションに対応する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
燃焼シリンダ内のデトネーションを検出するステップは、
前記燃焼シリンダ内の離散的時点における複数の圧力を検知するステップおよび、
前記圧力の周波数を分析するステップと、
時間変化で除した前記圧力変化の商を分析するステップと、
時間変化で除した前記圧力変化の商の記号変化を分析するステップと、
放熱速度を分析するステップとの少なくとも１つを備える請求項１に記載の方法。
【請求項８】
内燃機関のデトネーションを制御する方法であって、
燃焼シリンダ内で燃料および空気混合物を燃焼させるステップと、
前記燃焼シリンダ内の離散的時点における複数の圧力を圧力センサにより検知するステップと、
前記複数の圧力の圧力プロフィールを判定するステップと、
燃焼シリンダ内での燃焼によるピーク圧力を判定するステップと、
前記燃焼シリンダ内のピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップと、
前記ピーク圧力の前に起こる前記デトネーションを抑制するステップとを備え、
前記燃焼シリンダへの燃料の量を低減するステップと、
前記圧縮式燃焼エンジンへの負荷を低減するステップとの少なくとも１つを備え、
前記ピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップは、前記圧力センサの検知した圧力に基づいて、前記燃焼シリンダ内の圧力の周波数を検知するステップと、前記ピーク圧力の前に、ノイズレベルを超えるデトネーションによる圧力の高周波変動を検知したときにデトネーションの発生を検知するステップとを備える方法。
【請求項９】
さらに、燃料および空気混合物の点火の前記タイミングを進めるステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
さらに、前記デトネーションが前記ピーク圧力後に起こるように燃料および空気混合物の点火の前記タイミングを進めるステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ピーク圧力後に起こる前記デトネーションは、デトネーションの自己着火に対応し、前記ピーク圧力前に起こる前記デトネーションは、ハードデトネーションに対応する請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に関し、より詳しくは、内燃機関内のデトネーションを制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関には一般に、２つの基本タイプのもの、すなわち、スパーク点火式エンジンと圧縮式燃焼エンジンとがある。スパーク点火式エンジンは、スパークプラグを使用して、燃焼室内に噴射される燃料および空気混合物に点火する。圧縮式燃焼エンジンは、ピストンが燃焼シリンダ内の上死点位置に向かって移動するときの燃料および空気混合物の圧縮の結果生じるエネルギーを利用してその燃料および空気混合物を着火させる。内燃機関がスパーク点火式エンジンであるか、または圧縮燃焼エンジンであるかに関係なく、燃焼が燃焼シリンダ内のピストンの位置に対して起こる、その時点を制御することが望ましい。
【０００３】
離散的時点におけるそれぞれの燃焼シリンダ内の圧力を感知する複数の圧力センサを提供することは知られている。圧力センサからの信号は、ピストンが下死点位置と上死点位置との間で往復運動すると燃焼シリンダ内での燃焼事象のタイミングを制御するために電子コントロールモジュール（ＥＣＭ）に送られる。エンジンのタイミングを制御するために燃焼シリンダ内の圧力を感知することは、例えば、米国特許第４，０６３，５３８号（Ｐｏｗｅｌｌその外）、第４，７３６，７２４号（Ｈａｍｂｕｒｇその外）、第５，２７６，６２５号（Ｎａｋａｎｉｗａ）、および第５，３５９，８３３号（Ｂａｌｄｗｉｎその外）で開示されている。燃焼シリンダ内の過酷な動作環境に耐える圧力センサの例は、米国特許第５，７１４，６８０号（Ｔａｙｌｏｒその外）、第５，４５２，０８７号（Ｔａｙｌｏｒその外）、および第５，１６８，８５４号（Ｈａｓｈｉｍｏｔｏその外）で開示されている。
【０００４】
エンジンのデトネーションまたはノッキングを低減するために燃焼シリンダ内の圧力センサを利用することも知られている。デトネーションは、未反応燃料および空気混合物内の反応ゾーンが進む速度が燃料および空気混合物内で音速を越えるような高速度で発熱性化学反応が伝搬するときに起こる、つまり、衝撃波が進行する反応ゾーンに先行する。圧力センサ信号は、分析されてエンジンのデトネーションによるシリンダ圧力の高周波変動が起こっているかを判定する。デトネーションが起こっている場合、スパーク点火式エンジンのスパーク進度が調節されて、エンジンのデトネーションの所望の減少に一致する最適クランク角度でピークシリンダ圧力が確実に生じるようにする。エンジンのノッキングを低減するために燃焼シリンダ内の圧力センサ信号を利用する例は、米国特許第４，６２０，４３８号（Ｈｏｗｎｇ）で開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなＨｏｗｎｇの米国特許第４，６２０，４３８号に記載された方法に伴う問題は、デトネーションの発生しか、圧力センサを使用して検出されないことである。デトネーションが検出された場合、エンジンのスパーク進度が調節される。但し、全てのデトネーションが内燃機関の効率的な動作に有害であるわけではない。したがって、デトネーションの発生時に内燃機関の動作を調節することによって、内燃機関の不必要な、ゆえに非効率な調節が実行されることになる。
【０００６】
本発明は、上述の問題の１つまたはそれ以上を克服することに向けられている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態において、内燃機関のデトネーションを制御する方法は、燃焼シリンダ内で燃料および空気混合物を燃焼させるステップと、圧力センサにより前記燃焼シリンダ内の圧力を検知するステップと、前記燃焼シリンダ内の燃焼のピーク圧力を判定するステップと、前記燃焼シリンダ内のピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップと、前記ピーク圧力の前に起こるデトネーションを抑制するステップとを備え、前記デトネーションを抑制するステップは、前記燃焼シリンダへの燃料の量を低減するステップと、前記圧縮式燃焼エンジンへの負荷を低減するステップとの少なくとも１つを備え、前記ピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップは、前記圧力センサの検知した圧力に基づいて、前記燃焼シリンダ内の圧力の周波数を検知するステップと、前記ピーク圧力の前に、ノイズレベルを超えるデトネーションによる圧力の高周波変動を検知したときにデトネーションの発生を検知するステップとを備えている。
また、内燃機関のデトネーションを制御する方法は、燃焼シリンダ内で燃料および空気混合物を燃焼させるステップと、前記燃焼シリンダ内の離散的時点における複数の圧力を圧力センサにより検知するステップと、前記複数の圧力の圧力プロフィールを判定するステップと、燃焼シリンダ内での燃焼によるピーク圧力を判定するステップと、前記燃焼シリンダ内のピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップと、前記ピーク圧力の前に起こる前記デトネーションを抑制するステップとを備え、前記燃焼シリンダへの燃料の量を低減するステップと、前記圧縮式燃焼エンジンへの負荷を低減するステップとの少なくとも１つを備え、前記ピーク圧力の前に起こるデトネーションを検出するステップは、前記圧力センサの検知した圧力に基づいて、前記燃焼シリンダ内の圧力の周波数を検知するステップと、前記ピーク圧力の前に、ノイズレベルを超えるデトネーションによる圧力の高周波変動を検知したときにデトネーションの発生を検知するステップとを備えている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
さて、図を参照するに、特に図１において、スパーク点火式燃焼エンジン１０内のデトネーションを制御するための本発明の方法を実行するために使用されるエンジン１０の一実施形態の概略図が示される。スパーク点火式燃焼エンジン１０は一般に電子コントロールモジュール（ＥＣＭ）１２、電子コントロールモジュール（ＥＣＭ）１４、およびセンサ１６，１８，２０，２２を含む。
【０００９】
ＥＣＭ１２は、オンロード車両、またはオフロード車両などのような、車両に搭載されている従来のＥＣＭである。ＥＣＭ１２は、ライン２４，２６，２８，３０によってそれぞれ示されるように、ＥＣＭ１２がセンサ１６，１８，２０、およびＥＣＭ１４と１方向および／または双方向に情報を伝達できるようにする適当な入力／出力（ＩＯ）回路構成を含む。示された実施形態において、ライン２４，２６，２８は、センサ１６，１８，２０からＥＣＭ１２へ１方向にデータを送る。ライン３０は、ＥＣＭ１４へのＳＹＮＣライン３０とＥＣＭ１２へのデトネーション検出ライン３０とによって示されるように、ＥＣＭ１４と双方向にデータをやり取りする。当然、使用される通信機構により、ライン３０は共通ケーブル内にあるか、または実際にデータが正規のポーリング、割込み等を使用して送られるシングルラインであっても良い。出力ライン３２は感知された信号の値により、ＥＣＭ１２からの作用をもたらすように使用される。例えば、出力ライン３２は、示されるように、燃焼シリンダ３４内の燃焼のタイミングを調節するために使用されても良い（図２）。
【００１０】
センサ１６は、スパーク点火式燃焼エンジン１０内のマニフォルド空気圧力を感知するために使用され、感知されたマニフォルド空気圧力に対応する複数の離散的信号をＥＣＭ１２に提供する。
【００１１】
センサ１８は、マニフォルド空気温度を感知するために使用され、ライン２６を介して複数の信号をＥＣＭ１２に提供する。マニフォルド空気圧力およびマニフォルド空気温度を感知することは、示されるように、示された実施形態においてはオプションである。センサ２０は、エンジン速度および／またはエンジン冷却液温度を感知するために使用され、ライン２８を介して複数の信号をＥＣＭ１２に提供する。ＥＣＭ１２は、センサ１６，１８，２０によって感知された信号の値を分析するか、またはＳＹＮＣライン３０を介してデータをＥＣＭ１４に送る。
【００１２】
ＥＣＭ１４は、スパーク点火式燃焼エンジン１０内のデトネーションの発生を検出するために使用され、ライン３０を介してＥＣＭ１２と双方向に情報を伝達する。示された実施形態において、ＥＣＭ１４は、ライン３０を介してＥＣＭ１２と連結される独立したＥＣＭである。但し、特定用途により、ＥＣＭ１４およびＥＣＭ１２が共通のＥＣＭに組み合わされても良いことも理解されよう。
【００１３】
圧力センサ２２１〜２２ｎは、スパーク点火式燃焼エンジン１０のそれぞれの燃焼シリンダ３４内の圧力を感知する。圧力センサ２２の数「ｎ」は、スパーク点火式燃焼エンジン１０内の燃焼シリンダ数に対応する。センサ２２１〜２２ｎは、対応する燃焼シリンダ３４内の離散的時点における複数の圧力を感知し、ライン３６を介して複数の圧力信号をＥＣＭ１４に提供する。示された実施形態において、ライン３６は、ＥＣＭ１４に情報を伝達するために共通バスが使用されるようにバスラインであるとされる。但し、ＥＣＭ１４のＩＯ構成によっては、各圧力センサ２２１〜２２ｎがＥＣＭ１４との直結を含むことも理解されよう。
【００１４】
図２に示されるように、複数の燃焼シリンダ３４のそれぞれは、内部で摺動するように配置されるピストン３８を含む。ピストン３８は、示されるように、燃焼シリンダ３４内の燃焼室４０内の燃料および空気混合物の流体力学に影響を与える輪郭を付けた冠状部を含む。スパークプラグ４２は、ピストン３８が上死点位置と下死点位置との間で移動するとき選択された時点において燃焼室４０内の燃料および空気混合物に点火する。燃焼の伝搬は、方向矢印４４で示されるように、多方向に進む。圧力センサ２２は、燃焼室４０と流体連通しており、離散的時点における複数の圧力を感知する。圧力センサ２２は、示されるように燃焼シリンダ３４の軸方向端部に位置付けられるか、または特定の用途によって、他の所望位置（燃焼シリンダ３４の側壁のような）に位置付けられても良い。
【００１５】
図２に示されるように、燃料および空気混合物のすべてが燃焼室４０内での一次発熱性化学反応中に燃焼しないこともあり得る。燃焼室４０内に残留する未燃焼燃料の一部が典型的に、燃料および空気混合物ポケット４６で例示されるように、スパークプラグ４２から離れた燃焼室４０内の領域に位置決めされる。この燃料および空気混合物ポケットが、燃焼室４０内に噴射される燃料および空気の一次充填から独立して燃焼することもあり、それによって、付加的衝撃波を伴うデトネーションを燃焼室４０内で発生させる。
【００１６】
図３を参照するに、圧力プロフィール曲線は、水平軸に表されたピストン位置と、垂直軸に表された燃焼シリンダ内の圧力とで示される。通常運転中（破線で示された）、燃焼シリンダ内の圧力は、燃焼シリンダ３４内のピストン３８の上死点位置に近いか、またはその直後に最大に達する。典型的に、デトネーションは通常運転中には起こらない。
【００１７】
ピーク圧力が、ピストン３８の上死点位置に対して遅延される時点において拡大されることもあり得る。燃焼室４０内の燃料および空気ポケット４６のデトネーションは、図３の「デトーネーションの自己着火」と称されるピーク圧力後の時点における圧力プロフィール曲線に沿って起こる。このタイプのデトネーションは、圧力が波動するときのプラスからマイナスへ変化する圧力の高周波変動で分かる。ピーク圧力後に起こるこのタイプのデトネーションは、圧縮式燃焼エンジン１０の動作に特に有害なものではないということが分かっている。
【００１８】
他方、「ハードデトネーション」と称されるピーク圧力前に起こる燃料および空気ポケット４６のデトネーションは、圧縮式燃焼エンジン１０の動作に有害であることが分かっている。ハードデトネーションが感知された場合、そのデトネーションを排除するか、またはそのデトネーションが有害とならないようにピーク圧力の発生後の時点までデトネーションを移動させる様々な作用をもたらすことが可能である。例えば、着火のタイミングを調節する、噴射される燃料の量を低減する、および／または図３に示された圧力プロフィール曲線上のデトネーションの位置に影響を与えるためにスパーク点火式燃焼エンジン１０の負荷を低減することが可能である。
【００１９】
（産業上の利用可能性）
使用時、図４を参照するに、スパーク点火式燃焼エンジン１０内でのデトネーションを抑制するための本発明の方法の一実施形態が、より詳しく説明される。図４は、デトネーションを抑制するための本発明の方法の一実施形態のブロック線図である。
【００２０】
圧力センサ２２１〜２２ｎからの圧力信号は、ライン５０を介してブロック４８に入力される。さらに、クランク軸の位置、ゆえに、それぞれのシリンダ内のピストンの位置に対応するタイミング信号が、ライン５２を介してブロック４８に入力される。マニフォルド空気圧力、マニフォルド空気温度、エンジン速度およびエンジン冷却液温度もまた、オプションとしてブロック４８に入力されても良い。ブロック４８において、様々な入力された信号は、分析されてデトネーションが起こっているかを判定する。信号分析は４つの異なる基準で行われるのが好ましい。第１に、所与燃焼シリンダの圧力信号の周波数が分析される。高周波圧力波動は、デトネーションが起こっていることを指示する。ライン５２において入力されたタイミング信号によって判定された圧力プロフィール上に高周波圧力波動を重ね合わせることによって、圧力プロフィール上のデトネーションの相対的位置が判定されても良い（例えば、数値解析技術、ルックアップテーブルなどを使用することによって）。
【００２１】
あるいは、時間に関する圧力信号の変化が、ＥＣＭ１４を使用してブロック４８において分析されても良い。所定微小時間にわたる圧力変化（予想ノイズレベルを超える）を使用してデトネーションが起こっていることを指示するようにしても良い。
【００２２】
さらに、経時圧力変化の数学記号の変化を使用してデトネーションが起こっていることを指示するようにしても良い。図３および、通常圧力変化に対応する破線を参照するに、圧力の僅かな降下が上死点後約１０度の位置において生ずるが、その圧力は以後も連続して減少することが観察される。他方、デトネーションの自己着火に対応する重ね合わされた実線の軌跡は、各波動が負と正の両方の数理成分変化を有するように圧力が波動することを証明する。ゆえに経時圧力変化の数学記号の変化を使用してデトネーションが起こっていることを判定しても良い。図３の圧力プロフィール曲線に関してデトネーションを重ね合わせることによって、有害なハードデトネーションが起こっているかが判定されても良い。
【００２３】
最後に、シリンダ圧力データから得られるような放熱速度は、デトネーションがいつ起こりそうであるかを示す。
【００２４】
ブロック５４において、デトネーションが起こっていることの判定が行われる。当然、デトネーションの発生の判定は、ブロック４８において入力信号の分析に基づいてＥＣＭ１４（すなわちブロック４８と組み合わせて）内で同様に行われても良い。
【００２５】
デトネーションが起こっていることの判定後に、無作用または様々な作用が生じても良い（ブロック５６）。例えば、デトネーションを抑制するか、または無害である圧力プロフィール曲線上の領域までデトネーションを移動するために、スパーク点火式燃焼エンジン１０のタイミングが調節されても良い（ブロック５８）。あるいは、デトネーションの発生だけでなくタイミングが他の処理回路に伝達されるか、表示画面などを介して使用者に可視的に伝達されても良い（ブロック６０）。スパーク点火式燃焼エンジン１０のタイミングが主要関心事でない場合にはデトネーションの発生のみを伝達することも可能である（ブロック６２）。さらに、デトネーションを抑制するか、または圧力プロフィール曲線上の異なる位置へデトネーションを移動させるために燃料噴射器４２を使用して燃焼室４０内に噴射される燃料の量を低減することも可能である（ブロック６４）。さらに、デトネーションを低減するためにスパーク点火式燃焼エンジン１０に加わる負荷を低減することも可能である（ブロック６６）。
【００２６】
ブロック５６で指示された様々な作用は、例示を目的としたものでしかない。デトネーションを抑制、および／または対応する燃焼シリンダの圧力プロフィール曲線上のデトネーションの相対的位置を移動するために他の作用が生じることもあり得る。
【００２７】
本発明の方法は、１つまたはそれ以上の燃焼シリンダ内のデトネーションの発生を検出し、対応する燃焼シリンダの圧力プロフィール曲線上のデトネーションの相対的位置によってデトネーションの発生に作用させることによってスパーク点火式燃焼エンジンのデトネーションを制御する。デトネーションの発生は、圧力信号の周波数、経時圧力変化、または経時圧力の数学記号の変化を使用して分析されても良い。デトネーションが圧力プロフィール曲線の無害部分で起こる場合、圧縮式燃焼エンジンの制御のために作用させる必要はない。他方、デトネーションは、ハードデトネーションが起こる圧力プロフィール曲線の領域で起こる場合、デトネーションを抑制するか、または圧力プロフィール曲線上のデトネーションの位置を調節するために積極的な作用をもたらしても良い。
【００２８】
本発明の他の形態、目的、および利点は、図面、明細書、および特許請求の範囲を検討することによって得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のデトネーションを制御する方法が実行されるスパーク点火式内燃機関の実施形態の概略図である。
【図２】デトネーションが起こり始める燃焼シリンダの概略図である。
【図３】圧縮燃焼エンジン内の燃焼シリンダの圧縮プロフィール曲線に関するデトネーションの発生のグラフ図である。
【図４】図１のスパーク点火式燃焼エンジンと共に使用される本発明の方法の一実施形態のブロック図ある。
【符号の説明】
１０  スパーク点火式燃焼エンジン
１２  電子コントロールモジュール（ＥＣＭ）
１４  電子コントロールモジュール（ＥＣＭ）
１６  センサ
１８  センサ
２０  センサ
２２１〜２２ｎ  圧力センサ
２４  ライン
２６  ライン
２８  ライン
３０  ライン
３２  ライン
３６  ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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