并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图例示了本文所描述 的技术的几个方面，并连同说明书一起用于解释所述技术的原理。在 附图中：
图1是所述技术可以在其中运行的代表性环境的示意图；
图2是其中可以并入所述技术的电离模块的方框图；
图3是燃烧压力和电离电流相对发动机活塞曲轴转角的图解说 明；
图4是示出了NOx排放(被绘制为以百万分率为单位的体积分数) 与离子电流之间的关系图的例子的图表；
图5是示出了被执行以导出NOx排放与离子电流之间的关系的步 骤的流程图；
图6是示出了用于导出NOx排放与离子电流之间的关系的部件的 实施例的方框示意图；
图7是示出了被执行以基于发动机运行期间的离子信号来确定 NOx排放的步骤的流程图；
图8是示出了用于基于离子电流和发动机运行参数来控制发动机 的部件的实施例的方框示意图；以及
图9是示出了用于在每个气缸中独立地相对NOx排放来校准离子 电流和独立地控制每个气缸的实施例的方框示意图。
虽然将结合某些实施例来描述所述技术，但其意图并不在于将其 限制于那些实施例。相反，本发明的意图是涵盖包括在随附权利要求 书所限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等价物。

本文描述的装置和方法当在传统、代用或可更新柴油机燃料上运 行时，基于在不同设计的压燃式发动机中的压缩过程期间产生的离子 电流来确定NOx排放，而不需要使用缸内NOx传感器或废气中的NOx 测量。
首先参照图1，示出了本发明的装置和方法在其中运行的示例性 系统100。该系统包括电离模块102、驱动器104、发动机电子控制单 元(ECU)106，以及柴油发动机。电离模块102经由例如CAN(控 制器局域网络)总线108与ECU106及其它模块通信。虽然单独地示 出了电离模块102、驱动器104和发动机控制单元106，但是应认识到 部件102、104、106可以组合成单个模块或者作为具有其它输入端和 输出端的发动机控制器的一部分。部件102和106通常包括各种计算 机可读介质。计算机可读介质是能够由部件102、106访问的任何可用 介质并包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。柴油发 动机包括发动机气缸110，每个气缸具有活塞、进气阀和排气阀(未 示出)。进气歧管通过进气阀与气缸110连通。排气歧管经由排气阀 接收来自气缸的废气。可以电子地、机械地、液压地或气动地控制进 气阀和排气阀或经由凸轮轴来控制进气阀和排气阀。燃料喷射器112 经由喷嘴114将燃料116喷射到气缸110中。燃料可以是传统的石油 基燃料、石油基代用燃料、可更新燃料或上述燃料的任何组合。离子 感测装置118被用来感测离子电流，并且还可以用来在冷启动期间点 燃气缸110的燃烧室120中的空气/燃料混合物。或者，可以用电热塞 来使气缸升温以改善发动机的冷启动特性并感测离子电流。
离子感测装置118具有电绝缘、间隔开并暴露于柴油发动机的气 缸内的燃烧产物的两个电极。其可以是具有中心电极和一个或多个间 隔开的侧电极的火花塞、与发动机机体绝缘的电热塞(其中电热塞和 发动机机体两者均充当电极)、组合的等离子体发生器和离子传感器 等的形式。离子感测装置118接收由两个电极之间的驱动器104提供 的电压，该电压在两个电极之间存在氮氧化物及其它燃烧产物的情况 下使电流在两个电极之间流动。驱动器104向离子感测装置118供电。 驱动器104还提供高能放电以保持离子感测装置的离子感测检测区免 受燃料污染和积碳。虽然被示为与燃料喷射器112分开，但是离子感 测装置118可以与燃料喷射器112集成。
电离模块包含用于检测并分析电离信号的电路。在所示实施例中， 如图2所示，电离模块102包括电离信号检测模块130、电离信号分 析器132，以及电离信号控制模块134。为了检测气缸中的离子浓度， 电离模块102向离子感测装置118供电并经由电离信号检测模块130 测量来自离子感测装置118的电离电流。电离信号分析器132接收来 自电离信号检测模块130的电离信号并确定诸如燃烧开始和燃烧持续 时间等不同的燃烧参数。电离信号控制模块134控制电离信号分析器 132和电离信号检测模块130。电离信号控制模块134如下所述向发动 机ECU106提供指示。在一个实施例中，电离模块102向发动机系统 中的其它模块发送指示。虽然单独地示出了电离信号检测模块130、 电离信号分析器132以及电离信号控制模块134，但应认识到可以将 它们组合成单个模块和/或作为具有其它输入端和输出端的发动机控 制器的一部分。现在返回图1，ECU106接收来自电离模块的反馈并 控制燃料喷射器112，且可以控制诸如空气输送系统和EGR系统等其 它系统以实现改善的发动机性能、更好的燃料经济性和/或低废气排 放。
离子电流信号可以与燃烧期间产生的NOx排放水平和缸内压力相 关联。现在转到图3，示出了4缸、2L直喷式涡轮增压的柴油发动机 中的气缸之一中测量的离子电流和气体压力的示例。运行条件是 75Nm转矩、1600rpm、40％ EGR，以及13°bTDC(在上止点前)的 标度喷射定时。离子电流迹线140示出了不能由火花点火式发动机中 的研究结果来解释的两个峰值，其中第一峰值是由火焰前锋中的化学 电离导致，在柴油发动机中不是这种情况，第二峰值是由热电离导致。 气体压力迹线142清晰地示出了冷焰开始的自动点火，其导致气缸中 气体压力的轻微增加。已知由冷焰释放的能量相当小并会导致燃烧气 体温度的轻微增加。可以预期在此期间产生的离子的浓度相当低。在 冷焰结束时，离子电流开始在大约半曲轴转角度bTDC(点144)急 剧增加。
在所示例子中，离子电流在从其起始点开始的3CAD(曲轴转角 度)之后达到顶点(点146)。至此，预混合的燃烧份额的装料中发 生燃烧。在此期间燃耗的装料的量及相应的温升取决于许多因素，包 括点火延迟和冷焰周期的总长度、燃料喷射的速率，以及燃料蒸发的 速率和与装料中的新鲜氧气混合的速率。离子电流在约3个曲轴转角 或约0.3ms到达相当高的峰值，在此之后下降，到达底部值(点148)， 开始以较慢的速率增加并在10°aTDC(上止点后)到达第二峰值(点 150)。这表明导致第二峰值的离子形成速率远远慢于导致第一峰值的 离子形成速率。导致第二峰值的较慢的离子形成速率可以归因于未燃 燃料与剩余装料的较慢的混合速率，由膨胀行程中的活塞运动引起的 燃烧产物的温降，以及气缸壁的冷却损耗的增加。由于第二峰值中的 电离遵循与混合控制和扩散控制的燃烧份额相同的特性，所以理应认 为这是由该燃烧状况所导致。这里，电离是由化学电离与热电离的组 合所导致。在第二峰值之后，电离信号以慢速率下降，这是由膨胀行 程期间气体温度的逐渐下降而导致。在此图中，在约30～40度的曲轴 转角期间检测到电离。
离子和NOx两者的形成速率都取决于许多发动机设计参数和用来 使该发动机运行的燃料的特性。一个发动机的设计参数可能不同于另 一发动机的设计参数，且该设计参数包括但不限于以下各项：压缩比、 行程缸径比、燃烧室的表面积与体积之比、进气口和排气口及阀设计、 阀定时、燃烧室设计、喷射系统设计参数和冷却系统设计参数。该喷 射系统参数包括但不限于喷射压力、喷嘴几何形状、燃烧室中的侵入 体、喷嘴孔的数目、其尺寸及形状和所包括的喷射角。影响燃烧过程、 NOx形成和离子电流的重要燃料特性包括氢碳比、蒸馏范围、挥发性 和十六烷值。因此，一个发动机与另一个发动机之间的设计参数的变 化和燃料特性的变化影响气缸气体温度和压力、混合物形成，以及燃 烧室中的当量比的分布，所有这些均影响离子和NOx的形成。
通过前述内容可以看出，离子电流可以用来确定NOx。还可以看 出，应关于每种牌子和型号的发动机及对于所使用的每种类型的燃料 的NOx排放来校准离子电流信号。现在转到图4，示出了多缸发动机 中的离子电流信号的校准的示例。图4是发动机排出的NOx排放物(被 绘制为以百万分率为单位的体积分数)根据负荷和EGR百分比在大 范围的运行条件下相对在1600rpm的四个气缸中测量的离子电流峰 值的总和的图，该大范围的运行条件为：EGR：40％、45％、50％和 55％；转矩：25Nm、50Nm和75Nm；以及在11°bTDC与25°bTDC 之间变化的喷射定时。从该图可以清楚看出，离子电流峰值的幅度与 NOx排放的水平之间存在关系。
现在转到图5，示出了确定离子电流峰值的幅度与NOx排放的水 平之间的关系的步骤。接收到来自离子电流传感器的离子电流信号(步 骤160)。接收到来自NOx标准排放测量设备的发动机排出的NOx排 放物(步骤162)。比较NOx排放数据和离子电流信号(步骤164) 并导出NOx排放与离子电流之间的关系(步骤166)。可以通过绘制 NOx排放相对离子电流幅度的图并通过该数据拟合函数而导出该关 系。该函数可以是线性曲线、分段线性曲线、多项式函数、指数函数 等。该关系被发送到适当的控制模块(步骤168)，诸如电离模块104、 ECU106等。
图6示出了校准离子电流信号的一种执行方式。在发动机200的 运行期间，NOx排放测量仪表202通过取样探针206绘制出来自排气 歧管204的废气的样本，确定NOx排放并将其显示在可选的显示单元 208上。在一个实施例中，以单位为ppm(百万分率)的体积分数来 确定NOx排放。NOx排放测量仪表202将NOx数据发送给校准模块 210。为了例示的目的，校准模块210被示为单独的部件。校准模块可 以是独立模块、电离模块102的一部分或ECU106的一部分。由离子 探针产生离子电流信号212，该离子探针的电极暴露给发动机的燃烧 室120中的燃烧产物。校准模块210接收离子电流信号212和来自排 放测量单元的信号，该排放测量单元测量气缸的废气中的NOx的体积 分数。校准模块210关于NOx来校准离子电流信号212。一旦离子信 号在一种运行条件下被校准，则可以在发动机转速、负荷和运行模式 的整个范围内使用。校准模块210的输出给出NOx与离子电流之间的 关系(例如以ppm为单位的NOx的体积分数与离子电流)，该输出 被馈送到ECU106并在发动机的控制下使用。校准模块还可以将该输 出馈送到该运行环境内的其它模块。
现在转到图7和图8，在运行期间，ECU106接收离子电流信号 (步骤220)，分析该离子电流信号并确定关键燃烧参数，诸如：燃 烧始点、放热率、预混合的燃烧份额引起的最高放热率、预混合的燃 烧份额与混合和扩散控制的燃烧份额之间的最低放热率、混合和扩散 控制的燃烧份额引起的最高放热率，以及膨胀行程期间的放热的衰减 率。基于该信息，将ECU106被编程为向不同的促动器发出信号并控 制发动机中的所有系统。ECU106经由校准模块210基于导出的关系 来确定NOx排放(步骤222)并结合发动机运行参数220来控制发动 机200的运行(步骤224)。ECU106可以控制发动机以使NOx排放 最小化，改善NOx与诸如微粒物质、一氧化碳、碳氢化合物，以及乙 醛等其它排放之间的权衡。ECU106还可以使用校准后的信号来控制 发动机参数且增加发动机功率输出并改善其效率。离子电流信号212 可以是来自一个气缸，或者可选地是来自多缸发动机中的所有气缸的 离子电流的和。在一个实施例中，废气取样探针206被放置在气缸之 一的歧管中或者可选地放置在来自气缸的所有废气汇集的位置。校准 模块210可以用来随着发动机随时间而变、随着添加新的部件等来更 新NOx排放-离子电流关系。
现在转到图9，ECU106可以单独地控制发动机200的每个气缸。 由校准模块210x(其中x指示气缸号码)来校准来自每个气缸的离子 信号212x并将离子信号212x馈送到独立于其它气缸地控制每个气缸的 参数的ECU106中。ECU106使用校准模块输出来确定相应发动机气 缸(例如气缸1、气缸2等)中的NOx并结合每个气缸的运行参数240x 来控制特定气缸的运行。虽然为了清楚而示出了x数量个校准模块， 但是校准模块可以在单个校准模块中、作为电离模块的一部分、作为 ECU106的一部分等等。ECU106可以控制每个气缸以使NOx排放最 小化，对于每个气缸改善NOx与诸如微粒物质、一氧化碳、碳氢化合 物，以及乙醛等其它排放之间的权衡。ECU106可以控制整个发动机 以使NOx排放最小化，改善整个发动机的NOx与诸如微粒物质、一氧 化碳、碳氢化合物，以及乙醛等其它排放之间的权衡。例如，通过调 整每个气缸中的燃料喷射参数能平衡多缸柴油发动机中的气缸的输 出。这种平衡改善气缸之间的负荷分配并改善整个发动机的运行、燃 料经济性和发动机排放。
通过前述内容可以看出，NOx排放与离子电流幅度之间的关系能 被确定并在柴油发动机的控制中使用。将离子电流与测量的NOx排放 相比较以确定该关系。然后通过根据所测量的离子电流来确定NOx排 放而在运行期间使用该关系。
除非本文另外指明或明显与上下文矛盾，否则在描述本发明的上 下文(特别是在以下权利要求书的上下文)中使用的术语“一个”、“一 种”和“该”及类似引用应理解为涵盖单数和复数两者。除非另有说明， 否则术语“包含”、“具有”，以及“包括”应理解为开放式术语(即意指“包 括但不限于”)。除非本文另外指明，否则本文中数值范围的列举仅仅 旨在用作个别地引用落入该范围内的每个单独值的简化方法，并且每 个单独的值被并入本说明书中，如同在本文中个别陈述的一样。除非 本文另外指明或明显与上下文矛盾，否则可以任何适当的顺序来执行 本文所述的所有方法。除非另作要求，否则本文提供的任何和所有示 例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅旨在更好地说明本发明 并不造成对本发明的范围的限制。不应将本说明书中的语言理解为将 任何未要求的元素指示为对于本发明的实践是必不可少的。
本文描述了本发明的优选实施例，该优选实施例包括本发明人所 知的执行本发明的最佳方式。阅读前述描述内容时，那些优选实施例 的变化对于本领域的技术人员来说变得显而易见。本发明人期望本领 域技术人员适当地采用此类变化，且本发明人的意图是以与本文具体 描述的内容不同的方式来实践本发明。因此，本发明包括可适用法律 允许的随附权利要求中引用的主题的所有修改和等同内容。此外，除 非本文另外指明或明显与上下文矛盾，否则本发明涵盖上述元素在其 所有可能变化中的任何组合。