JP2007505247A - 加速度計を用いた内燃エンジン制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

動作中の内燃エンジンから生成された加速度計データセットを処理するための方法が開示される。処理済加速度計データはケプストラルフィルタでフィルタリングされ、放熱トレースが加速度計データセットから引き出される。この放熱トレースは、次いで、エンジン内の燃焼クオリティおよび燃焼遷移の推定、ならびにこの情報を用いた将来の燃焼イベントの制御に使用される。不点火およびノッキング感知も、エンジン制御に組み込まれる。方法は、エンジンの制御を提供し、一般に、加速度計と比べて高価で耐久性が低い直接圧力測定装置を必要とせずに、燃焼をサイクルウィンドウ間で調整することを可能にする。結果として生じる燃料噴射速度は、燃料が燃焼室内の衝撃波を通過するという結果をもたらし、これは一方で、燃焼室内での燃料と吸気チャージの混合を促進することにより、燃料の燃焼を促進する。

Description

本発明は、加速度計を用いた内燃エンジン制御方法および装置に関する。

内燃エンジンは、燃焼クオリティと燃焼開始（ＳＯＣ：start of combustion）をリアルタイムで推定することから恩恵を受けている。いつ燃焼が開始するかを知ることは、エンジン性能の改善を可能にする、将来エンジンサイクルにおけるＳＯＣを調整する制御戦略の提供に役立つ。ＳＯＣの監視または推定の恩恵を大いに受けるエンジンの１つは、予混合された燃料および空気チャージの自動点火に頼るエンジンである。予混合された燃料および空気チャージの自動点火を、ここでは予混合チャージ圧縮点火（pre-mixed charge compression ignition）、すなわちＰＣＣＩと呼ぶ。ＰＣＣＩ燃焼方式には、一般的な拡散または火炎伝播燃焼方式に対して、排気および効率の利益を有する傾向がある。ＳＯＣ推定から恩恵を受ける追加的な燃焼戦略は、ＰＣＣＩ燃焼イベントによって供給されるエネルギを、一般にひとたびＳＯＣが始まると供給される燃料の直接噴射量により補足するエンジンである。この種のエンジンは、予混合チャージ直接噴射（ＰＣＤＩ：premixed charge direct injection）エンジンとして知られている。

一般に、様々な燃料または燃料混合物を、ＰＣＣＩまたはＰＣＤＩエンジンの駆動に用いることができる。例として、気体燃料高圧縮率エンジンは、効率的に作動することができ、このエンジンでは、少量のパイロット燃料（pilot fuel）が、エンジンの圧縮工程の初期に、気体燃料を含む予混合チャージに導入される。パイロット燃料は、予混合気体燃料の自動点火性能を変化させる。パイロット燃料の噴射タイミングおよび量は、ピストンが上死点またはその付近にあるときにチャージが自動点火するように、操作することが出来る。しかしながら、エンジンサイクルの所望の時刻でチャージを自動点火させるのに必要な、パイロット燃料のタイミングおよび量は、経時的に、かつシリンダ間で変化し得る、多くの変数に依存する。例えば、１つのシリンダは他のシリンダより高温で動作することがあり（シリンダ壁を通じた冷却が少なかったり、より多くの残留ガスが閉じ込められたりすることによる）、これにより、他のシリンダと比べて、所望の時刻でチャージを自動点火させるのに必要なパイロット燃料の量は少なくなる。同様に、燃料の量や吸気マニホールド温度の経時的な変化が、固定のＳＯＣの維持のためにパイロット燃料の量とタイミングの調整を強いている。好ましくは、各シリンダにおけるＳＯＣの正確な推定を、フィードバック制御ループにおいて使用し、このループで、パイロット燃料のタイミングまたは量などの制御レバーを用いて、ＳＯＣを目標値に調整する。このようにして、ＰＣＣＩまたはＰＣＤＩは、効率的かつ頑健なやり方で作動されている。

現在、ＳＯＣ制御は、一般的に、燃焼室内の圧力を示す信号の直接測定に頼るアルゴリズムによって提供されている。例えば、特許文献１及び特許文献２は、圧力を示す測定パラメータをＳＯＣと相関させる技術を用いている。そこで、推定ＳＯＣ値を用いて、コントローラが利用可能なレバーを調整し、将来エンジンサイクルにおけるＳＯＣに影響を与えている。即ち、フィードバック制御ループを用いて、測定ＳＯＣと目標ＳＯＣの間の誤差を最小にする。オペレータが目標ＳＯＣを指定する。シリンダ内圧力と接触するダイアフラムの偏向を光学的方法を用いて測定するセンサは、そのような圧力センサの一例である。この種の光学センサは、当該技術分野において教示されている技術に対して、燃焼室から十分に正確な圧力測定値を提供することができる。光学センサまたは他の直接圧力測定器は高価な場合があり、適用に求められる信頼性や頑健性（ロバスト性）が（燃焼室内の苛酷な環境に起因して）欠けている可能性がある。

燃焼室内の圧力の推定に使用できる代わりのセンサは、加速度計である。上記教示された技術を用いて、測定された加速度計データからＳＯＣが推定される。特許文献３、および非特許文献１を参照されたい。加速度計はより安価な傾向があり、現在は直接圧力測定センサよりも信頼性が高くて頑健なので、そのような技術は有用である。
米国特許第６，５９８，４６８号明細書 独国特許第４３４１７９６．５号明細書 米国特許第６，４０８，８１９号明細書 リオン（Lyon）、"トランジェント（遷移）のロバスト（頑健）な処理、ディバベレーション、および検出のためのツールとしてのケプストラル解析（Cepstral analysis as a tool for robust processing, deverberation, and detection of transients）"、機械系と信号処理（Mechanical Systems and Signal Processing）、（１９９２年、アカデミックプレス（Academic Press））６（１）、ｐ．１−１５

しかしながら、特許文献３の欠点は、この技術が、十分に正確でないかもしれない圧力信号の再構築方法に頼っていることである。リオンによって教示されたケプストラルフィルタリングは、特許文献３と共に用いるための圧力信号の提供にも使用することが出来る。しかしながら、リオンによって教示されたケプストラルフィルタリングは、燃焼圧力を再構築する。ＳＯＣと相関する燃焼圧力からパラメータを抽出する方法を開発することは、可能であろう。しかしながら、これらのパラメータの１つは、大きさ（magnitude）である。ケプストラル解析が用いられる場合、大きさは荷重に対して非線形で変化する。標準的な再構築技術は、大きさの荷重に対する線形変化を生じさせる。特許文献２を参照されたい。ケプストラルフィルタリングによって導入される非線形性は、パラメータをＳＯＣと相関させる際に、複雑さを生じさせる。その結果、エンジンの所定サイクルに対する推定ＳＯＣには、多くの誤差が生じ得る。特許文献１で教示されている燃焼制御技術は、燃焼の開始前のシリンダ内圧力の測定と、燃焼の開始後の第２の測定に頼っている。標準的な圧力再構築技術に頼ることは、結果として、燃焼前のシリンダ内圧力を比較的不正確に描くことになる。ケプストラルフィルタリングは、測定圧力の信頼性を向上するが、その際に燃焼圧力の測定を提供する。すなわち、加速度計の使用は、燃焼前のシリンダ内圧力の正確な測定を提供しないかもしれず、よって特許文献１で提案された技術の適用に、問題を生じることがある。

本出願人は、直接測定された圧力を示す信号によって提供される推定値と比較可能なＳＯＣ推定値を供給する、加速度計データを用いる方法および装置を開発することにより、これらの問題点に対応した。

本発明は、上記した短所を、上記の非線形性の影響が減少された放熱トレースの再構築に頼る、サイクル範囲にわたってＳＯＣを推定する方法を利用することによって克服する。エンジン負荷の広範囲にわたるこの再構築信号の大きさにおける変化は、圧力信号の大きさの変化と比較すると、相対的に線形である。

ひとたび推定されると、このＳＯＣ情報を使用して、コントローラが利用可能な複数のレバーの１つを変化させてＳＯＣのタイミングを調整することができ、ＳＯＣの目標タイミングをより近く一致させることに役立つ。

内燃エンジンの燃焼室内での燃料の燃焼を提供する方法が、開示される。方法は、エンジンのサイクルの間に、燃焼室にチャージを導入し、燃焼室内のチャージを圧縮し、燃料を燃焼室に導入し、燃料を燃焼室内で燃焼させて、燃焼室内に配置されたピストンを駆動することを含む。エンジンの少なくとも２サイクルの間に収集された加速度計データセットが、コントローラに供給される。加速度計データセットが処理され、少なくとも２サイクルにわたる放熱速度を示す処理済データセットが生成され、処理済データセットを用いて、燃料に対する所定の目標燃焼開始を用いてＳＯＣ誤差が推定される。ＳＯＣ誤差の大きさが０より大きい場合、エンジンの少なくとも１サイクル向けの燃焼開始レバーが調整され、修正済燃焼開始を所定の目標燃焼開始に向けて駆動する。

方法は、さらに、グロープラグ温度、点火プラグタイミング、パイロット燃料量、パイロット燃料噴射タイミング、吸気マニホールド温度、吸気マニホールド圧力、排気ガス吸気チャージ濃度（exhaust gas intake charge concentration）、パイロット燃力噴射継続時間、および燃料の等量比、のうちの少なくとも１つを含むレバーを開示する。

さらなる実施形態は、ＳＯＣ誤差が、処理済データセットから決定される燃料の推定燃焼開始と、所定の目標燃焼開始との比較から決定されることを含む。
さらなる実施形態は、コントローラが燃焼開始レバーを調整すること、および、第２のコントローラが燃焼開始レバーを調整することを含む。

さらなる実施形態は、エンジンの少なくとも１０連続サイクルおよびエンジンの５〜１５連続サイクルの間から収集される加速度計データセットを含む。
さらなる実施形態は、所定の燃焼開始が、エンジン速度およびブースト圧力のうちの少なくとも１つに基づくこと、および、ケプストラルフィルタが処理済データセットを供給するために加速度計データセットに加えられることを含む。

開示される方法は、処理済データのピーク値、処理済データのピーク値に関連するクランク角、および、少なくとも２サイクルにわたる変化に関連するブースト圧力を用いて決定される推定燃焼開始を提供する。

さらなる実施形態は、処理済データの勾配値を用いて決定される推定燃焼開始を含み、勾配値は、勾配値向けの関連クランク角からピーククランク角よりも早く決定される。また、ノッキング測定の選択に使用される加速度計データセットが開示され、ノッキング測定を用いて、エンジンの後続サイクルにおける燃焼速度が制御される。

さらなる実施形態は、加速度計データセットから不点火測定を選択することを含み、不点火測定を用いて、エンジンの後続サイクルにおける燃焼が制御される。
さらなる実施形態は、動作中の内燃エンジンの燃焼室内の燃焼クオリティを決定することを含み、エンジンのサイクルの間に、燃焼室内での燃焼挙動を示すデータを測定することが可能なエンジンに配置された加速度計によって提供される加速度計測定値から加速度計データセットが生成され、加速度計データセットを処理して、エンジンのサイクルの間の燃焼室内の放熱速度を示す処理済データセットが再構築され、処理済データセットの特性が所定の所望データセットの特性と比較され、燃焼クオリティの指標が提供される。

さらなる実施形態は、加速度計データセットからの処理済データセットの再構築に適切な変換関数を計算すること、および、ケプストラルフィルタを加速度計データセットに加えて処理済データセットを生成することを含む。

さらなる実施形態は、処理済データからのピーク値を、所定の所望データセットからのピーク値と比較し、上記したように燃焼クオリティの指標を提供することを含む。
さらなる実施形態は、内燃エンジンの燃焼室内での燃焼開始を推定する方法を含み、この方法では、エンジンのサイクルの間に燃焼室にチャージを導入し、燃焼室内のチャージを圧縮し、燃料を燃焼室に導入し、燃焼させて、燃焼室内に配置されたピストンを駆動し、サイクルの間に燃焼室内の物理的条件を示すデータセットを提供する。エンジンの対応するサイクルから少なくとも２つのデータセットが収集され、処理されて、エンジンの対応するサイクルにわたる放熱速度を示す処理済データセットが生成される。ケプストラルフィルタは少なくとも２つのデータセットに加えられ、処理済データセットが生成される。処理済データセットの選択された特性の関数である所定の関係から、エンジンの対応するサイクルに対する燃焼開始が推定される。

燃焼開始を推定する方法のさらなる実施形態は、５〜１５の間のデータセットを使用して処理済データセットを生成し、または２０未満のデータセットを使用して処理済データセットが生成される。

燃焼開始を推定する方法のさらなる実施形態は、エンジンの連続サイクルからの少なくとも２つのデータセットを使用し、データセットは、加速度計、光センサ、ひずみゲージおよび圧力センサのうちの少なくとも１つから収集される。

燃焼開始を推定する方法のさらなる実施形態は、ケプストラルフィルタを加える前に、少なくとも２つのデータセットに加えられる平均化フィルタを含む。また、開示される方法は、ピーク値、ピーク値クランク角、ピーク値の所定の一部分におけるクランク角曲線幅、ピーク値の前に見出される立ち上がりクランク角における処理済データの勾配、およびピーク値と幅の比率の少なくとも１つを含む、選択された特性を含む。

燃焼開始を推定する方法のさらなる実施形態は、所定の関係が、

であり、ここでａ_１, … ,ａ_１０は処理済データセットからの定数であり、ｘ（θ_ｐ）はピーク値であり、θ_ｐはピーク値クランク角であり、Ｐは対応するサイクルにわたるチャージに関連するブースト圧力であることを含む。

内燃エンジンの燃焼室内において燃料の燃焼開始（ＳＯＣ：start of combustion）を制御するための方法が、提供される。
図１を参照すると、内燃エンジンでの燃焼開始の制御に用いられる、主題となる方法を規定するフロー図が提供されている。エンジン１００を参照すると、最初に、加速度計信号１０２（ｙ（θ））が、エンジンのサイクルに対する選択されたクランク角度（θ）のウィンドウを通して、加速度計により決定される。これらの値は、アンチエイリアシングフィルタ１０４によって、フィルタリングすることができ、デジタルデータセット１０６に変換され、ウィンドウ化される。クランク角ウィンドウ（θ_ｗ）を、エンジン特性および動作条件に鑑みて、ステップ１１０にて事前に決定することができる。ウィンドウ化されたデータを、クランク角度の同一の選択されたウィンドウを通し、複数のエンジンサイクルにわたって、全体平均化フィルタ１０８によって平均化することができる。帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）１１２を、平均化およびウィンドウ化されたデジタルノッキング信号（ｙ（θ）_ａｖｇ）に加えることができ、結果として帯域通過信号（ｙ（θ）_ｂｐ）が生じる。ウィンドウおよび帯域通過フィルタは、信号のデジタル化の前に加えてもよいことに留意されたい。

フィルタリングされた信号ｙ（θ）_ｂｐを用いて、再構築された放熱速度（ｘ_ｃｆ（θ））１１６を展開することができ、この放熱速度から、１２０にてＳＯＣの推定値（ＳＯＣ_ｅｓｔ）が決定される。ケプストラルフィルタリング（cepstral filtering）からのｘ_ｃｆ（θ）の生成、およびｘ_ｃｆ（θ）を供給するためのｙ（θ）_ｂｐの再構築を、以下により詳細に述べる。また、関数ｆ（ｘ_ｃｆ（θ_ｐ），θ_ｐ，Ｐ）（ここで、Ｐは考慮されるサイクルのブースト圧力）からのＳＯＣ_ｅｓｔの生成を、以下にさらに述べる。

フィルタリングされたＳＯＣ_ｅｓｔ（ＳＯＣ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ}）１３２を、複数のＳＯＣ推定値（例えば５〜２０の推定値）に対して、決定することができる。ＳＯＣ_ｅｓｔのための適用に応じて、これは、ＳＯＣが短い時間枠での調整を必要とする場合、例えば、トランジェント（transient）の間、あるいは不点火（misfire）などの異常な燃焼クオリティまたは過剰な放熱が検出されたときなどは、バイパスすることができるステップである。しかしながら、一般的に、ステップ１３２は、追加的な処理のための時間が利用可能である場合、ＳＯＣ推定値における変動性を除去するために有益となり得る。

また、ステップ１０８およびステップ１３２は、それぞれ特定の利点と不利な点を有する、同様の平均化関数を実行することができる。ステップ１０８でなく１３２を選択すると、結果としてより正確となるが、計算効率が低下する。ステップ１３２でなく１０８を選択すると、結果としてより計算効率が高くなるが、正確さが低下する。この適用およびハードウェアは、ステップ１０８または１３２のいずれかあるいは両方を採用するかどうかの決定に役立つ。

ε_ＳＯＣが、ステップ１３４および１３６で見られるような、例えばエンジンブースト圧力および速度から見出される燃焼の開始目標（ＳＯＣ_ｔａｒ）とＳＯＣ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ}との間の差に基づいて、ステップ１３８で見出される。ε_ＳＯＣを、ステップ１４０で使用して、使用されるエンジンのためのＳＯＣ制御に用いられる制御変数における変化ＶＡＲ_ｎを、決定することができる。すなわち、ΔＶＡＲが、ε_ＳＯＣに基づいて、ΔＶＡＲ∝ｆ（ε_ＳＯＣ）として計算される。ステップ１４６において、ΔＶＡＲを用いて、ステップ１４０で計算された変数から生成されるコマンド信号が制御される。変数は、開ループ値ＣＭＤ_ｏｌに比例する。開ループ値は、例えば、エンジン速度およびブーストレベルに基づいて、またはモデルベースの制御アルゴリズムから推定することができる。

さらに、加速度計が存在すると、不点火およびノッキングを直接検出し、ＣＭＤ_ｎを変化させるために使用することもできる。これは、これらのそれぞれが、過剰急速燃焼速度または不点火が発生したかどうかの情報を提供するからである。ＣＭＤ_ｎに対する適切な変更が行なわれる。例えば、過剰急速燃焼速度が検出された場合、ＳＯＣ_ｔａｒは遅らされる。不点火が検出された場合、パイロット燃料量を、問題のシリンダに対して増加させることができる。これに応じて、ＣＭＤ_ｎが、エンジン１００に送られる。

ステップ１１６から決定される燃焼クオリティは、ステップ１４４で加速度計によって直接提供されるものと同様に、ステップ１４７において、不点火または過剰急速放熱の指標を供給することもできる。これもまた、上記したように、ＣＭＤ_ｎの設定または調整に使用することができる。

図２を参照すると、図１からのステップ１１６のケプストラル解析が、さらに考察される。標準的な再構築技術において、測定信号ｙ（θ）_ｂｐが、変換関数ｈ（θ）を用いて所望のソース信号ｘ（θ）に変換される。本適用の目的のためのソース信号は、放熱トレースであるが、圧力トレースなどの、燃焼挙動を示す他の信号とすることもできる。変換関数ｈ_ｃｆ（θ）を、時間および周波数領域の両方において、表すことができる。具体的には、以下のように示すことができる。

ケプストラル再構築技術は、以下に示される追加的なフィルタリングステップと共に、同様の原則を適用する。

ケプストラルフィルタリングの目的は、再構築プロセスの敏感度を、変換関数のゼロおよび極（zeroes and poles）に下げることである。

図２におけるフローチャートは、ケプストラルフィルタ変換関数Ｈ_ｃｆ（ｆ）を決定する方法を述べている。
式（４）が示すように、Ｈ_ｃｆ（ｆ）は、Ｈ（ｆ）から決定される。Ｈ（ｆ）は、ソースｘ（θ）の自動および相互スペクトル推定値ならびに測定信号ｙ（θ）_ｂｐから決定される。具体的には、

となる。

Ｈ（ｆ）が、次いで、一連のステップ１５６、１５８、および１６０を用いてケプストラルフィルタリングされる。これは、計算上効率的なやり方で決定される変換関数を提供する。

このプロセスは、ステップ１５６から開始するものと示すことができ、変換Ｈ（ｆ）関数の自然対数が、ステップ１５６において以下のように決定される。

ここで、

となる。

ステップ１５８において、関数の大きさおよび位相を参照して、以下のように逆フーリエ変換が行なわれる。

ステップ１６０におけるウィンドウ関数が、以下のように変換関数の大きさおよび位相に加えられる。

ここで、結果は、ステップ１６２にて以下のような平滑化されたケプストラル変換関数Ｈ_ｃｆ（ｆ）となる。

平滑化プロセスは、ウィンドウが大きさの対数に加えられるため、非線形演算である。

ケプストラルフィルタリングされた変換関数が、ケプストラルフィルタリングされた測定信号ｙ（θ）_{ｂｐ，ｃｆ}に加えられ、結果として、再構築された信号ｘ_ｃｆ（θ）をもたらす。測定信号ｙ（θ）_ｂｐをケプストラルフィルタリングする技術を、以下に図３を参照して述べる。

フィルタリングが完了すると、図３を参照して、加速度計データｙ（θ）から求められた信号ｘ_ｃｆ（θ）の再構築を、得られたフィルタリング済みの変換関数Ｈ_ｃｆ（ｆ）により行うことができる。

最初に、ひとたび高速フーリエ変換が信号ｙ（θ）に行なわれると、ステップ１８２がＹ（ｆ）を提供し、ここでは関数の対数が、周波数領域信号の大きさおよび位相を以下のように提供する。

ケプストラルフィルタリングが、ステップ１８４において、次のように周波数領域信号｜Ｙ（ｆ）｜の大きさに加えられる。

その後、ステップ１８６において、大きさおよび位相に変換関数を加え、次いで逆フーリエ変換を計算することにより、再構築された関数ｘ_ｃｆ（θ）が以下のように計算される。

Φ_γ（ｆ）をケプストラルフィルタリングして、Φ_γ，ｃｆ（ｆ）を提供した場合、再構築された信号は歪められる場合がある。正確な位相情報を保持することが必須である。したがって、変換関数の位相は平滑化されるが、位相Φ_γ（ｆ）は平滑化されないか、またはより少なく平滑化される。

変換関数Ｈ_ｃｆ（ｆ）が全体的な付加および究極的にはＳＯＣ範囲に対する放熱を再構築する能力は、変換関数Ｈ（ｆ）の推定に用いられる、選択された処理パラメータおよび考察されたデータセットの両方に依存することに留意されたい。変換関数Ｈ（ｆ）および処理パラメータの選択に用いられる基準は、好ましくは、ピーク再構築放熱の位置に基づく。ＳＯＣとピーク放熱の間に許容可能な相関が見出される変換関数および処理パラメータは、実験に基づいて測定データから決定される。各シリンダに対し、異なる変換関数を使用する必要があるかもしれないことに留意されたい。また、好ましくはないが、エンジンの全体的な速度負荷範囲に対する正確な再構築を確実にするために、複数の変換関数の使用が必要とされる場合もある。

図４を参照すると、図１のステップ１２０のための好適な方法が提供されている。ここで、変換関数および再構築処理パラメータから決定されるｘ_ｃｆ（θ）を使用し、ＳＯＣと結果として生じる再構築信号ｘ_ｃｆ（θ）との間の所定の関係に基づいて、燃焼の開始を推定することができる。図４のステップ２００において、システムが初期化され、上記したように、求められた放熱トレース信号が、ステップ２０２にて要約されるように、加速度計信号ｙ（θ）から供給される。ｘ_ｃｆ（θ）からＳＯＣを解析するために選択されるウィンドウが、ステップ２０４で選択され、このウィンドウから、エンジンサイクルにおける信号ピーク大きさｘ（θ_ｐ）および位置θ_ｐが、ステップ２０６において位置特定される。ここで、下付き文字“ｃｆ”は、簡潔にするために省略されるが、この信号は、なおも、上記した処理済みのケプストラルフィルタリングされた信号である。位置θ_ｐおよびｘ（θ_ｐ）の大きさに応じて、エンジンの不点火を決定することができる。例えば、ＴＨＶを特定のシリンダまたはエンジン向けに調整された閾値として、ｘ（θ_ｐ）＜ＴＨＶである場合に、不点火が起こったものと仮定することができる。このステップ２０８は、また、図１のステップ１４７においても提供される。ここでの過剰急速放熱の考慮を、ステップ１４７にて設定されるものとして組み込んでも良い。不点火が起こると、適切な制御動作を、ＳＯＣ計算ループの外側で行なってもよい。ＳＯＣ計算ループの内側では、不点火が検出された場合、アルゴリズムがステップ２１２にジャンプし、求められる数のサンプルがエンジンから得られたかどうかが決定される。不点火があった場合、求められるサンプルサイズに対する追加的な値が累算されていないため、このステップは通過されない。不点火がない場合、アルゴリズムはステップ２１０に移動し、そこでクランク角θ_ｐでのサンプルｘ（θ_ｐ）およびＰが、有効なサンプルサイクルｉに対して設定され、ｘ_ｉ（θ_ｐ）、θ_ｉ，ｐおよびＰ_ｉとして参照される。Ｐは、マニホールド圧力である。

ひとたび、サンプルサイズが所定の値である、求められるサンプルサイズが決定されると、サンプルの範囲ｉのセットｘ（θ_ｉ，ｐ）、クランク角θ_ｉ，ｐおよびＰ_ｉのそれぞれの平均値が、ステップ２１４において決定される。このように計算された放熱平均パラメータ値を用いて、次に、ステップ２１８にてＳＯＣが推定される。ステップ２１４において決定されたこれらの値に基づいて、次の関数が、好適な方法として見出されており、この関数では、ｋを１０とするｋ多項式関数を用いてＳＯＣが決定される。

ここで、ａ_ｋは、この制御方法向けに調整されたエンジン用の多項式のために決定される定数を構成する。代わりの相関式も使用できることに留意されたい。例えば、簡素な線形相関を、異なるブーストレベルのために展開することができる。相関Ａは低いブースト条件において保持され、相関Ｂは高いブースト条件において保持されるかもしれない。使用する相関の選択は、現在のブースト圧力Ｐに基づく。

開示された方法のために使用されるエンジンに依るが、典型的には、ｉは通常は２〜２０サイクルの間の範囲である。例として、５〜１５の間のｉが通常のエンジンには好ましく、ｉ＝１０は満足できる結果をもたらす。このようなやり方でＳＯＣの計算に用いられたパラメータの平均化は、ＳＯＣの推定における正確さを向上させる。

また、１のｉも、不点火および過剰急速放熱のような制御を考慮する場合には適切かもしれない。
平均化されたパラメータから決定されるＳＯＣのさらなるフィルタリングが、必要とされる場合もある。フィルタリングが、閉ループの制御システムをＳＯＣにおける固有のサイクル間（cycle-to-cycle）変動に過剰反応させないために、必要となるかもしれない。しかしながら、好ましくは、燃焼イベントと測定の間において、許容できない長さの遅れを避けるために、フィルタリングが重過ぎないように注意する必要がある。例えば、エンジンのトランジェント挙動が問題である場合、または（数秒を超える）延長期間にわたってＳＯＣが進みすぎている場合にエンジンに損傷を起こす電位が存在する場合は、比較的短い遅延時間が必要である。２０を大きく超えるエンジンサイクルは、２０エンジンサイクルが毎分１８００回転では１．３３秒に相当するので、一般的に長すぎるものとなる。

同様に、ｘ_ｉ（θ_ｐ）、θ_ｉ，ｐおよびＰ_ｉは、エンジンの連続または非連続のサイクルから収集することができる。
ステップ２２０において処理を完了するために、エンジンが動作するように命令されているか否かを検討する。サイクルは、エンジンがまだ動作している場合にはステップ２０２から自身を反復し、そうでなければステップ２２２で停止する。

図１に関して上記したように、上記の式（１３）からひとたびＳＯＣが推定されると、これは、将来の実際のＳＯＣの調整に用いることができる。ＳＯＣに対する制御は、当業者に理解されるように、ＳＯＣレバーを調整することにより実現される。当該技術分野で知られているＳＯＣレバーは、パイロット燃料量、継続時間およびタイミング、吸気マニホールド温度および圧力、内部または外部ＥＧＲレベルあるいは濃度、燻蒸空燃等量比（fumigated air-fuel equivalence ratio）、実行圧力または膨張比、点火プラグタイミングおよびグロープラグ温度を含む。

図５を参照すると、トレース大きさおよび位置が設定された放熱トレース１６２が示されている。それは、ｘ（θ_ｉ，ｐ）⇒ｘ（θ_ｐ）およびθ_ｉ，ｐ⇒θ_ｐである。ピーク大きさまたは値ｘ（θ_ｐ）、１６６、およびピーク値のクランク角度における関連位置θ_ｐ、１６４が、図においてハイライトされている。この図は、また、結果として生じるｘ_ｃｆ（θ）曲線の他の特性がＳＯＣの推定に使用できることも説明している。一般的に、式ｆ（ｘ_ｃｆ（θ_ｐ），θ_ｐ，Ｐ）が、式（１３）で提供されるように好適な関係である一方で、ＳＯＣは、処理済データセットｘ_ｃｆ（θ）のみならず、ピーク値ｘ（θ_ｐ）およびピーク値クランク角θ_ｐ、しかしまた、前記ピーク値の所定の一部分におけるクランク角曲線幅１６７、Δθ_ｗ（ｘ（θ_ｐ）／ｗ）（ここでｗ＝２, √２, …）、前記ピーク値θ_ｓの前に見出された立ち上がりクランク角における前記処理済データセットの勾配１６８、すなわちｄｘ（θ_ｓ）／ｄθ_ｓ、ピーク高さΔｘ（θ_ｐ）、合計放熱または累算されたデータセット、

のような、選択された特性を参照として、推定することができる。式（１３）のように、これらの関係は、ブースト圧力、エンジン速度、吸気チャージまたは吸気エアフロー、およびその他などのエンジン動作条件を含むことができる。帯域通過フィルタリングされた加速度計データから直接得られるパラメータを、ＳＯＣの決定に使用することができる。例えば、特定の周波数範囲内の加速度計信号のエネルギは、ＳＯＣと良く相関する可能性がある。すなわち、再構築された放熱トレースからのパラメータを、生の加速度計データから決定されるパラメータと共に、ＳＯＣの推定に使用することができる。

ほとんどのエンジンは、特に、燃焼制御またはレバーが、そのようなレバーの調整と燃焼位相（燃焼開始）の間にラグを含んでいる場合、上記技術から利益を得るであろう。また、ディーゼルエンジン、点火エンジン、気体燃料エンジン、２または４ストロークエンジン、ロータリーエンジンも、この開示の教示から恩恵を受けるであろう。より速いエンジンは、一般に、これに対応するより速い処理能力を、処理済データセットの提供に使用されるコントローラ内において必要とすることに留意されたい。

さらに、当業者に理解されるように、加速度計セットｙ（θ）は、最初に、収集または処理された（放熱データセットを提供するためにケプストラルフィルタおよび変換された）反復ｉにわたって平均化してから、平均化することができる。

また、加速度計は頑強で比較的安価であることから、この技術は、好ましくは加速度計で生成されたデータに用いられる一方で、内燃室のための放熱データセットを、放熱または燃焼クオリティデータを含む他の信号向けに生成することに対しても有用である。例えば、光学センサまたはひずみゲージセンサデータのセットを用いて、放熱トレース情報を抽出することができる。

エンジン内での加速度計の配置は、燃焼室内の燃焼条件を示す信号を供給すれば、どのような位置でもよい。ヘッドボルト、メインベアリングキャップおよびメインベアリングキャップボルトはすべて、加速度計に適切な位置である。この３つの位置の例では、メインベアリングキャップが好ましい。

選択される加速度計は、燃焼プロセスにより誘発される機械的振動を、確実に測定可能でなくてはならない。したがって加速度計は、好ましくは、多くのエンジンにおいて、０．５ｋＨｚからほぼ５ｋＨｚまでの周波数範囲の振動を検出可能でなければならないが、これは使用されるエンジンに依存する。好ましくは、加速度計は、多くのエンジンにおいて、±１００ｇの間を測定可能でなければならないが、これもまた、考慮されるエンジンに依存する。以下では、開示される方法のための加速度計の仕様の好ましい範囲を示している。

加速度計データの処理は、プロセッサに負担を強いる。以下のプロセッサ特性は、上記考察された方法に対して十分であろう。

・１５０Ｍｈｚクロック（サイクルタイム６．６７ｎｓ）
・高性能３２ビットＣＰＵ
・高速割込み応答および処理
・１２ビットＤＡＣ、１６チャンネル
・ＣＡＮインターフェース
・オンチップメモリ
・１２８Ｋ×１６フラッシュ
・１８Ｋ×１６ＲＡＭ ４Ｋ×１６ＲＯＭ
・１Ｍまでの外部メモリ
ここで、サンプリング周波数は２０ｋＨｚとする。

述べられた方法に関する調整は、エンジンによって異なる場合がある。しかしながら、当業者に周知の典型的な調整技術は、上記教示された実際のＳＯＣ制御の展開に適切であろう。

本開示の特定の要素、実施形態および適用が示されて説明されたが、当然ながら、本開示は、特に上記教示に鑑みた本開示の範囲から逸脱することなしに当業者によって変更可能であるため、これらに限定されないことを理解されたい。

どのようにして加速度計データを最初にフィルタリングし、使用して、内燃エンジンの燃焼室内での放熱の推定値を生成するかを説明するフローチャート。 どのようにしてフィルタリング済加速度計データセットをケプストラル解析を用いてフィルタリングし、放熱トレースを導くための変換関数を生成するかを説明するフローチャート。 どのようにして放熱トレースを加速度計データおよび変換関数から再構築するかを説明するフローチャート。 どのようにしてＳＯＣを再構築された放熱トレースから推定するかを説明するフローチャート。 ＳＯＣの推定に使用される変数を示す、クランク角に対してプロットされた放熱のグラフ。

Claims (26)

1. 内燃エンジンの燃焼室内での燃料の燃焼を制御する方法であって、
   ａ．前記エンジンのサイクルの間に、
   ｉ．前記燃焼室にチャージを導入し、
   ｉｉ．前記燃焼室内の前記チャージを圧縮し、
   ｉｉｉ．前記燃料を前記燃焼室に導入し、
   ｉｖ．前記燃料を前記燃焼室内で燃焼させて、前記燃焼室内に配置されたピストンを駆動することと、
   ｂ．前記エンジンの少なくとも２サイクルの間に収集された加速度計データセットを、コントローラに供給することと、
   ｃ．前記加速度計データセットを処理し、前記少なくとも２サイクルにわたる放熱速度を示す処理済データセットを生成することと、
   ｄ．前記処理済データセットから、前記燃料に対する所定の目標燃焼開始を用いてＳＯＣ誤差を推定することと、
   ｅ．前記ＳＯＣ誤差の大きさが０より大きい場合、前記エンジンの少なくとも１後続サイクル向けの燃焼開始レバーを調整し、前記少なくとも１後続サイクルの間の修正済燃焼開始を、前記所定の目標燃焼開始に向けて駆動することとを含む方法。
2. 前記レバーは、
   ａ．グロープラグ温度、
   ｂ．点火プラグタイミング、
   ｃ．パイロット燃料量、
   ｄ．パイロット燃料噴射タイミング、
   ｅ．吸気マニホールド温度、
   ｆ．吸気マニホールド圧力、
   ｇ．排気ガス吸気チャージ濃度（exhaust gas intake charge concentration）、
   ｈ．パイロット燃力噴射継続時間、および
   ｉ．前記燃料の等量比
   のうちの少なくとも１つである請求項１に記載の方法。
3. 前記ＳＯＣ誤差は、前記処理済データセットから決定される前記燃料の推定燃焼開始と、前記所定の目標燃焼開始との比較から決定される請求項１に記載の方法。
4. 前記コントローラは、前記燃焼開始レバーを調整する請求項１に記載の方法。
5. 第２のコントローラが、前記燃焼開始レバーを調整する請求項１に記載の方法。
6. 前記加速度計データセットが、前記エンジンの少なくとも１０連続サイクルから収集される請求項１に記載の方法。
7. 前記加速度計データセットが、前記エンジンの５〜１５連続サイクルの間から収集される請求項１に記載の方法。
8. 前記所定の燃焼開始は、エンジン速度およびブースト圧力のうちの少なくとも１つに基づく請求項１に記載の方法。
9. ケプストラルフィルタ（cepstral filter）が、前記処理済データセットを供給するために前記加速度計データセットに加えられる請求項１に記載の方法。
10. 前記推定燃焼開始は、前記処理済データのピーク値、前記処理済データの前記ピーク値に関連するクランク角および前記少なくとも２サイクルにわたる前記変化に関連するブースト圧力を用いて決定される請求項３に記載の方法。
11. 前記推定燃焼開始は、関係
    

    

    を用いて決定され、ここで、ａ_１, … , ａ_１０は前記処理済データセットからの定数であり、ｘ（θ_ｐ）は前記ピーク値であり、θ_ｐは前記ピーク値クランク角であり、Ｐは前記ブースト圧力である請求項１０に記載の方法。
12. 前記推定燃焼開始は、前記処理済データの勾配値を用いて決定され、前記勾配値は、前記勾配値向けの関連クランク角からピーククランク角よりも早く決定される請求項３に記載の方法。
13. 前記加速度計データセットからノッキング測定を選択することをさらに含み、前記ノッキング測定を用いて、前記エンジンの前記後続サイクルにおける燃焼速度を制御する請求項１に記載の方法。
14. 前記加速度計データセットから不点火測定を選択することをさらに含み、前記不点火測定を用いて、前記エンジンの前記後続サイクルにおける燃焼を制御する請求項１に記載の方法。
15. 動作中の内燃エンジンの燃焼室内の燃焼クオリティを決定する方法であって、
    ａ．前記エンジンのサイクルの間に、前記燃焼室内での燃焼挙動を示すデータを測定することが可能な前記エンジンに配置された加速度計によって提供される加速度計測定値から、加速度計データセットを生成することと、
    ｂ．前記加速度計データセットを処理して、前記エンジンの前記サイクルの間の前記燃焼室内の放熱速度を示す処理済データセットを再構築することと、
    ｃ．前記処理済データセットの特性を、所定の所望データセットの特性と比較し、前記燃焼クオリティの指標を提供することとを含む方法。
16. 前記加速度計データセットからの前記処理済データセットの再構築に適切な変換関数を計算することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
17. ケプストラルフィルタを前記加速度計データセットに加え、前記処理済データセットを生成する請求項１５に記載の方法。
18. 前記処理済データからのピーク値を、前記所定の所望データセットからのピーク値と比較し、前記燃焼クオリティの前記指標を提供する請求項１５に記載の方法。
19. 内燃エンジンの燃焼室内での燃焼開始を推定する方法であって、
    ａ．前記エンジンのサイクルの間に、
    ｉ．前記燃焼室にチャージを導入し、
    ｉｉ．前記燃焼室内の前記チャージを圧縮し、
    ｉｉｉ．燃料を前記燃焼室に導入し、
    ｉｖ．前記燃料を前記燃焼室内で燃焼させて、前記燃焼室内に配置されたピストンを駆動し、
    ｖ．前記サイクルの間に前記燃焼室内の物理的条件を示すデータセットを決定することと、
    ｂ．前記エンジンの対応するサイクルから、少なくとも２つのデータセットを累算することと、
    ｃ．前記少なくとも２つのデータセットを処理し、前記エンジンの前記対応するサイクルにわたる放熱速度を示す処理済データセットを生成することであって、ケプストラルフィルタを、前記少なくとも２つのデータセットに加えて、前記処理済データセットを生成することと、
    ｄ．前記処理済データセットの選択された特性の関数である所定の関係から、前記エンジンの前記対応するサイクルに対する前記燃焼開始を推定することとを含む方法。
20. ５〜１５の間のデータセットを使用して、前記処理済データセットを生成する請求項１９に記載の方法。
21. ２０未満のデータセットを使用して、前記処理済データセットを生成する請求項１９に記載の方法。
22. 前記少なくとも２つのデータセットを、前記エンジンの連続サイクルから累算する請求項１９に記載の方法。
23. 前記データセットは、加速度計、光センサ、ひずみゲージおよび圧力センサのうちの少なくとも１つから収集される請求項１９に記載の方法。
24. 平均化フィルタが、前記ケプストラルフィルタを加える前に、前記少なくとも２つのデータセットに加えられる請求項１９に記載の方法。
25. 前記選択された特性は、ピーク値、ピーク値クランク角、前記ピーク値の所定の一部分におけるクランク角曲線幅、前記ピーク値の前に見出される立ち上がりクランク角における前記処理済データの勾配、および前記ピーク値と前記幅の比率の少なくとも１つを含む請求項１９に記載の方法。
26. 前記所定の関係は、
    

    

    であり、ここでａ_１, … ,ａ_１０は前記処理済データセットからの定数であり、ｘ（θ_ｐ）は前記ピーク値であり、θ_ｐは前記ピーク値クランク角であり、Ｐは前記対応するサイクルにわたる前記チャージに関連するブースト圧力である請求項２５に記載の方法。

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