JP2019019783A - Engine control method, engine control program and engine controller using engine state observation instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気弁と燃料調節手段を備えたエンジンを、エンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置に関する。 The present invention relates to an engine control method, an engine control program, and an engine control apparatus for controlling an engine having an exhaust valve and a fuel adjusting means by using an engine state observer that estimates an engine state from an engine model.
近年、船舶推進プラントに対する環境規制が益々強化され、さらにＥＥＤＩ（エネルギー効率設計指標）に代表されるＣＯ2削減規制の強化等も行われている。推進プラントにはこれらの規制に対応するための各種対策装置が必要となり、システムが複雑化しているが、推進プラントとして、安全性と省エネ運航の更なる追求の両立が求められる。このため、推進プラントに対する高度な実海域自動適用制御技術が必要となっている。
実海域自動適用制御技術には、推進プラントのシミュレータで仮想プラントを作成し、実際のプラントと比較することで、推進プラントの制御を行うものがある。推進プラントの中核となるのはエンジンであり、エンジンモデルが実エンジンを忠実に代表し、しかもリアルタイムの制御を行えるように計算が簡単なモデルである必要がある。
In recent years, environmental regulations for ship propulsion plants have been further strengthened, and further, CO 2 reduction regulations represented by EEDI (Energy Efficiency Design Index) have been strengthened. The propulsion plant requires various countermeasures to meet these regulations and the system is complicated. However, as a propulsion plant, both pursuit of safety and energy-saving operation are required. For this reason, advanced real sea area automatic application control technology for propulsion plants is required.
In the actual sea area automatic application control technology, there is a technique for controlling a propulsion plant by creating a virtual plant with a simulator of the propulsion plant and comparing it with an actual plant. The core of the propulsion plant is the engine, and the engine model needs to be a model that faithfully represents the actual engine and that can be calculated easily so that real-time control can be performed.
エンジン性能で最も重要な状態パラメータは、燃料量とその燃焼に必要な空気量であり、エンジンの効率を上げたり排気に含まれる汚染物質を低減したりするためには、空気過剰率（空燃比）を適正に制御することが必要である。しかし、従来はいずれのパラメータも特に非定常状態において正確に計測することが出来ず、制御に用いることができていない。 The most important state parameter for engine performance is the amount of fuel and the amount of air required to burn it. To increase engine efficiency and reduce pollutants in the exhaust, excess air ratio (air-fuel ratio) ) Must be properly controlled. However, conventionally, none of the parameters can be accurately measured, particularly in the unsteady state, and cannot be used for control.
また、エンジン性能を最大効率に維持するためには、エンジン状態パラメータを与えられた運転状態で最適値に保つ必要がある。エンジン性能を制御する従来の制御方法は二つあり、一つはオープンループ制御、もう一つはクローズドループ制御である。
オープンループ制御は、制御アクションと状態パラメータの関係を定常状態のマップで予め作成しておき制御に利用する方法である。オープンループ制御は単純であるが、経年劣化等によりエンジン状態が変わった場合はマップを適用できないため、複雑な制御を必要とするエンジン性能の制御には適用できない。
クローズドループ制御は、現在最も使われている。クローズドループ制御は、エンジン状態パラメータ（最も簡単にはエンジン回転数）を計測し、最適設定値との差を最小にする制御である。しかしながら、従来のクローズドループ制御の代表とも言えるＰＩＤ制御は線形制御であるが、実際のエンジン状態は非線形であり、線形制御を使う方法は最適とは言えない。これを補うためには、オープンループ制御と同様に予めマップを作成しておき、エンジン状態に応じて使う必要があるが、マップを作成するためにはあらゆる運転状態に応じたパラメータを計算しておく必要があるため膨大な時間がかかる。しかも、作成したマップがエンジン固有の非線形をカバーしていると保障できるものではない。さらに、問題を複雑にするものとして計測センサの信頼性があり、劣化に伴う間違った計測や、計測できても多くの雑音を含むことがあり、精度の高い制御ができない。
Further, in order to maintain the engine performance at the maximum efficiency, it is necessary to keep the engine state parameter at the optimum value in the given operation state. There are two conventional control methods for controlling engine performance, one is open loop control and the other is closed loop control.
The open loop control is a method in which a relationship between a control action and a state parameter is created in advance in a steady state map and used for control. Open-loop control is simple, but cannot be applied to engine performance control that requires complex control because the map cannot be applied when the engine state changes due to aging or the like.
Closed loop control is currently the most used. The closed loop control is a control that measures an engine state parameter (simplest engine speed) and minimizes a difference from an optimum set value. However, although PID control, which can be said to be representative of conventional closed loop control, is linear control, the actual engine state is non-linear, and the method using linear control is not optimal. In order to make up for this, it is necessary to create a map in advance and use it according to the engine state in the same way as in the open loop control, but in order to create a map, calculate parameters according to all operating conditions. It takes an enormous amount of time. Moreover, it cannot be guaranteed that the created map covers engine-specific nonlinearities. Further, the reliability of the measurement sensor is one that complicates the problem. Incorrect measurement due to deterioration, and even if the measurement can be performed, a lot of noise may be included, and high-precision control cannot be performed.
ここで、特許文献１には、エンジンのセンサにより取得した温度等のパラメータの値を拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）が実装された状態推定器に入力し、入力されたパラメータの値とエンジンの予測モデルを用いて、非計測又は非感知パラメータを推定することによりエンジンの状態を推定し、最適化アルゴリズムを用いて、状態に基づきアクチュエータ向けのコマンドを生成し、そのコマンドをエンジンに送ることによりエンジン性能を最適化する方法が開示されている。
また、特許文献２には、マニホールドに連結されている複数のシリンダと、マニホールドの下流で空燃比を推定する検出器と、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）が実装された推定器とを有し、エンジン回転数及びクランク軸の角度等によって定まる遅延時間と空燃比を推定器に入力し、個別のシリンダの空燃比を推定する方法が開示されている。
また、特許文献３には、エンジンのクランクシャフトのクランク角度を測定し、クランク角速度推定誤差とクランク角度推定誤差を演算し、非線形カルマンフィルタを用いてエンジントルクを推定する方法が開示されている。
また、特許文献４には、外部環境等によって変化する油水温や給気圧力に応じて、燃焼室の所定の密閉期間（排気弁が閉じた後、吸気弁が開弁するまでの燃焼室が密閉された期間）、吸気弁閉時期、密閉期間中燃料噴射量などを補正するバルブタイミング制御装置が開示されている。
Here, in Patent Document 1, a parameter value such as a temperature acquired by an engine sensor is input to a state estimator in which an extended Kalman filter (EKF) is mounted, and the input parameter value and an engine prediction model are input. To estimate the engine state by estimating non-measurement or non-sensing parameters, and using optimization algorithms to generate commands for the actuator based on the state and sending the command to the engine to improve engine performance. A method for optimization is disclosed.
Patent Document 2 includes a plurality of cylinders connected to a manifold, a detector for estimating an air-fuel ratio downstream of the manifold, and an estimator on which an extended Kalman filter (EKF) is mounted. There is disclosed a method for estimating the air-fuel ratio of individual cylinders by inputting a delay time and an air-fuel ratio determined by the number and the crankshaft angle into an estimator.
Patent Document 3 discloses a method of estimating the engine torque using a nonlinear Kalman filter by measuring the crank angle of the crankshaft of the engine, calculating the crank angular velocity estimation error and the crank angle estimation error.
Further, Patent Document 4 discloses a predetermined sealing period of the combustion chamber (the combustion chamber from when the exhaust valve is closed until the intake valve is opened) according to the oil water temperature and the supply air pressure which vary depending on the external environment and the like. A valve timing control device that corrects the closed period), the intake valve closing timing, the fuel injection amount during the closed period, and the like is disclosed.
しかしながら、エンジン性能で最も重要な状態パラメータである空気過剰率を非定常状態においても正確に推定することでエンジン状態を把握し、推定した空気過剰率に基づいてエンジンの制御を効率的に行う技術はこれまで提案されていない。 However, the technology that grasps the engine condition by accurately estimating the excess air ratio, which is the most important state parameter in engine performance, even in the unsteady state, and efficiently controls the engine based on the estimated excess air ratio Has not been proposed so far.
そこで本発明は、エンジンモデルを用いて空気過剰率を推定し、推定した空気過剰率に基づいてエンジンを制御することによりエンジン性能を非定常状態においても最大効率に維持することができる、エンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention estimates the excess air ratio using an engine model, and controls the engine based on the estimated excess air ratio so that the engine performance can be maintained at maximum efficiency even in an unsteady state. An object of the present invention is to provide an engine control method, an engine control program, and an engine control apparatus using an observation device.
請求項１記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法においては、排気弁と燃料調節手段を備えたエンジンをエンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御方法であって、少なくともエンジンの回転数を検出してエンジン状態観測器に入力し、エンジン状態観測器でエンジン状態として少なくとも空気過剰率を推定し、推定した空気過剰率に基づいて制御対象として少なくとも排気弁を制御することを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁を制御するため、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。ここで、空気過剰率は正確に推定された真の空気過剰率であることが好ましい。真の空気過剰率とは予めエンジンの掃気効率を、実際対象とするエンジンで計測したデータ、数値流体力学（ＣＦＤ）計算をした結果等に基づき、より詳細に把握して推定したエンジンシリンダ内の空気過剰率をいう。
The engine control method using an engine condition observer corresponding to claim 1 controls an engine having an exhaust valve and a fuel adjusting means by using an engine condition observer that estimates an engine condition from an engine model. A method for detecting at least an engine speed and inputting it to an engine condition monitor, estimating at least an excess air ratio as an engine condition with the engine condition observer, and at least as an object to be controlled based on the estimated excess air ratio. The exhaust valve is controlled.
According to the first aspect of the present invention, since the excess air ratio is estimated based on the engine speed that can be measured reliably and accurately even in an unsteady state, the accuracy of the estimated excess air ratio is high. Moreover, since the excess air ratio, which is important for grasping the engine state, is estimated and the exhaust valve is controlled, the engine performance can be easily maintained at the maximum efficiency. Here, the excess air ratio is preferably a correctly estimated true excess air ratio. The true excess air rate means the engine scavenging efficiency in advance, which is estimated and estimated in more detail based on the data measured by the actual target engine, the results of computational fluid dynamics (CFD) calculation, etc. The excess air rate.
請求項２記載の本発明は、エンジン状態観測器でエンジン状態としてエンジンの負荷を推定し、推定した負荷に基づいて排気弁を制御することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、空気過剰率に加えてエンジンの負荷も推定して排気弁を制御するため、非定常状態においても、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
The present invention according to claim 2 is characterized in that an engine load is estimated as an engine state by an engine state observer and an exhaust valve is controlled based on the estimated load.
According to the second aspect of the present invention, since the exhaust valve is controlled by estimating the engine load in addition to the excess air ratio, it becomes easier to maintain the engine performance at the maximum efficiency even in an unsteady state.
請求項３記載の本発明は、空気過剰率が下がった場合に、排気弁の閉弁タイミングを早めることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、空気過剰率を効果的に回復でき、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
The present invention according to claim 3 is characterized in that the closing timing of the exhaust valve is advanced when the excess air ratio decreases.
According to the third aspect of the present invention, the excess air ratio can be effectively recovered, and the engine performance can be easily maintained at the maximum efficiency.
請求項４記載の本発明は、空気過剰率に基づいて制御対象として燃料調節手段を制御することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、排気弁に加えて燃料調節手段も制御するため、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
The present invention according to claim 4 is characterized in that the fuel adjusting means is controlled as a control object based on the excess air ratio.
According to the fourth aspect of the present invention, since the fuel adjusting means is controlled in addition to the exhaust valve, the engine performance can be easily maintained at the maximum efficiency.
請求項５記載の本発明は、燃料調節手段による燃料調節量と排気弁のリフト量及び／又は動作タイミングを検出してエンジン状態観測器に入力し、空気過剰率を含むエンジン状態の推定に利用することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、エンジン状態の推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 5 detects the fuel adjustment amount by the fuel adjustment means, the lift amount of the exhaust valve and / or the operation timing, and inputs them to the engine state observer, and is used for estimation of the engine state including the excess air ratio. It is characterized by doing.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of the engine state.
請求項６記載の本発明は、エンジン状態観測器のエンジンモデルに回転数を含む状態初期値を設定し、少なくとも入力された状態初期値に基づいて、空気過剰率を含むエンジン状態を推定することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、状態初期値を設定することによりエンジン状態の推定精度を高めることができる。
According to a sixth aspect of the present invention, an initial state value including a rotational speed is set in an engine model of an engine state observer, and an engine state including an excess air ratio is estimated based on at least the input initial state value. It is characterized by.
According to the sixth aspect of the present invention, the estimation accuracy of the engine state can be increased by setting the state initial value.
請求項７記載の本発明は、エンジン状態の推定結果に基づいてエンジンモデルの観測パラメータを更新することを特徴とする
請求項７に記載の本発明によれば、最新の観測パラメータを用いることでエンジン状態の推定精度を高めることができる。
The present invention described in claim 7 is characterized in that the observation parameter of the engine model is updated based on the estimation result of the engine state. According to the present invention described in claim 7, by using the latest observation parameter, The estimation accuracy of the engine state can be increased.
請求項８記載の本発明は、エンジン状態の推定結果に基づいて制御対象を制御し、エンジンモデルによるエンジン状態の推定を行ない、推定結果に基づいてエンジンモデルパラメータを更新し、更新したエンジンモデルパラメータに基づいてエンジン状態の推定を行うことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、エンジンモデルパラメータの誤差を小さくしてエンジン状態の推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 8 controls an object to be controlled based on the estimation result of the engine state, estimates the engine state based on the engine model, updates the engine model parameter based on the estimation result, and updates the updated engine model parameter. The engine state is estimated based on the above.
According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to reduce the engine model parameter error and increase the estimation accuracy of the engine state.
請求項９記載の本発明は、エンジン状態観測器におけるエンジン状態の推定には、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、非線形カルマンフィルターを用いることで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 9 is characterized in that an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is used for estimating the engine state in the engine state observer.
According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of the engine state by using the nonlinear Kalman filter.
請求項１０記載の本発明は、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択することを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、エンジンモデルの状態に応じて、エンジン状態の推定を的確に行うことができる。
The present invention according to claim 10 is characterized in that an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is selected based on a setting state of a state initial value.
According to the tenth aspect of the present invention, it is possible to accurately estimate the engine state according to the state of the engine model.
請求項１１記載の本発明は、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを予め選択し、エンジン状態観測器に設定することを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、エンジン状態の推定を迅速に行うことができる。
The present invention according to claim 11 is characterized in that an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is selected in advance and set in the engine state observer.
According to the eleventh aspect of the present invention, it is possible to quickly estimate the engine state.
請求項１２記載の本発明は、エンジンは船舶に搭載され、船舶を推進するプロペラを駆動することを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、船舶に搭載されたエンジンを最大効率で運用することができる。
The present invention according to claim 12 is characterized in that the engine is mounted on a ship and drives a propeller that propels the ship.
According to this invention of Claim 12, the engine mounted in the ship can be operated with maximum efficiency.
請求項１３記載の本発明は、エンジン状態観測器は、プロペラの状態も考慮してエンジン状態を推定することを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、プロペラモデルを用いてエンジン状態の推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 13 is characterized in that the engine state observer estimates the engine state in consideration of the state of the propeller.
According to the present invention as set forth in claim 13, the estimation accuracy of the engine state can be increased by using the propeller model.
請求項１４記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラムは、排気弁と燃料調節手段を備えたエンジンをエンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御プログラムであって、コンピュータに、エンジンモデルの回転数を含む状態初期値を取得する状態初期値取得ステップと、少なくともエンジンの回転数を取得するセンサ値取得ステップと、少なくとも入力された回転数と状態初期値に基づいて少なくとも空気過剰率を含むエンジン状態を推定するエンジン状態推定ステップと、少なくとも空気過剰率を含むエンジン状態の推定結果に基づいて、制御対象として少なくとも排気弁を制御する制御ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項１４に記載の本発明によれば、状態初期値と、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
An engine control program using an engine condition observer corresponding to claim 14 controls an engine having an exhaust valve and fuel adjusting means using an engine condition observer that estimates an engine condition from an engine model. In the computer, a state initial value acquisition step for acquiring a state initial value including the rotational speed of the engine model, a sensor value acquisition step for acquiring at least the rotational speed of the engine, and at least the input rotational speed and the initial state An engine state estimation step that estimates an engine state that includes at least an excess air ratio based on a value, and a control step that controls at least an exhaust valve as a control target based on an estimation result of the engine state that includes at least an excess air ratio It is characterized by making it.
According to the present invention as set forth in claim 14, since the excess air ratio is estimated based on the initial value of the state and the engine speed that can be reliably and accurately measured even in the unsteady state, the accuracy of the estimated excess air ratio is high. In addition, since the excess air ratio that is important in grasping the engine state is estimated and the exhaust valve is controlled, it is easy to maintain the engine performance at the maximum efficiency even in an unsteady state.
請求項１５記載の本発明は、エンジン状態推定ステップにおけるエンジン状態の推定結果に基づいてエンジンモデルの観測パラメータを更新する観測パラメータ更新ステップをさらに備えたことを特徴とする。
請求項１５に記載の本発明によれば、最新の観測パラメータを用いることでエンジン状態の推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 15 further includes an observation parameter update step of updating an observation parameter of the engine model based on an estimation result of the engine state in the engine state estimation step.
According to the present invention of the fifteenth aspect, the estimation accuracy of the engine state can be increased by using the latest observation parameters.
請求項１６記載の本発明は、制御ステップによる制御対象として排気弁を制御し、エンジンモデルによるエンジン状態の推定を行ない、エンジン状態の推定結果に基づいてエンジンモデルパラメータを更新するエンジンモデルパラメータ更新ステップをさらに備え、更新したエンジンモデルパラメータに基づいてエンジン状態の推定を行うことを特徴とする。
請求項１６に記載の本発明によれば、エンジンモデルパラメータの誤差を小さくしてエンジン状態の推定精度を高めることができる。
According to a sixteenth aspect of the present invention, an engine model parameter updating step of controlling an exhaust valve as a control target in the control step, estimating an engine state by an engine model, and updating an engine model parameter based on an estimation result of the engine state. The engine state is estimated based on the updated engine model parameter.
According to the sixteenth aspect of the present invention, it is possible to reduce the engine model parameter error and increase the estimation accuracy of the engine state.
請求項１７記載の本発明は、エンジン状態推定ステップにおいて、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用することを特徴とする。
請求項１７に記載の本発明によれば、非線形カルマンフィルターを用いることで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。
The invention according to claim 17 is characterized in that an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is used in the engine state estimating step.
According to the 17th aspect of the present invention, the estimation accuracy of the engine state can be improved by using the nonlinear Kalman filter.
請求項１８記載の本発明は、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択する選択ステップをさらに備えたことを特徴とする。
請求項１８に記載の本発明によれば、エンジンモデルの状態に応じて、エンジン状態の推定を的確に行うことができる。
The present invention according to claim 18 further includes a selection step of selecting an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter based on a setting state of the initial state value.
According to the eighteenth aspect of the present invention, it is possible to accurately estimate the engine state according to the state of the engine model.
請求項１９記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置は、エンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラムを利用したエンジン制御装置であって、エンジン状態観測器を含むコンピュータと、エンジンモデルの回転数を含む状態初期値を設定する入力手段と、少なくともエンジンの回転数を取得するセンサ値取得手段と、少なくとも排気弁を制御する制御出力手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１９に記載の本発明によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
An engine control device using an engine state observer corresponding to claim 19 is an engine control device using an engine control program using an engine state observer, the computer including the engine state observer, an engine model An input means for setting a state initial value including the engine speed, a sensor value acquisition means for acquiring at least the engine speed, and a control output means for controlling at least the exhaust valve.
According to the nineteenth aspect of the present invention, since the excess air ratio is estimated based on the engine speed that can be reliably and accurately measured even in the unsteady state, the accuracy of the estimated excess air ratio is high. In addition, since the excess air ratio that is important in grasping the engine state is estimated and the exhaust valve is controlled, it is easy to maintain the engine performance at the maximum efficiency even in an unsteady state.
本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁を制御するため、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 According to the engine control method using the engine condition observer of the present invention, the excess air ratio is estimated based on the engine speed that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state. high. Moreover, since the excess air ratio, which is important for grasping the engine state, is estimated and the exhaust valve is controlled, the engine performance can be easily maintained at the maximum efficiency.
また、エンジン状態観測器でエンジン状態としてエンジンの負荷を推定し、推定した負荷に基づいて排気弁を制御する場合には、空気過剰率に加えてエンジンの負荷も推定して排気弁を制御するため、非定常状態においても、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 In addition, when the engine load is estimated as the engine state by the engine state observer and the exhaust valve is controlled based on the estimated load, the exhaust valve is controlled by estimating the engine load in addition to the excess air ratio. Therefore, it becomes easier to maintain the engine performance at the maximum efficiency even in the unsteady state.
また、空気過剰率が下がった場合に、空気過剰率を効果的に回復でき、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, when the excess air ratio decreases, the excess air ratio can be effectively recovered, and the engine performance can be easily maintained at the maximum efficiency.
また、空気過剰率に基づいて制御対象として燃料調節手段を制御する場合には、排気弁に加えて燃料調節手段も制御するため、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, when the fuel adjustment means is controlled as a control object based on the excess air ratio, the fuel adjustment means is also controlled in addition to the exhaust valve, so that it becomes easier to maintain the engine performance at the maximum efficiency.
また、燃料調節手段による燃料調節量と排気弁のリフト量及び／又は動作タイミングを検出してエンジン状態観測器に入力し、空気過剰率を含むエンジン状態の推定に利用する場合には、エンジン状態の推定精度を高めることができる。 In addition, when the fuel adjustment amount by the fuel adjustment means, the lift amount of the exhaust valve and / or the operation timing are detected and input to the engine state observer and used for estimating the engine state including the excess air ratio, the engine state The estimation accuracy can be improved.
また、エンジン状態観測器のエンジンモデルに回転数を含む状態初期値を設定し、少なくとも入力された状態初期値に基づいて、空気過剰率を含むエンジン状態を推定する場合には、状態初期値を設定することによりエンジン状態の推定精度を高めることができる。 In addition, when an initial state value including the rotation speed is set in the engine model of the engine state observer and an engine state including an excess air ratio is estimated based on at least the input initial state value, the initial state value is set. By setting, the estimation accuracy of the engine state can be increased.
また、エンジン状態の推定結果に基づいてエンジンモデルの観測パラメータを更新する場合には、最新の観測パラメータを用いることでエンジン状態の推定精度を高めることができる。 In addition, when updating the observation parameter of the engine model based on the estimation result of the engine state, it is possible to improve the estimation accuracy of the engine state by using the latest observation parameter.
また、エンジン状態の推定結果に基づいて制御対象を制御し、エンジンモデルによるエンジン状態の推定を行ない、推定結果に基づいてエンジンモデルパラメータを更新し、更新したエンジンモデルパラメータに基づいてエンジン状態の推定を行う場合には、エンジンモデルパラメータの誤差を小さくしてエンジン状態の推定精度を高めることができる。 The control target is controlled based on the estimation result of the engine state, the engine state is estimated based on the engine model, the engine model parameter is updated based on the estimation result, and the engine state is estimated based on the updated engine model parameter. When performing the above, it is possible to reduce the error of the engine model parameter and increase the estimation accuracy of the engine state.
また、エンジン状態観測器におけるエンジン状態の推定には、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用する場合には、非線形カルマンフィルターを用いることで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。 Further, when an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is used for estimation of the engine state in the engine state observer, the estimation accuracy of the engine state can be improved by using a nonlinear Kalman filter.
また、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択する場合には、エンジンモデルの状態に応じて、エンジン状態の推定を的確に行うことができる。 Further, when the extended Kalman filter or the unscented Kalman filter is selected based on the setting state of the state initial value, it is possible to accurately estimate the engine state according to the state of the engine model.
また、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを予め選択し、エンジン状態観測器に設定する場合には、エンジン状態の推定を迅速に行うことができる。 Further, when an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is selected in advance and set in the engine state observer, the engine state can be estimated quickly.
また、エンジンは船舶に搭載され、船舶を推進するプロペラを駆動する場合には、船舶に搭載されたエンジンを最大効率で運用することができる。 Further, the engine is mounted on the ship, and when driving a propeller that propels the ship, the engine mounted on the ship can be operated with maximum efficiency.
また、エンジン状態観測器は、プロペラの状態も考慮してエンジン状態を推定する場合には、プロペラモデルを用いてエンジン状態の推定精度を高めることができる。 Further, when estimating the engine state in consideration of the state of the propeller, the engine state observer can increase the estimation accuracy of the engine state using the propeller model.
また、本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラムによれば、状態初期値と、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, according to the engine control program using the engine state observer of the present invention, the excess air ratio is estimated based on the initial state value and the engine speed that can be reliably and accurately measured even in the unsteady state. The accuracy of excess air ratio is high. In addition, since the excess air ratio that is important in grasping the engine state is estimated and the exhaust valve is controlled, it is easy to maintain the engine performance at the maximum efficiency even in an unsteady state.
また、エンジン状態推定ステップにおけるエンジン状態の推定結果に基づいてエンジンモデルの観測パラメータを更新する観測パラメータ更新ステップをさらに備えた場合には、最新の観測パラメータを用いることでエンジン状態の推定精度を高めることができる。 In addition, when an observation parameter update step for updating the observation parameter of the engine model based on the estimation result of the engine state in the engine state estimation step is further provided, the estimation accuracy of the engine state is improved by using the latest observation parameter. be able to.
また、制御ステップによる制御対象として排気弁を制御し、エンジンモデルによるエンジン状態の推定を行ない、エンジン状態の推定結果に基づいてエンジンモデルパラメータを更新するエンジンモデルパラメータ更新ステップをさらに備え、更新したエンジンモデルパラメータに基づいてエンジン状態の推定を行う場合には、エンジンモデルパラメータの誤差を小さくしてエンジン状態の推定精度を高めることができる。 The engine further includes an engine model parameter update step for controlling the exhaust valve as a control target in the control step, estimating the engine state based on the engine model, and updating the engine model parameter based on the estimation result of the engine state. When the engine state is estimated based on the model parameter, the error of the engine model parameter can be reduced to increase the estimation accuracy of the engine state.
また、エンジン状態推定ステップにおいて、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用する場合には、非線形カルマンフィルターを用いることで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。 In addition, when an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is used in the engine state estimation step, the estimation accuracy of the engine state can be increased by using a nonlinear Kalman filter.
また、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択する選択ステップをさらに備えた場合には、エンジンモデルの状態に応じて、エンジン状態の推定を的確に行うことができる。 Further, in the case of further comprising a selection step of selecting an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter based on the setting state of the initial state value, it is possible to accurately estimate the engine state according to the state of the engine model. it can.
また、本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, according to the engine control apparatus using the engine condition monitor of the present invention, the excess air ratio is estimated based on the engine speed that can be reliably and accurately measured even in the unsteady state. High accuracy. In addition, since the excess air ratio that is important in grasping the engine state is estimated and the exhaust valve is controlled, it is easy to maintain the engine performance at the maximum efficiency even in an unsteady state.
以下に、本発明の実施形態によるエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置について説明する。 Hereinafter, an engine control method, an engine control program, and an engine control device using an engine state observer according to an embodiment of the present invention will be described.
図１は、本実施形態によるエンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置の概念図である。
エンジン制御装置１０は、波や風の状態といった実海域を代表する外乱（Actual Sea Condition）を考慮したプロペラモデル、及びエンジンモデルの各モジュールを組み込んだ推進プラントのシミュレータであり、いわゆる仮想プラント（Virtual Plant）を作成し、実際のプラント（Real Plant）と比較検討し、オフラインあるいはオンラインでエンジンモデルパラメータを修正し、シミュレータの精度を上げ、エンジンに対しきめ細かい制御を行う。
エンジン制御装置１０は、エンジン状態観測器１５を用いたエンジン制御プログラムを利用して、排気弁と燃料調節手段とを備えたエンジンを制御する。エンジンは、船舶に搭載されており、負荷として船舶を推進するプロペラを駆動するものである。
エンジン制御装置１０は、エンジン状態観測器１５を含むコンピュータ１１と、エンジンの回転数を含む状態初期値を設定する入力手段１２と、エンジンの回転数、燃料調節手段による燃料調節量、排気弁のリフト量、及び排気弁の動作タイミングを取得するセンサ値取得手段１３と、排気弁及び燃料調節手段（燃料ポンプラック）を制御する制御出力手段１４とを備える。入力手段１２は、制御盤、マウス、キーボード又はタッチパネル等である。なお、排気弁については、閉弁、開弁のタイミング、弁リフト量を単独又は組み合わせてセンサ値取得手段１３で取得できる。
FIG. 1 is a conceptual diagram of an engine control apparatus using the engine state observer according to the present embodiment.
The engine control device 10 is a propulsion plant simulator that incorporates a propeller model that takes into account actual sea conditions such as waves and wind conditions (actual sea conditions), and each module of the engine model. Plant), compare with actual plant (Real Plant), modify engine model parameters offline or online, improve simulator accuracy, and perform fine control over the engine.
The engine control device 10 uses an engine control program that uses the engine state observer 15 to control an engine that includes an exhaust valve and fuel adjustment means. The engine is mounted on a ship and drives a propeller that propels the ship as a load.
The engine control device 10 includes a computer 11 including an engine state observer 15, input means 12 for setting a state initial value including the engine speed, engine speed, fuel adjustment amount by the fuel adjustment means, exhaust valve Sensor value acquisition means 13 for acquiring the lift amount and operation timing of the exhaust valve, and control output means 14 for controlling the exhaust valve and fuel adjustment means (fuel pump rack). The input unit 12 is a control panel, a mouse, a keyboard, a touch panel, or the like. The exhaust valve can be acquired by the sensor value acquisition means 13 singly or in combination with the valve closing timing, the valve opening timing, and the valve lift amount.
図２は本実施形態によるエンジン状態観測器を用いた制御の概念図である。
エンジン制御装置１０は、プロペラ２を駆動するエンジン１の回転数ｎｅを検出器等のセンサ値取得手段１３で取得し、エンジン状態観測器１５に入力する。エンジン状態観測器１５は、入力された回転数ｎｅを用いてエンジンモデルによりエンジン状態として空気過剰率λとエンジンの負荷ｑｐを推定する。そして、エンジン制御装置１０は、最適なゲインを計算し、排気弁開度ＥＶＣ（閉弁タイミング）と燃料ポンプラックｈｐの制御更新信号を送出する。エンジン制御装置１０は、送出された信号に基づき、制御出力手段１４によって排気弁開度ＥＶＣ及び燃料ポンプラックｈｐを調節する。なお、排気弁開度ＥＶＣの調節は、排気弁の閉弁タイミングの他、開弁タイミング、弁リフト量やこれらを組み合わせたものであってもよい。また、燃料調節手段の調節は、燃料ポンプラックｈｐの他、燃料ポンプのタイミング、電子ガバナー、燃料調節機構等であってもよい。
ここで空気過剰率λの推定に当っては、予め実験やＣＦＤシミュレーション等により、求めたエンジン１の掃気効率を利用する。特に、２ストロークエンジンの掃気過程において、供給された全給気のうち一部分はシリンダを素通りし、残りの給気は掃気が終わった後もシリンダ内に残る。このときシリンダ内には前サイクルの燃焼ガスなどからなる残留排気が存在するので、掃気後のシリンダ内全ガス量は残留給気と残留排気を加えたものになる。掃気完了後の残留給気の質量とシリンダ内全ガス量との質量の割合を掃気効率といい、掃気作用の良否を示す値である。掃気効率はシリンダ内の給気濃度を表し、エンジン出力に直結する値であるが、エンジン１の掃気方式によりその到達レベルが異なる。このため、エンジン１の正しい掃気効率を把握しておかないと真の空気過剰率λは導出できなく、空気過剰率λに基づいてエンジン性能を真に最大効率に維持することもできない。
このように、少なくともエンジン１の回転数ｎｅを検出してエンジン状態観測器１５に入力し、エンジン状態観測器１５でエンジン状態として掃気効率に基づいた真の空気過剰率λとエンジンの負荷ｑｐを推定し、推定した真の空気過剰率λに基づいて制御対象として排気弁及び燃料調節手段を制御する。確実かつ正確に計測できるエンジン１の回転数ｎｅに基づいて、また掃気効率に基づいて空気過剰率λを推定するため、推定に用いるパラメータ数を少なくしつつ、空気過剰率λを精度よく推定できる。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率λを推定して排気弁及び燃料調節手段を制御するため、船舶に搭載されたエンジン１の性能を最大効率に維持して運用しやすくなる。
なお、排気弁のリフト量（開度）又は動作タイミングの少なくとも一方と、燃料調節手段による燃料調節量とをセンサ値取得手段１３で取得して、エンジン状態観測器１５に入力し、空気過剰率λを含むエンジン状態の推定に利用することで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。
また、エンジン状態観測器１５が、プロペラモデルによりプロペラ２の状態も考慮してエンジン状態を推定することで、エンジン状態の推定精度をさらに高めることができる。
FIG. 2 is a conceptual diagram of control using the engine state observer according to the present embodiment.
The engine control device 10 obtains the rotational speed n e of the engine 1 which drives the propeller 2 in sensor value acquisition unit 13 of the detector and the like, and inputs to the engine state observer 15. Engine state observer 15 estimates the load q p excess air ratio λ of the engine as the engine state by the engine model using rotational speed n e entered. Then, the engine control unit 10, the optimum gain is calculated, and sends a control signal of updating the exhaust valve opening EVC (the closing timing) fuel pump rack h p. The engine control unit 10, based on the transmitted signal, to adjust the exhaust valve opening EVC and the fuel pump rack h p by the control output unit 14. The adjustment of the exhaust valve opening EVC may be a valve opening timing, a valve lift amount, or a combination thereof, in addition to the exhaust valve closing timing. Also, adjustment of the fuel control means, in addition to the fuel pump rack h p, the timing of the fuel pump, an electronic governor may be a fuel adjustment mechanism or the like.
Here, in estimating the excess air ratio λ, the scavenging efficiency of the engine 1 obtained in advance through experiments, CFD simulations, or the like is used. In particular, in the scavenging process of a two-stroke engine, a part of the total supplied air passes through the cylinder, and the remaining air remains in the cylinder even after scavenging is finished. At this time, since there is residual exhaust such as combustion gas of the previous cycle in the cylinder, the total amount of gas in the cylinder after scavenging is the sum of residual supply air and residual exhaust. The ratio of the mass of the residual supply air after the completion of scavenging and the total amount of gas in the cylinder is called scavenging efficiency, and is a value indicating whether the scavenging action is good or bad. The scavenging efficiency represents the supply air concentration in the cylinder, and is a value directly connected to the engine output, but the reaching level differs depending on the scavenging method of the engine 1. For this reason, unless the correct scavenging efficiency of the engine 1 is known, the true excess air ratio λ cannot be derived, and the engine performance cannot be maintained at the truly maximum efficiency based on the excess air ratio λ.
Thus, input to the engine state observer 15 detects at least rotational speed n e of the engine 1, the real excess air factor λ of the engine based on the scavenging efficiency as the engine state in the engine state observer 15 load q p is estimated, and the exhaust valve and the fuel adjusting means are controlled as control targets based on the estimated true excess air ratio λ. Reliably and on the basis of the measured accurately can the rotational speed n e of the engine 1, and to estimate the excess air ratio λ based on the scavenging efficiency, while reducing the number of parameters to be used for estimation, accurately excess air ratio λ estimate it can. Further, since the excess air ratio λ, which is important for grasping the engine state, is estimated and the exhaust valve and the fuel adjusting means are controlled, it becomes easy to operate while maintaining the performance of the engine 1 mounted on the ship at the maximum efficiency. .
It should be noted that at least one of the lift amount (opening) or operation timing of the exhaust valve and the fuel adjustment amount by the fuel adjustment means is acquired by the sensor value acquisition means 13 and input to the engine state observer 15 to obtain the excess air ratio. By utilizing the estimation of the engine state including λ, it is possible to improve the estimation accuracy of the engine state.
Further, the engine state observer 15 estimates the engine state in consideration of the state of the propeller 2 by using the propeller model, so that the estimation accuracy of the engine state can be further increased.
図３は、エンジン、制御部及び負荷の構成及び関係を示す構成図である。
エンジン１は、２ストロークのジーゼルエンジンを想定しており、エンジン本体３、過給機４、給気管、インタークーラー５、掃気レシーバ２０、排気弁６、排気レシーバ７、排気管、燃料調節手段１６（燃料ポンプ１６ａ、電子ガバナー１６ｂ、燃料調節機構１６ｃ）及びコントローラ１７（排気弁タイミング変更機構１７ａ，排気弁駆動ポンプ１７ｂ）を含んで構成される。
FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration and relationship of the engine, the control unit, and the load.
The engine 1 is assumed to be a 2-stroke diesel engine. The engine body 3, the supercharger 4, the air supply pipe, the intercooler 5, the scavenging receiver 20, the exhaust valve 6, the exhaust receiver 7, the exhaust pipe, and the fuel adjusting means 16 ( The fuel pump 16a, the electronic governor 16b, the fuel adjusting mechanism 16c) and the controller 17 (the exhaust valve timing changing mechanism 17a and the exhaust valve driving pump 17b) are configured.
エンジン本体３は、シリンダ３ａ、ピストン３ｂ、クランク３ｃ等を含んで構成される。エンジン本体３では、シリンダ３ａ内におけるピストン３ｂの往復運動に応じてシリンダ３ａに対する空気の給気及び掃気が行われる。また、シリンダ３ａ内には、燃料調節手段１６によって燃料が供給され、燃料と空気の混合気に点火及び燃焼・爆発が行われ、そのエネルギーがピストン３ｂを駆動させる。ピストン３ｂへ与えられた駆動力は、クランク３ｃを介して負荷へ伝達される。本実施形態における主たる負荷は、船舶推進用のプロペラ２であり、波風による外乱や船速の変化によりプロペラ２の負荷変動を生じ、エンジン１の非定常状態が発生する。 The engine body 3 includes a cylinder 3a, a piston 3b, a crank 3c, and the like. In the engine body 3, air is supplied to and scavenged from the cylinder 3a in accordance with the reciprocating motion of the piston 3b in the cylinder 3a. Further, fuel is supplied into the cylinder 3a by the fuel adjusting means 16, and the mixture of fuel and air is ignited, burned and exploded, and the energy drives the piston 3b. The driving force applied to the piston 3b is transmitted to the load via the crank 3c. The main load in the present embodiment is a propeller 2 for ship propulsion, and a load fluctuation of the propeller 2 occurs due to disturbance caused by wave winds or changes in ship speed, and an unsteady state of the engine 1 occurs.
過給機４は、圧縮機Ｃ及びタービンＴを含んで構成される。過給機４では、エンジン本体３からの排気ガスのエネルギー（温度及び圧力）を利用してタービンＴを高速回転させ、その回転力によって圧縮機Ｃを駆動することによって圧縮した空気をエンジン本体３のシリンダ３ａ内へ供給する。すなわち、過給機４は、圧縮した空気をエンジン本体３に送り込み、エンジン１の本来の給気量を超える混合気を吸入・爆発させることで見かけの排気量を超える出力を与える。 The supercharger 4 includes a compressor C and a turbine T. In the supercharger 4, the turbine T is rotated at a high speed using the energy (temperature and pressure) of the exhaust gas from the engine body 3, and the compressor C is driven by the rotational force to compress the compressed air. Into the cylinder 3a. In other words, the supercharger 4 sends compressed air to the engine body 3 and sucks and explodes an air-fuel mixture that exceeds the original air supply amount of the engine 1 to give an output that exceeds the apparent exhaust amount.
過給機４において圧縮された空気は、ディフューザ等を介して給気管に送り込まれる。給気管には、インタークーラー５が設けられる。インタークーラー５は、圧縮空気を中間冷却する。インタークーラー５を通った圧縮空気は掃気レシーバ２０に送り込まれて貯められる。掃気レシーバ２０に貯められた圧縮空気は、エンジン本体３のピストン３ｂが下死点付近にあるときに開状態となる掃気ポートからエンジン本体３のシリンダ３ａ内に送り込まれる。燃料調節手段１６は、燃料ポンプ１６ａ、電子ガバナー１６ｂ及び燃料調節機構１６ｃを含んで構成される。電子ガバナー１６ｂは、クランク３ｃの回転数を示す回転数信号Ｎｅを受けて、燃料ポンプ１６ａの駆動タイミングを制御する。燃料ポンプ１６ａは、電子ガバナー１６ｂの制御により所望のタイミングで燃料をシリンダ３ａ内に噴射させる。エンジン本体３のシリンダ３ａ内には、燃料調節手段１６から燃料が供給されて混合気となり、ピストン３ｂにより圧縮されて混合気が燃焼させられる。燃焼によりピストン３ｂに駆動力が与えられる。 The air compressed in the supercharger 4 is sent into an air supply pipe through a diffuser or the like. An intercooler 5 is provided in the air supply pipe. The intercooler 5 intermediate-cools the compressed air. The compressed air that has passed through the intercooler 5 is sent to the scavenging receiver 20 and stored. The compressed air stored in the scavenging receiver 20 is sent into the cylinder 3a of the engine body 3 from the scavenging port that is open when the piston 3b of the engine body 3 is near bottom dead center. The fuel adjustment means 16 includes a fuel pump 16a, an electronic governor 16b, and a fuel adjustment mechanism 16c. Electronic governor 16b receives the speed signal N e indicating the rotational speed of the crankshaft 3c, and controls the drive timing of the fuel pump 16a. The fuel pump 16a injects fuel into the cylinder 3a at a desired timing under the control of the electronic governor 16b. Fuel is supplied from the fuel adjusting means 16 into the cylinder 3a of the engine body 3 to become an air-fuel mixture, which is compressed by the piston 3b and combusted. A driving force is applied to the piston 3b by the combustion.
エンジン本体３での燃焼により発生した排気ガスは、排気弁６が開状態となると共に掃気レシーバ２０に貯められた圧縮空気によって掃気されて排気レシーバ７に送り込まれる。排気レシーバ７に貯められた排気ガスは、過給機４のタービンＴに導かれて回転力を与えた後に排気される。 The exhaust gas generated by the combustion in the engine body 3 is opened by the exhaust valve 6 and is scavenged by the compressed air stored in the scavenging receiver 20 and sent to the exhaust receiver 7. The exhaust gas stored in the exhaust receiver 7 is exhausted after being guided to the turbine T of the supercharger 4 to give a rotational force.
本実施形態では、排気弁６を閉状態から開状態にする開弁タイミング及び開状態から閉状態にする閉弁タイミングは制御部１８によって制御される。具体的には、制御部１８が排気弁タイミング制御装置として機能し、排気弁タイミング変更機構１７ａを制御することによって排気弁６の作動タイミング及び開度（リフト量）が制御される。排気弁タイミング変更機構１７ａは、排気弁駆動ポンプ１７ｂにより発生した油圧を利用して、排気弁６を押す油圧アクチュエータに設けられた電磁式のリリーフバルブにより排気弁６を開く圧力を調整して排気弁６を制御する。排気弁６の制御については後述する。なお、排気弁６の制御は、作動タイミングのみでもよく、開度（リフト量）のみでもよく、これらを組み合わせてもよいが、作動タイミングのみの制御が排気弁タイミング変更機構１７ａの構成が簡略化できるため好ましい。 In the present embodiment, the valve opening timing for bringing the exhaust valve 6 from the closed state to the open state and the valve closing timing for bringing the exhaust valve 6 from the open state to the closed state are controlled by the control unit 18. Specifically, the control unit 18 functions as an exhaust valve timing control device, and the operation timing and the opening degree (lift amount) of the exhaust valve 6 are controlled by controlling the exhaust valve timing changing mechanism 17a. The exhaust valve timing changing mechanism 17a uses the hydraulic pressure generated by the exhaust valve drive pump 17b to adjust the pressure at which the exhaust valve 6 is opened by an electromagnetic relief valve provided in a hydraulic actuator that pushes the exhaust valve 6. The valve 6 is controlled. The control of the exhaust valve 6 will be described later. The control of the exhaust valve 6 may be only the operation timing, only the opening degree (lift amount), or a combination thereof, but the control of only the operation timing simplifies the configuration of the exhaust valve timing changing mechanism 17a. This is preferable because it is possible.
また、本実施の形態では、掃気レシーバ２０に掃気バイパス管１９が接続される。掃気バイパス管１９には流量センサ１９ａと取出弁１９ｂが設けられる。取出弁１９ｂを開状態にすることによって、掃気レシーバ２０に送り込まれた圧縮空気の一部が空気潤滑用の供給管（図示せず）へ送り込まれる。一方、取出弁１９ｂを閉状態とすることによって、掃気レシーバ２０に送り込まれた圧縮空気は供給管に送り込まれない状態となる。取出弁１９ｂの開度は、流量センサ１９ａの信号も利用し、制御部１８によって制御される。 In the present embodiment, the scavenging bypass pipe 19 is connected to the scavenging receiver 20. The scavenging bypass pipe 19 is provided with a flow sensor 19a and an extraction valve 19b. By opening the extraction valve 19b, a part of the compressed air sent to the scavenging receiver 20 is sent to a supply pipe (not shown) for air lubrication. On the other hand, when the extraction valve 19b is closed, the compressed air sent to the scavenging receiver 20 is not sent to the supply pipe. The opening degree of the take-out valve 19b is controlled by the control unit 18 using a signal from the flow sensor 19a.
図４は、排気弁の制御系の機能ブロック図を示す。本実施形態における船舶は、過給機４の近傍から加圧空気（掃気）を取り出して船体周囲に気泡を噴出させることによって空気潤滑を行い船舶の摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減装置を搭載している。この空気潤滑を行う際に掃気を取り出した場合も、非定常状態に該当する。
エンジン状態観測器１５は、センサ値取得手段１３である回転数センサ１３ａ、燃料調節量センサ１３ｂ及び排気弁センサ１３ｃからそれぞれエンジン１の回転数ｎｅ、燃料ポンプラックｈｐ及び排気弁開度ＥＶＣの情報を取得する。回転数センサ１３ａはエンジン本体３に設けられ、燃料調節量センサ１３ｂは燃料調節手段１６に設けられ、排気弁センサ１３ｃは排気弁６又は排気弁タイミング変更機構１７ａに設けられている。そして、回転数センサ１３ａによりエンジン１の回転数ｎｅを検出し、燃料調節量センサ１３ｂにより燃料ポンプラックｈｐを検出し、排気弁センサ１３ｃにより排気弁開度ＥＶＣを検出する。
エンジン状態観測器１５は、入力されたエンジン１の回転数ｎｅ、燃料ポンプラックｈｐ及び排気弁開度ＥＶＣを用いてエンジンモデルによりエンジン状態として空気過剰率λとエンジン１の負荷ｑｐを推定し、最適なゲインを計算し、排気弁開度ＥＶＣと燃料ポンプラックｈｐの制御更新信号を制御出力手段１４へ送出する。
制御出力手段１４は、制御部（排気弁タイミング制御装置）１８に対して排気弁開度ＥＶＣの制御設定信号を送出する。排気弁開度ＥＶＣの制御設定信号を受信した制御部（排気弁タイミング制御装置）１８は、排気弁６を開閉させるタイミング及び開度（リフト量）を制御する。具体的には、排気弁タイミング変更機構１７ａにより排気弁６の作動タイミング及び開度（リフト量）が調整される。排気弁タイミング変更機構１７ａは、制御部（排気弁タイミング制御装置）１８からの制御信号に応じて排気弁６を押す油圧アクチュエータに設けられた電磁式のリリーフバルブを制御し、それにより排気弁６を開く圧力を調整して排気弁６の作動タイミング及び開度（リフト量）を調整する。
また、制御出力手段１４は、燃料調節手段１６に対して燃料ポンプラックｈｐの制御設定信号を送出する。燃料ポンプラックｈｐの制御設定信号を受信した燃料調節手段１６は、制御設定信号に応じて燃料量を調節する。
FIG. 4 is a functional block diagram of an exhaust valve control system. The ship in the present embodiment is equipped with a frictional resistance reducing device that removes pressurized air (scavenging) from the vicinity of the supercharger 4 and jets bubbles around the hull to reduce the frictional resistance of the ship by air lubrication. ing. When scavenging is taken out when performing this air lubrication, it corresponds to an unsteady state.
Engine state observer 15, the rotation speed sensor 13a is a sensor value acquisition unit 13, the rotational speed n e, respectively from the fuel control amount sensor 13b and the exhaust valve sensor 13c engine 1, the fuel pump rack h p and the exhaust valve opening EVC Get information about. The rotation speed sensor 13a is provided in the engine body 3, the fuel adjustment amount sensor 13b is provided in the fuel adjustment means 16, and the exhaust valve sensor 13c is provided in the exhaust valve 6 or the exhaust valve timing changing mechanism 17a. Then, to detect the rotational speed n e of the engine 1 by the rotation speed sensor 13a, the fuel control amount sensor 13b detects the fuel pump rack h p, detects the exhaust valve opening EVC by the exhaust valve sensor 13c.
Engine state observer 15, the rotational speed n e of the engine 1 input by the engine model using fuel pump rack h p and the exhaust valve opening EVC load q p of the excess air ratio λ as the engine state engine 1 estimated, the optimum gain is calculated, and sends a control signal of updating the exhaust valve opening EVC and the fuel pump rack h p to the control output unit 14.
The control output unit 14 sends a control setting signal for the exhaust valve opening degree EVC to the control unit (exhaust valve timing control device) 18. The control unit (exhaust valve timing control device) 18 that has received the control setting signal for the exhaust valve opening degree EVC controls the timing and opening degree (lift amount) for opening and closing the exhaust valve 6. Specifically, the operation timing and the opening degree (lift amount) of the exhaust valve 6 are adjusted by the exhaust valve timing changing mechanism 17a. The exhaust valve timing changing mechanism 17a controls an electromagnetic relief valve provided in a hydraulic actuator that presses the exhaust valve 6 in response to a control signal from the control unit (exhaust valve timing control device) 18, and thereby the exhaust valve 6 The operation timing and the opening degree (lift amount) of the exhaust valve 6 are adjusted by adjusting the pressure for opening the valve.
Further, the control output unit 14 transmits the control setting signal of the fuel pump rack h p relative to the fuel control means 16. Fuel control means 16 which receives the control setting signal of the fuel pump rack h p adjusts the amount of fuel in response to the control setting signal.
本実施形態では、非定常状態として空気潤滑のための取出空気の取り出し状態に応じて少なくとも排気弁６の制御が行われる。空気潤滑のために必要な気泡として生成される空気の噴出量に関連して、掃気の取出空気の量が変更される。すなわち、掃気バイパス管１９から取出弁１９ｂ介して取り出される取出空気（掃気）の量が制御される。 In the present embodiment, at least the exhaust valve 6 is controlled according to the extraction state of the extracted air for air lubrication as an unsteady state. In relation to the amount of air that is generated as bubbles necessary for air lubrication, the amount of scavenging air is changed. That is, the amount of extraction air (scavenging) taken out from the scavenging bypass pipe 19 via the extraction valve 19b is controlled.
なお、取出空気の取り出し割合は、取出弁１９ｂにより制御される。ここで、図４に示した、掃気バイパス管１９に設けられた流量センサ１９ａにより掃気からの取出空気の取り出し量を検出し、エンジン１の回転数ｎｅからエンジン１への空気量を算出し、取出空気の取り出し割合を求めることができる。なお、流量センサ１９ａを用いる代わりに取出弁１９ｂの開度（変位）に基づいて取出空気の取り出し量を求めてもよい。 Note that the extraction ratio of the extraction air is controlled by the extraction valve 19b. Here, the amount of air taken out from the scavenging is detected by the flow rate sensor 19a provided in the scavenging bypass pipe 19 shown in FIG. 4, and the amount of air to the engine 1 is calculated from the rotational speed ne of the engine 1. The extraction ratio of the extraction air can be obtained. Instead of using the flow rate sensor 19a, the extraction amount of the extraction air may be obtained based on the opening degree (displacement) of the extraction valve 19b.
なお、取り出し割合とは、例えば過給機４から供給される加圧空気（掃気）と取出空気との量の比をいう。この際、量は質量流量であることが好ましく、他の比のとり方であってもエンジン本体３に供給される掃気の量が確保される比であることが好ましい。実際の制御に当たっては、エンジン本体３に供給される掃気の量は、直接、流量を計測してもよいし、掃気圧等で代用してもよい。 The take-out ratio refers to, for example, the ratio of the amount of pressurized air (scavenging) supplied from the supercharger 4 and take-out air. At this time, the amount is preferably a mass flow rate, and is preferably a ratio that secures the amount of scavenging gas supplied to the engine body 3 even if other ratios are taken. In actual control, the amount of scavenging supplied to the engine body 3 may directly measure the flow rate, or may be replaced by scavenging air pressure or the like.
一方、取出空気の取り出し割合に応じてエンジン１における掃気圧が低下し、エンジン１の性能が低下する。また、排気ガス中の有害物質の量が増加するおそれがある。そこで、制御部１８では、取出空気の量に応じてエンジン１の排気弁６をまず制御する。具体的には、制御部１８は、取出空気に応じて排気弁６の閉弁タイミングを制御する。これにより、制御部１８は、タイミング制御手段として機能する。
エンジン状態観測器１５は、エンジン１の回転数ｎｅ、燃料ポンプラックｈｐ及び排気弁開度ＥＶＣを用いてエンジンモデルによりエンジン状態として空気過剰率λとエンジン１の負荷ｑｐを推定し、空気取り出しに合った最適なゲインを計算し、排気弁開度ＥＶＣと燃料ポンプラックｈｐの制御設定信号を制御出力手段１４へ送出する。
先に制御した排気弁６の閉弁タイミングは、エンジン状態観測器１５の制御設定信号である排気弁開度ＥＶＣとしての閉弁タイミングと差がある場合は、制御設定信号に従って修正される。
なお、上記の例では空気潤滑用の加圧空気として掃気を取り出す例を示したが、加圧空気として過給機４とインタークーラー５の間から給気を取り出して利用したり、排気レシーバ７から排気を取り出して利用してもよい。また、掃気、給気、排気を組み合わせて取り出して利用することも可能である。
On the other hand, the scavenging air pressure in the engine 1 decreases according to the extraction ratio of the extracted air, and the performance of the engine 1 decreases. In addition, the amount of harmful substances in the exhaust gas may increase. Therefore, the control unit 18 first controls the exhaust valve 6 of the engine 1 in accordance with the amount of extracted air. Specifically, the control unit 18 controls the closing timing of the exhaust valve 6 according to the extracted air. Thereby, the control part 18 functions as a timing control means.
The engine state observer 15 estimates the excess air ratio λ and the load q p of the engine 1 as an engine state by an engine model using the engine speed n e , the fuel pump rack h p and the exhaust valve opening EVC. calculates the best gain for your air extraction, it sends a control setting signal of the exhaust valve opening EVC and the fuel pump rack h p to the control output unit 14.
When the valve closing timing of the exhaust valve 6 controlled previously is different from the valve closing timing as the exhaust valve opening EVC which is the control setting signal of the engine state observer 15, it is corrected according to the control setting signal.
In the above example, scavenging air is taken out as pressurized air for air lubrication. However, the air supply is taken out from the supercharger 4 and the intercooler 5 and used as pressurized air, or from the exhaust receiver 7. The exhaust may be taken out and used. Further, a combination of scavenging, air supply, and exhaust can be taken out and used.
図５は、排気弁開度と空気過剰率との関係を示す図である。図５（ａ）は、当初の排気弁開度（ＥＶＣ_０）、第１の排気弁開度（ＥＶＣ_１）、及び第２の排気弁開度（ＥＶＣ_２）の閉弁タイミングを示している。
空気過剰率λは、実海域の波や風の状況が悪い非定常時や、過給機の性能劣化、また上記した掃気の取り出し状態等により低下するが、排気弁開度ＥＶＣが当初の状態（ＥＶＣ_０）のままでは元の最適な空気過剰率λの値を回復できない。このため、図５（ｂ）に示すように、エンジン制御装置１０は、エンジン状態観測器１５が推定した空気過剰率λに応じて、排気弁開度ＥＶＣを第１の排気弁開度（ＥＶＣ_１）、又は第２の排気弁開度（ＥＶＣ_２）に変え、元の最適な空気過剰率λの値を回復するように制御する。これにより、エンジン性能を最大効率に維持することができる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the exhaust valve opening degree and the excess air ratio. FIG. 5A shows the closing timing of the initial exhaust valve opening (EVC_0), the first exhaust valve opening (EVC_1), and the second exhaust valve opening (EVC_2).
The excess air ratio λ decreases due to unsteady conditions such as bad wave and wind conditions in the actual sea area, performance deterioration of the turbocharger, and the above-described scavenging extraction state, but the exhaust valve opening EVC is in the initial state. If the value is (EVC_0), the original optimum value of the excess air ratio λ cannot be recovered. Therefore, as shown in FIG. 5 (b), the engine control apparatus 10 sets the exhaust valve opening degree EVC to the first exhaust valve opening degree (EVC_1) according to the excess air ratio λ estimated by the engine state observer 15. ) Or the second exhaust valve opening (EVC_2), and control is performed so as to recover the original optimum value of the excess air ratio λ. Thereby, engine performance can be maintained at maximum efficiency.
次に、図６から図８を用いて、エンジン制御プログラムにおけるエンジン状態の推定方法について説明する。
本実施形態において、エンジン状態観測器１５におけるエンジン状態の推定には、拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）、又はアンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）を使用する。
Next, an engine state estimation method in the engine control program will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, an extended Kalman filter (EKF) or an unscented Kalman filter (UKF) is used for estimating the engine state in the engine state observer 15.
下式（１）は、エンジン状態パラメータと空気過剰率λの非線形な関係式である。
また、下式（２）は、エンジン動的モデルの非線形状態空間方程式を表す。エンジンの回転数ｎｅ、過給機回転数ｎｔｃ、掃気圧力ｐｓ、排気温度Ｔｅ、排気圧力Ｐeの状態パラメータが、燃料ポンプラックｈｐ、エンジンの負荷ｑｐの制御更新によってどのように変化するかの状態空間方程式を示す。
また、下式（３）は、エンジン負荷ｑｐが不明の場合のエンジン動的モデルの非線形状態空間方程式を表し、アンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）用のものである。
また、下式（４）は、拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）用のＬＴＩ（Linear time invariant）モデルである。この線形モデルを使用することにより、計算速度を上げることができる。
図６は、エンジンモデルパラメータの設定とカルマンフィルターの選択方法を示すフローチャートである。
まず、特定のエンジンに対するエンジンモデルパラメータＳＡｎ，ＳＢｎを設定することにより、特定のエンジンに合う非線形モデルが作られる（非線形モデル作成ステップＳ１）。
非線形モデル作成ステップＳ１の後、作成したモデルが不確かか否かを判断する（判断ステップＳ２）。
判断ステップＳ２において、作成したモデルが不確かだと判断された場合は、式（３）を用いるアンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）が選択される（ＵＫＦ選択ステップＳ３）。
判断ステップＳ２において、作成したモデルが確かだと判断された場合は、式（４）を用いる拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）が選択される（ＥＫＦ選択ステップＳ４）。
このように、アンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）と拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）のどちらかを、エンジンモデルパラメータが不確かか否かによって選択するアルゴリズムがオフラインで予め作成される。
なお、図１に示すように、設定したエンジンモデルパラメータは、実際のプラントと比較して、必要に応じてオフラインで更新することができる。
また、これらオフラインのステップや更新は、オンラインで行うこともできる。
FIG. 6 is a flowchart showing how to set engine model parameters and select a Kalman filter.
First, by setting engine model parameters S An and S Bn for a specific engine, a nonlinear model suitable for the specific engine is created (nonlinear model creation step S1).
After the nonlinear model creation step S1, it is determined whether or not the created model is uncertain (determination step S2).
In the determination step S2, when it is determined that the created model is uncertain, an unscented Kalman filter (UKF) using Expression (3) is selected (UKF selection step S3).
If it is determined in the determination step S2 that the created model is certain, an extended Kalman filter (EKF) using the equation (4) is selected (EKF selection step S4).
Thus, an algorithm for selecting either the unscented Kalman filter (UKF) or the extended Kalman filter (EKF) depending on whether or not the engine model parameter is uncertain is created in advance offline.
In addition, as shown in FIG. 1, the set engine model parameter can be updated off-line as necessary as compared with the actual plant.
These offline steps and updates can also be performed online.
図７は、エンジン状態の推定方法を示すフローチャートである。図７のフローチャートにおいては、エンジン状態がリアルタイムで所定の時間毎（例えば２００Ｈｚ）にオンラインで推定される。
まず、エンジンの回転数ｎｅ、過給機回転数ｎｔｃ、掃気圧力ｐｓ、排気温度Ｔｅ、エンジンの負荷ｑｐ、排気圧力Ｐｅを状態初期値として取得する（状態初期値取得ステップＳ１０）。状態初期値を取得して設定することによりエンジン状態の推定精度を高めることができる。
状態初期値取得ステップＳ１０の後、センサ値取得手段１３から、時刻ｋにおけるエンジンの回転数ｎｅ(ｋ)、燃料ポンプラックｈｐ(ｋ)、及び排気弁開度ＥＶＣ(ｋ)を取得する（センサ値取得ステップＳ１１）。なお、エンジンの回転数ｎｅ(ｋ)のみを取得するようにしてもよい。
センサ値取得ステップＳ１１の後、センサ値取得ステップＳ１１で取得した時刻ｋにおけるエンジンの回転数ｎｅ(ｋ)、燃料ポンプラックｈｐ(ｋ)、及び排気弁開度ＥＶＣ(ｋ)と、状態初期値取得ステップＳ１０で取得した状態初期値に基づいて、エンジン状態観測器１５が、エンジン状態として観測パラメータを推定し、空気過剰率λを推定する（エンジン状態推定ステップＳ１２）。推定する観測パラメータは、エンジンの回転数ｎｅ、過給機回転数ｎｔｃ、掃気圧力ｐｓ、排気温度Ｔｅ、エンジンの負荷ｑｐ、排気圧力Ｐｅである。エンジン状態観測器１５におけるエンジン状態の推定には、拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）又はアンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）を使用することで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。どちらを使用するかは図４を用いて説明した選択手順に従う。なお、拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）又はアンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）を予め選択し、エンジン状態観測器１５に設定しておいてもよい。この場合は、エンジン状態の推定をさらに迅速に行うことができる。
FIG. 7 is a flowchart showing an engine state estimation method. In the flowchart of FIG. 7, the engine state is estimated online at predetermined time intervals (for example, 200 Hz) in real time.
First, an engine speed n e , a supercharger speed n tc , a scavenging pressure p s , an exhaust temperature T e , an engine load q p , and an exhaust pressure Pe are acquired as state initial values (state initial value acquisition step) S10). By obtaining and setting the initial state value, it is possible to improve the estimation accuracy of the engine state.
After the state initial value obtaining step S10, from the sensor value acquisition unit 13, the rotational speed n e of the engine at time k (k), the fuel pump rack h p (k), and obtains the exhaust valve opening EVC (k) (Sensor value acquisition step S11). Only the engine speed n e (k) may be acquired.
After the sensor value acquisition step S11, the engine speed n e (k), the fuel pump rack h p (k), the exhaust valve opening EVC (k) at the time k acquired in the sensor value acquisition step S11, and the state Based on the initial state value acquired in the initial value acquisition step S10, the engine state observer 15 estimates the observation parameter as the engine state and estimates the excess air ratio λ (engine state estimation step S12). Estimation observed parameters, the rotational speed n e of the engine, a supercharger speed n tc, the scavenging pressure p s, exhaust temperature T e, the load q p, exhaust pressure P e of the engine. The estimation of the engine state in the engine state observer 15 can increase the estimation accuracy of the engine state by using an extended Kalman filter (EKF) or an unscented Kalman filter (UKF). Which one is used follows the selection procedure described with reference to FIG. An extended Kalman filter (EKF) or an unscented Kalman filter (UKF) may be selected in advance and set in the engine state observer 15. In this case, the engine state can be estimated more quickly.
エンジン状態推定ステップＳ１２の後、燃料ポンプラックｈｐ、及び排気弁開度ＥＶＣを推定された条件に基づいた制御の入力として、燃料調節手段１６及び排気弁を制御する（制御ステップＳ１３）。これにより、エンジン性能を最大効率に維持することができる。
制御ステップＳ１３の後、時刻ｋの次の所定時間である時刻ｋ＋１におけるエンジンの回転数ｎｅ(ｋ＋１)、燃料ポンプラックｈｐ(ｋ＋１)、及び排気弁開度ＥＶＣ(ｋ＋１)を取得し（次時刻センサ値取得ステップＳ１４）、エンジン状態推定ステップＳ１２に戻る。
また、エンジン状態推定ステップＳ１２で観測パラメータを推定した後、推定結果に基づいて、エンジンモデルの観測パラメータを更新する（観測パラメータ更新ステップＳ１５）。
このように、エンジン状態観測器１５は、エンジン状態の推定とエンジンモデルの観測パラメータの更新を繰り返し行う。
After engine condition estimation step S12, a fuel pump rack h p, and as an input control based on the condition that the exhaust valve opening EVC is estimated, controls the fuel control means 16 and an exhaust valve (control step S13). Thereby, engine performance can be maintained at maximum efficiency.
After control step S13, the time k for the next predetermined time at a time k + rotational speed of the engine in 1 n e (k + 1) , the fuel pump rack h p (k + 1), and obtains the exhaust valve opening EVC (k + 1) ( Next time sensor value acquisition step S14), the process returns to the engine state estimation step S12.
Further, after the observation parameter is estimated in the engine state estimation step S12, the observation parameter of the engine model is updated based on the estimation result (observation parameter update step S15).
Thus, the engine state observer 15 repeatedly performs estimation of the engine state and update of the observation parameters of the engine model.
また、図８は、エンジン状態の推定誤差を示す図である。図８において、縦軸は誤差、横軸は時間であり、点線でエンジン状態の推定誤差の許容範囲を示し、実線でエンジン状態の誤差推定値を示している。
エンジン制御装置１０は、エンジン状態観測器１５によるエンジン状態の推定誤差を追跡し、予め定めた許容範囲から逸脱した場合は、エンジンモデルパラメータを更新する（エンジンモデルパラメータ更新ステップＳ１６）。
そして、更新したエンジンモデルパラメータに基づき、エンジン状態推定ステップＳ１２においてエンジン状態の推定を行う。これにより、エンジンモデルパラメータの誤差を小さくしてエンジン状態の誤差推定精度を高め、信頼性を向上させることができる。
なお、エンジンモデルパラメータの更新に当っては、予め定めた許容範囲から複数回逸脱した場合に更新することや、誤差を時間的に積分して所定の条件に達したら更新する等、各種の方法が採用できる。
FIG. 8 is a diagram showing an estimation error of the engine state. In FIG. 8, the vertical axis represents error, the horizontal axis represents time, the dotted line indicates the allowable range of the estimation error of the engine state, and the solid line indicates the estimated error value of the engine state.
The engine control device 10 tracks the estimation error of the engine state by the engine state observer 15, and updates the engine model parameter when it deviates from a predetermined allowable range (engine model parameter update step S16).
Based on the updated engine model parameters, the engine state is estimated in the engine state estimation step S12. Thereby, the error of the engine model parameter can be reduced, the error estimation accuracy of the engine state can be increased, and the reliability can be improved.
In addition, when updating the engine model parameters, there are various methods such as updating when deviating a predetermined number of times from the predetermined allowable range, and updating when a predetermined condition is reached by integrating the error over time. Can be adopted.
以上説明したように、クローズド、オープンループ制御を用いた従来の制御方法の問題を解決する手段として、本実施形態では、制御のための多くの計測センサを用いずに、エンジンモデルの状態に応じて、ソフトセンサと呼ばれる非線形カルマンフィルターのアンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）、又は拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）を用いる観測器を使用する。
この数学モデルが二つの部分からできていることに大きな意味がある。すなわち、ａ）特定のエンジンに適合する非線形モデルと、ｂ）その非線形モデルに完全に結び付けられる線形モデルである。これにより、アンセンテッドカルマンフィルター（ＵＫＦ）を用いるエンジン状態観測器１５、又は拡張カルマンフィルター（ＥＫＦ）を用いるエンジン状態観測器１５を使用して、エンジンの非線形プロセスを効果的に追跡することが可能となる。さらに、通常は計測できないエンジン内部の状態を推定することが可能となる。特にエンジン性能で重要な真の空気過剰率λとエンジンの負荷ｑｐ（プロペラ負荷）を推定でき、制御の入力に使用できる。これにより、エンジン状態の現在の運転状況を推定するだけではなく、近い将来のエンジン状態を的確に予測することができ、最適で安全な運転が可能となる。
なお、エンジン状態パラメータは、およそ的確に空気過剰率λを推定できるものであれば他パラメータや組み合わせでもよく、また、観測パラメータは制御対象、制御項目等に応じて他のパラメータや組み合わせを任意に選択できる。
As described above, as a means for solving the problems of the conventional control method using closed and open loop control, this embodiment does not use many measurement sensors for control, but according to the state of the engine model. Thus, an observer using an unscented Kalman filter (UKF) or an extended Kalman filter (EKF) of a nonlinear Kalman filter called a soft sensor is used.
This mathematical model has two significant parts. A) a non-linear model that fits a particular engine and b) a linear model that is fully linked to that non-linear model. This makes it possible to effectively track the engine nonlinear process using the engine condition observer 15 using the unscented Kalman filter (UKF) or the engine condition observer 15 using the extended Kalman filter (EKF). It becomes. Furthermore, it is possible to estimate the internal state of the engine that cannot be normally measured. In particular, the true excess air ratio λ and the engine load q p (propeller load), which are important in engine performance, can be estimated and used for control input. As a result, not only the current operating state of the engine state is estimated, but also the engine state in the near future can be accurately predicted, and the optimum and safe operation can be performed.
The engine condition parameter may be any other parameter or combination as long as the excess air ratio λ can be estimated accurately. The observation parameter may be any other parameter or combination depending on the control target, control item, etc. You can choose.
本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置は、船舶推進プラントのエンジンの制御に好適に利用できる。特に２ストロークエンジンのシリンダ内の空気過剰率を最適に保ち、エンジン性能を最大効率に維持することができる。また、少なくとも空気過剰率が制御に必要な排気弁と燃料調整手段を備えたあらゆるエンジンの制御に利用できる。例えば、より細かい制御が必要なガスエンジンの制御に利用することもできる。 The engine control method, the engine control program, and the engine control apparatus using the engine state observer of the present invention can be suitably used for controlling the engine of the ship propulsion plant. In particular, the excess air ratio in the cylinder of the two-stroke engine can be kept optimal, and the engine performance can be maintained at the maximum efficiency. In addition, at least the excess air ratio can be used for control of any engine provided with an exhaust valve and fuel adjustment means required for control. For example, it can be used to control a gas engine that requires finer control.
１ エンジン
２ プロペラ
６ 排気弁
１０ エンジン制御装置
１１ コンピュータ
１２ 入力手段
１３ センサ値取得手段
１４ 制御出力手段
１５ エンジン状態観測器
１６ 燃料調節手段
Ｓ３、Ｓ４ 選択ステプ
Ｓ１０ 状態初期値取得ステップ
Ｓ１１ センサ値取得ステップ
Ｓ１２ エンジン状態推定ステップ
Ｓ１３ 制御ステップ
Ｓ１５ 観測パラメータ更新ステップ
λ 空気過剰率
ｑｐ エンジンの負荷
ｎｅ エンジンの回転数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine 2 Propeller 6 Exhaust valve 10 Engine control apparatus 11 Computer 12 Input means 13 Sensor value acquisition means 14 Control output means 15 Engine state observer 16 Fuel adjustment means S3, S4 Selection step S10 State initial value acquisition step S11 Sensor value acquisition step S12 Engine state estimation step S13 Control step S15 Observation parameter update step λ Excess air ratio q p Engine load ne Engine speed
Claims (19)
コンピュータに、エンジンモデルの回転数を含む状態初期値を取得する状態初期値取得ステップと、少なくとも前記エンジンの回転数を取得するセンサ値取得ステップと、少なくとも入力された前記回転数と前記状態初期値に基づいて少なくとも前記空気過剰率を含む前記エンジン状態を推定するエンジン状態推定ステップと、少なくとも前記空気過剰率を含む前記エンジン状態の推定結果に基づいて、制御対象として少なくとも前記排気弁を制御する制御ステップとを実行させることを特徴とするエンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラム。 An engine control program for controlling an engine having an exhaust valve and a fuel adjusting means by using an engine state observer that estimates an engine state from an engine model,
In the computer, a state initial value acquisition step for acquiring a state initial value including the rotational speed of the engine model, a sensor value acquisition step for acquiring at least the rotational speed of the engine, and at least the input rotational speed and the state initial value An engine state estimation step for estimating the engine state including at least the excess air ratio based on the control, and a control for controlling at least the exhaust valve as a control object based on the estimation result of the engine state including at least the excess air ratio And an engine control program using an engine state observer.
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