JP7224301B2 - 二元燃料燃焼強度 - Google Patents

Description

本願は、２０１７年５月５日に出願された米国特許出願第６２／５０２，２８５号に基づく優先権を主張し、当該米国特許出願のすべての記載内容を援用する。

通常、エンドガス（末端ガス）の急速燃焼により、短時間に大量のエネルギーが放出される、エンジンノックなどの、制御されない有害な燃焼は、急激な圧力上昇率を生じさせ、しばしばそれに続いて高周波数圧力振動を生じさせる。これらの強い圧力波はエンジンの構造部品に高い応力を与え、熱伝達率を劇的に高め、最終的にエンジンの損傷につながる。このような制御されない燃焼は様々な理由により発生すると推察され、その理由は、品質及び特性に劣る燃料、不均一な混合気、燃焼室内のホットスポット、堆積物、潤滑油の蒸発、気筒充填ガス中の未燃ガスの好ましくない圧力－時間履歴、充填ガスの気筒又は周期的変動、不適切な冷却などである。異常燃焼の予測は一般的に極めて困難であり、エンジン設計時に対処するのが普通である。

ここでの概念に含まれるのは、エンジンが少なくとも１つの筒内圧力センサを含むこと、そして、以下の燃焼指標、すなわち、ピーク圧力、圧力上昇率、圧力変動、燃焼期間、及び放熱の変化速度、がエンジンの運転と同時に計算されること、場合によってはリアルタイムで計算されることである。これらの指標は、方程式／アルゴリズムを介して数学的に結ばれ、制御されない燃焼にエンジンがどれだけ近づいて作動しているかを特定する。そうすることで安全な運転を維持しながら、二元燃料運転において、より濃い（リッチな）混合気又はより高い置換率など、より激しい運転条件をエンジンに強いることができる。場合によっては、エンジンは２ストローク又は４ストロークエンジンであり、場合によっては、リアルタイムとは、燃焼指標が、次のサイクルの完了前に、又は、同じサイクル内（例えば、次の吸気前）で、又は、次の行程の完了前に、又は、同じ行程内で、計算されることを指す。

実施によっては、ここでの概念には、サイクルごとに筒内の圧力情報と以下のアルゴリズムとを収集し、これを処理する機能が含まれる：
ピーク圧力－１つの事象における最大燃焼圧力
圧力上昇率－燃焼中の最大圧力上昇率
圧力変動－デルタＰの合計
燃焼期間－ＣＡｘ１とＣＡｘ２との間のクランク角度
放熱の変化－燃焼プロセス後半と比較した燃焼プロセス前半の特定

本開示の特定の態様は、制御ループで用いられてエンジンを最大ガス置換まで安全に駆動させることができる燃焼強度数を、上記の燃焼指標を用いて特定することを含む。実施によっては、二元燃料エンジンで見られる多くの異なる場合に対応するために、これらすべての指標が必要となる。場合によっては、燃焼が加速する変曲点が正確に特定されるように、放熱の変化が静的又は動的に特定される。

本開示の特定の態様において、制御されない燃焼（デトネーション：異常爆発）は、これまでのような時間に基づく周波数領域からではなく、代って実際のエンジン制限に基づく低速直接筒内圧力情報から見る。

本開示の一つの例は、内燃エンジンにおける制御されない燃焼を検出する方法である。この方法は、エンジンの筒内圧力を測定し、対応する圧力信号を生成するように構成された筒内圧力センサをサンプリングするステップと、対応する圧力信号に基づいて燃焼強度指標を計算するステップと、燃焼強度指標に基づいて、制御されない燃焼状態にエンジンがどれだけ近づいているかを記述するパラメータを特定するステップとを含む。

別の例は、二元燃料内燃エンジンであって、エンジンの筒内圧力を測定し、対応する圧力信号を生成するよう構成された筒内圧力センサと、エンジンのクランク角を測定し、対応するクランク角信号を生成するよう構成されたクランク角センサと、圧力センサとクランク角センサとに結合可能なエンジン制御ユニットとを含む。エンジン制御ユニットは、圧力信号をサンプリングし、対応する圧力信号に基づいて燃焼強度指標を計算し、制御されない燃焼状態にエンジンがどれだけ近づいているかを記述するパラメータを特定し、パラメータと燃焼強度指標とのうちの１つ以上に基づいて、気筒へ送られる第１の燃料と第２の燃料との置換率を制御する、ように構成されている。

別の例は、内燃のエンジンにおける制御されない燃焼を検出する方法である。その方法は、筒内圧力センサから、前記エンジンの筒内の測定圧力を表す圧力信号をサンプリングするステップと；前記圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態への前記エンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算するステップと；前記燃焼強度指標の関数として、エンジン制御パラメータを特定するステップと；前記エンジン制御パラメータに基づいて、前記エンジンを制御するステップと；を含む。

実施によっては、前記内燃のエンジンは二元燃料内燃エンジンを備え、前記エンジン制御パラメータは、前記パラメータと前記燃焼強度指標とのうちの少なくとも一方に基づく第１の燃料と第２の燃料との置換率を含む。

実施によっては、前記第１の燃料はディーゼルであり、前記第２の燃料は天然ガスである。

実施によっては、前記燃焼強度指標は、前記筒内圧力センサのサンプリングと同じ燃焼サイクル内で計算される。

実施によっては、方法は、前記圧力信号に基づいて、圧力指標、放熱指標、及びノック指標を計算するステップを含み、前記燃焼強度指標は、前記圧力指標、前記放熱指標、及び前記ノック指標の関数である。実施によっては、前記放熱指標は、前記エンジンの気筒内における燃焼の断熱放熱速度を含む。

実施によっては、方法は、前記圧力信号に基づいて、以下の燃焼指標：ピーク筒内圧力、前記ピーク筒内圧力のクランク角、筒内圧力上昇率、筒内圧力変動、前記筒内圧力変動のクランク角、燃焼期間、放熱の勾配、前記放熱の幾何中心のクランク角；及び最大放熱速度のクランク角、のうち少なくとも１つを計算するステップを含む。

実施によっては、前記燃焼強度指標は：前記ピーク筒内圧力、前記ピーク筒内圧力のクランク角、前記筒内圧力上昇率、前記筒内圧力変動、筒内変動のクランク角、前記燃焼期間、前記放熱の勾配、前記放熱の幾何中心のクランク角、及び前記最大放熱速度のクランク角、のうち少なくとも１つの関数である。

実施によっては、前記燃焼強度指標は、少なくとも、前記ピーク圧力、前記圧力上昇率、前記圧力変動、前記燃焼期間、及び前記放熱の勾配、の関数である。

実施によっては、方法は、前記燃焼強度指標及び前記パラメータのうちの少なくとも一方に基づいて、前記エンジンの、燃料入力信号と、スロットル位置信号と、点火タイミング信号と、を特定するステップを含む。

また、別の例は、エンジンシステムの二元燃料内燃エンジンの運転を制御するコントローラ（制御装置）であって、前記エンジンシステムは、前記エンジンの気筒内の圧力を測定して対応する圧力信号を生成するように構成された圧力センサと、前記エンジンのクランク角を測定して対応するクランク角信号を生成するように構成されたクランク角センサとを含む。前記コントローラは、前記圧力センサと前記クランク角センサとに接続可能なプロセッサと、前記コントローラの前記プロセッサに、以下を含む操作、すなわち、（ａ）前記圧力信号をサンプリングすること、（ｂ）前記圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態への前記エンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算すること、（ｃ）前記燃焼強度指標に基づいて、前記気筒に送られる、第１の燃料と第２の燃料との置換率を特定すること、及び（ｄ）前記置換率に基づいて前記二元燃料内燃エンジンを制御すること、を実行させるように操作可能な命令を格納する少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体と、を含む。

実施によっては、前記第１の燃料はディーゼルであり、前記第２の燃料は天然ガスである。

実施によっては、ステップ（ｂ）及びステップ（ｃ）が前記気筒の次のサイクル内で行われる。

実施によっては、前記命令は、前記圧力信号に基づいて、圧力指標、放熱指標、及びノック指標を計算するステップを含み、前記燃焼強度指標は、前記圧力指標、前記放熱指標、及び前記ノック指標の関数である。

実施によっては、前記放熱指標を計算するステップは、前記エンジンの気筒内における燃焼の断熱放熱速度を計算するステップを含む。

実施によっては、前記命令は、前記圧力信号に基づいて、以下の燃焼指標：ピーク筒内圧力、前記ピーク筒内圧力のクランク角、筒内圧力上昇率、筒内圧力変動、筒内圧力変動のクランク角、燃焼期間、放熱の勾配、前記放熱の幾何中心のクランク角、及び最大放熱速度のクランク角、のうち少なくとも１つを計算するステップを含む

実施によっては、前記燃焼強度指標は：前記ピーク筒内圧力、前記ピーク筒内圧力のクランク角、前記筒内圧力上昇率、前記筒内圧力変動、前記筒内変動のクランク角、前記燃焼期間、前記放熱の勾配、前記放熱の幾何中心のクランク角、及び前記最大放熱速度のクランク角、のうち少なくとも１つの関数である

実施によっては、前記燃焼強度指標は、少なくとも、前記ピーク圧力、前記圧力上昇率、前記圧力変動、前記燃焼期間、及び前記放熱の勾配、の関数である。

実施によっては、前記命令は：前記燃焼強度指標及び前記パラメータのうちの少なくとも一方に基づいて、前記二元燃料内燃エンジンの、燃料入力信号と、スロットル位置信号と、点火タイミング信号とのうちの少なくとも１つを特定することと；前記燃料入力信号と、前記スロットル位置信号と、前記点火タイミング信号とのうちの少なくとも１つを用いて、前記二元燃料内燃エンジンを制御することと；を含む。

また、別の例は、エンジンシステムの内燃エンジンの運転を制御するコントローラであって、前記エンジンシステムは、前記エンジンの筒内圧力を測定して対応する圧力信号を生成するように構成された圧力センサと、前記エンジンのクランク角を測定して対応するクランク角信号を生成するように構成されたクランク角センサとを含む。前記コントローラは：前記圧力センサと前記クランク角センサとに接続可能なプロセッサと、前記コントローラの前記プロセッサに、以下を含む操作、すなわち：（ａ）前記圧力信号をサンプリングすること、（ｂ）前記圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態への前記エンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算すること、（ｃ）前記燃焼強度指標の関数として、エンジン制御パラメータを特定すること、及び（ｄ）前記エンジン制御パラメータに基づいて前記エンジンを制御すること、を実行させるように操作可能な命令を格納する少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体と、を含む。

本開示の特定の態様は以下の利点を有する。すなわち、置換率の高い二元燃料エンジンの損傷リスクが軽減される。燃焼強度指標には既知の機械的エンジン制限が用いられるので、制御されない燃焼の検出に必要な較正にかかる努力は大幅に削減される。また、特定の態様では、安全余裕度を取り入れることなく、常に最大の置換制御によりエンジンを運転することができ、二元燃料エンジンオペレータに対して、はるかに優れた価値を提案することになる。

エンジン制御システムを含む内燃エンジンの気筒の断面概略図である。

エンジン制御システムの概略図である。

プロセッサとメモリとを有する例示のエンジン制御システムのブロック図である。

ガス置換の関数としての、処理された加速度計検出の効果のグラフである。

ガス置換率０％、６０％、及び９０％における筒内圧力及び振動トレースのプロット図である。

ガス置換比に対する振動ノック強度及び圧力ノック強度のプロット図である。

ガス置換に対する様々な速度における圧力ノック強度の２次元等高線プロット図である。

ガス置換に対する様々な速度における振動ノック強度の２次元等高線プロット図である。

制御されない燃焼への近さの尺度として、及びガス置換の関数として、伝統的なノック強度指標に対する燃焼強度指標の効果を示すグラフである。

ガス置換率０％、６０％、及び９０％における平滑化された放熱トレースのプロット図である。

ガス置換に対する様々な速度における燃焼強度の２次元等高線プロット図である。

ガス置換に対する全放熱の１０％（９０１）、５０％（９０２）、及び９０％（９０３）の角度位置のプロット図である。

クランク角に対するガス置換率０％、６０％、及び９０％における筒内圧力のプロット図である。

クランク角に対するガス置換率０％、６０％、及び９０％での平滑化された放熱トレースのプロット図である。

ガス置換率（ＧＳＲ）に対する燃焼強度及びノック強度の指標のプロット図である。

ＧＳＲ８０％にて、プロパンガス置換率（ＰＳＲ）０％、１０％、及び１５％における筒内圧力トレースのプロット図である。

ＧＳＲ８０％にて、プロパンガス置換率（ＰＳＲ）０％、１０％、及び１５％における平滑化された放熱トレースのプロット図である。

ＧＳＲ９０％での、プロパンガス置換率（ＰＳＲ）に対する燃焼強度及びノック強度の指標のプロット図である。

マニホールド空気温度（ＭＡＴ）に対する燃焼強度及びノック強度の指標のプロット図である。

時間に対するＧＳＲ及びＰＳＲのプロット図である。

ＣＩ指標の応答に与えるプロパン添加を伴う正弦波ＧＳＲコマンドの効果を示す、図１７Ａ中の、時間に対する燃焼強度のプロット図である。

時間に対するマニホールド空気温度（ＭＡＴ）のプロット図である。

燃焼強度指標の応答に与えるＭＡＴの効果を示す、図１８Ａの、時間に対する燃焼強度のプロット図である。

本開示の例示の態様のフローチャートである。

制御されない燃焼を検出する新たなアプローチを開示する。すなわち、燃焼強度（ＣＩ）であり、それは、制御されない燃焼の始まりを精確に予測できる圧力及び放熱の指標の数学的組み合わせを監視する。火花点火エンジン及び二元燃料エンジンから得られるデータにおいて、ノック型振動周波数に基づく従来のアプローチの欠点が露わになる。この従来アプローチは、極端に急速なエンドガス燃焼及びそれに続く高周波振動を生ずる激しい条件下では最適に機能する。しかし、この技術は、特に二元燃料燃焼において、信号を曖昧にしてしまうディーゼル燃焼変動がある場合、及び、特定のモードで周波数成分が通常の検出閾値を下回って減少する場合には、不十分である。対照的に、ここで述べるＣＩ指標の実施の形態は、全運転ポイントにわたってガス置換が増加すると共に、そしてガス品質、マニホールド空気温度、又は他のエンジン条件が変化した場合であっても、単調な傾向をもたらす。これにより、最終的な制御作用経路が提供され、場合によっては、これを燃焼強度の目標に設計できる。これらのフェーズで遭遇するガス置換率（ＧＳＲ）と燃焼強度の厳しさとは、様々なエンジン構成によって異なる場合があるが、ここに開示する本質的な燃焼現象は普遍的に関連する。

ガスエンジンをリーン（希薄）／低ＮＯｘ及び高ＢＭＥＰ限界までもっていき、ガス－ディーゼル二元燃料エンジンを高い置換率までもっていくと、ノック等の、性能を制限する急激な制御されない燃焼につながることがよくある。進行する異常燃焼の認知及び検出はエンジン保護の要である。本開示の態様は、火花点火エンジン及び二元燃料エンジンの両方の筒内圧力を用いて、制御されない燃焼の進行を検出する能力を含む。ガスエンジンの場合、圧力に基づくノック検出はすべてのノックサイクルを取り込むが、振動に基づくノック検出はかなりの割合で失われてしまう。二元燃料エンジンの場合、周波数に基づいて検出する古典的なアプローチにおいて激しい燃焼事象を検出できるが、連続的に増加する良好な信号は提供されない。これにより、エンジン制御と較正が非常に難しくなるので、安全余裕度を維持するようにより低い置換率で運転するのが普通である。こうした挙動は、筒内圧力変動を生成するディーゼル燃焼プロセスによるものである。

用語「ノック」は、歴史的に、火炎前端の外側での可燃性ガス混合気の圧縮及び加熱による「自己着火」現象に概ね関連する「制御されない燃焼」を意味するように広く用いられてきた。制御された燃焼は、火炎の伝播に関連する燃焼質量分率の規則的な進行として特徴付けられるだろう。古典的なノックは、火炎から生ずる圧力と温度に起因して火炎の前方のエンドガスが自己着火するときに発生するであろうが、これは火炎の中でのことではない。自己着火すると気筒全体に圧力波が送られ、これが高周波圧力振動及び潜在的な振動ノイズとして検出される。

制御されない燃焼は、放熱速度の不連続な突然の増加により特徴付けることができ、この放熱速度の突然の増加は圧力のトレース形状に現れるが、高周波圧力振動を誘発する場合としない場合とがある。制御されない燃焼が発端から激しいノックまで漸進的に激しさを増し、制御作用に十分な時間がある、火花点火エンジンとは異なり、二元燃料エンジンでの「制御されない燃焼」の開始は突然であり単調ではない。この「制御されない燃焼」が生じたとき、手遅れになるまでずっと筒内圧力に基づく又は振動に基づくノックセンサ信号で高周波振動が観測される、とは限らない。

置換率がある点を超えると共に、振動ノックの特徴（特徴的な性質）は減少していくことが分かった。エンジンが、過剰なガス置換率、ガス品質の変化、又は他の悪影響に抗する保護のためにノックに依存している場合、安全なエンジン運転を維持しつつ信号フィードバックを漸進的に増やして置換を最大化する堅牢な制御システムが必要である。

これを達成するための、制御されない燃焼の進行を正確に予測できる圧力と放熱指標との数学的な組み合わせを監視し、最終的な制御作用経路を提供する、制御されない燃焼を検出する新たなアプローチについて述べる。このアプローチにより、置換率は最大化され、ディーゼル二元燃料エンジンを、望ましい安全余裕度に維持できる。

様々な速度と負荷とで置換率を変える試験を実施し、ディーゼル二元燃料エンジンで見ることができる様々な燃焼モードを示すことができた。このデータを用いて、二元燃料エンジンの制御されない燃焼を検出する良好なアプローチを特定し、用語「燃焼強度（ＣＩ）」を提案する。ここで述べる燃焼強度指標は、燃焼サイクルと同時に筒内圧力の直接監視に基づいているので、燃焼状態の連続的に増加する測定値を配送して良好な制御性与える一方、制御されない燃焼に抗する保護を改善する。

先に述べたように、二元燃料エンジンにおいて、従来の周波数に基づく検出アプローチは激しい燃焼事象を検出できるが、その激しさに相関する連続的に増加する良好な信号を提供しない。このことは、エンジン制御及び較正を非常に難しくし、通常は、より低い置換率を推して安全余裕度を維持する。ガス置換率が低い場合、ディーゼルの自己着火は筒内に圧力変動を生成するので、ディーゼル燃焼プロセスが支配的になる。ガスが新気に追加されると、ディーゼル発火燃焼の強度が増加する－ガスはディーゼル始動燃焼の効果を増幅する。ただし、置換率が特定点を超えると、燃焼によりモードが「ディーゼル様」から「予混合ガス様」へ移行するにつれて振動ノックの特性が減少し、ガス置換を追加すると周波数に基づく成分が減少し始める。エンジンが過剰なガス置換率、ガス品質の変化、又は他の悪影響に抗する保護のために振動に基づくノックセンサに依存している場合、安全なエンジン運転を維持しつつ置換を最大化するために信号フィードバックを連続的に増加させる堅牢な制御システムが必要である。この問題を解決するには、二元燃料エンジンの制御されない燃焼を検出する新しいアプローチが必要である。

ここで述べる解決策の一例は、エンジンが少なくとも１つの筒内圧力センサを含み、以下の燃焼指標、すなわち、ピーク圧力、ピーク圧力の位置、圧力上昇率、圧力変動、変動の位置、燃焼期間、及び放熱の勾配、放熱速度の幾何中心の位置、最大放熱速度の位置、が、エンジンの運転と同時に、場合によっては、リアルタイムで計算される。場合によっては、これらの指標を一緒に用いて、制御されない燃焼にエンジンがどれだけ近いかを特定する。この特定に基づいて、安全な運転を維持しつつエンジンをより高い置換率に持っていくことが許容される。

二元燃料ガス／ディーゼル燃焼での最たる要求は、ここでは、ガス燃料を既存のディーゼルエンジンに添加することであるが、今あるエンジンの圧縮比、弁タイミング、及びピストンは変更されず、この方法はマイクロパイロットを含むすべての二元燃料ガス／ディーゼルエンジンに適用される。ガスは、通常、天然ガス、プロパン、又はバイオガスで構成され、単一ポイント－このポイントでガスがいぶされて吸気システムに導入される－又は、吸気弁の近傍にポート噴射されて吸気システムに導入される。場合によっては、二元燃料とは、今あるディーゼルエンジンの燃焼室への天然ガスの連続的な添加を指すであろう。ガス置換率が増加すると、ディーゼルエンジンは目標負荷を維持するために、等しいエネルギー比でディーゼル燃料量を減らすことにより「支配」するであろう。

先ず、図１Ａを参照すると、本開示の態様で使用できる例示のエンジンシステム１００が示されている。エンジンシステム１００には、エンジン制御ユニット１０２、空気／燃料モジュール１０４、点火モジュール１０６、及びエンジン１０１（ここでは往復エンジンとして示されている）が含まれる。図１Ａは、例えば内燃エンジン１００を示す。本開示の目的のために、エンジンシステム１００を、気体燃料の往復ピストンエンジンとして説明する。場合により、エンジンは天然ガス燃料で作動する。エンジンは、燃料の種類（気体、液体（例えば、ガソリン、ディーゼル、及び／又はその他）、同相若しくは混合相の多種燃料、及び／又は別の構成）、並びに、エンジンの物理的構成（往復、バンケルロータリ、及び／又はその他の構成）の両方において、任意の別の種類の燃焼エンジンであってもよい。エンジン制御ユニット１０２、空気／燃料モジュール１０４、及び点火モジュール１０６は別々に示されているが、モジュール１０２、１０４、１０６は、単一のモジュールに結合されても、他の入力及び出力を有するエンジンコントローラの一部であってもよい。

往復動エンジン１０１は、エンジン気筒１０８、ピストン１１０、吸気弁１１２、及び排気弁１１４を含む。エンジン１０１は、１つ以上の気筒１０８（図１Ａには１つのみ示す）を有するエンジンブロックを含む。エンジン１００は、気筒１０８、ピストン１１０、及びヘッド１３０によって形成される燃焼室１６０を含む。スパークプラグ１２０又は直接燃料噴射装置又は予燃焼室はヘッド１３０内に配置され、このヘッド１３０は点火装置が可燃性混合気にアクセスできるようにしている。一般に、用語「スパークプラグ」は、直接燃料噴射装置及び／又はスパークプラグ又は予燃焼室内の他の点火装置を指すことがある。スパークプラグの場合、スパークプラグ１２０のスパークギャップ１２２は燃焼室１６０内に配置される。場合によっては、スパークギャップ１２２は、小さなスペースの間に２つ以上の電極を配列している。電流が電極の１つに印加されると、電極間の小さなスペース（つまり、スパークギャップ）を埋める電気アークが生成される。レーザ点火器（イグナイタ）、高温表面点火器、及び／又はさらに他の種類の点火器を含む、他の種類の点火器を用いることができる。各気筒１０８内のピストン１１０は、上死点（ＴＤＣ）位置と下死点（ＢＤＣ）位置との間を移動する。エンジン１００は、ピストン１０８が各気筒１０８内のＴＤＣ位置とＢＤＣ位置との間を移動し、クランクシャフト１４０を回転させるように、各ピストン１１０に接続されたクランクシャフト１４０を含む。ＴＤＣ位置は、燃焼室１６０が最小容積となるピストン１１０の位置（すなわち、スパークプラグ１２０及び燃焼室１６０の上部に最も近いピストン１１０の位置）であり、ＢＤＣ位置は、燃焼室１６０が最大容積となるピストン１１０の位置（すなわち、スパークプラグ１２０及び燃焼室１６０の上部から最も遠いピストン１１０の位置）である。

気筒ヘッド１３０は、吸気通路１３１及び排気通路１３２を画成する。吸気通路１３１は、空気又は空気と燃料との混合気を、吸気マニホールド１１６から燃焼室１６０に導入する。排気通路１３２は、燃焼室１６０からの排気ガスを排気マニホールド１１８に導入する。吸気マニホールド１１６は、吸気通路１３１及び吸気弁１１２を通って気筒１０８に連通する。排気マニホールド１１８は、排気弁１１４及び排気通路１３２を介して気筒１０８から排気ガスを受け容れる。吸気弁１１２及び排気弁１１４は、電子的、機械的、液（油）圧的、又は空圧的に制御される各気筒の弁駆動組立体を介して、又はカムシャフト（不図示）を介して制御される場合がある。

各気筒１０８内のＴＤＣ位置とＢＤＣ位置との間のピストン１１０の動きが、吸気行程、圧縮行程、燃焼又は動力行程、及び排気行程を画成する。吸気行程は、吸気弁１１２が開いていて、燃料／空気混合気が吸気通路１３１を介して燃焼室１６０に引き込まれている状態を伴う、スパークプラグ１２０から離れるピストン１１０の動きである。圧縮行程は、燃焼室１６０内に空気／燃料混合気があって吸気弁１１２及び排気弁１１４の両方が閉じられている状態でピストン１１０がスパークプラグ１２０へ向けて動くものであり、これによりピストン１１０の動きが燃焼室１６０内の燃料／空気混合気の圧縮を可能にする。燃焼又は動力行程は、燃焼行程後にスパークプラグ１２０がスパークギャップ１２２にアークを生成することにより燃焼室内の圧縮燃料／空気混合気に点火したときに生じる、ピストン１１０がスパークプラグ１２０から離れる動きである。点火された燃料／空気混合気は燃焼し、燃焼室１６０内の圧力を急速に上昇させ、ピストン１１０がスパークプラグ１２０から離れる動きに膨張力を加える。排気行程は、燃焼行程の後、ピストン１１０が排気通路１１８を介して燃焼ガスを排気マニホールド１１８へ排出できるように排気弁１１４が開いた状態で、スパークプラグ１２０へ向けてピストン１１０が動くものである。

エンジン１００は、燃料を吸気マニホールド１１６へ又は直接に燃焼室１６０へ向けるための、燃料噴射器、ガス混合器、他の燃料供給装置などの燃料供給装置１２４を含む。場合によっては、エンジン１００は、燃焼室１６０への２つの燃料源を有する二元燃料エンジンである。

場合によっては、エンジンシステム１００は、ピストン／気筒を持たない別の種類の内燃エンジン１０１、例えばバンケルエンジン（つまり、燃焼室内のロータ）、を含むことができるだろう。場合によっては、エンジン１０１は、各燃焼室１６０に２つ以上のスパークプラグ１２０を含む。

エンジン運転中、すなわち、燃焼室１６０での燃焼事象の間、空気／燃料モジュール１０４は、吸気マニホールド内の流入空気の流れに、燃焼室１６０へ入れる前に、燃料を供給する。スパークモジュール１０６は、スパークギャップ１２２のアーク生成のタイミングを調整することにより、燃焼室１６０内の空気／燃料の点火を制御する。スパークギャップ１２２のアークは、ピストン１１０の連続する各圧縮行程と燃焼行程との間の一連の点火事象の間に燃焼室１６０内の燃料／空気混合気の燃焼を開始する。各点火事象中に、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１２０の一次点火コイルに電力を供給する。空気／燃料モジュール１０４は、燃料噴射装置１２４を制御し、場合によってはスロットル弁１２６を制御して、目標比の空気と燃料をエンジン気筒１０８へ送る。空気／燃料モジュール１０４は、エンジン制御モジュール１０２からフィードバックを受け、空燃比を調整する。スパークモジュール１０６は、スパークプラグと電気的に結合されて電源から電流が供給される点火コイルの作動を制御することによって、スパークプラグ１２０を制御する。ＥＣＵ１０２は、以下に開示する本システムの態様に加えて、エンジン速度及び負荷に基づいてスパークモジュール１０６の作動を調整する。

場合によっては、ＥＣＵ１０２は、ＥＣＵ１０２のプロセッサによって実行される統合ソフトウェアアルゴリズムとしてスパークモジュール１０６及び燃料／空気モジュール１０４を含み、それによって、エンジン全体に配置できる１つ以上のセンサ（不図示）から受信した入力に応じて、単一のハードウェアモジュールとして、エンジンを運転する。場合によっては、ＥＣＵ１０２は、燃料／空気モジュール１０４及びスパークモジュール１０６の前述した運転に対応する別々のソフトウェアアルゴリズムを含む。場合によっては、ＥＣＵ１０２は、燃料／空気モジュール１０４及びスパークモジュール１０６の前述した機能の実施又は制御を支援する個々のハードウェアモジュールを含む。例えば、ＥＣＵ１０２のスパークモジュール１０６は、スパークプラグ１２０の点火コイルへの配電を調整するためのＡＳＩＣを含むかもしれない。エンジン１００の運転パラメータを監視するための複数のセンサシステムがあり、これらセンサシステムには、例えば、クランクシャフトセンサ、エンジン速度センサ、エンジン負荷センサ、吸気マニホールド圧力センサ、筒内圧力センサなどを含んでもよい。一般に、これらのセンサは、エンジンの運転パラメータに応じて信号を生成する。例えば、クランクシャフトセンサ１７１はクランクシャフト１４０の角度位置を読み取り、これを示す信号を生成する。例示の実施の形態では、高速圧力センサ１７２は、エンジン１００の運転中に筒内圧力を測定する。センサ１７１、１７２は、感知を促進するためにＥＣＵ１０２へ直接に接続するかもしれないし、又は、場合によっては、１つ以上のセンサから高速データを取得するように構成されたリアルタイム燃焼診断及び制御（ＲＴ－ＣＤＣ）ユニットに統合され、低速データ出力をＥＣＵ１０２へ提供する。場合によっては、ここで述べる点火制御は、ＥＣＵ１０２及びスパークモジュール１０６の作動を提供するスタンドアロン点火制御システムである。センサは、ＥＣＵ１０２又はＲＴ－ＣＤＣなどの制御モジュールの１つに統合することができる。他のセンサも可能であり、ここで述べたシステムは、上記のエンジン運転パラメータの感知を容易にするために、複数のそのようなセンサを含んでもよい。

図１Ｂは、図１Ａに示すエンジンシステム１００のエンジン制御システム２００の概略図である。図１Ｂは、エンジン１０１を制御するように構成された、エンジン制御システム２００内のＥＣＵ１０２を示す。上述のように、高速圧力データ２７２は複数の圧力センサ１７２によって生成され、複数の圧力センサ１７２は燃焼室へ直接アクセスするようそれぞれ取り付けられている。圧力信号２７２は、高いクランク同期速度で、例えば、０．２５度の分解能又はエンジン１０１のサイクルあたり２８８０サンプルで、取り込まれる。この合成クランク角信号は、低分解能のクランク位置信号から生成される。例えば、典型的なクランク角エンコーダ１７１は、クランクを備えていて回転するディスク上の歯のエッジの通過を感知することによりクランク角信号２１５を生成し、クランク位置の分解能は歯の数に基づく。典型的な６０－２歯ホイールの分解能は６度である。ただし、場合によっては、補間法を用いてエッジ間のスペースでクランク角を特定する。したがって、エッジ間の間隔は、以前に観察された歯の周期を、望ましい角度サンプリング分解能を達成するために必要なエッジの数で除したものを用いる。平均エンジン速度が一定の場合であっても見られるクランク歯間のわずかな変動を考慮して、エンコーダシステムは各エッジで再同期される。

場合によっては、結果として得られた高分解能圧力信号２７２は、リアルタイム燃焼診断及び制御（ＲＴ－ＣＤＣ）２１１モジュールの燃焼診断ルーチンに用いられ、以下詳細に検討するように、気筒ごと、サイクルごと、例えばＩＭＥＰ、Ｐ_ｍａｘ、ＣＡ５０、燃焼品質、及び燃焼強度における燃焼診断２１８を生成する。その後、指標２１８は、フィードバック信号としてＥＣＵ１０２に用いられてエンジン制御アクチュエータ設定２１９を調節することによって主要な燃焼性能特性を調整する。

図１Ｃは、ここに開示するシステム及び方法の態様を有するように構成された例示のエンジン制御ユニット１０２のブロック図である。例示のエンジン制御ユニット１０２は、プロセッサ１９１と、メモリ１９２と、記憶デバイス１９３と、１つ以上の入力／出力インタフェースデバイス１９４とを含む。構成要素１９１、１９２、１９３、及び１９４のそれぞれを、例えばシステムバス１９５を用いて相互接続することができる。

プロセッサ１９１は、エンジン制御ユニット１０２内で実行する命令を処理することができる。ここで用いる用語「実行」は、プログラムコードによってプロセッサが１つ以上のプロセッサ命令を実行する技術を指す。実施によっては、プロセッサ１９１はシングルスレッドプロセッサである。実施によっては、プロセッサ１９１はマルチスレッドプロセッサである。プロセッサ１９１は、メモリ１９２又は記憶デバイス１９３に格納された命令を処理することができる。プロセッサ１９１は、燃焼強度の計算などの操作を実行するかもしれない。

メモリ１９２は、エンジン制御ユニット１０２内で情報を格納する。実施によっては、メモリ１９２はコンピュータ読み取り可能媒体である。実施によっては、メモリ１９２は揮発性メモリユニットである。実施によっては、メモリ１９２は不揮発性メモリユニットである。

記憶デバイス１９３は、エンジン制御ユニット１０２に大記憶容量を提供できる。実施によっては、記憶デバイス１９３は、非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体である。様々な異なる実装において、記憶デバイス１９３は、例えば、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス、ソリッドステートドライブ、フラッシュドライブ、磁気テープ、又は他の何らかの大容量記憶デバイスを含むことができる。入力／出力インタフェースデバイス１９４は、エンジン制御ユニット１０２に入力／出力操作を提供する。実施によっては、入力／出力インタフェースデバイス１９４は、筒内圧力センサ１７２、クランク角センサ１７１、又は他のエンジンセンサを含むことができる。

実施例によっては、エンジン制御ユニット１０２は単一の集積回路パッケージ内に含まれている。この種のエンジン制御ユニット１０２は、プロセッサ１９１と１つ以上の他のコンポーネントとの両方が単一の集積回路パッケージ内に含まれている、及び／又は単一の集積回路として製造されており、マイクロコントローラと呼ばれることもある。実施によっては、集積回路パッケージは、入力／出力ポートに対応するピン、例えば、１つ以上の入力／出力インタフェースデバイス１９４との間で信号を通信するために用いることができるピン、を含む。

ここで述べる概念の特定の態様は、サイクルごとの筒内の圧力情報も、以下のアルゴリズムも、収集及び処理する機能を包含する。
(I) ピーク圧力－１つの事象中の最大燃焼圧力
(II) 圧力上昇率－燃焼中の最大圧力上昇率
(III) 圧力変動－デルタＰの合計、「圧力ベースのノック指数」としても既知である
(IV) 燃焼期間－ＣＡｘ１とＣＡｘ２との間のクランク角度
(V) 放熱の勾配－燃焼プロセスの後半と比較した前半の燃焼プロセスの特定
(VI) ピーク圧の位置
(VII) 変動の位置
(VIII) 放熱速度の幾何中心の位置
(IX) 最大放熱速度の位置

本開示の特定の態様では、エンジンを最大ガス置換まで安全に運転するために制御ループで用いることができる燃焼強度の数値を特定するために、上記に挙げた燃焼指標を用いる。二元燃料エンジンで見られる多くの異なるケースに対応するために、これらすべての指標が必要である。

ここで開示する実現可能技術の一例は、放熱変化アルゴリズムであり、燃焼期間でもある。放熱の変化は、燃焼が加速する変曲点を正確に特定できるように、静的又は動的に特定できる。

以前は、二元燃料エンジンでは、振動センサが用いられていたが、これらのセンサが検出できるのは、極端な自己着火に起因する激しいノックだけであった。従来の解決策では、デトネーション（異常爆発）を検出するために、加速度計を用いて周波数と振幅を特定していた。しかし、従来の解決策は、二元燃料エンジンではうまく機能しない。これは置換率が高くなると信号が減少するからである。そのため、制御されない燃焼への近さを把握することが非常に難しくなる。より高い置換率が要求される場合、コントローラが働き出すための閾値は、通常の二元燃料燃焼中の最高信号よりも大きくなければならない。安全なエンジン運転を維持するために、ノックの閾値は最高強度よりも低くすべきだが、図２に示すように許容置換率が制限されることになる。図２は、以下でより詳細に検討するように、例示のエンジンにおけるガス置換の関数として処理された加速度計の検出結果のプロット図である。この技術は、特定の二元燃料モードでディーゼル燃焼変動が信号をわかりにくくするため、また、後に高ＧＳＲですべての周波数成分が消失する場合に、特に二元燃料燃焼では機能せず、制御されない燃焼に対する安全余裕度の明確な指示を提供しない。燃焼状態を取り込むことができる、より堅牢な検出方法が必要である。これを念頭に置いて、燃焼強度（ＣＩ）指標を策定した。

本開示の特定の態様は、置換率が増加し続けるにつれて、増加する検出信号を与えるように特定の組み合わせで用いることができるエンジン指標を計算するための直接筒内圧力計測方法の使用に関する。これにより、エンジンが、制御されない燃焼にどれだけ近いかを把握しながら、エンジンコントローラが最大限の置換を実現し、安全なエンジン運転を維持できる。ＣＩ指標の一例は、放熱速度及び圧力上昇率の指標の加重和で表されるが、圧力変動やピーク圧力などの古典的な指標も含まれる。場合によっては、ＣＩは、多項式、加重和、指数若しくはべき法則の合計、又は非線形関数、ＣＩ＝関数（ピーク圧力、圧力上昇率、圧力変動、燃焼期間、放熱の変化速度、ノック指数）など、上記で特定したパラメータのいずれかの数学的な組み合わせである場合がある。

一例の燃焼強度指標は、以下の式１に示すようなパラメータの線形和として表される。

式１：
ＣＩ＝（ａ１・ピーク圧力）＋（ａ２・圧力上昇率）＋（ａ３・圧力変動）＋（ａ３・燃焼期間）＋（ａ４・放熱の変化速度）＋（ａ５・ノック指数）

このＣＩ指標は、圧力に基づく情報及び放熱情報を用いるので、従来の振動に基づく検出の制限はない。場合によっては、ＣＩ指標は、圧力指標、放熱指標、及び古典的なノック指標の合計である。

場合によっては、ＣＩ指標には、エンジンの機械的制限の知見を用いて簡単に調整できる実用的なエンジン制限が組み込まれている。場合によっては、このＣＩ指標には、二次的な安全対策を講じるために、古典的なノック検出とピーク圧力制限も組み込まれている。ＣＩ指標は、実験室での較正中に圧力トレースで観察できる燃焼の定性的な感覚と良く相関する。図６に示す燃焼強度指標は、ガス置換の増加につれて、３０％から９４％まで徐々に増加する。以下の実施例１でより詳細に検討する図６は、ガス置換の関数として燃焼強度指標の結果を示し、制御されない燃焼への近さの尺度として燃焼強度指標対古典的ノック強度指標を示す。明確な線形制御作用経路を設定して、制御されない燃焼から望ましい安全余裕度を維持しながらガス置換を最大化するようにコントローラを目標にすることができる。場合によっては、燃焼強度指標は、制御されない燃焼にエンジンがどれほど近くで作動しているかを記述する（又は特定するために用いられる）。これにより、例えば、制御されない燃焼を起こさずに燃焼強度指標を用いてＧＳＲの増加を制御することによって安全なエンジン運転を維持しながらＧＳＲを増加させることによって、安全な運転を維持しながらエンジンをより高い置換率へ持っていくことができる。燃焼強度指標は、制御されない燃焼の可能性と共にＣＩ指標が増加するため、例えば、現在の燃焼状態のより正確な「画像」を提供することにより、この安全な増加を可能にする。したがって、エンジン制御でＣＩ指標を用いると、例えば、目標ＣＩ値を選択し、制御ループでＣＩ指標を用いて目標ＣＩ内のＧＳＲを最大化できる。場合によっては、ＣＩ指標は較正要件を軽減する。

本開示の態様により、制御されない燃焼（デトネーション）は、従来の時間に基づく周波数領域においてもはや考慮されなくなるが、代わりに、実際のエンジン制限に基づく直接的な筒内圧力情報から考慮される。各態様により、置換率の高い二元燃料エンジンが損傷するリスクを軽減できる。燃焼強度指標が既知の機械的エンジン制限を用いるので、制御されない燃焼を検出するための較正努力は大幅に削減される。また、例示の実施では、安全余裕度を取り入れることなく、常に最大の置換制御によりエンジンを運転することができるので、二元燃料エンジンオペレータに対して、はるかに優れた価値を提案することになる。

振動に基づく検出による例示の改善は、燃焼と同時に発生する放熱を取り込むことである。以下の実施例１で詳しく検討するが、図７に示す、ガス置換率（ＧＳＲ）０％、６０％、及び９０％の平滑化された放熱トレースのプロット図に見られるように、これが天然ガスを添加する主たる効果である。天然ガスが添加されると、従来のディーゼル予混合スパイクが減少し、その後、６０％では非常に活動的な放熱速度に進む。これを監視して燃焼強度の現在の状態を把握することができる。ＧＳＲが９０％以上になると、燃焼は完全にガス支配となり、エンジンは火花点火エンジン又はマイクロパイロット着火ガスエンジンのように振舞う。

ＣＩ指標は、以下の実施例に見られるように、燃焼状態の進行尺度であり、かつ、制御されない燃焼への近さを表す良好な指針である。

実施例１

ディーゼルと天然ガスの二元燃料エンジンの元であるディーゼル燃焼特性に対するガス添加の影響に関して研究を行い、元であるディーゼルエンジンの元からのエンジンの圧縮比は変更しなかった。この研究で用いた二元燃料エンジンの仕様を表１に示す。ウッドワード（Ｗｏｏｄｗａｒｄ）ノックセンサ（ＷＬＥＫＳ）及びキスラー（Ｋｉｓｔｌｅｒ）６０５８Ａ圧電式筒内圧力センサを用いて、２００ｋＨｚでサンプリングしたデュートロン（Ｄｅｗｅｔｒｏｎ）燃焼アナライザで、制御されない燃焼を記録した。化学エネルギー分割計算を用いてディーゼルの代わりにガスを用いる前に、エンジンはＩＭＥＰ及びＭＡＴの１００％ディーゼルを目標とする設定値で常に安定した運転状態になった。エンジンが作動している速度負荷マップの位置に応じて、ディーゼル燃料を上死点の前に２度から８度の間で噴射した。ガス置換率（ＧＳＲ）を１０％刻みで増やし、異なる速度と負荷ポイントで繰り返した。以下の図（図２乃至図１１）に示すデータは、３００燃焼サイクルにわたって平均化されている。この研究で用いた天然ガスのメタン価は約８２で、メタンが８４％、エタンが９％、プロパンが１％であった。

図３に、１０ｂａｒ（１ＭＰａ）のＩＭＥＰ及び１４００ｒｐｍで取り込まれた生の筒内圧力及び振動ノックのトレースの例をプロットする。図３は、１４００ｒｐｍ及び１０ｂａｒのＩＭＥＰでの、０％のガス置換率３０１（ＧＳＲ）、６０％のガス置換率３０２（ＧＳＲ）、及び９０％のガス置換率３０３（ＧＳＲ）での筒内圧力及び振動トレースのプロット図である。図３では、０％ガス（１００％ディーゼル）運転で、目に見える圧力変動（ディーゼル燃焼）が見られる。ガスがＧＳＲ０％から３０％に増加すると（不図示）、全体的な燃焼は初期では落ち着いているが、ディーゼル燃焼が依然として支配的である。さらに６０％まで増加したものが（第２の曲線）、振動センサ及び筒内圧力センサの両方で検出されるノック周波数成分の増加と共に、ノイズの多いディーゼル・ガス燃焼のゾーンが示されている。これは図２で見ることができ、圧力と振動のノック強度は６０％ＧＳＲで最大に達する。ＧＳＲ９０％の場合、振動信号は最も落ち着いている（第３の曲線）。

図４は、ガス置換比に対する振動及び圧力ノック強度のプロット図である。図３及び図４は課題を示している。すなわち、この運転ポイントでは、振動ノックの特性の強度はＧＳＲ０％から６０％において増加し、これも図４に捉えられている。しかしその後、逆に、置換９０％で最低値まで減少する－その直前には非常に激しい燃焼ノックを見て取れる（及び図２に示されているが、３００サイクル以上は記録不能）。ガス置換が６０％から８５％にまで増加すると、燃焼後半ではガス燃焼がますます支配的になる。このフェーズでは、図４に見られるように、すべての周波数成分が消える。圧力変動又はノックのスペクトル成分の古典的な取り組みでは、ノック又は制御されない燃焼への接近を検出することが困難である。このことにより、制御されない燃焼の近くでエンジンが作動する場合、閉ループ制御を正確に実行することが困難であるので、エンジンコントローラにとって非常に難しい制御課題が生じる。これは、振動に基づくノックを軽度、中度、重度のノックとして検出でき、重度／激しいノックが発生する前にコントローラがエンジンパラメータを調整できる、火花点火ガスエンジンとは異なる。二元燃料エンジンでは振動センサを用いることができるが、極端な自己着火が存在することに起因する激しいノックをコントローラが検出できるだけである。ノックレベルを単調な範囲に保つために、オープンループテーブル又は、はるかに低い許容ＧＳＲを用いるのが賢明であろう。より高い置換率が要求される場合、コントローラが働き出すための閾値は、通常の二元燃料燃焼中の最高信号よりも大きくなければならない。安全なエンジン運転を維持するために、ノックの閾値は最高強度よりも低くすべきだが、図２に示すように許容置換率が制限されるだろう。

図５Ａは、ガス置換に対する様々な速度での圧力ノック強度の２次元等高線図であり、図５Ｂは、ガス置換に対する様々な速度での振動ノック強度の２次元等高線図である。図５Ａ及び図５Ｂは、非単調かつ非線形傾向を示す。このことから、全体に行き渡る堅牢な制御を設計するのが難しいことが分かる。圧力ノック強度及び振動ノック強度の技術は、特定の二元燃料モードでディーゼル燃焼変動が信号をわかりにくくするため、また、後に高ＧＳＲですべての周波数成分が消失する場合に、二元燃料燃焼では機能せず、制御されない燃焼に対する安全余裕度の指示を明らかにしない。

図６は、制御されない燃焼への近さの尺度として、及びガス置換の関数として、古典的なノック強度指標に対する燃焼強度（ＣＩ）の効果を示すグラフである。本開示のＣＩ指標は、燃焼状態を捉えることのできる堅牢な検出方法である。図６は、ＣＩ指標が制御されない燃焼への近さを表す良い指針を提供することを示しており、場合によっては、ＣＩ指標は燃焼状態の進行尺度である。ＣＩ指標には、エンジンの機械的制限の知見を用いて調整できる実用的なエンジン制限が組み込まれている。実施によっては、上述の式１に示すように、ＣＩは圧力変動やピーク圧力などの古典的な指標を含むことに加えて、放熱速度及び圧力上昇率の指標の加重合計である。場合によっては、このＣＩ指標は、圧力ベースの情報と放熱情報とを用いるので、従来の振動に基づく検出の制限はない。場合によっては、このＣＩ指標には、二次的な安全対策を講じるために、古典的なノック検出及びピーク圧力制限も組み込まれている。実施によっては、ＣＩ指標は、実験室での較正中に圧力トレースで観察できる燃焼の定性的な感覚と良く相関する。

図７は、ガス置換率０％（７０１）、６０％（７０２）、及び９０％（７０３）での平滑化された放熱トレースのプロット図である。振動に基づく検出からの主な改善としては、リアルタイムでの放熱の取り込みである。図７に示すガス置換率（ＧＳＲ）０％、６０％、及び９０％の平滑化された放熱トレースのプロット図に見られるように、これが天然ガスを添加する主な効果である。天然ガスが添加されると、従来のディーゼル予混合スパイクは減少し、その後、６０％では非常に活発な結合放熱速度に向かって進む。これを監視して燃焼強度の現在の状態を知ることができる。ＧＳＲが９０％以上で、燃焼は完全なガス支配となり、エンジンは火花点火エンジン又はマイクロパイロット着火ガスエンジンのように振舞う。

再び図６を参照すると、ガス置換が３０％から９４％まで増加すると共に、ＣＩ指標は次第に増加する。明確な線形制御作用経路を設定して、制御されない燃焼に由来する望ましい安全余裕度を維持しながらガス置換を最大化するためにコントローラを標的にすることができる。この線形性は、図８に示される燃焼強度の２次元等高線図でも見られ、すべての速度にわたり単調な傾向がある。この指標の線形化に役立つＣＩ計算の指標の１つは放熱速度である。というのは、図９に示すように、ガスがより多く添加されるにつれて燃焼期間後半の燃焼が速くなるからである。

図９は、ガス置換に対する全放熱の１０％（９０１）、５０％（９０２）、及び９０％（９０３）の角度位置のプロット図である。図９には、全放熱の１０％、５０％、及び９０％のクランク角位置が示されている。これは、燃焼位相、着火遅延、燃焼割合を知ることに役立つ。ディーゼルがガスに置き換えられたため、噴射開始（ＳＯＩ）とＣＡ５０はこの運転ポイントでは影響を受けず、燃焼位相があまり変化しなかったことを示している。ＣＡ９０とＣＡ５０の間の角度間隔は、ＧＳＲが増加するにつれて急激に減少し、エンドガスのより速い燃焼を示している。さらに、ＧＳＲが０％から７０％に増加すると、ＣＡ１０はわずかに増加して着火遅れが大きくなった。気体が空気に取って代わると酸素濃度が低くなるので、混合気はより濃くなり、着火遅れは長くなる。それに対応して、ガス／空気混合気が濃くなると、エンドガスの自己着火の条件のように非常に短い燃焼期間がはっきりするまで継続して、火炎速度は連続的に増加する。上に示す運転ポイントでは、エンドガスの自己着火条件に達せず、ＧＳＲは９４％に持っていかれ、この時点でディーゼル噴射装置の供給限界に達する。

ＧＳＲを増加させると、図１０及び図１１の圧力と放熱速度のトレースに示すように、圧力に大きな変動があるエンドガスの自己着火につながる。図１０は、クランク角に対するガス置換率０％（１００１）、６０％（１００２）及び９０％（１００３）での筒内圧力のプロット図、図１１は、クランク角に対するガス置換率０％（１１０１）、６０％（１１０２）、及び９０％（１１０３）での平滑化された放熱トレースのプロット図である。図１２はガス置換率（ＧＳＲ）に対する燃焼強度及びノック強度の指標のプロット図であり、激しいエンドガスノックが存在する場合、圧力と振動との両方のノック強度指標が燃焼強度と共に急激に増加することを示す。したがって、振動や圧力変動のスペクトル成分などの周波数に基づく検出技術は、強いノックが発生するまではっきりとは見えないようである。低負荷では、これらの振動又は圧力技術は、傾向が単調ではないため、ノックへの余裕度を明確に特定するのに不十分である。単純な閾値に基づく激しさを特定する場合、この実施例は、高い閾値レベルは、突然発生する可能性のある激しいエンジン損傷ノックの事象のみを捉えるであろうことを示す。激しさを定量化するために低い閾値レベルを用いたとしても、エンジンを、ガス置換５０％～６０％を超えるところまで持っていくべきではない。対照的に、現在のＣＩ指標は、制御されない燃焼に対する保護を改善しながら、燃焼状態の連続的に増加する尺度を提供して制御性を高め、最大安全なガス置換（例えば、最大９５％のガス置換）の増加をもたらす。

実施例２

実施例２では、天然ガスの代わりにプロパンを用いて、ガス品質の影響をシミュレートした。図１３は圧力１３０１、１３０２、１３０３のトレース図、図１４はは平滑化された放熱速度１４０１、１４０２、１４０３のトレース図であり、共に１８００ｒｐｍ、１６ｂａｒ（１．６ＭＰａ）のＩＭＥＰ、及び固定の（全体の）ガス置換率８０％にて、プロパン置換率（ＰＳＲ）を０％から１５％に増加したときのものである。このテストでのディーゼルの寄与は２０％に維持され、プロパンは化学エネルギー分割計算を用いて５％のＰＳＲ単位で天然ガスの代わりに用いられた。プロット図は、プロパンのわずかな割合でさえ、目に見える大きな圧力振動を伴う急激な放熱と圧力上昇率を引き起こしたことを示している。図１５は、プロパンガス置換率（ＰＳＲ）に対するＣＩ（１５０３）及びノック強度指標（１５０１、１５０２）のグラフであり、プロパンが添加されて非常に不安定な燃焼を示すにもかかわらず、ＣＩ指標は依然として信頼性があることを示している。

図１６は、マニホールド空気温度（ＭＡＴ）に対する燃焼強度（１６０３）及びノック強度の指標（１６０１、１６０１）のプロット図である。図１６は、制御されない燃焼への近さの検出における給気の温度又は密度の影響を示す。給気温度の上昇は、着火遅延、筒内温度上昇率、及びエンジンの自己着火傾向に影響を及ぼす可能性がある。１８００ｒｐｍ、１６ｂａｒのＩＭＥＰで、マニホールドの空気温度（ＭＡＴ）が４０℃から６０℃まで上昇するときの各指標が比較されている。その結果、ＣＩ指標のみがＭＡＴに比例して増加し、制御されない燃焼の近さとして確実に用いることができるのに対し、他のノック強度指標は明確な傾向を提供しないことが示されている。

実施例３及び実施例４

ウッドワードの大型エンジン制御モジュール（ＬＥＣＭ）を用いて、実際に組み込まれたＥＣＵでＣＩ指標をテストし、ＡＵＸ（補助の）モジュールを用いてリアルタイムでの燃焼フィードバックを実行できるようにした。燃焼の変化を検出するＣＩ指標の感度を示すために、２つのケースがテストされた。図１７Ａ及び図１７Ｂは最初のテストケースを示し、図１７Ａに示すように、５０％のオフセット及び２０％の振幅でＧＳＲ（１７０１）に対して正弦波が指令された。図１７Ｂは、ＣＩ指標が強度０％から９０％になったときにＣＩ指標が変化によく応答したことを示している。その後、振幅は１０％に減少し、ＣＩ指標はピークで５０％の強度を示した。次に、正弦波が依然として指令されている間に、ガス品質の変化をシミュレートするために１０％プロパン（１７０２）を天然ガスに置き換えた。ＣＩ指標（１７０１）は、より高い強度を示すことで変化を検出したことが分かる。

第２のケースでは、図１８Ａに示すように、マニホールドの空気温度（ＭＡＴ）を約５５℃まで上げ、その後に急冷した。図１８Ｂは、予想通り、ＭＡＴが増加するにつれてＣＩ指標が増加したことを示している。その結果、ＣＩ指標が外乱を非常によく検出することを示している。場合によっては、ＣＩ指標を用いて、定義された制限にエンジンを制御する。ここで開示するＣＩ指標の態様は、較正の量も、二元燃料エンジンに対して考慮する安全余裕度の量も、大幅に減らすことができる。この検出方法により、より高い置換率を達成できるはずである。

図１９は、本開示の例示の態様のフローチャート１９００である。エンジンコントローラ（ＥＣＵ１０２など）は、筒内圧力センサから圧力信号をサンプリングし（ステップ１９１０）、圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態へのエンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算し（ステップ１９２０）、燃焼強度指標の関数としてエンジン制御パラメータを特定し（ステップ１９３０）、エンジン制御パラメータに基づいてエンジンを制御する（ステップ１９４０）。

燃焼強度指標の計算など、本明細書で述べる主題の実施を、１つ以上のコンピュータプログラム製品、すなわち、有形のプログラム担持体へ、エンコードされたコンピュータプログラム命令の１つ以上のモジュールとして実装することができ、有形のプログラム担持体は、例えば、処理システムによる実行のための、又は、処理システムの操作を制御するためのコンピュータ読み取り可能媒体である。コンピュータ読み取り可能媒体は、機械読み取り可能記憶装置、機械読み取り可能記憶基板、メモリデバイス、又はそれらの１つ以上の組み合わせであり得る。

用語「エンジン制御ユニット」は、例として、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、又は複数のプロセッサ若しくはコンピュータを含む、データを処理するためのすべての装置、デバイス、及び機械を含んでもよい。処理システムには、ハードウェアに加えて、対象となるコンピュータプログラムの実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、又はこれらの組み合わせの１つ以上を構成するコードを含むことができる。

コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、実行可能ロジック、又はコードとしても既知）は、コンパイル若しくはインタプリタ言語、又は宣言型若しくは手続き型言語を含む、あらゆる形式のプログラミング言語で書くことができ、スタンドアロンプログラムとして、あるいはモジュール、構成要素、サブルーチン、又はコンピューティング環境での使用に適したその他のユニットなどとして、任意の形式で展開できる。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応する必要はない。プログラムは、他のプログラム又はデータを保持するファイルの一部（例えば、マークアップ言語の文書に格納されている１つ以上のスクリプト）、対象のプログラム専用の単一ファイル、又は複数の調整されたファイル（例えば、１つ以上のモジュール、サブプログラム、又はコードの一部を格納するファイル）に格納することができる。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で、又は１つのサイトに配置されているか若しくは複数のサイトにわたって分散されていて通信ネットワークによって相互接続されている複数のコンピュータ上で、実行されるように展開できる。

コンピュータプログラムの命令及びデータを格納するのに適したコンピュータ読み取り可能媒体には、不揮発性又は揮発性メモリ、媒体及びメモリデバイスのあらゆる形式を含み、例として半導体メモリデバイス、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリデバイス；磁気ディスク、例えば、内蔵ハードディスク又はリムーバブルディスク又は磁気テープ；光磁気ディスク;並びにＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、及びＢｌｕ－Ｒａｙディスクが含まれる。プロセッサ及びメモリを、専用論理回路によって補完するか又は組み込むことができる。

頭字語／略語：
ＡＴＤＣ＝上死点後
ＢＴＤＣ＝上死点前
ＣＡ５０＝５０％の質量分率燃焼の位置（クランク角度ＡＴＤＣ）
ＣＡＮ＝コントローラエリアネットワーク
ＣＯＶ＝変動係数
ＥＣＵ＝エンジン制御ユニット
ＥＧＲ＝排気ガス再循環
ＨＣＣＩ＝均一予混合圧縮着火
ＩＭＥＰ＝図示平均有効圧（ｂａｒ）
ＩＶＣ＝吸気弁閉角度
ＬＴＣ＝低温燃焼
ＭＡＰ＝マニホールド絶対圧力（ｂａｒ）
ＭＡＴ＝マニホールド絶対温度（Ｋ）
ＮＯｘ＝窒素酸化物
ＰＣＣＩ＝予混合圧縮着火
Ｐｌｏｃ＝ピーク圧力の位置（クランク角度ＡＴＤＣ）
Ｐｍａｘ＝最大筒内圧力（ｂａｒ）
Ｒ＆Ｄ＝研究開発
ＲＣＣＩ＝反応度制御圧縮着火
ＲＰＲ＝圧力上昇率（ｂａｒ／クランク角度）
ＲＴ－ＣＤＣ＝リアルタイム燃焼診断及び制御
ＳＯＣ＝燃焼開始（クランク角度ＡＴＤＣ）

多くの実施の形態について述べた。それにもかかわらず、様々な改変を行えるかもしれないことが分かるであろう。したがって、他の実施の形態は以下の特許請求の範囲に包含される。

１００ エンジンシステム
１０１ エンジン
１０２ エンジン制御ユニット
１７１ クランクシャフトセンサ
１７２ 圧力センサ
１９１ プロセッサ
１９２ メモリ
１９３ 記憶デバイス
２１５ クランク角信号
２１８ 指標
２１９ エンジン制御アクチュエータ設定

Claims (18)

1. 内燃のエンジンにおける制御されない燃焼を検出する方法であって：
   筒内圧力センサから、前記エンジンの筒内の測定圧力を表す圧力信号をサンプリングするステップと；
   前記圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態への前記エンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算するステップと；を備え、前記燃焼強度指標は、少なくとも、ピーク筒内圧力、筒内圧力上昇率、筒内圧力変動、燃焼期間、及び放熱の勾配、の関数であり、前記筒内圧力上昇率は燃焼中の最大圧力上昇率であり、
   前記燃焼強度指標の関数として、エンジン制御パラメータを特定するステップと；
   前記エンジン制御パラメータに基づいて、前記エンジンを制御するステップと；を備える、
   方法。
2. 前記内燃のエンジンは二元燃料内燃エンジンを備え、前記エンジン制御パラメータは、前記エンジン制御パラメータと前記燃焼強度指標とのうちの少なくとも一方に基づく第１の燃料と第２の燃料との置換率を含み、前記置換率は前記第１の燃料と前記第２の燃料との合計に対する、前記第２の燃料の割合である、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の燃料はディーゼル燃料であり、前記第２の燃料は天然ガスである、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記燃焼強度指標は、前記筒内圧力センサのサンプリングと同じ燃焼サイクル内で計算される、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記圧力信号に基づいて、圧力指標、放熱指標、及びノック指標を計算するステップを備え、
   前記燃焼強度指標は、前記圧力指標、前記放熱指標、及び前記ノック指標の関数である、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記放熱指標は、前記エンジンの気筒内における燃焼の断熱放熱速度を含む、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記圧力信号に基づいて、以下の燃焼指標：
   ピーク筒内圧力；
   前記ピーク筒内圧力のクランク角；
   前記筒内圧力上昇率；
   前記筒内圧力変動；
   前記筒内圧力変動のクランク角；
   前記燃焼期間；
   前記放熱の勾配；
   前記放熱の幾何中心のクランク角；及び
   最大放熱速度のクランク角；
   のうち少なくとも１つを計算するステップを備える、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記燃焼強度指標は、さらに：
   前記ピーク筒内圧力のクランク角；
   前記筒内圧力変動のクランク角；
   前記放熱の幾何中心のクランク角；及び
   前記最大放熱速度のクランク角；
   のうち少なくとも１つの関数である、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記燃焼強度指標及び前記エンジン制御パラメータのうちの少なくとも一方に基づいて、前記エンジンの、燃料入力信号と、スロットル位置信号と、点火タイミング信号と、を特定するステップを備える、
   請求項１に記載の方法。
10. エンジンシステムの二元燃料内燃のエンジンの運転を制御するコントローラであって、
    前記エンジンシステムは、
    前記エンジンの気筒内の圧力を測定して対応する圧力信号を生成するように構成された圧力センサと、
    前記エンジンのクランク角を測定して対応するクランク角信号を生成するように構成されたクランク角センサとを備え、
    前記コントローラは：
    前記圧力センサと前記クランク角センサとに接続可能なプロセッサと；
    前記コントローラの前記プロセッサに、以下を含む操作、すなわち：
    （ａ） 前記圧力信号をサンプリングすること；
    （ｂ） 前記圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態への前記エンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算し、前記燃焼強度指標は、少なくとも、ピーク筒内圧力、筒内圧力上昇率、筒内圧力変動、燃焼期間、及び放熱の勾配、の関数であり、前記筒内圧力上昇率は燃焼中の最大圧力上昇率であること；
    （ｃ） 前記燃焼強度指標に基づいて、前記気筒に送られる、第１の燃料と第２の燃料との合計に対する前記第２の燃料の割合である置換率を特定すること；及び
    （ｄ） 前記置換率に基づいて前記二元燃料内燃のエンジンを制御すること；
    を実行させるように操作可能な命令を格納する少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体と；を備える、
    コントローラ。
11. 前記第１の燃料はディーゼル燃料であり、前記第２の燃料は天然ガスである、
    請求項１０に記載のコントローラ。
12. 項目（ｂ）及び項目（ｃ）が前記気筒の次のサイクル内で行われる、
    請求項１０に記載のコントローラ。
13. 前記命令は、前記圧力信号に基づいて、圧力指標、放熱指標、及びノック指標を計算するステップを含み、前記燃焼強度指標は、前記圧力指標、前記放熱指標、及び前記ノック指標の関数である、
    請求項１０に記載のコントローラ。
14. 前記放熱指標を計算するステップは、前記エンジンの気筒内における燃焼の断熱放熱速度を計算するステップを含む、
    請求項１３に記載のコントローラ。
15. 前記命令は、前記圧力信号に基づいて、以下の燃焼指標：
    ピーク筒内圧力；
    前記ピーク筒内圧力のクランク角；
    前記筒内圧力上昇率；
    前記筒内圧力変動；
    筒内圧力変動の位置；
    前記燃焼期間；
    前記放熱の勾配；
    前記放熱の幾何中心のクランク角；及び
    最大放熱速度のクランク角；
    のうち少なくとも１つを計算するステップを含む、
    請求項１０に記載のコントローラ。
16. 前記燃焼強度指標は、さらに：
    前記ピーク筒内圧力のクランク角；
    前記筒内圧力変動のクランク角；
    前記放熱の幾何中心のクランク角；及び
    前記最大放熱速度のクランク角；
    のうち少なくとも１つの関数である、
    請求項１５に記載のコントローラ。
17. 前記命令は：
    前記燃焼強度指標及び前記置換率のうちの少なくとも一方に基づいて、前記二元燃料内燃のエンジンの、燃料入力信号と、スロットル位置信号と、点火タイミング信号とのうちの少なくとも１つを特定することと；
    前記燃料入力信号と、前記スロットル位置信号と、前記点火タイミング信号とのうちの少なくとも１つを用いて、前記二元燃料内燃のエンジンを制御することと；を含む、
    請求項１０に記載のコントローラ。
18. エンジンシステムの内燃のエンジンの運転を制御するコントローラであって、
    前記エンジンシステムは、
    前記エンジンの筒内圧力を測定して対応する圧力信号を生成するように構成された圧力センサと、
    前記エンジンのクランク角を測定して対応するクランク角信号を生成するように構成されたクランク角センサとを備え、
    前記コントローラは：
    前記圧力センサと前記クランク角センサとに接続可能なプロセッサと；
    前記コントローラの前記プロセッサに、以下を含む操作、すなわち：
    （ａ） 前記圧力信号をサンプリングすること；
    （ｂ） 前記圧力信号に基づいて、制御されない燃焼状態への前記エンジンの近さの指針である燃焼強度指標を計算し、前記燃焼強度指標は、少なくとも、ピーク筒内圧力、筒内圧力上昇率、筒内圧力変動、燃焼期間、及び放熱の勾配、の関数であり、前記筒内圧力上昇率は燃焼中の最大圧力上昇率であること；
    （ｃ） 前記燃焼強度指標の関数として、エンジン制御パラメータを特定すること；及び
    （ｄ） 前記エンジン制御パラメータに基づいて前記エンジンを制御すること；
    を実行させるように操作可能な命令を格納する少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体と；を備える、
    コントローラ。
    

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