JP2012193641A

JP2012193641A - 舶用エンジン制御装置および方法

Info

Publication number: JP2012193641A
Application number: JP2011057022A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tanaka; 一郎田中; Takeshi Aoki; 猛青木; Hidenori Yamamoto; 秀則山本; Ryo Mitsufuji; 亮光藤; Hiroki Watanabe; 寛樹渡辺
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: KR101229816B1; WO2012124399A1; CN102959217A; KR20120127678A; TW201239191A; JP4994505B1

Abstract

【課題】プロペラトルクが一定となる主機制御を行い、スラスト変動を抑え、推進効率を向上する。
【解決手段】主機関１１の実回転速度Ｎｅを検出し、時間遅れロジック１３および周期算出部１５に入力する。周期算出部１５において実回転速度Ｎｅの変動周期を検出し、時間遅れロジック１３において実回転速度Ｎｅを４分の１周期分の遅延して負帰還する。目標回転速度Ｎｏとフィードバック信号の偏差を比例制御部１４に入力し、周期算出部１５で求められた周期から算出される実回転速度Ｎｅの変動角速度ωに対応するゲインで比例演算を行う。Ｎ／ＦＩ変換部１２において目標回転速度Ｎｏに対応するフューエルインデックスＦＩｏを算出し、比例制御部１４からの出力と加算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶の主機の運転を制御する舶用エンジン制御装置に関する。

船舶では、プロペラ回転速度を一定値に維持する回転速度一定制御が一般に採用される。すなわち船舶主機のガバナ制御では、ＰＩＤ制御により実回転速度が目標回転速度に維持される（特許文献１）。しかし、回転速度一定制御では、負荷変動に応じて燃料供給量（フューエルインデックス）が変動するため燃費が悪化する場合がある。このことから海象によっては、燃料供給量（フューエルインデックス）を一定値に固定するガバナ制御を行う場合もある。

特開平８−２００１３１号公報

しかし、フューエルインデックスを一定にして、主機トルクを略一定に維持しても、プロペラ負荷が変動すると、プロペラトルクは一定に維持されないので、スラストに変動が発生し推進効率が低下する。

本発明は、プロペラトルクが一定となる主機制御を行い、スラスト変動を抑え、推進効率を向上することを目的としている。

本発明の舶用エンジン制御装置は、目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御装置であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して１０％〜３０％遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、実回転速度の変動角速度に比例してフューエルインデックスを変動させることを特徴としている。

フィードバック信号は、例えば実回転速度を時間遅れロジックで遅延された信号であり、目標回転速度とフィードバック信号の偏差は、例えば変動角速度に対応するゲインが設定される比例演算部を介して出力される。

また目標回転速度に対応するフューエルインデックスを算出する目標回転速度／フューエルインデックス変換手段を更に備え、比例演算部からの出力は、目標回転速度に対応するフューエルインデックスに加算される。

あるいは、舶用エンジン制御装置は、ＰＩ制御部を備え、目標回転速度とフィードバック信号の偏差がＰＩ制御部に入力され、目標回転速度に対応するフューエルインデックスが、ＰＩ制御部のＩ演算部において生成・維持される。

また、フィードバック信号は、実回転速度の微分演算により生成される構成でもよい。

本発明の船舶は、上記舶用エンジン制御装置を備えたことを特徴としている。

また本発明の舶用エンジン制御方法は、目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御方法であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して１０％〜３０％遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、実回転速度の変動角速度に比例してフューエルインデックスを変動させることを特徴としている。

本発明によれば、プロペラトルクが一定となる主機制御を行い、スラスト変動を抑え、推進効率を向上することができる。

第１実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。発明の原理および作用・効果を説明するためのグラフである。第２実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。第３実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。第４実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態である舶用エンジンの制御装置の構成を示す制御ブロック図である。

本実施形態の舶用エンジン制御装置１０は、主機関１１への燃料供給を制御するガバナシステムであり、主機関１１のクランクシャフト（図示せず）は、推進用のプロペラ（図示せず）に連結される。舶用エンジン制御装置１０では、目標値として目標回転速度Ｎｏが設定され、主機関１１の出力である実回転速度Ｎｅがターニングギア等を用いた周知の方法により検出される。

目標回転速度Ｎｏは、Ｎ／ＦＩ変換部１２においてフューエルインデックスＦＩｏに変換される。また、これに並行して本実施形態では時間遅れロジック１３を介してフィードバックされる主機関１１の実回転速度Ｎｅとの偏差が求められ、比例制御部１４において比例演算が施される。

本実施形態において、比例制御部１４は、実回転速度Ｎｅの変動角速度ωに比例するゲインで比例演算を行い、時間遅れロジック１３は、実回転速度Ｎｅの位相を略９０°あるいは変動周期の約１０〜３０％遅延する。なお、比例制御部１４のゲインおよび時間遅れロジック１３の遅延時間は、実回転速度Ｎｅの変動に基づき周期算出部１５で算出される実回転速度Ｎｅの周期Ｔに基づいて決定される。

また、Ｎ／ＦＩ変換部１２および比例制御部１４からの信号は、加算されてアクチュエータ１６に入力され、アクチュエータ１６は、フューエルインデックスＦＩに対応する量の燃料を主機関１１に供給する。

次に図２を参照して本発明のプロペラトルク一定制御の原理について、フューエルインデックス一定制御と対比して説明する。

なお、図２には、フューエルインデックス一定制御およびプロペラトルク一定制御における主機回転速度Ｎ（図２（ａ））、フューエルインデックスＦＩまたは主機トルクＱｅ（図２（ｂ））、プロペラトルクＱｐまたはスラスト（図２（ｃ））、トルク係数Ｋｑ（図２（ｄ））の時間変動がその平均値を１００％として示される。また、図２では、０〜２５秒の区間にフューエルインデックス一定制御における各物理量の変動が示され、３０〜５５秒の区間にプロペラトルク一定制御における各物理量の変動が示される。

流体密度ρ、プロペラ径Ｄ、目標回転速度Ｎｏで各物理量を無次元化するとき、プロペラトルクＱｐは、トルク係数Ｋｑと主機回転速度Ｎを用いて
Ｑｐ＝Ｋｑ・Ｎ^２（１）
と表される。

ここで、プロペラトルクＱｐ、トルク係数Ｋｑ、主機回転速度Ｎを、それぞれの平均値Ｑｐａ、Ｋｑａ、Ｎａと、変動成分△Ｑｐ、△Ｋｑ、△Ｎを用いて
Ｑｐ＝Ｑｐａ＋△Ｑｐ
Ｋｑ＝Ｋｑａ＋△Ｋｑ
Ｎ＝Ｎａ＋△Ｎ
と表し、（１）式を平均値周りに線形近似すると
△Ｑｐ＝（∂Ｑｐ／∂Ｋｑ）・△Ｋｑ＋（∂Ｑｐ／∂Ｎ）・△Ｎ
＝Ｎａ^２・△Ｋｑ＋２Ｋｑａ・Ｎａ・△Ｎ（２）
と近似できる。

ここでトルク係数の平均値Ｋｑａを１（１００％）、すなわち平均プロペラトルクＱｐａを１（１００％）とするとき、平均値周りにおいて平均回転速度Ｎａは、実質的に目標回転速度Ｎｏ（＝１）に等しいので、プロペラトルク変動成分△Ｑｐは、（２）式から
△Ｑｐ＝△Ｋｑ＋２・△Ｎ（３）
と表わされる。

また、エンジンやプロペラを含む回転部の慣性モーメントをＩ、主機トルクをＱｅとすると、オイラーの運動方程式は
ｄＮ／ｄｔ＝（Ｑｅ−Ｑｐ）／Ｉ（４）
となる。ここで主機トルクＱｅをその平均値Ｑｅａおよび変動成分△Ｑｅに分離し、Ｑｅ＝Ｑｅａ＋△Ｑｅで表すとき、Ｑｅａは実質的にＱｐａに等しいので（Ｑｅａ＝Ｑｐａ）、（４）式は
ｄ△Ｎ／ｄｔ＝（△Ｑｅ−△Ｑｐ）／Ｉ（５）
と表される。

（フューエルインデックス一定制御）
主機トルクＱｅは、フューエルインデックスＦＩに略正比例し、係数を除けば実質的にフューエルインデックスＦＩに等しいとおけるので、フューエルインデックス一定制御では、△Ｑｅ＝０と考えることができる（図２（ｂ）左）。このとき、（５）式は
ｄ△Ｎ／ｄｔ＝−△Ｑｐ／Ｉ（６）
と表される。

ここで波等の外乱による負荷変動を、トルク係数Ｋｑの変動△Ｋｑとして表し、△Ｋｑに変動角速度ωの正弦波（図２（ｄ）左）
△Ｋｑ＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）（７）
を仮定すると（ｔは時間）、（３）式から
△Ｑｐ＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）＋２・△Ｎ（８）
となる。これを（６）式に代入するとオイラーの運動方程式は、
ｄ△Ｎ／ｄｔ＝−（Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）＋２・△Ｎ）／Ｉ（９）
となる。

ここで（９）式の定常解は、
△Ｎ＝Ｂ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）（１０）
Ｂ＝−Ａ／√（（ωＩ）^２＋４）
θ＝−ｔａｎ^−１（ωＩ／２）
と表される（図２（ａ）左）。

すなわち、フューエルインデックス一定制御では、プロペラに（７）式で表される周期的な負荷変動が加わると、主機回転速度Ｎは慣性モーメントＩに応じた位相θの遅れをもって（１０）式のように変動する。このときプロペラトルクＱｐおよびスラストＴｈ（＝Ｋｔ・Ｎ^２、Ｋｔ：推力係数）は、（８）式のように変動し（図２（ｃ）左）、推進効率が低下する。なお、ここで推力係数Ｋｔはオフセット分の違いを除きトルク係数Ｋｑと略同様（同位相で）に変動するものと仮定している。

（プロペラトルク一定制御）
一方、プロペラトルクＱｐが一定であれば、△Ｑｐ＝０であり（図２（ｃ）右）、これを（３）式に代入すると
△Ｎ＝−△Ｋｑ／２（１１）
が得られる。すなわち平均値の周りで線形近似が成り立つとき、プロペラトルクＱｐを一定にするには、主機回転速度Ｎをトルク係数Ｋｑの変動△Ｋｑに合わせて目標回転速度Ｎｏを中心に（１１）式にしたがって変動させればよい（図２（ａ）右）。

また、プロペラトルクＱｐが一定のとき（△Ｑｐ＝０のとき）、（５）式は
ｄ△Ｎ／ｄｔ＝△Ｑｅ／Ｉ
と表され、主機トルクＱｅの変動成分△Ｑｅは
△Ｑｅ＝Ｉ・（ｄ△Ｎ／ｄｔ）（１２）
となる。

ここでフューエルインデックス一定制御のときと同様に、トルク係数Ｋｑに（７）式の周期変動を仮定するとき（図２（ｄ）右）、プロペラトルクＱｐを一定にするための条件は、（１１）式から
△Ｎ＝−Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）／２
となり、主機回転速度Ｎをトルク係数の変動△Ｋｑとは逆位相で、１／２の振幅で変動させればよいことが分かる（図２（ａ）右）。また、これは（１２）式から、主機トルクＱｅを平均値Ｑｅａの周りに
△Ｑｅ＝−ω・Ｉ・Ａ・ｃｏｓ（ωｔ）／２（１３）
で変動させることに対応する（図２（ｂ）右）。

前述したように、フューエルインデックスＦＩは、主機トルクＱｅと見なすことができる。したがって、負荷変動が（７）式で与えられるとき、目標回転速度Ｎｏに対応するフューエルインデックスＦＩｏに（１３）式の変動を付加すれば、プロペラトルクＱｐは一定に維持される（図２（ｃ）右）。すなわち、第１実施形態では、図１に示されるように、時間遅れロジック１３において実回転速度Ｎｅの位相を９０°（４分の１周期）遅延させたものを負帰還させ、比例制御部１４では変動角速度ωに対応するゲインでの増幅が行われる。

以上のように第１実施形態によれば、プロペラトルクを一定に維持してスラストを一定に維持し、負荷変動による推進効率の低下を防止することができる。

次に図３を参照して、本発明の第２実施形態である舶用エンジンの制御装置について説明する。なお、図３は第２実施形態の舶用エンジンの制御装置の構成を示す制御ブロック図である。

第１実施形態の舶用エンジン制御装置１０では、Ｐ制御のみを用い、目標回転速度Ｎｏに対応するフューエルインデックスＦＩｏは、Ｎ／ＦＩ変換部１２を通して生成された。しかし、第２実施形態の舶用エンジン制御装置２０では、ＰＩ制御を用い、Ｎ／ＦＩ変換部１２は用いられない。なお、その他の構成は第１実施形態と同様であり、同様の構成に関しては同一参照符号を用い、その説明を省略する。

舶用エンジン制御装置２０では、目標回転速度Ｎｏと、時間遅れロジック１３を介した実回転速度Ｎｅのフィードバック信号の偏差が比例＋積分制御部（ＰＩ制御部）１７に入力される。入力された偏差は、比例＋積分制御部（ＰＩ制御部）１７において各演算が施されアクチュエータ１６へ出力される。なお、目標回転速度Ｎｏに対応するフューエルインデックスＦＩｏは、比例＋積分制御部（ＰＩ制御部）１７のＩ演算部において生成・維持される。このとき、積分時定数は変動周期の影響を受けない長めの時間に設定される。

以上のように第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、プロペラトルクを一定に維持することができ、同様の効果を得ることができる。

なお、第１、第２実施形態では、時間遅れロジックを用いて実回転速度を遅延させてフィードバックを行うとともに、比例演算部のゲインを実回転速度の変動角速度に対応して設定したが、実回転速度に微分演算を施してフィードバックする構成とすることもできる。

例えば図４、５に微分演算を用いる第３および第４実施形態の舶用エンジンの制御装置２２、２５の制御ブロック図を示す。なお、以下の説明では第１、第２実施形態と同様の構成に関しては、同一参照符号を用い、その説明を省略する。

図４の第３実施形態は、図１の第１実施形態に対応し、図５の第４実施形態は図３の第２実施形態に対応する。すなわち、第３実施形態では、目標回転速度Ｎｏに対応するフューエルインデックスＦＩｏは、Ｎ／ＦＩ変換部１２を通して生成され、実回転速度Ｎｅは微分演算ロジック２１、比例制御部１４を介してＮ／ＦＩ変換部１２からのフューエルインデックスＦＩｏに正帰還される。微分演算ロジック２１では、実回転速度Ｎｅに微分演算が施され、比例制御部１４では、微分信号が所定のゲインで増幅される。

一方、第４実施形態では、実回転速度Ｎｅは第３実施形態と同様に微分演算ロジック２１、比例制御部１４を介して正帰還されるとともに、目標回転速度Ｎｏの入力側に負帰還され、その偏差が積分制御部２４に入力される。すなわち、積分制御部２４の積分時定数は変動周期の影響を受けない長めの時間に設定され、目標回転速度Ｎｏに対応するフューエルインデックスＦＩｏは、積分制御部２４のＩ演算において生成・維持される。比例制御部１４から出力されるフィードバック信号は積分制御部２４からの信号ＦＩｏに正帰還され、それらの和がアクチュエータ１６に入力される。

以上のように、第３、第４実施形態の構成においても、第１、第２実施形態と同様にプロペラトルク一定制御を実現できる。

また、第１〜第４実施形態のプロペラトルク一定制御は、例えば、回転速度一定制御、フューエルインデックス一定制御、出力一定制御などと併用され、海象に応じて例えば自動または手動で選択的に切り替えられる。プロペラトルク一定制御は、波などによる負荷変動が、約２０秒以下（より好ましくは１０秒以下）の略一定の周期のときに適し、例えばそのような条件において選択される。また、第１、第２実施形態において、時間遅れロジックの遅れ時間を０にし、制御部の比例ゲインを１にすることで、プロペラトルク一定制御を出力一定制御に切り替えることも可能である。

１０、２０、２２、２５舶用エンジン制御装置
１１主機関
１２Ｎ／ＦＩ変換部
１３時間遅れロジック
１４比例制御部
１５周期算出部
１６アクチュエータ
１７比例＋積分制御部（ＰＩ制御部）
２１微分演算ロジック
２４積分制御部

Claims

目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御装置であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して１０％〜３０％遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、前記実回転速度の変動角速度に比例して前記フューエルインデックスを変動させることを特徴とする舶用エンジン制御装置。
前記フィードバック信号が前記実回転速度を時間遅れロジックで遅延された信号であり、前記目標回転速度と前記フィードバック信号の偏差が前記変動角速度に対応するゲインが設定される比例演算部を介して出力されることを特徴とする請求項１に記載の舶用エンジン制御装置。
前記目標回転速度に対応するフューエルインデックスを算出する目標回転速度／フューエルインデックス変換手段を備え、前記比例演算部からの出力が、前記目標回転速度に対応するフューエルインデックスに加算されることを特徴とする請求項２に記載の舶用エンジン制御装置。
ＰＩ制御部を備え、前記目標回転速度と前記フィードバック信号の偏差が前記ＰＩ制御部に入力され、前記目標回転速度に対応するフューエルインデックスが、前記ＰＩ制御部のＩ演算部において生成・維持されることを特徴とする請求項２に記載の舶用エンジン制御装置。
前記フィードバック信号が、前記実回転速度の微分演算により生成されることを特徴とする請求項１に記載の舶用エンジン制御装置。
請求項１〜５の何れか一項に記載の舶用エンジン制御装置を備えることを特徴とする船舶。
目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御方法であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して１０％〜３０％遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、前記実回転速度の変動角速度に比例して前記フューエルインデックスを変動させることを特徴とする舶用エンジン制御方法。