JP2016211549A - Ｅｇｒ制御システムを有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料流量の変化（負荷の変化）などの変動および外乱に対して安定したＥＧＲシステムを有するユニフロー型の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関を提供する。【解決手段】掃気ポートを介して複数のシリンダ１に接続された掃気受けを備えた吸気系と、複数のシリンダ内で発生した排気ガスが排出される排気系と、掃気流を掃気受けに送給する圧縮機９を駆動するタービン８を有するターボチャージャ５と、排気系からの排気ガス流を吸気系に送る少なくとも１つの可変速または固定速ブロワ２２を備えたＥＧＲシステムと、掃気受け内の酸素濃度Ｏｓの信号を供給する第１センサ２７と、ＥＧＲシステムを通る排気ガス流量を制御するように構成された制御装置とを有する。制御装置は、第１センサからの信号をフィードバック制御に使用するように構成され、必要な再循環排気ガス流量の推定値をフィードフォワード制御に使用するように構成される。【選択図】図４

Description

本開示は、大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムに関し、より具体的にはＥＧＲシステムの動作の制御に関する。

背景

大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関は、一般に、大型船舶の推進システムとして、または発電所の原動機として、使用されている。これら機関の高さは一般には重大でないので、ピストンへの横荷重を回避するために、これら機関はクロスヘッドを用いて構成されている。一般に、これら機関は、重油または燃料油で運転される。

環境への影響に対する意識により、船舶用ディーゼル機関からの排気は規制を受ける。特定海域における船舶用ディーゼルからのＮＯ_ｘ排出を制限する３次規制は、国際海事機関（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）によって提示された（２０１３）ように、２０１６年に導入される。これは、船舶業界がＮＯ_ｘ排出を減らす技術を開発する動機付けとなった。このような技術の１つは、自動車業界では数十年にわたって４ストローク機関に適用されてきた排気ガス再循環（ＥＧＲ）である。

ＥＧＲの原理は、排気ガスの一部を再循環させて機関の掃気マニホールドに戻すことである。これにより、掃気ガス中の酸素レベルが低下し、ひいては燃焼中のＮＯｘガスの発生が減る。残念なことに、掃気ガスの酸素含有量を下げると、燃焼効率にも影響が及ぶ。掃気中の酸素レベルが過度に低いと、望ましくない可視煙が発生する。

最近まで、これら大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関は、ＥＧＲ無しで運転されていた。この状況は、ますます厳しくなる排出規制のために、特に排気ガス内のＮＯｘ含有量を減らすための規制のために、変わってきている。ＥＧＲは、はるかに小型の４ストローク自己着火式内燃機関の分野から周知の方策である。ただし、小型の４ストローク機関のＥＧＲ技術は、以下に挙げるさまざまな理由により、はるかに大型の２ストローク機関には簡単に適用できない。

これら理由の１つは、大型ターボ過給式２ストロークディーゼル機関用に開発されたＥＧＲ制御システムの場合と、自動車業界におけるＥＧＲシステムの場合とでは、ＥＧＲ制御装置のコミッショニングのために利用可能な取り組みに違いがあることである。自動車用機関の各設計は、大規模生産用に公開される前にテストベンチで徹底的にテストされる。これに対して、特定の大型２ストローク機関の設計は製作数が極めて少なく、最初の機関が製作されるまでテストされない場合もあり、テストされたとしても試運転コストが極めて高いため、利用可能なテスト時間が極めて限られている。更に、大型２ストローク機関は、その運転期間中に再構成されることもあり得る。これら現実的な問題の結果として、個々の設計に対して手動調整を適用できず、先験データに基づくオブザーバ設計は実用的でない。すなわち、制御設計は、システム挙動の変化に対しても、更には不正確な設計データに対しても、堅牢である必要がある。

別の理由は、４ストローク機関の排気側と吸気側との間には正圧差があるという事実である。すなわち、この正圧差によって排気ガスが再循環されて吸気側に流れるので、ブロワなどを必要としない。ただし、大型ターボ過給式２ストローク機関では排気側と吸気側との間に負圧差が存在する。したがって、小型の４ストローク機関で行われているように吸気側と排気側との間に単純な導管が構築されると、給気は排気側に向かって流れることになる。したがって、２ストローク機関のＥＧＲシステムは、排気ガスの一部を強制的に給気に混入させるために、ブロワまたはポンプを必要とする。すなわち、大型ターボ過給式２ストロークディーゼル機関では、排気系と吸気系との間の圧力差に打ち勝つために複数のブロワと複数の弁との組み合わせを使用することによって、排気ガスを再循環させる。

更に、重油を使用するため、大型２ストローク機関の排気ガスは、重油の高硫黄含有量により排気ガス中に硫酸が相対的に高い濃度で存在するので、４ストローク機関の場合より、はるかに攻撃的である。これは、排気系の構成要素に、およびＥＧＲの場合はＥＧＲシステムおよび吸気系の構成要素に、問題をもたらす。

ＮＯｘおよび煤の両方の排出規制を満たすために、掃気受け内の酸素濃度を正確に制御する必要がある。その理由は、酸素濃度が低すぎると煤の形成が許容限度を超え、酸素濃度が高すぎるとＮＯｘ排出が許容限度を超えるからである。

負荷依存の掃気酸素濃度（Ｏ_ｓ）設定点が事前に規定される。実際の酸素濃度Ｏ_ｓを測定し、この測定値のフィードバック制御によって、ＥＧＲブロワの速度とＥＧＲ弁の開度とをアクチュエータとして用いて、この設定点に到達させる。

したがって、ＥＧＲ流量を正確に制御するには、掃気ガス中の酸素（Ｏ２）含有量を正確かつ迅速に知る必要がある。測定された酸素含有量に基づき、閉制御ループによって、排気ガスの再循環量、ひいては掃気ガス中の酸素含有量、を調整できる。

ただし、現在利用可能なセンサ技術による掃気ガス中の酸素濃度の測定は、掃気受け内の過酷な条件のため、低速である。これは、定常運転状態では問題でないが、過渡運転状態では、例えば、船を加速または減速する必要があるときは、重大な問題を引き起こす。測定が低速であると、高フィードバックゲイン時に、望ましくない変動をフィードバック制御ループに引き起こし得る。ただし、低フィードバックゲインでは、システムは、燃料流量の変化（負荷の変化）などの外乱に対して脆弱である。従来技術のシステムにおいては、変動および外乱の阻止の間で折り合いを付ける必要がある。

摘要

本発明の目的は、上記の課題を克服する、または少なくとも低減する、ＥＧＲシステムを有するユニフロー型の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関を提供することである。

上記および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。更なる具現化形態は、従属請求項、本明細書、および図から明らかである。

第１の態様によると、ユニフロー型の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関が提供される。本機関は、複数の掃気ポートを下端に有し、かつ排気弁を上端に有する複数のシリンダと、掃気ガスがそこからシリンダに導入される吸気系であって、前記複数の掃気ポートを介して前記複数のシリンダに接続された掃気受けを備えた吸気系と、前記複数のシリンダ内で発生した排気ガスがそこから排出される排気系であって、前記排気弁を介して前記複数のシリンダに接続された排気受けを備えた排気系と、掃気流を掃気受けに送給する圧縮機を駆動するタービンを有するターボチャージャであって、前記圧縮機は前記吸気系にあり、前記タービンは前記排気系にあるターボチャージャと、燃料流を前記複数のシリンダに送給するための燃料系と、前記排気系からの排気ガス流を前記吸気系に送るためのＥＧＲシステムであって、少なくとも１つのブロワを備えたＥＧＲシステムと、前記掃気受け内の酸素濃度Ｏ_ｓを表す信号を供給する第１センサと、前記ＥＧＲシステムを通る排気ガス流量を制御するように構成された制御装置であって、前記第１センサからの信号をフィードバック制御に使用するように構成され、かつ必要な再循環排気ガス流量の推定値をフィードフォワード制御に使用するように構成された制御装置とを備える。

推定値に基づくフィードフォワード制御と相対的に低速のセンサを使用するフィードバック制御とを組み合わせて提供することによって、定常状態で高精度を維持しながら、遷移性能を著しく向上させることができる。

第１の態様の第１の可能な具現化形態において、前記制御装置は、前記掃気受け内の酸素レベルを酸素濃度設定点に近い値に維持するために、前記ＥＧＲシステムを通る排気ガス流量を制御するように構成される。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、掃気受け内の酸素含有量を設定点に近い値に維持するために、前記第１センサからの信号をフィードバック制御に使用するように構成される。前記制御装置は、掃気受け内の酸素含有量を前記設定点に近い値に維持するために、燃料流、ＥＧＲ流、および／または圧縮機流の流量測定値および／または推定値をフィードフォワード制御に使用するように構成される。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記フィードバック制御は前記機関の定常運転状態において支配的であり、前記フィードフォワード制御は前記機関の遷移運転状態において支配的である。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記第１センサの信号は、前記掃気受け内の酸素濃度Ｏ_ｓの実際の変化に対して遅延があり、燃料流、ＥＧＲ流、および／または圧縮機流の流量測定値および／または推定値は瞬時に測定または判定可能である。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記フィードフォワード制御は遷移性能を向上させ、前記フィードバック制御は定常状態における制御誤差を最小化する。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、ＥＧＲシステムのモデルから導出された制御則を使用する。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、好ましくは無次元パラメータの、可変速ブロワのマップと、可変速ブロワの上流および下流の圧力と、可変速ブロワの速度とに基づき、必要なＥＧＲ流量を推定するように構成される。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、前記下流の圧力を圧力センサから推定し、前記可変速ブロワの上流または下流の前記ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁にわたる弁圧力降下信号を形成するように構成される。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、前記上流の圧力を前記下流の圧力および可変速ブロワの圧力上昇測定値から推定するように構成される。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記燃料流量推定値は、負荷信号ｕ_ｌｏａｄまたは燃料指数Ｙ_ｆおよび機関速度ω_ｅｎｇ信号に基づき、好ましくはそれぞれの比例定数に更に基づく。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、排気系から吸気系への排気ガス流量を制御するために、前記第１センサからの信号と、負荷ｕ_ｌｏａｄまたは燃料指数Ｙ_ｆおよび機関の速度ω_ｃと、圧縮機の速度ω_ｔと、可変速ブロワの速度ω_ｂと、掃気圧ｐ_ｓｃａｖと、弁の圧力降下Δｐ_ｖと、可変速ブロワの圧力上昇Δｐ_ｂとを使用する。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記制御装置は、前記ＥＧＲシステムを通る排気ガス流量を制御するために、前記可変速ブロワの速度を調整するように構成される。

第１の態様の別の可能な具現化形態において、前記ＥＧＲ弁は調整可能弁であり、前記制御装置は、前記ＥＧＲシステムを通る排気ガス流量を制御するために、前記ＥＧＲ弁の開度を調整するように構成される。

第１の態様の可能な別の具現化形態において、ブロワは可変速ブロワである。

第２の態様によると、ユニフロー型の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関の排気系から吸気系への排気ガス流量を制御するための方法が提供される。前記方法は、機関の複数のシリンダが発生させた排気ガスの一部を再循環させることと、掃気受け内の酸素レベルを酸素濃度設定点に近い値に維持するために再循環排気ガス流量を制御することと、前記掃気受け内の酸素含有量の測定値をフィードバック制御に使用することと、必要な再循環排気ガス流量の推定値をフィードフォワード制御に使用することと、を含む。

第２の態様の第１の可能な具現化形態において、本方法は、定常状態における制御誤差を最小化するために前記フィードバック制御を使用することと、遷移性能を向上させるために前記フィードフォワード制御を使用することと、を更に含む。

本発明の上記および他の態様は、以下に説明する各実施形態から明らかになるであろう。

本開示の以下の詳細な説明の部分においては、図面に示されている各例示的実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。

一例示的実施形態による大型２ストロークディーゼル機関の正面図である。 図１の大型２ストローク機関の側面図である。 図１による大型２ストローク機関の断面概略図である。 吸気系、排気系、およびＥＧＲシステムをより詳細に示す、図１の機関の概略図である。 吸気系、排気系、およびＥＧＲシステムをより詳細に示す、図１の機関の別の実施形態の概略図である。 図１の機関に使用される制御装置の一例示的実施形態の概略図である。

詳細な説明

以下の詳細な説明においては、大型の低速２ストロークターボ過給式自己着火式内燃機関を各例示的実施形態によって説明する。図１〜３は、クランクシャフト４２と複数のクロスヘッド４３とを有する大型の低速ターボ過給式２ストロークディーゼル機関を示す。図３は、大型の低速ターボ過給式２ストロークディーゼル機関をその吸気および排気系と共に断面で示す概略図である。この例示的実施形態において、機関は、６つのシリンダ１を一列状に有する。例えば、機関は単１列のシリンダ群である。単に説明のために、図１は、６つのシリンダ１を有する機関を示す。なお、実質的に他の何れの数のシリンダ１でも、本発明の各態様から逸脱することなく、採用され得ることが明らかであろう。大型ターボ過給式２ストロークディーゼル機関は、一般に、機関フレーム４５によって担持された４〜１６の間の数のシリンダを一列状に有する。この機関は、例えば、大型外航船における主機関として、または発電所において発電機を作動させるための定置機関として、使用され得る。この機関の総出力は、例えば、５，０００〜１１０，０００ｋＷにわたり得る。

機関は、吸気系と排気系とを有する。ターボ過給は、吸気系の圧縮機９を駆動するタービン８を排気系に有するターボチャージャ５によってもたらされる。機関は、燃料をシリンダに送給する燃料系を有する。

機関は、複数の掃気ポート１７を各シリンダ１の下方領域に有し、かつ排気弁４を各シリンダ１の頂部に有する２ストロークユニフロー型のディーゼル（自己着火式）機関である。機関は、さまざまな種類の燃料、例えば、船舶用ディーゼル、重油、またはガス（ＬＰＧ、ＬＮＧ、メタノール、エタノール）など、で作動させることができる。

掃気受け２からの掃気ガスは、個々のシリンダ１の各掃気ポート１７に送られる。各シリンダ１内のピストン４１が掃気ガスを圧縮し、各シリンダ１の頂部の燃料弁（図示せず）から燃料が噴射され、その後に燃焼が起こり、排気ガスが発生する。排気弁４が開弁すると、排気ガスは当該シリンダ１に対応付けられた排気管路６を通って排気受け３に流入し、そこから排気導管３３を通ってターボチャージャ５のタービン８に達し、そこから排気ガスは排気導管７を通って流出する。ターボチャージャ５のタービン８は、シャフト１２を介して、圧縮機９を駆動し、吸気口１０から供給された掃気を加圧する。圧縮機９は、加圧された掃気を掃気受け２に通じる掃気導管１１に送給する。機関は、当該技術分野で周知のように、複数のターボチャージャ５を有することができる。

掃気受け２は、中空円筒体を形成するために、例えば板金製の、細長い中空円筒体と基本的に円形の断面輪郭とを有する。掃気受け２は、機関の全長に沿って延在し、全てのシリンダ１に掃気を供給する。掃気受け２は、かなりの断面直径と大きな総容積とを有する。これは、個々のシリンダ１の掃気ポート１７の開口および掃気ガスの取り込みによって引き起こされる圧力変動を防止するために、すなわち、個々のシリンダ１による掃気の不規則な消費にも拘らず、掃気受け２内にほぼ一定の圧力を保証するために、必要とされる。一般に、掃気受け２の直径は、ピストン４１の直径より大きい。

一実施形態において、例えば、総機関長が長く多数のシリンダ１を有する極めて大型の機関の場合は、２つの掃気受け２を機関に設け得る。各掃気受け２はそれぞれ専用のハウジングを有し、一方の掃気受け２はシリンダ１列の一端の約半数のシリンダ１をカバーし、もう一方の掃気受け２はシリンダ１列の他端の約半数のシリンダ１をカバーする。この実施形態において、ＥＧＲシステム／ストリングの数は、好ましくは相応に増やされるので、この実施形態による機関は、４つのＥＧＲブロワ、すなわち、ＥＧＲストリング毎に２つのブロワ、を備えることができる。

排気受け３は、例えば板金製の、細長い中空円筒体と基本的に円形の断面輪郭とを有する。板金は、熱損失を回避するために、断熱材料層によって覆われる。排気受け３は、機関の全長に沿って延在し、全てのシリンダ１からの排気ガスを、排気受け３内まで延在する個々の排気管路６を介して、受け入れる。排気受け３は、かなりの断面直径と大きな容積とを有する。これは、個々のシリンダ１の排気弁４の開弁および排気受け３内への排気ガスの高速噴射によって引き起こされる圧力変動を最小化するために、すなわち、個々のシリンダ１による排気ガスの断続的送給にも拘らず、排気受け３内にほぼ一定の圧力を保証するために、必要とされる。一般に、排気受け３の直径は、ピストン４１の直径より大きい。

一実施形態において、例えば、総機関長が長く多数のシリンダ１を有する極めて大型の機関の場合、２つの排気受け３を機関に設け得る。一方の排気受け３は、シリンダ１列の一端の約半数のシリンダ１をカバーし、もう一方の排気受け３は、シリンダ列の他端の約半数のシリンダ１をカバーする。

次に図４を参照すると、機関の吸気系、排気系、およびＥＧＲシステムがより詳細に示されている。

掃気は、吸気導管１０経由でターボチャージャ５の圧縮機９に送られる。圧縮機９は掃気を圧縮し、掃気導管１１は圧縮された掃気を掃気受け２に送る。最大約２００℃で圧縮機９を出た圧縮掃気を５℃と８０℃の間の温度に冷却するために、導管１１内の掃気はインタークーラ（図示せず）を通過する。冷却された掃気は、低または部分負荷状態では、駆動モータによって駆動されて掃気流を加圧する補助ブロワ１６を介して、掃気受け２に進む。より高い負荷において、圧縮機９は十分に圧縮された掃気を送給する。この場合、掃気は逆止弁（図示せず）を通り、補助ブロワを迂回する。

掃気導管１１は、ＥＧＲシステムからの再循環された排気ガスを掃気に追加する合流点２８を通過し、再循環された排気ガスと掃気との混合物を掃気受け２の入口に導く。掃気と再循環された排気ガスとの混合物は、掃気受け２からシリンダ１内での燃焼プロセスに寄与する。こうしてシリンダ１内で発生した排気ガスは、排気受け３に受け入れられる。このように、再循環された排気ガスと掃気との混合物を用いて燃焼プロセスが実施されるので、ＮＯｘ排出レベルを下げることができる。

ＥＧＲシステムは排気系と吸気系との間に延在する。ＥＧＲシステムは、排気ガスの一部を吸気系に送るＥＧＲ導管２０を有する。本実施形態においてはＥＧＲ導管２０が排気受け３に接続されるが、排気ガスをシリンダ１から直接取ることも、または、例えば排気導管３３から分岐させて、ターボチャージャ５のタービン８の上流の排気系の何れか他の部分から排気ガスを取ることも可能であることを理解されたい。

大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関においては、燃料の硫黄含有量が高いため、排気ガスは有害物質、例えば硫酸など、を比較的多量に含有する。

したがって、ＥＧＲシステムは、再循環させる排気ガスを洗浄するための洗煙塔２１をＥＧＲ導管２０に含む。洗煙塔２１は、湿式洗煙塔でもよい。この目的は、汚染された汚れた再循環排気ガスがシリンダ１に再導入されることを回避すること、および洗煙塔２１の下流のＥＧＲシステム、ならびに掃気受け２および補助ブロワ１６、の汚染を回避することである。最大の効果を得るために、洗煙塔は、ＥＧＲシステムの上流部に載置される。

通常、大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関においては、シリンダ１の入口側における掃気ガスの圧力は、当該シリンダ１の出口側における排気ガスの圧力より高くなる。さもないと、圧力によって決まる流れの方向が誤って吸気側に向かうことになるので、掃気を行うことができない。この態様の大型ターボ過給式２ストローク内燃機関においては、ブロワなどの助けなしには、排気ガスの再循環のために、排気ガスを排気系からＥＧＲ導管経由で吸気系に単純に流すことは不可能である。したがって、ＥＧＲシステムは、排気系からの排気ガスをＥＧＲシステム経由で吸気系に送るために、少なくとも１つのブロワ２２、２３を含む。

本実施形態において、ＥＧＲ導管２０は洗煙塔２１の下流で２つのストリングに分岐される。各ストリングは可変速または固定速ＥＧＲブロワ２２、２３を含む。各ストリングは調整可能なＥＧＲ弁２４、２５を含む。

掃気受け２内の実際の酸素濃度が所定の酸素濃度設定点にできる限り近い値に維持されるように、ＥＧＲシステムを通る流量を制御するための制御装置５０が設けられる。

各ＥＧＲブロワ２２、２３の速度は制御装置５０（図６）によって個別に制御され、および／または各ＥＧＲ弁２４、２５の設定は制御装置５０によって制御される。ＥＧＲ弁２４、２５の上流および／または下流の圧力は、センサによって測定されて制御装置５０に伝達される。制御装置５０がＥＧＲブロワ２２、２３の速度を、例えばフィードバック制御ループで、制御できるように、ＥＧＲブロワ２２、２３の速度が測定されて制御装置５０に伝達されることが好ましい。それぞれのブロワ２２、２３にわたる圧力上昇Δｐ_ｂが測定されて制御装置５０に伝達される。

掃気受け２内の酸素含有量Ｏ_ｓが第１センサ２７によって測定される。第１センサ２７の信号が制御装置５０に伝達される。第１センサ２７は、掃気受け２内の過酷な条件に対応できる堅牢な、しかし極めて低速（高い遅延）の、センサである。

圧縮機８の速度ω_ｔを決定するために、ターボチャージャシャフト１２の速度が測定される。

フィードバック制御は、燃料流量の変化などの外乱に対して脆弱である。ただし、燃料流量は、制御システムにおいて利用可能な複数の信号（例えば負荷信号）から推定される。

制御装置５０の包括的原理は、Ｏ_ｓ測定値および以下の流量の推定値または測定値の両方を用いてＥＧＲシステムを制御することである。

流量測定／推定値は、遷移性能を向上させるために、制御装置５０が使用する制御則においてフィードフォワードとして使用される、Ｏ_ｓ測定値の積分フィードバックは、定常状態において制御誤差をゼロに維持する。

この制御装置５０は、上で説明した包括的原理に基づく特定の制御則を使用する。制御設計は、ＥＧＲシステムの（簡略化された）制御用モデルを使用する。

安定度解析は、制御誤差の指数関数的収斂を示している。これは、モデル化されていない動力学（単純モデルと現実との間の差）に対する堅牢性の良好な指標である。安定度解析は、ここでは詳細に提示しない。

燃料流量推定値は、負荷信号（ｕ_ｌｏａｄ）または燃料指数（Ｙ_ｆ）および機関速度（ω_ｅｎｇ）信号のどちらか一方、ならびにそれぞれの比例定数に基づく。以下の推定値のどちらか一方のみが用いられる。

ＥＧＲ流量推定値は、無次元パラメータ（流量係数および揚程係数）であるＥＧＲブロワマップと、可変速ブロワ２２、２３の速度と、可変速ブロワ２２、２３の上流および下流の圧力とに基づく。

下流の圧力は、掃気圧および弁圧力降下測定信号から推定される。
ｐ_ｄｓ＝ｐ_ｓｃａｖ＋Δｐ_ｖ

上流の圧力は、下流の圧力およびブロワ圧力上昇測定値から算出される。
ｐ_ｕｓ＝ｐ_ｄｓ−Δｐ_ｂ

したがって、圧力比は次のように求められる。
Π_ｂ＝Ｐ_ｄｓ／Ｐ_ｕｓ

揚程係数（ψ_ｂ）は、圧力比、ブロワ速度（ω_ｂ）、および近似定数、更には比熱（ｃ_ｐ）、上流の温度（Τ_ｕｓ）、比熱比（γ）、およびブロワ半径（Ｒ_ｂ）、から算出される。

ＥＧＲブロワマップ（ｃ_０，ｃ_１，ｃ_２）は、揚程係数を流量係数（φ_ｂ）に変換する。

ＥＧＲ流量は、次のように算出される（Ｒ_ｓはガス定数）。

ＥＧＲ流量は、ブロワ流量の和として算出される。

圧縮機マップからの推定は不可能である。その理由は、全ての作動点をカバーするマップは実際には各機関について入手できないからである。代わりに、圧縮機速度（ω_ｔ）のみが近似のためにかなり不正確なモデルに使用される。

パラメータａは既定であり、θは連続的に推定される（適応部については後述）。

制御則に使用されるモデルは、定常状態では以下のＯ_ｓモデルに基づく。

式中、

および

である。

このモデルの反転式が関数ｈ（θ，ｄ，Ｏ_ｓ）として定義される。

Ｏ_ｓセンサ２７およびガス混合の動力学は、時定数τおよび時間遅延τ_{ｄｅｌａｙ}が既知の一次系としてひとまとめにされる。この動力学は、次のように表すことができる。

Ｏ_ｓの測定値およびモデルの両方を有する冗長性は、僅かに変動すると予期されるパラメータθを連続的に推定するために使用される。以下の非線形パラメータ推定量が使用される（制御装置の各更新時）。なお、調整用パラメータｋに注目されたい。

制御則は、最新の推定値

、既知のベクトル信号ｄおよび掃気酸素設定点を使用した、モデルｈ（θ，ｄ，Ｏ_ｓ）の静的部分の反転に基づく。

制御則に表されているように、直接反転ｈは、アクチュエータの限界外の値を返し得る。特殊な場合、未定義値を返すこともあり得る。値がアクチュエータの限界内にない場合、制御装置５０は必ず最大ＥＧＲ流量を選択する。実際的な目的のために、未定義値は、ｈの計算中、分母をチェックすることによって処理できる。

パラメータ推定部は、制御装置の一体部分を表す。パラメータ推定部は、定常状態中、Ｏ_ｓ誤差をゼロに収斂することによって、明示的な過渡的検出なしに、制御則を可能にする。

以下は、制御装置５０が使用できる信号の非網羅的一覧である。
・掃気酸素測定値（Ｏ_ｓ）
・負荷（ｕ_ｌｏａｄ）または燃料指数（Ｙ_ｆ）および機関速度（ω_ｃ）
・圧縮機速度（ω_ｔ）
・ＥＧＲブロワ速度（ω_ｂ）
・掃気圧（ｐ_ｓｃａｖ）
・ＥＧＲ弁圧力降下（Δｐ_ｖ）
・ＥＧＲブロワ圧力上昇（Δｐ_ｂ）

制御装置５０は、上記信号の全て、またはいくつか、を使用できる。掃気酸素測定は低速であるので、掃気受け内の酸素濃度の推定値を即座に得ることができるその他の信号のうちの少なくとも１つがサーバベースの（フィードフォワード）制御に使用される。

以下は、制御装置５０の調整に使用可能な調整用パラメータの非網羅的一覧である。
・パラメータ推定量ゲイン（ｋ）
・酸素時定数（τ）
・酸素遅延（τ_{ｄｅｌａｙ}）
・圧縮機流量の近似指数（ａ）

制御装置５０は、当該機関に固有の上記調整用パラメータの全て、またはいくつか、を使用できる。

以下は、制御装置５０が使用できる基本パラメータの非網羅的一覧である。
・燃料比例（ｋ_ｌｏａｄまたはｋ_Ｙ）
・ＥＧＲブロワ上流の温度（Τ_ｕｓ）
・ＥＧＲブロワ比熱（ｃ_ｐ）
・ＥＧＲブロワの比熱比（γ）
・ＥＧＲブロワのガス定数（Ｒ_ｓ）
・ＥＧＲブロワの半径（Ｒ_ｂ）
・ＥＧＲブロワマップ（ｃ_０，ｃ_１，ｃ_２）
・周囲酸素の割合（Ｏ_ａ）
・化学量論的酸素・燃料比（ｋ_ｆ）
・最大ＥＧＲ流量

本実施形態において、外側制御ループは、実際のアクチュエータ値（ＥＧＲブロワの速度およびＥＧＲ弁の開度）ではなく、外側のＥＧＲ流量を指定する。したがって、制御装置（５０）は、例えば可変速ブロワ（単数または複数）２２、２３の速度および／またはＥＧＲ弁２４、２５の開度を調整することによって、ＥＧＲ流量を制御する内側ループを更に含む。一実施形態において、内側ループは、基本的なフィードバック方法を使用することもできる。

図５は、ＥＧＲ導管２０が２つのストリングに分岐していない、すなわちシステムは単一のブロワ２０と単一のＥＧＲ弁２４とで足りる、以外は、図４の実施形態と基本的に同じ一実施形態を示す。

図６は、フィードバックおよびフィードフォワードに基づくＯｓ制御装置と、流量制御装置と、流量推定部とを含む制御装置５０の概略図を示す。

図６は、フィードバックおよびフィードフォワードに基づくＯｓ制御装置への所望の酸素濃度（Ｏｓ設定点）の入力を示す。フィードバックおよびフィードフォワードに基づくＯｓ制御装置は、機関負荷、圧縮機速度、および測定Ｏｓを表す信号を更に受信する。

フィードバックおよびフィードフォワードに基づくＯｓ制御装置は、流量推定値を示す信号を流量推定部から更に受信する。

フィードバックおよびフィードフォワードに基づくＯｓ制御装置は、これら受信信号に基づき、流量設定点を決定する。流量制御装置は、フィードバックおよびフィードフォワードに基づくＯｓ制御装置によって決定された流量設定点を受信する。流量制御装置は、ＥＧＲブロワ速度設定点および／またはＥＧＲ弁開度設定点を出力する。

本願明細書のさまざまな実施形態と併せて本発明を説明してきた。ただし、当業者は、開示されている実施形態の他の変形例を図面、本開示、および添付の請求項の検討から理解し、本発明の実施において実行できる。特許請求の範囲において、単語「を備えた／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数形を排除しない。特許請求の範囲に記載のいくつかの項目の機能は、単一のプロセッサまたは他のユニットによって実行され得る。いくつかの方策が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら方策の組み合わせを有利に使用できないということを示すものではない。特許請求の範囲に使用されている参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (16)

1. ユニフロー型の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関であって、
   複数の掃気ポート（１７）をそれぞれの下端に有し、かつ排気弁（４）をそれぞれの上端に有する複数のシリンダ（１）と、
   掃気ガスがそこを通って前記複数のシリンダ（１）に導入される吸気系であって、前記複数の掃気ポート（１７）を介して前記複数のシリンダ（１）に接続された掃気受け（２）を備えた吸気系と、
   前記複数のシリンダ内で発生した排気ガスがそこを通って排出される排気系であって、前記排気弁（４）を介して前記複数のシリンダに接続された排気受け（３）を備えた排気系と、
   掃気流を前記掃気受けに送給する圧縮機（９）を駆動するタービン（８）を有するターボチャージャ（５）であって、前記圧縮機（９）は前記吸気系にあり、前記タービン（８）は前記排気系にある、ターボチャージャ（５）と、
   燃料流を前記シリンダ（１）に送給するための燃料系と、
   前記排気系からの排気ガス流を前記吸気系に送るＥＧＲシステムであって、少なくとも１つのブロワ（２２）を備えたＥＧＲシステムと、
   前記掃気受け（２）内の酸素濃度（Ｏ_ｓ）を表す信号を供給する第１センサ（２７）と、
   前記ＥＧＲシステムを通る前記排気ガスの流量を制御するように構成された制御装置（５０）と、
   を備え、
   前記制御装置（５０）は、前記第１センサからの前記信号をフィードバック制御に使用するように構成され、
   前記制御装置（５０）は、必要な再循環排気ガス流量の推定値をフィードフォワード制御に使用するように構成される、
   機関。
2. 前記掃気受け（２）内の前記酸素レベルを酸素濃度設定点に近い値に維持するために、前記制御装置（５０）は、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気ガス流量を制御するように構成される、請求項１に記載の機関。
3. 前記掃気受け（２）内の前記酸素含有量を設定点に近い値に維持するために、前記制御装置（５０）は前記第１センサ（２７）からの前記信号をフィードバック制御に使用するように構成され、
   前記掃気受け（２）内の前記酸素含有量を前記設定点に近い値に維持するために、前記制御装置（５０）は、前記燃料流、前記ＥＧＲ流、および／または前記圧縮機流の流量測定値および／または推定値をフィードフォワード制御に使用するように構成される、請求項１または２に記載の機関。
4. 前記機関の定常運転状態においては前記フィードバック制御が支配的であり、前記機関の遷移運転状態においては前記フィードフォワード制御が支配的である、請求項１に記載の機関。
5. 前記第１センサ（２７）の前記信号は前記掃気受け（２）内の酸素濃度（Ｏ_ｓ）の実際の変化に対して遅延を有し、前記燃料流、前記ＥＧＲ流、および／または前記圧縮機流の前記流量測定値および／または推定値は瞬時に測定または判定可能である、請求項１〜４の何れか１項に記載の機関。
6. 前記フィードフォワード制御は遷移性能を向上させ、前記フィードバック制御は定常状態において前記制御誤差を最小化する、請求項１〜５の何れか１項に記載の機関。
7. 前記制御装置（５０）は、前記ＥＧＲシステムのモデルから導出された制御則を使用する、請求項１〜６の何れか１項に記載の機関。
8. 前記制御装置（５０）は、好ましくは無次元パラメータである、前記可変速ブロワ（２２、２３）のマップと、前記可変速ブロワの速度と、前記可変速ブロワ（２２、２３）の上流および下流の圧力とに基づき、必要なＥＧＲ流量を推定するように構成される、請求項１〜７の何れか１項に記載の機関。
9. 前記制御装置（５０）は、前記下流の圧力を圧力センサから推定し、前記可変速ブロワ（２２、２３）の上流または下流における前記ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁（２４、２５）にわたる弁圧力降下信号を形成するように構成される、請求項８に記載の機関。
10. 前記制御装置（５０）は、前記下流の圧力と可変速ブロワ（２２、２３）の圧力上昇測定値とから前記上流の圧力を推定するように構成される、請求項８または９に記載の機関。
11. 前記燃料流量推定値は、負荷信号（ｕ_ｌｏａｄ）または燃料指数（Ｙ_ｆ）および前記機関速度（ω_ｅｎｇ）信号のどちらか一方に基づく、好ましくはそれぞれの比例定数に更に基づく、請求項８、９、または１０に記載の機関。
12. 前記制御装置（５０）は、前記排気系から前記吸気系への前記排気ガスの流量を制御するために、前記第１センサ（２７）からの前記信号と、前記負荷（ｕ_ｌｏａｄ）または燃料指数（Ｙ_ｆ）および機関速度（ω_ｃ）と、前記圧縮機速度（ω_ｔ）と、前記可変速ブロワ（２２、２３）の速度（ω_ｂ）と、前記掃気圧（ｐ_ｓｃａｖ）と、前記弁圧力降下（Δｐ_ｖ）と、可変速ブロワ（２２、２３）の圧力上昇（Δｐ_ｂ）とを使用する、請求項１１に記載の機関。
13. 前記制御装置（５０）は、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気ガスの流量を制御するために、前記可変速ブロワ（２２、２３）の速度を調整するように構成される、請求項１〜１２の何れか１項に記載の機関。
14. 前記ＥＧＲ弁（２４、２５）は調整可能弁であり、前記制御装置（５０）は、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気ガスの流量を制御するために、前記ＥＧＲ弁（２４、２５）の開度を調整するように構成される、請求項１〜１３の何れか１項に記載の機関。
15. ユニフロー型の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関の排気系から吸気系への排気ガスの流量を制御する方法であって、
    前記機関の複数のシリンダが発生させた排気ガスの一部を再循環させることと、
    掃気受け内の酸素レベルを酸素濃度設定点に近い値に維持するために、再循環させる排気ガスの流量を制御することと、
    前記掃気受け内で測定された酸素含有量をフィードバック制御に使用することと、
    必要な再循環排気ガス流量の推定値をフィードフォワード制御に使用することと、
    を含む方法。
16. 定常状態において前記制御誤差を最小化するために前記フィードバック制御を使用することと、遷移性能を向上させるために前記フィードフォワード制御を使用することとを更に含む、請求項１５に記載の方法。