JP2022015997A - エンジン特性推定装置、エンジン特性推定方法、エンジン特性推定プログラム、およびエンジン状態推定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
変化した場合であっても、それを高精度に推定することのできるエンジン特性推定装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、エンジンの状態を高精度に推定することのできるエンジン状態推定装置を提供することにある。
計算モデル更新モード実行部150は、計算モデル更新部140による第2計算モデルの更新を行うための更新モードを実行する。
図2は、エンジン200の構成を示す模式図である。本実施の形態において、エンジン200の用途は限定されず、船舶用、車両用、航空機用等の様々なエンジン200を用いることができる。エンジン200は、燃料の燃焼により動力を発生するエンジン本体210と、燃料を燃焼させる空気をエンジン本体210に供給する吸気路220と、エンジン本体210における燃焼後の気体を排出する排気路230と、吸気路220を通じてエンジン本体210に供給される空気の圧力を高める過給器240を備える。
(2)圧縮:吸気弁213が閉じ、ピストン215が上昇することで、燃焼室211内の空気が圧縮される。
(3)燃焼:燃料供給ノズル212から燃焼室211内に1燃焼当たりの燃料供給量Uにより指定される量の燃料が供給され、圧縮された空気とともに燃焼される。これによって動力が発生し、ピストン215が下降する。
(4)排気:排気弁214が開き、ピストン215が上昇することで、燃焼後の気体が燃焼室211から排気路230に排出される。
・燃焼効率:燃焼室211における燃焼の効率。熱効率とも呼ばれる。
・動力伝達効率:エンジン本体210で発生したトルクに対する、各機械部分での損失を差し引いた実効トルクの比。機械伝達効率とも呼ばれる。
・動特性:複数のパラメータ間の時間を考慮した関係。温度変化に対する圧力の応答性等。
・過給器240の効率:コンプレッサ241の効率、タービン242の効率等。
・外乱影響:エンジン200が吸入する外気の温度(大気温)、圧力(大気圧)、船舶用エンジンにあっては駆動対象であるプロペラから流入する波等による負荷等。
なお、上記の外乱は、実際のエンジン200の動作に大きな影響を及ぼす重要なものであり、かつ図4に関して後述する数学モデルにおいては他の特性と同等に扱うことができる。
・クランクシャフト216の回転数(エンジン本体210の回転数Ne)
・排気路230から排出される気体の温度(エンジン本体210の排気温Tex)
・排気路230から排出される気体の圧力(エンジン本体210の排気圧Pex)
・排気路230から排出される気体の流量(エンジン本体210の排気量Gex)
・コンプレッサ241、タービン242、軸243の回転数(過給器240の回転数Ntc)
・掃気動作を行わない図2の4ストロークエンジン等において過給器240を介して吸気路220から燃焼室211に供給される空気の温度(過給器240の給気温Tb)
・掃気動作を行わない図2の4ストロークエンジン等において過給器240を介して吸気路220から燃焼室211に供給される空気の圧力(過給器240の給気圧Pb)
・掃気動作を行わない図2の4ストロークエンジン等において過給器240を介して吸気路220から燃焼室211に供給される空気の流量(過給器240の給気量Gb)
・掃気動作を行う図3や特許文献2等の2ストロークエンジンにおいて、掃気路219から燃焼室211に供給される空気の圧力や掃気レシーバ内の空気の温度(過給器240の掃気温Ts)
・掃気動作を行う図3や特許文献2等の2ストロークエンジンにおいて、掃気路219から燃焼室211に供給される空気の圧力や掃気レシーバ内の空気の圧力(過給器240の掃気圧Ps)
・掃気動作を行う図3や特許文献2等の2ストロークエンジンにおいて、掃気路219から燃焼室211に供給される空気の圧力や掃気レシーバ内の空気の流量(過給器240の掃気量Gs)
X0´=C・X0
ここで、各パラメータは以下を表す。
U:エンジン200への燃料供給量
X0:エンジン200の状態パラメータ
X0´:オブザーバ120への入力(上述の通り、状態パラメータX0に含まれる一部の動作パラメータを測定したもの)
A:エンジン200のシステム係数行列
B:Uをシステムに入力する入力ベクトル
C:X0からX0´を抽出する出力ベクトル
なお、図示されているエンジン200の状態空間表現は上記の式を表したものであ
る。
絶対値演算部132は、差分演算部131からの差分e1、e2、…、enのそれぞれの絶対値を演算する。
閾値比較部135は、加算部134からの演算結果を所定の閾値と比較する。加算部134からの演算結果が閾値を超えた場合、後段の計算モデル更新部140における計算モデル更新処理のトリガー信号Tを生成する。
ステップS10では、計算モデル更新モード実行部150によって更新モードが実行されているかどうかが判定される。
更新モードが実行されている場合、ステップS21においてシミュレータ110が第1エンジン状態パラメータX1を計算し、それと並行するステップS22においてオブザーバ120が第2エンジン状態パラメータX2を計算する。
ステップS40では、エンジン特性推定部130が、特性推定出力e1、e2、…、enに基づき計算モデル更新部140に対するトリガー信号Tを生成したかどうかが判定される。
トリガー信号Tが生成された場合、ステップS50において、計算モデル更新部140が、特性推定出力e1、e2、…、enに基づきオブザーバ120の第2計算モデルの更新を行う。
エンジン200は、その初期状態の特性を表すシステム係数行列A0によって記述され、1燃焼当たりの燃料供給量Uの入力に対して状態パラメータX0を出力する。
シミュレータ110は、初期状態のエンジン200の特性を表す第1計算モデルに基づいて、1燃焼当たりの燃料供給量Uの入力から第1エンジン状態パラメータを計算する。シミュレータ110は、初期状態のエンジン200を正確に再現するものであり、その出力である第1エンジン状態パラメータは、上記の初期状態におけるエンジン200の状態パラメータX0と一致する。
したがって、図7(A)の初期状態においては、エンジン200、シミュレータ110、オブザーバ120の出力が一致している。そして、シミュレータ110およびオブザーバ120の出力の差分を演算する差分演算部131の出力はゼロとなる。
エンジン200のシステム係数行列は、エンジン200の劣化のため、初期状態のA0からA1に変化しているものとする。また、システム係数行列の変化によって、その状態パラメータも初期状態のX0からXに変化している。
シミュレータ110の第1計算モデルは初期状態から変わらない。また、シミュレータ110への入力である1燃焼当たりの燃料供給量Uはエンジン200の劣化とは無関係の駆動入力量であるため、シミュレータ110の出力である第1エンジン状態パラメータは、初期状態から変わらずX0で表される。
シミュレータ110の計算で使用される1燃焼当たりの燃料供給量Uは、経年劣化や吸気温度等の外部環境の変化によるエンジン200の特性変化の影響を受けないデータであるため、その計算結果である第1エンジン状態パラメータX1はエンジン200の特性変化の影響を受けない。これに対して、オブザーバ120の計算で使用されるエンジン200の動作データは、エンジン200の特性変化の影響を受けるデータであるため、その計算結果である第2エンジン状態パラメータX2はエンジン200の特性変化の影響を受ける。このようにエンジン特性変化の影響が異なる二種類のエンジン状態パラメータX1、X2の差分である特性推定出力を用いることにより、エンジン特性推定部130はエンジン200の特性変化(システム係数行列のA0からA1への変化)を高精度に推定することができる。なお、エンジン200の特性変化がない場合でも、計算モデルの異なる二つの計算部を併用することにより、エンジン200の状態を高精度に推定することができる。
Claims (21)
- エンジンの特性を表す第1計算モデルと、任意の時点において前記エンジンに供給される燃料供給量とに基づいて、前記エンジンの状態変数である第1エンジン状態パラメータを計算する第1計算部と、
前記エンジンの特性を表す前記第1計算モデルと異なる第2計算モデルと、前記任意の時点において駆動されている前記エンジンの動作に関する動作データとに基づいて、前記エンジンの状態変数である第2エンジン状態パラメータを計算する第2計算部と、
前記第1エンジン状態パラメータおよび前記第2エンジン状態パラメータに基づいて、前記任意の時点における前記エンジンの特性を推定するエンジン特性推定部と
を備えるエンジン特性推定装置。 - 前記第1計算モデルは、前記エンジンの初期状態の特性を表す
請求項1に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記エンジン特性推定部で推定された前記エンジンの特性に基づき前記第2計算モデルを更新する計算モデル更新部を備える
請求項1または2に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記第2計算モデルは、前記第2計算部の特性を表すシステム係数行列を含み、
前記計算モデル更新部は、前記システム係数行列中の少なくとも一つの要素を更新する
請求項3に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記エンジン特性推定部は、前記第1エンジン状態パラメータと前記第2エンジン状態パラメータの差分を演算する差分演算部を備え、当該差分に基づいて前記エンジンの特性を推定し、
前記計算モデル更新部は、前記差分が所定の閾値を超えた場合に前記第2計算モデルを更新する
請求項3または4に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記計算モデル更新部は、前記差分が前記閾値を超える状態が所定時間継続した場合に前記第2計算モデルを更新する
請求項5に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記計算モデル更新部による前記第2計算モデルの更新を行うための更新モードを実行する計算モデル更新モード実行部を備え、
前記計算モデル更新部は、前記更新モード中に前記エンジン特性推定部で推定された前記エンジンの特性に基づき、前記第2計算モデルを更新する
請求項3から6のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - 前記エンジン特性推定部は、前記エンジンの特性として、燃焼効率、動力伝達効率、動特性、エンジン本体に流入する空気の圧力を高める過給器の効率、エンジンへの外乱影響の少なくとも一つを推定する
請求項1から7のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - 前記エンジン特性推定部は、前記第1エンジン状態パラメータと前記第2エンジン状態パラメータの差分を演算する差分演算部を備え、当該差分に基づいて前記エンジンの特性を推定する
請求項1から8のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - 前記差分演算部は、複数の差分器を備え、
当該複数の差分器は、前記第1エンジン状態パラメータに含まれる複数のパラメータと、それらに対応する前記第2エンジン状態パラメータに含まれる複数のパラメータのそれぞれの差分を演算する
請求項9に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記動作データは、エンジン本体の動作に関するエンジン本体データと、前記エンジン本体に流入する空気の圧力を高める過給器の動作に関する過給器データとを含む
請求項1から10のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - 前記エンジン本体データは、前記エンジン本体の回転数、排気温、排気圧、排気量の少なくとも一つを含む
請求項11に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記過給器データは、前記過給器の回転数、給気温、給気圧、給気量、掃気温、掃気圧、掃気量の少なくとも一つを含む
請求項11または12に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記動作データは、前記エンジンの機械的な動作に関する機械的データと、前記エンジンの熱力学的状態に関する熱力学的データとを含む
請求項1から13のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - 前記機械的データは、エンジン本体の回転数、前記エンジン本体に流入する空気の圧力を高める過給器の回転数の少なくとも一つを含む
請求項14に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記熱力学的データは、排気温、排気圧、排気量、給気温、給気圧、給気量、掃気温、掃気圧、掃気量の少なくとも一つを含む
請求項14または15に記載のエンジン特性推定装置。 - 前記第2計算部は、前記動作データに加え前記燃料供給量に基づいて前記第2エンジン状態パラメータを計算する
請求項1から16のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - 前記エンジンは、定格回転数が毎分1000回転以下の船舶用のエンジンである
請求項1から17のいずれかに記載のエンジン特性推定装置。 - エンジンの特性を表す第1計算モデルと、任意の時点において前記エンジンに供給される燃料供給量とに基づいて、前記エンジンの状態変数である第1エンジン状態パラメータを計算する第1計算ステップと、
前記エンジンの特性を表す前記第1計算モデルと異なる第2計算モデルと、前記任意の時点において駆動されている前記エンジンの動作に関する動作データとに基づいて、前記エンジンの状態変数である第2エンジン状態パラメータを計算する第2計算ステップと、
前記第1エンジン状態パラメータおよび前記第2エンジン状態パラメータに基づいて、前記任意の時点における前記エンジンの特性を推定するエンジン特性推定ステップと
を有するエンジン特性推定方法。 - エンジンの特性を表す第1計算モデルと、任意の時点において前記エンジンに供給される燃料供給量とに基づいて、前記エンジンの状態変数である第1エンジン状態パラメータを計算する第1計算ステップと、
前記エンジンの特性を表す前記第1計算モデルと異なる第2計算モデルと、前記任意の時点において駆動されている前記エンジンの動作に関する動作データとに基づいて、前記エンジンの状態変数である第2エンジン状態パラメータを計算する第2計算ステップと、
前記第1エンジン状態パラメータおよび前記第2エンジン状態パラメータに基づいて、前記任意の時点における前記エンジンの特性を推定するエンジン特性推定ステップと
をコンピュータに実行させるエンジン特性推定プログラム。 - エンジンの特性を表す第1計算モデルと、任意の時点において前記エンジンに供給される燃料供給量とに基づいて、前記エンジンの状態変数である第1エンジン状態パラメータを計算する第1計算部と、
前記エンジンの特性を表す前記第1計算モデルと異なる第2計算モデルと、前記任意の時点において駆動されている前記エンジンの動作に関する動作データとに基づいて、前記エンジンの状態変数である第2エンジン状態パラメータを計算する第2計算部と、
前記第1エンジン状態パラメータおよび前記第2エンジン状態パラメータに基づいて、前記任意の時点における前記エンジンの状態を推定するエンジン状態推定部と
を備えるエンジン状態推定装置。
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