CN102472194A - 发动机转速算出装置以及调速器控制系统 - Google Patents

发动机转速算出装置以及调速器控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种发动机转速算出装置以及调速器控制系统。作为发动机转速算出装置，设有：脉冲检测机构，该脉冲检测机构对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号；以及转速算出机构，该转速算出机构从脉冲信号算出发动机转速。并且，发动机转速作为以内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。

Description

发动机转速算出装置以及调速器控制系统
技术领域
本发明涉及内燃发动机的调速器控制，特别涉及用于算出发动机转速的转速算出装置。
背景技术
在例如船舶用发动机的调速器控制中，通过配置于旋转装置附近的传感器，而检测出发动机的实际转速，并以设定的目标转速与实际转速无差异的方式控制燃料喷射量。但是，在内燃发动机的旋转输出中，由于包含有起因于燃烧过程中的爆燃的脉动，因此，在监测发动机转速的调速器控制中，可能会进行基于该脉动的不需要的调整。在这种情况下，燃料喷射量变成不稳定，控制性、操作性变差。此外，在发动机采用凸轮式燃料喷射系统的情况下，由于不需要的调整，因此，从调速器致动器到燃料泵的机构的磨损加快。对于这样的问题，已知有通过在脉动周期中采样保持被检测出的实际转速并进行反馈，从而从调速器控制除去发动机的脉动的影响的方法(专利文献1)。
专利文献1：日本特公平3-24581号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
另一方面，现在，在例如大型船舶用发动机中，对改善耗油量的要求正在高涨，要求考虑波浪中的螺旋桨负载变动(例如短于10秒周期的周期变动)等的调速器控制。但是，如专利文献1所示，当在发动机的脉动周期中采样保持转速并进行反馈时，难以追随由于波浪引起的负载变动。
本发明的目的在于维持由于负载变动引起的转速变动，并且以简单的构成算出除去发动机的脉动影响的转速。
(用于解决课题的方法)
本发明的发动机转速算出装置的特征在于包括：脉冲检测机构，该脉冲检测机构对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号；以及转速算出机构，该转速算出机构从脉冲信号算出发动机转速；并且，发动机转速作为以内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。
转速算出机构通过以对应于脉动周期的规定的数将邻接的脉冲间的时间间隔Ti连续累计，从而求出脉动周期。
在将1循环的旋转中检测出的脉冲信号数N设为内燃发动机的汽缸数Z时，规定的数对应于N/Z。在将N/Z的整数部设为Q时，脉动周期采用Q个或者Q+1个的时间间隔Ti的累计而被算出。
在将N/Z的小数部设为D时，在时间间隔Ti的累计中进行对应于所述小数部D的修正而算出脉动周期。对应于小数部D的修正值采用被累计的时间间隔Ti中最过去的时间间隔而被算出。修正采用被累计的时间间隔Ti中进一步最新的时间间隔而被算出。
本发明的调速器控制系统的特征在于，采用上述发动机转速算出装置。
并且，本发明的发动机转速算出方法的特征在于，对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号，从脉冲信号算出发动机转速，并且，发动机转速作为以内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。
此外，本发明的船舶的特征在于包括：船体、搭载于船体的内燃发动机、以及算出内燃发动机的发动机转速的发动机转速算出装置，发动机转速算出装置包括：脉冲检测机构，该脉冲检测机构对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号；以及转速算出机构，该转速算出机构从脉冲信号算出发动机转速。并且，发动机转速作为以内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。
(发明的效果)
根据本发明，能够维持由于负载变动所引起的转速变动，并且能够以简单的构成算出除去发动机的脉动影响的转速。
附图说明
图1为表示作为本发明一实施方式的船舶用发动机的调速器控制系统的整体构成的框图。
图2为表示各汽缸的活塞位置、爆燃时刻与发动机转速(角速度)的变动以及脉冲信号的关系的曲线图。
图3为模式化表示将N＝46、Z＝6时的(1)式的内容的模式图。
符号说明
10调速器控制系统
11内燃发动机(主机)
12转速设定部
13PID控制部
14燃料泵
15主轴
16旋转装置
17螺旋桨
18脉冲信号发生装置(非接触开关)
19转速运算部。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1为表示作为本发明一实施方式的船舶用发动机的调速器控制系统的整体构成的框图。
调速器控制系统进行作为主机的内燃发动机11的调速，通过将所设定的发动机转速输入而调整向内燃发动机11的各汽缸的燃料喷射，并将实测的发动机转速进行反馈，从而维持发动机转速为设定值。
即，在转速设定部12中设定目标转速，并向PID(Proportional-Integral-Differential，比例-积分-微分)控制部13输入。调速指令从PID控制部13向燃料泵14输出，燃料泵14将基于调速指令的喷射量的燃料供应至内燃发动机11的各汽缸。在内燃发动机11的主轴15上，安装有旋转装置16以及螺旋桨17，在旋转装置16的周缘部附近，配置有与其邻近的非接触开关和电磁拾波传感器(電磁ピツクアツプセンサ)等脉冲发生装置18。
脉冲发生装置18为随着旋转装置16的旋转而产生脉冲信号的装置，例如，检测出旋转装置16的齿尖部和槽部，而产生与发动机转速成比例的脉冲信号。来自脉冲发生装置18的脉冲信号传送至转速运算部19，实施后述的转速算出处理，并算出现在的发动机转速作为实际转速。在转速运算部19中所算出的实际转速反馈到PID控制部13的输入侧，并将与目标转速的差输入PID控制部13。
接着，参照图2，对起因于内燃发动机11的燃烧冲程而产生的发动机转速的脉动与脉冲信号的关系进行说明。另外，图2表示各汽缸的活塞位置、爆燃时刻与发动机转速的变动以及脉冲信号的关系。
在图2中，作为内燃发动机11采用6汽缸、2冲程的柴油发动机的情况下的时刻作为一例被示出。图2(a)至图2(f)分别表示在1循环(曲柄轴1旋转)中汽缸#1至#6的活塞位置与爆燃的时刻，图2(g)表示此时的主轴15的转速变动，图2(h)表示此时在脉冲信号发生装置18中所产生的脉冲信号的序列。
如图2所示，在6汽缸2冲程发动机中，在曲柄轴1旋转期间(1循环)，在各汽缸中顺次发生1次爆燃，共计6次爆燃。由于在各汽缸中发生爆燃的燃烧冲程中，转矩供给曲柄轴，因此，曲柄轴的角速度在各汽缸刚爆燃后的时刻暂时变快，在发生爆燃的周期中发生变动(脉动)。由此，旋转装置16(参照图1)的旋转(角速度)也在1循环期间发生变动，在脉冲发生装置18中产生的脉冲信号的脉冲宽度、脉冲间隔也根据爆燃间隔而产生稀密。另外，脉冲间隔对应于旋转装置16的齿间距(恒定值)，并且对应于主轴(曲柄轴)的倾斜角度(ピツチ角度)的旋转。
如上所述，被调速器控制反馈的主机的实际转速基于脉冲信号而算出，例如，通过测量检测出规定数的脉冲为止的时间而得到。此外，转速能够从邻接的两个脉冲的时间间隔算出，在该情况下，能够使周期短的变动反映到被算出的转速上。但是，当算出各脉冲的转速时，可能会受到旋转装置和传感器的精度、错误脉冲、噪声等的影响。此外，由于通常的脉冲信号在短于汽缸间的爆燃间隔的周期中发生，因此，当算出各脉冲的转速时，所算出的转速中包含由于发动机的爆燃引起的脉动。
由于内燃发动机自身的脉动与发动机转速控制没有关系，而且并不是通过燃料喷射量的调整而控制的，因此，当在调速器控制中将包含发动机脉动的转速进行反馈时，如现有技术中所说明，进行不需要的燃料调整，对于燃料供应系统的机构来说，带来不令人满意的结果。因此，在将发动机转速输入的调速器控制中，期望从被反馈的主机的实际转速中除去发动机的脉动的影响。
为了从转速中除去发动机的脉动，也考虑使用滤波器，但是，在使用滤波器的情况下，例如当改变主机转速的设定时，需要改变滤波器的设定，而构成变得复杂。此外，虽然有设定转速，但是当形成能够充分地除去脉动影响的构成时，向负载转矩变动的追随性变差。
由此可知，在本实施方式中，在从脉冲信号算出转速时，从算出转速除去直接脉动的影响。即，在本实施方式中，通过形成对应于内燃发动机的脉动周期而进行采样的构成，从而作为以脉动周期为单位的移动平均而算出发动机转速。
在例如汽缸数Z的2冲程发动机的情况下，当将脉动周期(爆燃间隔)设为Tp(sec)时，由于脉动在1/Z旋转中发生1次，因此，脉动周期Tp对应于1/Z旋转时的时间间隔。因此，在脉动周期中的发动机的平均转速(RPM)以60×(1/Z)/Tp求出，随时测量1/Z旋转所要的时间间隔，通过代入上式，作为以内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而直接求出发动机转速。
但是，主轴的相位(旋转角)通过间断的脉冲信号而被检测出，作为连续的值不被检测出。因此，有必要从脉冲信号的时间间隔推定脉动周期Tp。以下，表示在本实施方式中所采用的脉动周期Tp的算出式的例子。另外，在以下说明中，以汽缸数为Z的2冲程发动机为例，将1旋转(1循环)中的脉冲数设为N，将N/Z的整数部设为Q，小数部设为D(0≤D＜1)，将四舍五入后的整数设为R。此外，将脉冲的各时间间隔以Ti(sec)表示，在附加字i中，i＝0对应于所测量出的最新的时间间隔、i＝-1对应于在其1个前所测量出的时间间隔、i＝-2对应于在2个前所测量出的时间间隔、i＝n对应于在n个前所测量出的时间间隔。
由于N/Z对应于从一次爆燃到下次爆燃之间所检测出的脉冲数，因此，只要累计N/Z(＝Q+D)个的脉冲间隔，就能够算出脉动周期Tp。因此，在第1例中，将小数部D乘以Q个前的脉冲间隔T-Q的值加上Q个的脉冲间隔Ti(i＝0至-(Q-1))的累计值，而作为脉动周期Tp。
Tp＝T0+T-1+T-2+…+T-(Q-1)+D·T-Q                (1)
此时，转速(RPM)通过以下的(2)式求出。
转速(RPM)＝60/{Z×(T0+T-1+…+T-(Q-1)+D·T-Q)}   (2)
图3为以N＝46、Z＝6时为例模式化表示由(1)式所求出的脉动周期Tp的内容的模式图。即，表示在Q＝7、D＝2/3(0.66…)时，以Tp＝T0+T-1+T-2+…+T-6+(2/3)T-7求出脉动周期Tp的情况。
图3中在1旋转(1循环)中的脉冲信号(46个)与爆燃时刻一起被描述，并在各脉冲上附加1至46个号码。Tp(9)表示在第9个脉冲被探知时由(1)式所计算的脉动周期，Tp(10)表示在第10个脉冲被探知时的Tp。同样，图3中表示Tp(11)至Tp(16)。在Tp(9)至Tp(16)的各个中，各长方形的宽度分别从右对应于脉冲间隔T0至T-6，最左边表示脉冲间隔T-7的2/3。另外，在各长方形内表示脉冲间隔Ti的附加字的值。
如图3所示，在图1的转速运算部19中，每新检测出脉冲，脉动周期Tp从例如Tp(9)依次向Tp(16)更新，每次算出基于(2)式的转速(RPM)并被反馈。
在转速中没有由发动机引起的脉动以外的变动时，算出的脉动周期Tp(9)至Tp(16)为大致相同长度，由(2)式求出的转速也大致为恒定。由此，从基础转速的调速器控制除去由脉动引起的影响。另一方面，在由于螺旋桨负载转矩的影响而对转速产生变动时，Tp(9)至Tp(16)的长度也变化，并作为转速的变化被反馈。
接着，对由修正了(1)式的第2例引起的脉动周期Tp的算出方法进行说明。如图3所示，在采用(1)式的第1例中，仅从参入计算中的最过去的脉冲间隔T-7的长度求出N/Z中的小数D的影响，但是，在第2例中，将其分成最新的脉冲间隔T0与最过去的脉冲间隔T-7两者，由下面的(3)式算出，提高推定精度。
Tp＝(0.5+D/2)T0+T-1+T-2+…+T-(Q-1)+(0.5+D/2)T-Q   (3)
此时，转速(RPM)以60/(Z×Tp)求出。
另外，能够将小数D的影响分配于T0至T-Q的全部，例如只要均等地分配，可将(1+D)/Q乘以各项。此外，也能够使各项的加权不同。
接着，对由修正了(2)式的第3例引起的脉动周期Tp的算出方法进行说明。在第3例中，减少用于脉动周期Tp的算出的项数(脉冲间隔的数量)，提高向转速变化的追随性。即，在第3例中，仅用Q个的脉冲间隔T0至T-(Q-1)而采用(4)式求出脉动周期Tp。
Tp＝(1+D/2)T0+T-1+T-2+…+T-(Q-2)+(1+D/2)T-(Q-1)  (4)
此时，转速(RPM)以60/(Z×Tp)求出。
另外，在由(1)式所示的第1例中，也考虑将项数设为到T-(Q- 1)为止，并将(1+D)乘以该项的方法。
接着，对第4例引起的脉动周期Tp的算出方法进行说明。在第4例中，基于将N/Z四舍五入后的值R，累计R个脉冲间隔T0至T-(R- 1)而作为近似的脉动周期Tp，同时将周期Tp中的旋转作为R/N(对应于1/Z)的旋转，通过下面的(5)式求出转速。
转速(RPM)＝60·(R/N)/(T0+T-1+…+T-(R-1))       (5)
如上所述，根据本实施方式，在算出转速的过程(采样)中，由于求出对应于内燃发动机的脉动周期的移动平均，因此，能够以非常简单的构成除去发动机的脉动的影响。此外，由于采样以对应于脉动间隔(周期)的方式进行，因此即使改变目标转速的设定，也没有必要变更参数等改变算出处理。此外，由于转速的均匀化被抑制为必要的最小限度，因此，能够除去发动机的脉动的影响，并且能够充分地追随由螺旋桨等的负载转矩变动等所引起的转速变动。
另外，由上述可知，由在整个运转中，转速的控制性、操作性稳定，并能够防止不必要的燃料喷射量的调整，因此，可改善耗油量，同时也能够减轻从调速器致动器到燃料泵的机构的机械磨损。
另外，在实测中，以(3)式＞(1)式＞(4)式的顺序，提高脉动成分的除去精度，但是，在Tp的推定中最新的脉冲间隔T0所占的比例或来自T0的项所占的比例越高，可提高向转速变动的追随性。
此外，在本实施方式中，以2冲程发动机为例进行了说明，但是，也能够适用于4冲程发动机。该情况下，转速为2冲程时的2倍。
在本实施方式中，以船舶用发动机为例进行了说明，但是，在工业用的动力源或发电机等陆地用内燃发动机中也能够适用本发明。即，在进行将转速维持恒定的控制，同时用于随着负载变动的用途中的内燃发动机中，在1旋转(1循环)中产生多个脉冲信号，并利用其算出转速的情况下，也能够适用本发明。
此外，对于控制方法并不限定于PID控制，也能够适用于现代控制理论、适用控制、学习控制等。

Claims (10)

1.一种发动机转速算出装置，其特征在于包括：
脉冲检测机构，该脉冲检测机构对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号；以及转速算出机构，该转速算出机构从所述脉冲信号算出发动机转速；并且，所述发动机转速作为以所述内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。
2.根据权利要求1所述的发动机转速算出装置，其特征在于：所述转速算出机构通过以对应于所述脉动周期的规定的数将邻接的脉冲间的时间间隔Ti连续累计，从而求出所述脉动周期。
3.根据权利要求2所述的发动机转速算出装置，其特征在于：在将所述1循环的旋转中检测出的脉冲信号数N设为所述内燃发动机的汽缸数Z时，所述规定的数对应于N/Z。
4.根据权利要求3所述的发动机转速算出装置，其特征在于：在将N/Z的整数部设为Q时，所述脉动周期采用Q个或者Q+1个的时间间隔Ti的累计而被算出。
5.根据权利要求4所述的发动机转速算出装置，其特征在于：在将N/Z的小数部设为D时，在所述时间间隔Ti的累计中进行对应于所述小数部D的修正而算出所述脉动周期。
6.根据权利要求5所述的发动机转速算出装置，其特征在于：对应于所述小数部D的修正值采用被累计的所述时间间隔Ti中最过去的时间间隔而被算出。
7.根据权利要求6所述的发动机转速算出装置，其特征在于：所述修正采用被累计的所述时间间隔Ti中进一步最新的时间间隔而被算出。
8.一种采用权利要求1至7中任一项所述的发动机转速算出装置的调速器控制系统。
9.一种发动机转速算出方法，其特征在于：对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号，从所述脉冲信号算出发动机转速，并且，所述发动机转速作为以所述内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。
10.一种船舶，其特征在于包括：船体、搭载于所述船体的内燃发动机、以及算出所述内燃发动机的发动机转速的发动机转速算出装置，
所述发动机转速算出装置包括：脉冲检测机构，该脉冲检测机构对应于内燃发动机的1循环的旋转而检测出多个脉冲信号；以及转速算出机构，该转速算出机构从所述脉冲信号算出发动机转速；并且，所述发动机转速作为以所述内燃发动机的脉动周期为单位的移动平均而被算出。
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