JP2014070564A

JP2014070564A - 内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法

Info

Publication number: JP2014070564A
Application number: JP2012217109A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Funakoshi; 好太郎舟越; Koji Edo; 浩二江戸
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】タービンノズル通過面積可変機構を備えた過給機を制御する過給機制御部を備えていても簡便な構成を実現することができる内燃機関システムを提供する。
【解決手段】内燃機関システムは、主機２の運転を制御する主機回転数制御装置１０と、主機２からの排気ガスによって駆動されるタービン部、タービン部により駆動されて主機２に空気を圧送するコンプレッサ部、およびタービン部へ供給される排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機３を備えている。過給機３を制御する過給機制御部１０ｂが、主機回転数制御装置１０に設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば舶用ディーゼル機関等の内燃機関を備えた内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法に関するものである。

例えば舶用主機として用いられる低速２サイクルディーゼル機関（内燃機関）には、性能向上のため過給機が設けられている。このような過給機として、排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とした機能を付加したVTI（Variable Turbine Inlet）過給機が知られている（下記特許文献１参照）。VTI過給機は、付加されたタービンノズル通過面積可変機構を動作させるための過給機用制御装置が必要となる。過給機用制御装置は、下記特許文献２に示されているように、過給機専用として装備されるのが一般である。

特開２０１０−２１６４６８号公報特許第４５２８３３９号公報（図４）

しかし、ディーゼルエンジンの周囲には既にディーゼルエンジンを制御するための電子ガバナや電子制御エンジンコントローラといった機関用制御装置が設けられている。この機関用制御装置に加えてさらに別の制御装置である過給機用制御装置を設置することは、スペースの無駄になるだけでなく複雑な装置構成となり、コストの上昇を招くという問題がある。

一方、VTI過給機は、主機負荷約６０〜７５%以下でのみタービンノズル通過面積を減少させた運転（VTI機能ON）が可能である。これは、主機負荷６０〜７５%以上では、掃気圧力が高くなりすぎてディーゼル機関の筒内燃焼圧力の許容範囲を超えるためである。したがって、VTI過給機では、主機負荷６０〜７５％の内の所定の負荷にてタービンノズル通過面積を切り換えてVTI機能をON又はOFFとする。VTI機能をOFFからONへ切り換えると（例えば、タービンノズル通過面積を可変とする開閉弁を全開から全閉とすると）、タービンノズル通過面積が急激に減少するので、ディーゼルエンジンの掃気圧力が急激に上がる。これとは逆に、VTI機能をONからOFFへと切り換えると（例えば開閉弁を全閉から全開とすると）、タービンノズル通過面積が急激に増大するので、ディーゼルエンジンの掃気圧力が急激に減少する。このようにVTI機能のON／OFFの切り換え時に掃気圧力が急変動する。掃気圧力が急変動すると、これに伴いディーゼルエンジンの回転数が変化する。ディーゼルエンジンの機関用制御装置は、目標回転数となるようにディーゼルエンジンをフィードバック制御しているので、回転数の変化が大きい場合には変化に追随できずにオーバーシュートやハンチングしたりして不安定な運転を招くおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、タービンノズル通過面積可変機構を備えた過給機を制御する過給機制御部を備えていても簡便な構成を実現することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。
また、過給機のタービンノズル通過面積可変機構を切り換えて掃気圧力が変化した場合であっても安定して運転ができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる内燃機関システムは、内燃機関と、該内燃機関の運転を制御する機関用制御装置と、前記内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機とを備えた内燃機関システムであって、前記過給機を制御する過給機制御部が、前記機関用制御装置に設けられていることを特徴とする。

タービンノズル通過面積可変機構を有する過給機を制御する過給機制御部を、機関用制御装置に設けることとしたので、過給機制御部を機関用制御装置とは別に設けずに、過給機制御部を機関用制御装置と一体とすることができる。これにより、複雑な装置構成となることを避けることができ、コストを低減することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記過給機制御部は、前記機関用制御装置に入力された前記内燃機関の回転数および燃料噴射量に基づいて前記内燃機関の負荷を演算する負荷演算部と、該負荷演算部にて演算された負荷に基づいて前記タービンノズル通過面積可変機構の動作を判断する判断部とを備えていることを特徴とする。

過給機制御部は、タービンノズル通過面積可変機構の動作を判断する際に、内燃機関の回転数と燃料噴射量とから演算された負荷を用いる。このような負荷演算を行う際に、過給機制御部は、機関用制御装置に設けられているので、機関用制御装置に入力された回転数および燃料噴射量を用いることができる。これにより、機関用制御装置に入力する回転数の入力ポートと、燃料噴射量の入力ポートとがそれぞれ１つずつで済み、構成を簡素化することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記過給機制御部は、前記タービンノズル通過面積可変機構の動作状態を確認する動作状態確認部と、該動作状態確認部の出力と前記機関用制御装置に入力された前記内燃機関の掃気圧力とに基づいて前記過給機の異常の有無を判断する異常判断部とを備えていることを特徴とする。

過給機制御部は、タービンノズル通過面積可変機構の動作状態を確認し、確認した動作状態と、機関用制御装置に入力された掃気圧力とに基づいて異常の有無を判断する。本発明では、過給機制御部は、機関用制御装置に設けられているので、機関用制御装置に入力された掃気圧力を用いることができる。これにより、機関用制御装置に入力する掃気圧力の入力ポートが１つで済み、構成を簡素化することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記動作状態確認部は、前記過給機制御部が前記タービンノズル通過面積可変機構に指令した指示制御量と、前記タービンノズル通過面積可変機構の現在の制御量である現在制御量との偏差によって、前記タービンノズル通過面積可変機構の動作状態を確認し、前記異常判断部は、前記動作状態確認部によって得られた前記指示制御量と前記現在制御量との偏差が所定値以上となった場合、前記タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を増加させる前記指示制御量であるにも関わらず前記掃気圧力が所定値以下まで下がらない場合、及び、前記タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を減少させる前記指示制御量である場合に前記掃気圧力が所定値以上まで上がる場合、のずれかを満たす場合に、異常と判断することを特徴とする。

異常判断部は、タービンノズル通過面積可変機構の指示制御量と現在制御量との偏差が所定値以上となった場合に、異常と判断する。例えば、タービンノズル通過面積可変機構が開閉弁を備えている場合に、開閉弁の指示制御量が全開となっているにも関わらず、現在制御量が全閉となっている場合、または、開閉弁の指示制御量が全閉となっているにも関わらず、現在制御量が全開となっている場合である。
さらに、本発明では、機関用制御装置に入力された掃気圧力を過給機制御部の異常判断部で用いて、異常を判断することを行っている。具体的には、タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を増加させる指示制御量であるにも関わらず、掃気圧力が所定値以下まで下がらない場合にも異常と判断する。例えば、タービンノズル通過面積可変機構が開閉弁を備えている場合に、開閉弁の指示制御量が全開となっているにも関わらず掃気圧力が所定値以下に下がらない場合である。
また、タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を減少させる指示制御量である場合に掃気圧力が所定値以上まで上がる場合にも異常と判断する。例えば、タービンノズル通過面積可変機構が開閉弁を備えている場合に、開閉弁の指示制御量を全閉とした場合に、掃気圧力が所定値異常まで上がり過剰掃気圧力となる場合である。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記機関用制御装置は、前記内燃機関の回転数を制御する回転数制御部を備え、該回転数制御部は、目標回転数となるように前記内燃機関をフィードバック制御し、前記過給機制御部が前記タービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、前記フィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することを特徴とする。

タービンノズル通過面積が変化すると掃気圧力が変化し、これに伴い内燃機関の回転数が変化する。例えば、タービンノズル通過面積可変機構が開閉弁を備えている場合には、開閉弁の指示制御量が全閉から全開または全開から全閉となると、掃気圧力が急激に減少または増加する。そこで、本発明では、タービンノズル通過面積が変化するタイミングを過給機制御部からの指令制御量の変化から得て、内燃機関のフィードバック制御の応答性を減じるようにした。これにより、掃気圧力の変化に伴い内燃機関の回転数が大きく変化してオーバーシュートやハンチングしてしまうことを回避することができ、安定した運転を行うことができる。
具体的には、比例制御（Ｐ制御）を用いる場合には比例ゲインを小さくし、積分制御（Ｉ制御）を用いる場合には時定数を大きくし、微分制御（Ｄ制御）を用いる場合には微分ゲインを小さくする。また、これらを組み合わせてＰＩ制御としてもよいし、ＰＩＤ制御としてもよい。

また、本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、該内燃機関の運転を制御する機関用制御装置と、前記内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、前記過給機を制御する過給機制御部とを備えた内燃機関システムであって、前記機関用制御装置は、前記内燃機関の回転数を制御する回転数制御部を備え、該回転数制御部は、目標回転数となるように前記内燃機関をフィードバック制御し、前記過給機制御部が前記タービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、前記フィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することを特徴とする。

また、本発明の船舶は、上記のいずれかに記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする。

上記の内燃機関システムを備えることにより、簡便な構成な内燃機関システムを備えた船舶を提供することができる。

また、本発明の内燃機関システムの制御方法は、内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機を備えた内燃機関システムの制御方法であって、目標回転数となるように前記内燃機関をフィードバック制御する際に、前記タービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、前記フィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することを特徴とする。

タービンノズル通過面積が変化すると掃気圧力が変化し、これに伴い内燃機関の回転数が変化する。例えば、タービンノズル通過面積可変機構が開閉弁を備えている場合には、開閉弁の指示制御量が全閉から全開または全開から全閉となると、掃気圧力が急激に減少または増加する。そこで、本発明では、タービンノズル通過面積が変化するタイミングをタービンノズル通過面積可変機構への指令制御量の変化から得て、内燃機関のフィードバック制御の応答性を減じるようにした。これにより、掃気圧力の変化に伴い内燃機関の回転数が大きく変化してハンチングしてしまうことを回避することができ、安定した運転を行うことができる。
具体的には、比例制御（Ｐ制御）を用いる場合には比例ゲインを小さくし、積分制御（Ｉ制御）を用いる場合には時定数を大きくし、微分制御（Ｄ制御）を用いる場合には微分ゲインを小さくする。また、これらを組み合わせてＰＩ制御としてもよいし、ＰＩＤ制御としてもよい。

本発明によれば、タービンノズル通過面積可変機構を備えた過給機を制御する過給機制御部を、内燃機関の運転を制御する機関用制御装置に設けることとして一体化したので、簡便な構成を実現することができ、コスト低減を図ることができる。
また、過給機制御部がタービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、内燃機関のフィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することとしたので、掃気圧力の変化に伴い内燃機関の回転数が大きく変化してオーバーシュートやハンチングしてしまうことを回避することができ、安定した運転を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示した概略構成図である。図１の過給機のタービン部周りの要部を示した縦断面図である。図１に示した内燃機関システムと制御装置との関係を示した概略構成図である。図３の制御装置の詳細を示した制御ブロック図である。主機の回転数の指令値に対する実回転数の変化を示し、（ａ）は開閉弁の切り換えの前後で制御定数を変更しない場合、（ｂ）は開閉弁の切り換えの前後で制御定数を変更した場合（本発明）、（ｃ）は開閉弁の切り換えタイミングを示したグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図１乃至図５を用いて説明する。
図１には、船舶に用いられる舶用ディーゼル機関システム（内燃機関システム）１が示されている。同図に示すように、舶用ディーゼル機関システム１は、例えば低速２サイクルディーゼル機関とされた主機（内燃機関）２と、主機２に圧縮空気を供給する過給機３とを備えている。

主機２を構成するクランク軸（図示せず）には、プロペラ軸（図示せず）を介してスクリュープロペラ（図示せず）が直接的または間接的に取り付けられている。また、主機２には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部６が設けられており、各シリンダ部６内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。

各シリンダ部６の排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド７と接続されている。排気マニホールド７は、排気管Ｌ１を介して過給機３のタービン部３ａの入口側と接続されている。

各シリンダ部６の掃気ポート（図示せず）は、掃気マニホールド（空気溜め部）８と接続されており、掃気マニホールド８は、掃気管Ｌ２を介して過給機３のコンプレッサ部３ｂと接続されている。掃気管Ｌ２には、空気冷却器１３が設けられており、図示しない冷却水によって、コンプレッサ部３ｂにより圧縮された空気が冷却されるようになっている。

過給機３は、図１及び図２に示されているように、排気管Ｌ１を介して主機２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）によって駆動されるタービン部３ａと、このタービン部３ａにより駆動されて主機２に外気（空気）を圧送するコンプレッサ部３ｂとを主たる要素として構成されたものである。なお、図２はタービン部３ａ周りのみを拡大して示してあり、コンプレッサ部３ｂは省略されている。

過給機３は、排気管Ｌ１からタービン部３ａへ供給される排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構３ｇが設けられている。具体的には、タービンノズル通過面積可変機構３ｇは、タービンノズルを内周側および外周側に分ける隔壁３ｆ（図２参照）と、排気管Ｌ１から導かれた排気ガスの一部を分岐する分岐配管３ｄと、この分岐配管３ｄの開閉を行う過給機開閉弁３ｅとを備えている。分岐配管３ｄを流れた排気ガスは、図２に示すように、タービンノズルの隔壁３ｆの内周側を流れるようになっている。なお、過給機開閉弁３ｅは、後述する過給機制御部１０ｂによって制御される。
過給機開閉弁３ｅを閉じると排気ガスは分岐配管３ｄを流れずにタービンノズルの隔壁３ｆの外周側のみを流れるようになり、タービンノズル通過面積が狭められることでVTI機能がONとなる。一方、過給機開閉弁３ｅを開けると排気ガスは分岐配管３ｄを流れてタービンノズルの隔壁３ｆの内周側にも流れるようになり、タービンノズル通過面積が拡大されてVTI機能がOFFとなる。

上記構成の過給機３のタービンノズル通過面積可変機構３ｇは、以下のように切り換えて用いられる。
主機負荷上昇時（増速時）では、予め決定された所定の負荷（例えば６５％）にて、過給機開閉弁３ｅを全閉から全開へと切り換えて、タービンノズル通過面積を減少させて、VTI機能をONからOFFへと切り換える。
主機負荷減少時（減速時）では、上記とは逆に、予め決定された所定の負荷（例えば６５％）にて、過給機開閉弁３ｅを全開から全閉へと切り換えて、VTI機能をOFFからONへと切り換える。

図３には、図１及び図２に示した主機２及び過給機３を制御する主機回転数制御装置（機関用制御装置）１０が示されている。なお、同図には、主機２に対して過給機３が２台設けられており、過給機３が１台とされた図１とは異なるが、過給機３が１台であっても２台以上であっても、本発明は適用可能である。また、タービンノズル通過面積可変機構３ｇを備えた過給機に加えて、タービンノズル通過面積可変機構３ｇを備えていない一般の過給機を組み合わせた舶用ディーゼル機関システムに適用することも可能である。

主機２には、掃気マニホールド８（図１参照）内の掃気圧力を計測する掃気圧力センサ１２が設けられている。掃気圧力センサ１２の出力は、主機回転数制御装置１０へと送信される。
各過給機３には、過給機開閉弁３ｅ（図２参照）を駆動するための過給機開閉弁アクチュエータ１４が設けられている。各過給機開閉弁アクチュエータ１４は、所定圧力以上とされた空気源１６から供給される空気圧によって動作する。過給機開閉弁アクチュエータ１４は、主機回転数制御装置１０（具体的には過給機制御部１０ｂ）からの指令によって動作し、また、過給機開閉弁３ｅの弁開度（例えば全開または全閉といった位置情報）を主機回転数制御装置１０（具体的には過給機制御部１０ｂ）へと出力する。

主機回転数制御装置１０は、電子ガバナまたは電子制御エンジンコントローラとしての主機回転数制御部１０ａを有するとともに、過給機３を制御する過給機制御部１０ｂを有する。すなわち、主機回転数制御装置１０は、いわゆるガバナ（主機回転数制御部１０ａ）に、過給機制御部１０ｂを組み込んで一体化したものである。具体的には、主機回転数制御装置１０の筐体内に、主機回転数制御部１０ａに加えて過給機制御部１０ｂが収納されている。

図４には、主機回転数制御装置１０の詳細が示されている。
同図に示されているように、主機回転数制御装置１０には、入出力ポートであるＩ／Ｏポート２０を介して複数の信号が入出力されている。
具体的には、過給機開閉弁アクチュエータ１４からの弁開度（例えば全開または全閉といった位置情報）が、Ｉ／Ｏポート２０を介して、過給機制御部１０ｂの開閉弁状態確認部１０ｂ１へと送信される。また、開閉指令出力部１０ｂ４から、弁開閉指令がＩ／Ｏポート２０を介して、過給機開閉弁アクチュエータ１４へと送信される。
掃気圧力センサ１２からの計測値（出力）は、Ｉ／Ｏポート２０を介して、主機回転数制御部１０ａ及び過給機制御部１０ｂの開閉判断部（判断部）１０ｂ２へと送信される。
主機２へ燃料を供給する燃料噴射装置を制御するガバナアクチュエータ２２からの位置情報が、Ｉ／Ｏポート２０を介して、主機回転数制御部１０ａと、過給機制御部１０ｂの負荷演算部１０ｂ３へと送信される。ここで、ガバナアクチュエータ２２の位置情報は、主機２へ供給される燃料噴射量に対応するパラメータである。また、主機回転数制御部１０ａから、Ｉ／Ｏポート２０を介して、ガバナアクチュエータ指令値がガバナアクチュエータ２２へと送信される。
主機２の回転数を計測する回転数ピックアップ２４の出力が、Ｉ／Ｏポート２０を介して、回転数処理部１０ｃへと送信される。回転数処理部１０ｃでは、回転数ピックアップ２４からの出力信号を回転数に変換する演算が行われる。回転数処理部１０ｃからの出力（回転数）は、主機回転数制御部１０ａと、過給機制御部１０ｂの負荷演算部１０ｂ３へと送信される。負荷演算部１０ｂ３は、入力された回転数とガバナアクチュエータ２２の位置情報から、所定の演算式等に基づいて主機２の負荷（現在値）を演算し、開閉判断部１０ｂ２へと出力する。
また、開閉判断部１０ｂ２では過給機異常出力が生成されるようになっており、この過給機異常出力は、Ｉ／Ｏポート２０を介して、アラームシステム２６へと送信される。アラームシステム２６は、過給機異常出力を受信すると、各種表示装置に異常情報を表示し、また必要に応じて発報を行う。

主機回転数制御部１０ａには、主機回転数制御装置１０の上位に位置するリモコン等の操作部から回転数指令が送信される。主機回転数制御部１０ａは、受信した指令回転数を目標値として、主機２の回転数のフィードバック制御を行う。具体的には、回転数ピックアップ２４からの出力信号から回転数処理部１０ｃにて演算された実回転数（現在値）と目標回転数（指令回転数）との偏差に応じて、実回転数が目標管点数に一致するように、ガバナアクチュエータ指令を生成する。フィードバック制御としては、典型的には、ＰＩ制御やＰＩＤ制御が用いられる。

過給機制御部１０ｂの開閉判断部１０ｂ２にて、タービンノズル通過面積可変機構３ｇである過給機開閉弁３ｅ（図２参照）の開閉判断が行われる。すなわち、開閉判断部１０ｂ２には、負荷演算部１０ｂ３にて演算された主機２の実負荷（現在値）が入力され、この実負荷と、開閉判断部１０ｂ２に格納されている切換負荷（固定値）とを比較し、過給機開閉弁３ｅの開閉タイミングを決定する。例えば、切換負荷を主機６５％負荷とした場合、実負荷が上昇している場合には主機６５％負荷にて過給機開閉弁３ｅを全閉から全開へと切り換え、VTI機能をONからOFFへと切り換える判断を行う。一方、実負荷が降下している場合には主機６５％負荷にて過給機開閉弁３ｅを全開から全閉へと切り換え、VTI機能をOFFからONへと切り換える判断を行う。

開閉判断部１０ｂ２にて過給機開閉弁３ｅの開閉判断がなされると、その指令が開閉指令出力部１０ｂ４へと送信され、開閉指令出力部１０ｂ４は過給機開閉弁３ｅの開閉指示を過給機開閉弁アクチュエータ１４へと送信し、過給機開閉弁３ｅを動作させる。
開閉弁状態確認部１０ｂ１では、過給機開閉弁アクチュエータ１４から得られる弁開度に対応する現在の位置情報（現在制御量）と、開閉指令出力部１０ｂ４からの開閉指令値（指示制御量）とを比較し、これらの偏差から過給機開閉弁３ｅの動作状態を確認する。例えば、開閉弁状態確認部１０ｂ１では、全閉指令が出ているにもかかわらず現在の弁開度が全開（あるいは全閉と全開との間の中間開度）になっている場合や、全開指令が出ているにもかかわらず現在の弁開度が全閉（あるいは全閉と全開との間の中間開度）になっている場合には、指示制御量と現在制御量との間に偏差が生じていることを確認する。

開閉弁状態確認部１０ｂ１にて確認された過給機開閉弁３ｅの動作状態は、開閉判断部１０ｂ２へと送信され、開閉判断部１０ｂ２へ入力された掃気圧力センサ１２からの掃気圧力とともに、過給機３の異常の有無を判断するロジックに用いられる。すなわち、開閉判断部１０ｂ２は、過給機の異常の有無を判断する異常判断部としての機能も備えている。
過給機異常の判断は、以下の場合について行われる。
（１）動作状態確認部１０ｂ１によって得られた指示制御量（開閉弁指令信号）と現在制御量（弁開度位置）との偏差が所定値以上となった場合には、過給機異常と判断する。例えば、指示制御量として全開指令が出ているにもかかわらず、現在制御量として全閉となっている場合である。
（２）タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を増加させる指示制御量として全開指令を与えているにも関わらず、掃気圧力センサ１２にて計測された掃気圧力が所定値以下まで下がらない場合には、過給機異常と判断する。これは、上記（１）における偏差が所定値以内であり過給機開閉弁３ｅが所定量開いていても、掃気圧力が所定値以下まで下がらない場合に過給機異常と判断することができ、主機２への悪影響を未然に防止できるという効果がある。また、何らかの故障で過給機開閉弁アクチュエータ１４が送信した弁開度位置情報が誤っている場合や、弁開度位置情報が得られない場合にも、掃気圧力との関係で判断できるので有効である。
（３）タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を減少させる指示制御量として全閉指示を与えている場合に、掃気圧力センサ１２にて計測された掃気圧力が所定値以上まで上がる場合には、過給機異常と判断する。これは、上記（１）における偏差が所定値以内であり過給機開閉弁３ｅが所定量閉まっていても、掃気圧力が所定値以上となった場合に過給機異常と判断することができ、主機２への悪影響を未然に防止できるという効果がある。掃気圧力が所定値以上となると、主機２の筒内燃焼温度が過剰に高くなり悪影響を及ぼすおそれがあるからである。また、何らかの故障で過給機開閉弁アクチュエータ１４が送信した弁開度位置情報が誤っている場合や、弁開度位置情報が得られない場合にも掃気圧力との関係で判断できるので有効である。
上記（１）から（３）のいずれかに該当すると、開閉判断部１０ｂ２は、過給機異常出力を生成し、アラームシステム２６へと送信する。

開閉判断部１０ｂ２による過給機開閉弁３ｅの開閉動作が行われるVTI機能の切換時に、主機回転数制御部１０ａでは、主機２の回転数のフィードバック制御にて用いられる制御定数の変更が行われる。すなわち、開閉判断部１０ｂ２からの開閉指令信号が主機回転数制御部１０ａに入力されるようになっており、この開閉指令信号が入力されたタイミングで、主機回転数制御部１０ａは、主機２の回転数のフィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更する。具体的には、比例制御（Ｐ制御）を用いる場合には比例ゲインを小さくし、積分制御（Ｉ制御）を用いる場合には時定数を大きくし、微分制御（Ｄ制御）を用いる場合には微分ゲインを小さくする。また、これらを組み合わせてＰＩ制御としてもよいし、ＰＩＤ制御としてもよい。

図５には、上記制御の具体例が示されている。図５（ａ）乃至（ｃ）の横軸は時間を示し、図５（ａ）及び（ｂ）の縦軸は回転数、図５（ｃ）の縦軸は開閉判断部１０ｂ２からの開閉指令信号を示す。
図５（ｃ）に示されているように、時刻ｔ０にて開閉指令信号が全閉から全開へと切り換わると、図５（ａ）及び（ｂ）に示されているように、時刻ｔ０前では一定の変動内で実回転数が指令値に対して変動していたものが、過給機開閉弁３ｅの切換えによって掃気圧が急激に減少する。掃気圧が急激に減少することによって、指令回転数と実回転数との偏差が急激に大きくなる。そうすると、図５（ａ）のように制御定数を切り換えずに時刻ｔ０の前後で同じ制御定数を用いている場合には、急激に大きくなった偏差をフィードバック制御によって減少させようとするが、比較的応答性が高いため実回転数が指令値に対して大きく変動することになる。これに対して、図５（ｂ）のように制御常数を切り換えて応答性を減じるようにすることによって、急激に変さが大きくなった場合でも実回転数の変動が図５（ａ）よりも小さく抑えることができる。これは、過給機開閉弁３ｅが全開から全閉に切り換わる場合についても同様に回転数の変動を小さく抑えることができる。これにより、主機２の回転数の変動を抑えることができ、安定した運転を実現することができる。
切り換えた制御定数を通常時の制御定数に復帰させるタイミングは、例えば、実回転数の変動幅を計測しておき所定範囲内に収束した場合や、過給機開閉弁３ｅの切換時から所定時間経過した場合とされる。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
タービンノズル通過面積可変機構３ｇを有する過給機３を制御する過給機制御部１０ｂを、主機回転数制御装置１０に設けることとしたので、過給機制御部１０ｂを主機回転数制御装置１０に対して別に設置する必要がなく、過給機制御部１０ｂを主機回転数制御装置１０内に一体化することができる。これにより、複雑な装置構成となることを避けることができ、コストを低減することができる。

開閉弁３ｅの動作を開閉判断部１０ｂ２で判断する際に、主機２の実負荷（現在負荷）が必要となる。主機２の実負荷は、負荷演算部１０ｂ３にて、主機２の回転数と燃料噴射量に相当するガバナアクチュエータ２２の位置情報を用いる。本実施形態では、過給機制御部１０ｂが、主機回転数制御装置１０内に設けられているので、主機回転数制御装置１０に入力された回転数およびガバナアクチュエータ２２の位置情報を主機回転数制御部１０ａと共に用いることができる。これにより、主機回転数制御装置１０に入力する回転数の入力ポートと、ガバナアクチュエータ２２の位置情報の入力ポートとがそれぞれ１つずつで済み、構成を簡素化することができる。

過給機制御部１０ｂの開閉弁状態確認部１０ｂ１は、過給機開閉弁３ｅの動作状態を確認し、確認した動作状態と、主機回転数制御装置１０に入力された掃気圧力とに基づいて異常の有無を判断する。本実施形態では、過給機制御部１０ｂは、主機回転数制御装置１０内に設けられているので、主機回転数制御装置１０に入力された掃気圧力を主機回転数制御部１０ａと共に用いることができる。これにより、主機回転数制御装置１０に入力する掃気圧力の入力ポートが１つで済み、構成を簡素化することができる。

開閉判断部１０ｂ２にて過給機異常を判断する際に、動作状態確認部１０ｂ１によって得られた指示制御量（開閉指令信号）と現在制御量（弁開度位置）との偏差に基づいて判断する（上記（１）参照）だけでなく、開閉指令信号と掃気圧力を用いて判断することとした（上記（２）及び（３）参照）。これにより、開閉弁指令信号と現在制御量との偏差が所定値以内であり過給機開閉弁３ｅが所定量開いていても、掃気圧力が所定値以下まで下がらない場合に過給機異常と判断することができ、主機２への悪影響を未然に防止できる。また、何らかの故障で過給機開閉弁アクチュエータ１４が送信する弁開度位置情報が誤っている場合や弁開度位置情報が得られない場合にも、掃気圧力との関係で過給機異常を判断できる。同様に、開閉弁指令信号と現在制御量との偏差が所定値以内であり過給機開閉弁３ｅが所定量閉まっていても、掃気圧力が所定値以上となった場合に過給機異常と判断することができ、主機２への悪影響を未然に防止できる。また、何らかの故障で過給機開閉弁アクチュエータ１４が送信する弁開度位置情報が誤っている場合や弁開度位置情報が得られない場合にも掃気圧力との関係で過給機異常を判断できる。

過給機開閉弁３ｅが全閉から全開または全開から全閉となると、掃気圧力が急激に減少または増加するので、タービンノズル通過面積が変化するタイミングを過給機制御部１０ｂの開閉判断部１０ｂ２からの開閉指令信号を主機回転数制御部１０ａが得て、主機２の回転数のフィードバック制御の応答性を減じるようにした。これにより、掃気圧力の変化に伴い主機２の回転数が大きく変化してオーバーシュートやハンチングしてしまうことを回避することができ、安定した運転を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、過給機３のタービンノズル通過面積を例えば１つの負荷（６５％）で全閉と全開の２段階で変化させることを前提として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の負荷にて３段階以上でタービンノズル通過面積を変化させる過給機にも適用できる。
また、タービンノズル通過面積可変機構として、図２に示したような過給機開閉弁３ｅを用いた機構として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、タービンノズル通過面積を変化できる機構であれば本発明を適用することができる。

１舶用ディーゼル機関システム（内燃機関システム）
２主機（内燃機関）
３過給機
３ａタービン部
３ｂコンプレッサ部
３ｄ分岐管（タービンノズル通過面積可変機構）
３ｅ過給機開閉弁（タービンノズル通過面積可変機構）
３ｆ隔壁（タービンノズル通過面積可変機構）
１０主機回転数制御装置（機関用制御装置）
１０ａ主機回転数制御部
１０ｂ過給機制御部
１０ｂ１開閉弁状態確認部（動作状態確認部）
１０ｂ２開閉判断部（判断部）
１０ｂ３負荷演算部
１０ｂ４開閉指令出力部
１０ｃ回転数処理部
１２掃気圧力センサ
１４過給機開閉弁アクチュエータ
１６空気源
２０Ｉ／Ｏポート
２２ガバナアクチュエータ
２４回転数ピックアップ
２６アラームシステム

Claims

内燃機関と、
該内燃機関の運転を制御する機関用制御装置と、
前記内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、
を備えた内燃機関システムであって、
前記過給機を制御する過給機制御部が、前記機関用制御装置に設けられていることを特徴とする内燃機関システム。
前記過給機制御部は、前記機関用制御装置に入力された前記内燃機関の回転数および燃料噴射量に基づいて前記内燃機関の負荷を演算する負荷演算部と、
該負荷演算部にて演算された負荷に基づいて前記タービンノズル通過面積可変機構の動作を判断する判断部と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。
前記過給機制御部は、前記タービンノズル通過面積可変機構の動作状態を確認する動作状態確認部と、
該動作状態確認部の出力と前記機関用制御装置に入力された前記内燃機関の掃気圧力とに基づいて前記過給機の異常の有無を判断する異常判断部と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
前記動作状態確認部は、前記過給機制御部が前記タービンノズル通過面積可変機構に指令した指示制御量と、前記タービンノズル通過面積可変機構の現在の制御量である現在制御量との偏差によって、前記タービンノズル通過面積可変機構の動作状態を確認し、
前記異常判断部は、
前記動作状態確認部によって得られた前記指示制御量と前記現在制御量との偏差が所定値以上となった場合、
前記タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を増加させる前記指示制御量であるにも関わらず前記掃気圧力が所定値以下まで下がらない場合、及び、
前記タービンノズル通過面積可変機構の通過面積を減少させる前記指示制御量である場合に前記掃気圧力が所定値以上まで上がる場合、
のいずれかを満たす場合に、異常と判断することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関システム。
前記機関用制御装置は、前記内燃機関の回転数を制御する回転数制御部を備え、
該回転数制御部は、目標回転数となるように前記内燃機関をフィードバック制御し、
前記過給機制御部が前記タービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、前記フィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関システム。
内燃機関と、
該内燃機関の運転を制御する機関用制御装置と、
前記内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、
前記過給機を制御する過給機制御部と、
を備えた内燃機関システムであって、
前記機関用制御装置は、前記内燃機関の回転数を制御する回転数制御部を備え、
該回転数制御部は、目標回転数となるように前記内燃機関をフィードバック制御し、
前記過給機制御部が前記タービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、前記フィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することを特徴とする内燃機関システム。
請求項１から請求項６のいずれかに記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする船舶。
内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機を備えた内燃機関システムの制御方法であって、
目標回転数となるように前記内燃機関をフィードバック制御する際に、
前記タービンノズル通過面積可変機構へ指令した指令制御量が変化した場合に、前記フィードバック制御の応答性を減じるように制御定数を変更することを特徴とする内燃機関システムの制御方法。