特開 2024-172788 内燃機関および内燃機関の排気ガス温度と過給圧を同時に調整する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024172788

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】内燃機関および内燃機関の排気ガス温度と過給圧を同時に調整する方法

(51)【国際特許分類】

   F02D 43/00 20060101AFI20241205BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20241205BHJP

   F01N 3/22 20060101ALI20241205BHJP

   F01N 3/033 20060101ALI20241205BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

F02D43/00 301T

F01N3/24 N

F01N3/22 311B

F01N3/22 311Z

F01N3/24 E

F01N3/24 T

F01N3/033 K

F02D45/00 360A

F02D45/00 364E

F02D43/00 301R

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023090754

(22)【出願日】2023-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】592007771

【氏名又は名称】ドイツ アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100092277

【弁理士】

【氏名又は名称】越場 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100155446

【弁理士】

【氏名又は名称】越場 洋

(72)【発明者】

【氏名】ミカエル ティール

【テーマコード（参考）】

3G091

3G190

3G384

【Ｆターム（参考）】

3G091AA18

3G091AB04

3G091AB13

3G091BA04

3G091BA14

3G091CB07

3G091EA06

3G091EA17

3G091HA16

3G091HB01

3G091HB06

3G190AA12

3G190BA11

3G190CA01

3G190CB19

3G190CB26

3G190EA12

3G190EA23

3G384AA03

3G384BA07

3G384BA36

3G384DA14

3G384FA11

3G384FA45

(57)【要約】      （修正有）

【課題】内燃機関の効率損失を最小限に抑えて排気ガス温度を迅速に調整可能にする内燃機関を提供する。
【解決手段】１．内燃機関および内燃機関の排気温度と過給圧を同時に制御する方法。
２．排気ダクト（８）内に配置されたタービン（１９）および吸気ダクト（４）内に配置された圧縮機（１８）とを備えた排気ガスターボチャージャ（１７）と、内燃機関の排気ガス質量流量の少なくとも一部をタービン（１９）を通過させることができるバイパス弁（１３）と、排気ガス通路（８）においてタービン（１９）およびバイパス弁（１３）の下流に配置された排気フラップ（15）とを有する内燃機関。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気ガスダクト（８）内に配置されたタービン（１９）と吸気通路（４）内に配置された圧縮機（１８）とを有する排気ガスターボチャージャー（１７）と、
内燃機関の排気ガス質量流量の少なくとも一部をタービン（１９）を通過させることができるバイパス弁（１３）と、
タービン（１９）および排気ガスダクト（８）内に配置されたバイパス弁（１３）の下流側の排気フラップ（１５）と、
を有することを特徴とする内燃機関。

【請求項2】

排気ガスダクト（８）が粒子フィルタ（２４）およびＳＣＲ触媒コンバータ（２６）を備えた排気ガス後処理装置（１６）を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。

【請求項3】

吸気通路（４）と排気ガス通路（８）が内燃機関（１）の燃焼室（３）を介してのみ互いに流体連通していることを特徴とする請求項２に記載の内燃エンジン。

【請求項4】

下記のステップで構成される、内燃機関、特に請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気ガス温度と過給圧とを同時に制御する方法：
（Ｖ１０）実際の過給圧（Ｐ＿６＿Ｉｓｔ）を決定し、
（Ｖ２０）実際の排気ガス温度（T＿１５＿Ｉｓｔ）を決定し、
（Ｖ３０）目標過給圧（Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌ）を決定し、
（Ｖ４０）目標排気ガス温度範囲を決定し、
（Ｖ５０）非線形モデル予測コントローラー（ＭＰＣ）を用い、実際の過給圧（Ｐ＿６＿Ｉｓｔ）、実際の排気ガス温度（Ｔ＿１５＿Ｉｓｔ）、目標過給圧（Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌ）および目標排ガス温度範囲を関数にして、内燃機関（１）の排気ガス質量流量の少なくとも一部が排気ガスターボチャージャ（１７）のタービン（１９）を通過するように案内するバイパス弁（１３）の操作量（ζ＿ＷＧ）と、排気フラップ（１５）の操作変数（ζ＿ＡＫ）とを同時に決定し,
（Ｖ６０）バイパス弁（１３）の操作量（ζ＿ＷＧ）と排気フラップ（１５）の操作量（ζ＿ＡＫ）とを調整する。

【請求項5】

上記非線形モデル予測コントローラー（ＭＰＣ）はバイパス弁（１３）の変数（ζ＿ＷＧ）および排気フラップ（１５）の操作変数（ζ＿ＡＫ）の関数で後の時点での過給圧（Ｐ＿６＿ｐｒｅｄ）を予測し、上記非線形モデル予測コントローラー（ＭＰＣ）はバイパス弁（１３）の操作変数（ζ＿ＷＧ）および排気フラップ（１５）の操作変数（ζ＿ＡＫ）を関数としての後の時点での排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄ）を予測し、上記非線形モデル予測コントローラー（ＭＰＣ）は目標過給圧（Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌ）と下流時点での予測過給圧（Ｐ＿６＿ｐｒｅｄ）の差および目標排気温度範囲と下流時点での予測排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄ）との差を関数としてメリット関数を最小化する請求項４に記載の方法。

【請求項6】

上記非線形モデル予測コントローラ（ＭＰＣ）が下記：
内燃機関（１）の排気ガスターボチャージャ（１７）の最高速度（ｎ＿１７＿ｍａｘ）、
内燃機関（１）の最大排気ガス圧力（Ｐ＿１０＿ｍａｘ）、
内燃機関（１）の排気ガスダクト（８）内の最高排気ガス温度（Ｔ＿１０＿ｍａｘ）、
内燃機関（１）の排気ガスターボチャージャ（１７）のタービン（１９）の最高排気ガス温度（Ｔ＿１９＿ｍａｘ）、
内燃機関（１）の燃焼室（３）内の最小燃空比λ＿ｍｉｎ、および
排気フラップ（１５）の最大操作量（ζ＿ＡＫ＿ｍａｘ）
の少なくとも１つの二次的条件を考慮してメリット関数を最小化する請求項５に記載の方法。

【請求項7】

排気ガスフラップ（１５）の最大操作量（ζ＿ＡＫ＿ｍａｘ）が予測排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄ）の関数として決定され、ここで、予測排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄ）が目標排気ガス温度範囲を下回る場合には、排気フラップ（１５）の最大操作量（ζ＿ＡＫ＿ｍａｘ）は排気ガスフラップ（１５）が最大まで閉じられる最大動作変数（ζ＿ＡＫ＿１）に設定され、予測排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄ）が目標排気ガス温度範囲以上である場合には、最小操作量（ＬＡＫ＿Ｏ）に設定されるか、または排気ガスフラップ（１５）の最大操作量（ζ＿ＡＫ＿ｍａｘ）は排気ガスフラップ（１５）が完全に開いた状態に設定される請求項６に記載の方法。

【請求項8】

目標排気ガス温度範囲が目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｍｉｎ）を決定することによって決定される請求項４～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

粒子フィルタ（２４）の実際の温度および／または粒子フィルタ（２４）の実際の煤量の関数として排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｍｉｎ）、内燃機関の粒子フィルタ（２４）の最低温度（Ｔ＿２４＿ｍｉｎ）を決定し、ＳＣＲ触媒コンバータ（２６）のアンモニア負荷の関数として内燃機関（１）のＳＣＲ触媒コンバータ（２６）の最低温度（Ｔ＿２６＿ｍｉｎ）を決定し、ＳＣＲ触媒コンバータ（２６）の最大温度勾配（ｄＴ２６＿ｍａｘ）の関数として内燃機関（１）のＳＣＲ触媒コンバータ（２６）の最高温度（Ｔ＿２６＿ｍａｘ）を決定し、ＳＣＲ計量システム（２５）の必要な還元剤質量流量の関数として内燃機関（１）のＳＣＲ計量システム（２５）の最低温度（Ｔ＿２５＿ｍｉｎ）を決定する請求項８に記載の方法。

【請求項10】

目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｍｉｎ）を決定するために内燃機関（１）の粒子フィルタ（２４）の最低温度（Ｔ＿２４＿ｍｉｎ）から内燃機関（１）のＳＣＲ触媒コンバータ（２６）の最低温度（Ｔ＿２６＿ｍｉｎ）および内燃機関（１）のＳＣＲ計量システム（２５）の最低温度（Ｔ＿２５＿ｍｉｎ）の最大値との比較値を求め、必要に応じて、排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度（Ｔ＿１５＿ｍｉｎ）を上記比較値と内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータ（２６）の最高温度からの最小値に設定する請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は内燃機関と、内燃機関の排気温度と過給圧を同時に制御する方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

内燃機関、特にディーゼルエンジンは有害排気ガス、特に窒素酸化物と煤粒子を排出するため、近年その最大許容排出量の制限値が世界的に厳しくなってきている。そのため内燃機関からの排出物を削減するために内燃機関には定期的に排気ガスを後処理するシステムが組み込まれている。特に、排気ガスの後処理システムには煤粒子を除去するための粒子フィルタと窒素酸化物を除去するためのＳＣＲ触媒コンバータ（ＳＣＲ、Selective Catalytic Reduction、選択的触媒還元）を含むことができる。

【0003】

粒子フィルターとＳＣＲ触媒コンバーターは両方とも特定の動作温度で機能する。これらコンポーネントの温度は主としてエンジンから供給される排気ガスの温度によって決まる。

【0004】

［特許文献１］（ドイツ特許第ＤＥ 10 2005 004 880 Ｂ４号公報）には内燃機関の排気ガス温度を制御する方法が記載されている。この特許では混合気内の所定の最高排気ガス温度を超えると燃焼空気比が連続または数回に分けて下限値まで段階的に低下し、制限値に達するとシリンダーの充填量が連続的または数段階に減少する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】ドイツ特許第ＤＥ 10 2005 004 880 Ｂ４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、内燃機関の効率損失を最小限に抑えて排気ガス温度を迅速に調整可能にする内燃機関を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、内燃機関の排気ガス温度と過給圧を同時に制御し、それによって内燃機関を高効率かつ迅速に調整可能にする方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明は、排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置された圧縮機とを有する排気ガスターボチャージャと、内燃機関の排気ガスの少なくとも一部を上記タービンを通過させるバイパス弁と、タービンおよびバイパス弁の下流の排気ガスダクト内に配置された排気フラップとを備えた内燃エンジンを提供する。

【0008】

内燃エンジンは排気ガス温度を調整するのに使用可能な２つのアクチュエーターが排気ガスダクト内に有している。その第１番目のアクチュエータは排気フラップである。この排気フラップを閉じると排気ダクト内を流れる排気ガスの流れ抵抗が生じ、排気ガス背圧が増加する。その結果、排気ガスターボチャージャーの圧縮機の性能が低下し、排気ガス流量が低下する。それにより吸気ポートに供給される過給圧が低下する。過給圧が低下すると内燃エンジンを流れる新鮮な空気が少なくなる。従って、内燃機関の燃焼室で燃焼した燃料のエネルギーがより少ないガスに分配される結果、排気ガスはより高い温度に達する。また、排気フラップが閉じると、内燃機関の燃焼室直後の排気ダクト内の排気背圧が増加する。従って、排気ガスバルブの閉鎖は排気ガス背圧の上昇と併せて過給圧の低下をもたらし、その結果、内燃機関のガス交換損失が増大し、内燃機関の効率が低下する。すなわち、排気ガス温度は排気ガスフラップのみで調整できるが、排気ガスフラップを閉じると効率が大幅に低下しする。

【0009】

第２番目のアクチュエータはバイパス弁で、これを介して吸気ポート内の圧縮機によって提供されるブースト圧力を主として調整できる。このバイパス弁を開くと排気ガスターボチャージャのタービンを通過する排気ガスの割合が増加し、圧縮機の出力が下がる。これはブースト圧の低下につながり、それは上記のように排気ガス温度の上昇につながる。バイパス弁を閉じると逆の効果になる。

【0010】

本発明による内燃機関は、内燃機関が大幅な効率損失を受けずに、主としてバイパス弁を介して排気ガス温度の可変限界値まで目標排気ガス温度を調整できるという利点を有する。その後に目標排気ガス温度が目標温度を超えた場合にのみ、バイパス弁によって調整できる排気ガス温度の可変限界値と同様に、内燃機関の効率損失を犠牲にして、排気ガス温度を調整するために排気ガスフラップを使用することもできる。

【0011】

本発明の１つの可能な実施形態では、内燃機関はディーゼル内燃機関として設計することができる。

【0012】

内燃機関の可能な一実施形態では、排気ガスダクトは排気ガス後処理システムを含むことができる。特に、排気ガス後処理システムは既知の排気ガス浄化システムを全て含むことができる。特に、排気ガス浄化システムは化学プロセスをベースにしたものにすることができる。例えば、排気ガス後処理システムは微粒子フィルタおよび／または排気ガスの選択的触媒還元に基づく触媒コンバータ（ＳＣＲ触媒コンバータ）を含むことができる。

【0013】

本発明の内燃機関の可能なさらに他の実施形態では、吸気チャネルおよび排気ガスチャネルが内燃機関の燃焼室を介してのみ互いに??流体的に接続できる。この場合、内燃機関には例えば排気ガス再循環が存在しない。

【0014】

上記の問題を解決するために、本発明は内燃機関、特に上記種類の内燃機関の排気ガス温度と給気圧力とを同時に制御する方法を提案する。本発明方法は次のステップで構成される：実際のブースト圧力を決定し、実際の排気ガス温度を決定し、目標ブースト圧を決定し、目標排気ガス温度範囲を決定し、内燃機関の排気ガス質量流量の少なくとも一部を排気ガスターボチャージャーのタービンを通過させることができるバイパス弁の操作量と、実際の過給圧、実際の排気ガス温度、目標過給圧および目標排気ガス温度範囲に応じた非線形モデル予測コントローラーによる排気フラップの操作量とを同時に決定し、バイパス弁の操作量と排気フラップの操作量とを調整する。

【0015】

主として排気ガス後処理システムの機能のために規制される排気ガス温度に加えて、内燃エンジンの効率を本質的に最適化するために制御されるもう１つの制御変数はブースト圧力である。

【0016】

既に述べたように、バイパス弁と排気ガスフラップの両方は制御変数である排気ガス温度とブースト圧力に同時に影響を与える。従って、これらは互いに結合した多変数システムである。そのため、２つの制御変数のうちの他方を同時に変更せずに一方の制御変数を調整することは不可能であり、２つの制御変数の大部分は目的が衝突することになる。

【0017】

本発明方法は、特定の目標排気ガス温度ではなく目標排気ガス温度範囲を決定することによって、また、目標排気ガス温度範囲に応じた適切な調整を行うによって上記の目的の矛盾を解決できるという利点を有する。それにより、排気温度と過給圧の同時制御が可能となる。

【0018】

本発明方法の可能な一実施形態では、非線形モデル予測コントローラがバイパス弁の操作量と排気ガスフラップの操作量の関数として、その後の１つまたは複数の時点でのブースト圧力を予測することができる。

【0019】

この非線形モデル予測コントローラはバイパス弁の操作量および排気ガスフラップの操作量の関数として、その後の１つまたは複数の時点での排気ガス温度を予測することができる。

【0020】

非線形モデル予測コントローラーはメリット関数を最小化できる。ここで、メリット関数は１つまたは複数の下流時点における目標ブースト圧力と予測ブースト圧力との差の関数および／または目標排気ガス温度範囲とその後の１つまたは複数の時点における予測排気ガス温度との差の関数である。予測排気温度が目標排気温度範囲内にある場合、目標排気温度範囲と予測排気温度との差はゼロになる。品質関数はコスト関数または品質関数とも呼ばれる。

【0021】

この方法のさらなる改良では、非線形モデル予測コントローラがバイパス弁ブの操作量および排気ガスフラップの操作量の関数として予測期間のブースト圧力を予測することができる。非線形モデル予測コントローラはバイパス弁の操作量と排気ガスフラップの操作量に応じて、予測範囲の排気ガス温度を予測することができる。予測排気温度が目標排気温度範囲内にある場合、目標排気温度範囲と予測排気温度との差はゼロになる。予測範囲は開始時刻ｔＳから終了時刻ｔＳ＋Ｔまで時間的に延長される。予測ホライズンの期間はＴである。実際の時間ｔ０を開始時間ｔＳとして選択できる。予測範囲には上記の１つまたは複数の下流時点を含めることができる。

【0022】

上記の場合、非線形モデル予測コントローラーは目標ブースト圧と予測期間内の予測ブースト圧の差に応じた１つの関数および／または目標排気ガス温度範囲と予測期間内の予測排気ガス温度との差の関数としてメリット関数を最小化できる。メリット関数は予測期間にわたる所望のブースト圧力と予測ブースト圧力との差の積分関数および／または目標排気ガス温度範囲と予測期間にわたる予測排気ガス温度の差の積分関数にすることができる。

【0023】

本発明の可能な１つの実施形態では、非線形モデル予測コントローラは少なくとも１つの二次的条件、特に、は内燃機関の排気ガスターボチャージャの最大速度、内燃機関の最大排気背圧、内燃機関の排気ガスダクト内の最高排気ガス温度、内燃機関の排気ガスターボチャージャーのタービンにおける最高排気ガス温度、内燃機関の燃焼室内の最小燃空比、排気フラップの最大操作量を少なくとも１つの二次状態として考慮してメリット関数を最小化することができる。

【0024】

排気ガスフラップの操作量は、排気ガスフラップが最大まで閉じられる最大操作量と排気ガスフラップが最大まで開く最小操作量との間の値をとることができ、この値に設定される。

【0025】

排気フラップの最大操作量は、予測される排気ガス温度の関数として決定できる。予測排気温度が目標排気温度範囲を下回っている場合には、排気フラップの最大操作量は排気フラップを最大限に閉じた最大操作量に設定することができる。

【0026】

あるいは、または、それと組み合わせて、排気ガスフラップの最大操作量を、予測排気ガス温度が目標排気ガス温度範囲以上である場合に排気ガスフラップが最大に開かれる最小動作操作量に設定することができる。あるいは、予測された排気温度が目標排気温度範囲以上である場合には、排気フラップの最大操作量を最大動作操作量と最小動作操作量との間の値に設定することができ、この予測された排気ガス温度と排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度との差は最小動作操作量の方向に増加するにつれて値が連続的に減少する。

【0027】

バイパス弁の操作量はバイパス弁が最大限に閉じられる動作の最小操作量と、バイパス弁が最大限に開く動作の最大操作量との間の値をとるか、またはその値に設定することができる。

【0028】

本発明の１つの可能な実施形態では、目標排気ガス温度範囲を決定するために、排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度を決定することができる。目標排気ガス温度範囲は目標最低排気ガス温度より小さな排気ガス温度値までに制限される。従って、排気ガス温度範囲は排気ガス温度値に対して大きすぎる開放間隔と呼ぶことができる。

【0029】

排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度を決定するために、内燃機関の粒子フィルタの最低温度を決定することができる。特に、粒子フィルタの最低温度は粒子フィルタの実際の温度の関数として決定できる。粒子フィルターの実際の温度、温度センサーを使用して測定できる。あるいは、または、それと組み合わせて、粒子フィルタの最低温度は粒子フィルタの実際の煤の量に応じて決定することができる。粒子フィルタの実際の煤量は当業者に公知の方法で測定または決定できる。

【0030】

排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度を決定するために、内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータの最低温度を決定することができる。特に、内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータの最低温度はＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア負荷の関数として決定できる。ＳＣＲ触媒コンバータのアンモニア負荷は当業者に公知の方法で測定または決定できる。

【0031】

排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度を決定するために、内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータの最高温度を決定することができる。特に、内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータの最高温度はＳＣＲ触媒コンバータの実際の温度および／またはＳＣＲ触媒コンバータの経時的な最大温度勾配の関数として決定することができる。アンモニアスリップはＳＣＲ触媒コンバーターの温度勾配を最大値に制限することで回避できる。ＳＣＲ触媒コンバーターの温度は温度センサーを使用して測定できる。

【0032】

内燃機関のＳＣＲ計量システムの最低温度は、排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度を決定するために決定できる。特に、内燃機関のＳＣＲ計量システムの最低温度はＳＣＲ計量システムの必要な還元剤質量流量の関数として決定できる。ＳＣＲ投与システムの必要な還元剤質量流量は目標還元剤質量流量とも呼ばれる。

【0033】

排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度は内燃機関の粒子フィルタの最低温度の最大値、内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータの最低温度および内燃機関のＳＣＲ添加システムの最低温度を比較して決定できる。必要に応じて、排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度を内燃機関のＳＣＲ触媒コンバータの最高温度と比較して最小値に設定することができる。

【0034】

以下、図面を参照して本発明による内燃機関の実施形態と、内燃機関の排気ガス温度と過給圧とを同時に制御するための本発明方法の一つの実施形態を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明による内燃機関の概略図。

【図2】図１の内燃機関の排気ガス温度とブースト圧力とを同時に制御するための本発明方法を示す図。

【図3】排気フラップの最大操作量ζ＿ＡＫ＿ｍａｘを求めるグラフ。

【図4】図１の内燃機関に実装される制御回路図。

【発明を実施するための形態】

【0036】

［図１］は燃料質量流量Ｗ＿Ｆが機械動力Ｐ＿ｍｅｃｈに変換される本発明による内燃機関１を示している。内燃機関１のクランクケース２は燃料が燃焼される複数の燃焼室３を公知の方法で備えている。図の場合、内燃機関１は４つの燃焼室３を有している。

【0037】

内燃機関１は、燃料燃焼のために個々の燃焼室３に新鮮な空気を供給する吸気ダクト４を含む。吸気ダクト４は吸気マニホールド５の領域で中央通路から４つの個別の流れに分岐し、それぞれが燃焼室３に接続されている。

【0038】

吸気ダクト４中には排気ターボチャージャ１７の圧縮機１８が配置されている。大気圧Ｐ＿Ｏと周囲温度Ｔ＿Ｏとを有する環境からの給気が圧縮機１８を介して吸入され、圧縮される。大気圧Ｐ＿Ｏは大気圧センサーで測定され、周囲温度Ｔ＿Ｏは周囲温度センサーで測定される。圧縮機１８の直ぐ下流の給気の圧力は値Ｐ＿１８となり、給気の温度は値Ｔ＿１８となる。

【0039】

また、圧縮機１８の下流の吸気ダクト４内には給気冷却器７が配置されており、これによって給気を公知の方法で冷却できる。

【0040】

吸気マニホールド５の直前の領域において、吸気ポート４に測定点６があり、ここで、過給圧Ｐ＿６が過給圧センサーを使用して決定され、給気温度Ｔ＿６が給気温度センサーを使用して決定され、新鮮な空気の質量流量Ｗ＿ｅｉｎが吸気マニホールド５に供給される。

【0041】

燃焼室１は燃焼室３内での燃料燃焼の結果として発生した排気ガスの質量流量Ｗ＿ａｕｓを排出することができる排気ガスダクト８を有している。排気ガスダクト８は排気マニホールド９を有し、燃焼室３にそれぞれ接続された各々の流れが集合して中央ダクトを形成する。

【0042】

排気マニホールド９の直後の領域において排気ガスダクト８は中央ダクト内に測定点１０を有し、そこで排気ガス圧力Ｐ＿１０が第１の排気ガス圧力センサによって測定でき、排気ガス温度Ｔ＿１０が第１の排気ガス温度センサーによって測定できる。排気圧力Ｐ＿１０は排気背圧とも呼ばれる。排気ガス温度Ｔ＿１０は状況監視装置（Zustandsbeobachters）による他の測定値を使用して間接的に決定することもできる。

【0043】

排気ガスダクト８は測定点１０の下流でタービンダクト１１とバイパスダクト１２とに分岐している。従って、排気ガスの質量流量Ｗ＿ａｕｓはタービンダクト１１とバイパスダクト１２とに分割され、排気ガス質量流量Ｗ＿Ｔはタービンダクト１１を流れ、排気ガス質量流量Ｗ＿ＷＧはバイパスダクト１２を流れる。

【0044】

タービンダクト１１内には排気ターボ過給機１７のタービン１９が配置され、このタービン１９はシャフト２０を介して圧縮機１８に接続されている。タービン１９はシャフト２０を介して圧縮機１８を駆動するために既知の方法で排気ガス質量流量Ｗ＿ａｕｓからエネルギーを取り出す。シャフト２０の速度ｎ＿１７は上記状況監視装置を使用してシミュレートすることができ、また、速度センサを使用して測定することもできる。

【0045】

タービン１９の直後でのタービン流路１１を流れる排気ガス質量流量Ｗ＿Ｔ の圧力は値Ｐ＿１９であり、タービン流路１１を流れる排気ガス質量流量Ｗ＿ Ｔの温度は値Ｔ＿１９である。

【0046】

バイパス流路１２にはバイパス弁１３が配置されている。このバイパス弁１３はウェストゲートとも呼ばれる。 バイパス弁１３はバイパス弁１３が最大まで閉じられる最小動作操作量とも呼ばれる閉位置と、バイパス弁１３が最大限に開いた開位置との間で連続的に調整できる。最大限に開いたときを最大値と呼ぶこともできる。バイパス弁１３のそれぞれの操作量はバイパス弁位置ζ＿ＷＧと呼ばれる。バイパス流路１２を流れる排気ガスの質量流量Ｗ＿ＷＧはバイパス弁１３を開閉することで調整できる。換言すれば、バイパス弁１３を開閉することによってバイパス流路１２を流れる排気ガス質量流量Ｗ＿ａｕｓの割合を調整することができる。バイパス弁位置ζ＿ＷＧはバイパス弁位置センサー、例えば回転角センサーによって測定される。

【0047】

バイパス弁１３の直後でバイパス流路１２を流れる排気ガス質量流量Ｗ＿ＷＧの圧力は値Ｐ＿１３であり、バイパス流路１２を流れる排気ガス質量流量Ｗ＿ＷＧの温度は値Ｔ＿１３である。

【0048】

タービン１９の下流およびバイパス弁１３の下流でタービン流路１１とバイパス流路１２は収集点１４で一緒になる。排気ガスダクト８の収集点１４の下流には排気ガスフラップ１５が配置されている。この排気ガスフラップ１５は、排気ガスフラップ１５が最大限まで閉じられる最大動作変数とも呼ばれる閉位置と、排気ガスフラップ１５が最大限に開かれる最小操作操作量とも呼ばれる開放位置との間で連続的に調整できる。排気ガスフラップ１５のそれぞれの操作変数は、排気ガスフラップ位置ζ＿ＡＫと呼ばれる。この排気ガスフラップ位置ζ＿ＡＫは排気ガスフラップ位置センサ、例えば回転角センサによって測定される。

【0049】

排気フラップ１５の直前（上流）の領域で排気ガス質量流量はＰ＿１５'の圧力値を持ち、これは第２排気ガス圧力センサーによって決定されるか、状況監視装置によってシミュレートされ、また、温度値はＴ＿１５'であり、これは第２の排気ガス温度センサーによって測定される。

【0050】

排気ガスフラップ１５の直ぐ後ろ（下流）の領域で排気ガスの質量流量は、第３の排気ガス圧力センサーによって決定されるか、上記状況監視装置によってシミュレートされるＰ＿１５の圧力値と、第３の排気ガス温度センサーによって測定されるＴ＿１５の温度値とを有する。

【0051】

第２の排気圧センサと第３の排気圧センサは組み合わせるか、または交互に使用することができる。 第２の排気ガス温度センサと第３の排気ガス温度センサも組み合わせて使用??するか、代替として使用することができる。

【0052】

この場合、排??気ガスフラップ１５の下流に排気ガス後処理装置１６が配置される。この排気ガス後処理装置１６は排気ガスの粒子、特に煤粒子の質量流を公知の方法で浄化する粒子フィルタ２４を含む。この粒子フィルタ２４の温度Ｔ＿２４は粒子フィルタ温度センサによって測定するか、または、適切な温度モデルによってシミュレートされる。

【0053】

また、排気ガス後処理装置１６は選択的触媒還元による公知の方法で窒素酸化物の排気ガス質量流を浄化するＳＣＲ触媒コンバータ２６を含む。このＳＣＲ触媒コンバータ２６の温度Ｔ＿２６は触媒コンバータ温度センサによって測定するか、または、適切な温度モデルによってシミュレートされる。

【0054】

粒子フィルタ２４とＳＣＲ触媒コンバータ２６との間にはＳＣＲ添加システム２５が配置され、それによって、例えば尿素の形態のアンモニアを排気ガスダクト８またはＳＣＲ触媒コンバータ２６中に添加することができる。このＳＣＲ添加システム２５の温度Ｔ＿２５は添加システム温度センサによって測定されるか、または、適切な温度モデルによってシミュレートされる。

【0055】

内燃機関１は制御ユニット２１（コンピュータとも呼ばれる）を含み、それによって内燃機関１を制御することができる。この制御ユニット２１は内燃機関１の状態ベクトルχを検出するように設計されている。この状態ベクトルχには内燃機関の動力要件からの例えば燃料の質量流量、クランクシャフト速度ｎ＿ｍｏｔ、排気ガスターボチャージャー速度ｎ＿１７、バイパスバルブ位置ζ＿ＷＧ、排気フラップ位置ζ＿ＡＫ、空燃比λ、周囲圧力Ｐ＿０、周囲温度Ｔ＿０、チャージエアの圧Ｐ＿１８、過給圧Ｐ＿６、排気ガス圧力Ｐ＿１０、給気温度Ｔ＿１８、給気温度Ｔ＿６、排気ガス温度Ｔ＿１０、タービンチャンネル１１を流れる水の温度Ｔ＿１９、排気ガスの質量流量、バイパスチャネル１２を通って流れる排気ガス質量流の温度Ｔ＿１３、粒子フィルター温度Ｔ＿２４、粒子フィルタ２４内の煤の質量流量の経過時間、粒子フィルタ２４の粒子負荷およびＳＣＲ触媒コンバータ２６の窒素酸化物負荷を含む１つまたは複数の値を含めることができる。

【0056】

制御ユニット２１は上記状況監視装置を使用して状態ベクトルχの１つまたは複数の値を状態ベクトルχのさらなる値の関数としてシミュレートできるように設計することができる。制御ユニット２１は排気温度Ｔ＿１５と過給圧Ｐ＿６を同時に制御することもできる。また、制御ユニット２１はバイパスバルブ位置ζ＿ＷＧおよび排気ガスフラップ位置ζ＿ＡＫを設定するためにスイッチオフされる。

【0057】

［図２］は内燃機関の排気ガス温度と過給圧を同時に調整するための本発明による方法の一つの実施形態のフローチャートを示す。ここでは上記内燃機関での方法について説明する。

【0058】

本発明方法のステップＶ１０では、第１の時点ｔ０における実際の過給圧Ｐ＿６＿Ｉｓｔが決定される。この実際の過給圧Ｐ＿６＿Ｉｓｔは過給圧センサーによって測定する。あるいは、この実際のブースト圧Ｐ＿６＿Ｉｓｔは上記状況監視装置を使用して実際の排気ガスターボチャージャ速度ｎ＿１７＿iｓｔの関数として決定することもできる。

【0059】

本発明方法のさらなるステップＶ２０では、実際の排気ガス温度が実際の時間ｔ０で決定される。この場合、実際の排気ガス温度は排気ガスフラップ１５の後ろで排気ガス後処理システム１６の前にある第３の排気ガス温度センサによって決定される。従って、この場合の実際の排気ガス温度は値Ｔ＿１５＿Ｉｓｔに対応する。あるいは、実際の排気ガス温度を第２の排気ガス温度センサによって排気ガスフラップ１５の直前で直接測定することもできる。この場合の実際の排気ガス温度は値Ｔ＿１５'_Ｉｓｔに相当する。

【0060】

本発明方法のさらなるステップＶ３０では、実際の時点ｔ０に続く時点ｔ０＋Ｔで目標ブースト圧Ｐ＿６_Ｓｏｌｌが決定される。実際の時間ｔ０とその後の時間ｔ０＋Ｔが時間Ｔの予測範囲（Pradiktionshorizont）を制限する。目標過給圧Ｐ＿６_Ｓｏｌｌはこの予測期間全体に対して決定される。これはクランクシャフト速度ｎ＿ｍｏｔおよび／または燃料質量流量Ｗ_Ｆに応じて行うことができる。

【0061】

本発明方法のさらなるステップＶ４０において、排気ガス温度Ｔ＿１５（または排気ガス温度Ｔ１５'）の目標範囲が上記予測期間について決定される。これは目標排気ガス温度範囲とも呼ばれる。この目的のために排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎが決定される。

【0062】

粒子フィルタ２４の最低温度Ｔ＿２４＿ｍｉｎは目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎを決定するために実時間ｔ０における粒子フィルタ２４の実際の煤負荷および／または実時間ｔ０における粒子フィルタ２４の実際の温度Ｔ＿２４＿ｉｓｔが使用される。

【0063】

目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎを決定するために、実際の時間ｔ０におけるＳＣＲ触媒コンバータ２６の実際のアンモニア負荷の関数としてＳＣＲ触媒コンバータ２６の最低温度Ｔ＿２６＿ｍｉｎも決定する。

【0064】

目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎを決定するために、実際の時間ｔ０における実際の温度Ｔ＿２６＿ＩｓｔおよびＳＣＲ触媒コンバータ２６の最大許容温度勾配ｄＴ２６＿ｍａｘの関数としてＳＣＲ触媒コンバータ２６の最高温度Ｔ＿２６＿ｍａｘも決定する。温度勾配ｄＴ２６＿ｍａｘはＳＣＲ触媒コンバータ２６の平均温度Ｔ＿２６＿ｍｅａｎの経時変化を表す。

【0065】

目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎを決定するためにＳＣＲ添加システム２５の最低温度Ｔ＿２５＿ｍｉｎも決定する。これは予測期間中のＳＣＲ計量システム２５の目標還元剤質量流量の関数として得られる。

【0066】

目標排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎを決定するために、粒子フィルタ２４の最低温度Ｔ＿２４＿ｍｉｎの最大値からＳＣＲ触媒コンバータ２６の最低温度Ｔ＿２６＿ｍｉｎとＳＣＲ投与システム２５の最低温度Ｔ２５＿ｍｉｎの比較値を決定する。

【0067】

必要に応じて、排気ガス温度範囲の目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎを、比較値とＳＣＲ触媒コンバータ２６の最高温度Ｔ＿２６＿ｍａｘとから最小値に設定することができる。

【0068】

本発明方法のさらなるステップＶ５０で、バイパス弁１３の操作変数ζ＿ＷＧおよび排気ガスバルブの操作変数ζ＿ＡＫが同時に決定される。これは、実際の過給圧Ｐ＿６＿Ｉｓｔ、実際の排気ガス温度Ｔ_１５_Ｉｓｔ、目標過給圧Ｐ_６_Ｓｏｌｌおよび目標排気ガス温度範囲を用いて非線形モデル予測コントローラを使用して行われる。

【0069】

上記非線形モデル予測コントローラーはバイパス弁の操作変数ζ＿ＷＧと排気ガスフラップの操作量ζ＿ＡＫの関数で予測範囲内の１つまたは複数の下流側の時点でのブースト圧力Ｐ＿６＿ｐｒｅｄをシミュレートする。この非線形モデル予測コントローラーはバイパス弁１３の操作量ζ＿ＷＧと排気フラップ１５の操作量ζ＿ＡＫの関数で予測範囲内の１つまたは複数の下流時点での排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄをシミュレートする。

【0070】

上記非線形モデル予測コントローラーはメリット関数（品質関数）を最小化する。このメリット関数は１つまたは複数の後続の時点における目標ブースト圧Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌと予測ブースト圧Ｐ＿６＿ｐｒｅｄとの間の差の関数である。メリット関数は目標排気ガス温度範囲とその後の１つまたは複数の時点における予測排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄとの差の関数でもある。予測排気温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄが目標排気温度範囲内にある場合、目標排気温度範囲と予測排気温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄとの差はゼロに設定される。

【0071】

非線形モデル予測コントローラーは以下の制約を考慮して品質関数を最小化する。

【0072】

排気ターボ過給機１７の回転数ｎ＿１７は排気ターボ過給機１７の最高回転数ｎ＿１７＿ｍａｘを超えてはならない。

【0073】

排気圧力Ｐ＿１０は最大排気背圧Ｐ＿１０＿ｍａｘを超えてはならない。

【0074】

測定点１０の排気ガス温度Ｔ＿１０は排気ガスダクト８内の最高排気ガス温度Ｔ＿１０＿ｍａｘを超えてはならない。

【0075】

排気ガスターボチャージャ１７のタービン１９の直後の排気ガス温度Ｔ＿１９は排気ガスターボチャージャ１７のタービン１９における最高排気ガス温度Ｔ＿１９＿ｍａｘを超えてはならない。

【0076】

燃焼室３内の燃料／空気比λは最小燃料／空気比λ＿ｍｉｎを下回ってはならない。

【0077】

排気フラップ１５の操作量ζ＿ＡＫは最大操作変数ζ＿ＡＫ＿ｍａｘを超えない。この排気ガスフラップ１５の最大操作量ζ＿ＡＫ＿ｍａｘは予測排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄの関数として決定される。排気フラップ１５の最大操作量ζ＿ＡＫ＿ｍａｘを最大作動操作量ζ＿ＡＫ＿１に設定した場合、予測排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄが目標排気ガス温度範囲を下回るときに、排気ガスフラップ１５が最大限に閉じられる。

【0078】

また、予測排気ガス温度が目標排気ガス温度範囲以上の場合には［図３］の破線で示すように排気フラップ１５の最大操作量ζ＿ＡＫ＿ｍａｘは排気フラップ１５が最大に開かれる最小操作量ζ＿ＡＫ＿Ｏに設定される。あるいは、［図３］の実線で示すように、予測された排気ガス温度が目標排気ガス温度範囲内またはそれを超えてる場合には、排気フラップ１５の最大操作量ζ＿ＡＫ＿ｍａｘは最大操作量ζ＿ＡＫ＿１と最小操作量ζ＿ＡＫ＿Ｏとの間の値に設定できる。この値は予測排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｐｒｅｄと目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎとの差が大きくなるにつれて最小操作操作量の方向に減少していく。

【0079】

本発明方法のさらなるステップＶ６０では、第１のアクチュエータによってバイパス弁１３の操作量ζ＿ＷＧが設定され、第２のアクチュエータによって排気ガスフラップ１５の操作量ζ＿ＡＫが設定される。

【0080】

本発明方法は制御ユニット２１上で実行される。

【0081】

［図４］は本発明方法で使用する制御回路を簡略化して示している。内燃機関１の状態ベクトルχから上記目標排気ガス温度範囲の決定部２３によって目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎが決定され、モデル予測コントローラーＭＰＣに転送される。また、内燃機関１の状態ベクトル２から上記設定過給圧Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌの決定部２３'によって設定過給圧Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌも決定され、モデル予測コントローラーへ渡される。

【0082】

決定された実際の過給圧Ｐ＿６＿ｉｓｔおよび実際の排気ガス温度Ｔ＿１５＿Ｉｓｔがモデル予測コントローラＭＰＣに転送される。このモデル予測コントローラーＭＰＣは実際の過給圧Ｐ＿６＿Ｉｓｔ、実際の排気ガス温度Ｔ＿１５＿Ｉｓｔ、目標過給圧Ｐ＿６＿Ｓｏｌｌおよび目標最低排気ガス温度Ｔ＿１５＿ｍｉｎの目標排気ガス温度範囲の関数でバイパスバルブの操作量ζ＿ＡＩＧ １３と排気フラップ１５の操作量ζ＿ＡＫとを同時に決定する。

【0083】

充填圧力Ｐ＿６および排気ガス温度Ｔ＿１５の新しい値は後の時点で制御システム２２を用いて取得される。

【符号の説明】

【0084】

１ 内燃エンジン
２ クランクケース
３ 燃焼室
４ 吸引チャンネル
５ 吸気マニホールド
６ 測定点
７ インタークーラー
８ 排気ダクト
９ 排気マニホールド
１０ 測定点
１１ タービンダクト
１２ バイパスダクト
１３ バイパス弁
１４ 回収ポイント
１５ 排気フラップ
１６ 排気後処理装置
１７ 排気ガスターボチャージャー
１８ 圧縮機
１９ タービン
２０ シャフト
２１ 制御ユニット
２２ 制御システム
２３ 決定部
２４ 粒子フィルター
２５ ＳＣＲ投与システム
２６ ＳＣＲ触媒コンバーター
Ｔ＿ 温度
Ｐ＿ 圧力
χ 内燃機関の状態ベクトル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【外国語明細書】