JP2022026884A - エンジン状態推定装置、エンジン状態推定方法、およびエンジン状態推定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】安定した精度でエンジンの状態を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。【解決手段】エンジン２００の状態を推定するエンジン状態推定装置１００は、エンジン２００が吸入して燃焼部に供給する空気の密度に関するパラメータの測定データを取得する空気密度測定データ取得部１１０と、空気密度測定データと、エンジン２００の特性を表すエンジンモデルに入力される燃焼部への燃料供給量Ｕとに基づいてエンジン２００の状態を推定する状態推定部１２０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明はエンジンの状態推定技術に関する。

エンジンは船舶、自動車、航空機等で広く利用されているが、環境問題への意識の高まりもあって、近年さらなる高効率化が求められており、そのための様々な技術の開発が進められている。

特開２００５－３０７８００号公報 特開２０１５－２２２０７４号公報 特開２０１５－３６５８号公報

その一例として、特許文献１に開示されているようなエンジンのパラメータのシミュレーション技術が知られている。特許文献１は、エンジンのパラメータとして吸気管内の圧力波の同調周波数を所定の演算モデルを使ってシミュレーションするものである。しかしながら、エンジンはその動作や状態が時々刻々と変化するものであり、同じ演算モデルを使用してシミュレーションを行ったとしても、その精度にばらつきが生じるという問題があった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定した精度でエンジンの状態を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。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のエンジン状態推定装置は、空気と燃料とを燃焼させて動力を発生させる燃焼部と、吸入した空気の圧力を高めて燃焼部に供給する過給器とを備えるエンジンの状態を推定するエンジン状態推定装置であって、過給器が吸入する空気および過給器が燃焼部に供給する圧縮空気の少なくとも一つの密度に関するパラメータの測定データを取得する空気密度測定データ取得部と、空気密度測定データと、エンジンの特性を表すエンジンモデルに入力される燃焼部への燃料供給量とに基づいてエンジンの状態を推定する状態推定部とを備える。

この態様では、過給器が吸入する空気および過給器が圧力を高めて燃焼部に供給する圧縮空気の少なくとも一つの密度に関するパラメータを測定し、それを用いてエンジンの状態の推定を行う。このパラメータは、燃焼部における燃焼で使用される空気の密度を表すものであり、数あるエンジン関連のパラメータの中でも、エンジンの動作ないし状態に与える影響が特に大きい。そのため、このパラメータが変動すると、エンジンの状態が大きく変動し、状態推定の精度が大きくばらつく要因となる。本発明では、このようにエンジンの状態への影響が大きいパラメータを空気密度測定データとして測定し、状態推定に利用することができるので、安定した精度でエンジンの状態推定を行うことができる。

本発明の別の態様は、エンジン状態推定方法である。この方法は、空気と燃料とを燃焼させて動力を発生させる燃焼部と、吸入した空気の圧力を高めて燃焼部に供給する過給器とを備えるエンジンの状態を推定するエンジン状態推定方法であって、過給器が吸入する空気および過給器が燃焼部に供給する圧縮空気の少なくとも一つの密度に関するパラメータの測定データを取得する空気密度測定データ取得ステップと、空気密度測定データと、エンジンの特性を表すエンジンモデルに入力される燃焼部への燃料供給量とに基づいてエンジンの状態を推定する状態推定ステップとを備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、安定した精度でエンジンの状態を推定することができる。

第１実施形態に係るエンジン状態推定装置の構成を示す模式図である。 ４ストロークエンジンの構成を示す模式図である。 ２ストロークエンジンの構成を示す模式図である。 空気密度測定データがエンジンの出力に及ぼす影響を示す図である。 空気密度測定データがエンジンの燃費に及ぼす影響を示す図である。 空気密度測定データがエンジン内を流通する気体の温度に及ぼす影響を示す図である。 空気密度測定データがエンジン内を流通する気体の圧力に及ぼす影響を示す図である。 第２実施形態に係るエンジン状態推定装置の構成を示す模式図である。

本実施形態のエンジン状態推定装置は、エンジンの特性を表す数学モデルを用いてエンジンの状態を推定する。数あるエンジン関連のパラメータの中でも、エンジンの出力や燃費に及ぼす影響が大きい燃料燃焼用の空気の温度や圧力を測定し、状態推定に利用することにより、推定精度を向上させることができる。

図１は、第１実施形態に係るエンジン状態推定装置１００の構成を示す模式図である。エンジン状態推定装置１００は、エンジン２００の状態を推定する装置であり、空気密度測定データ取得部１１０と、状態推定部１２０を備える。

エンジン状態推定装置１００の各部の説明を行う前に、その状態推定対象であるエンジン２００について、図２および図３を参照して説明する。

図２は、エンジン２００の一例としてのいわゆる４ストロークエンジンを示す模式図である。後述するように４ストロークエンジンとは、吸気、圧縮、燃焼、排気の四つの行程からなる１サイクルが、ピストンの四回の上下動（二回の上昇と二回の下降）によって行われるエンジンである。

エンジン２００は、空気と燃料とを混合し燃焼させて動力を発生させる燃焼部２１０と、吸入した空気の圧力を高めて燃焼部２１０に供給する過給器２４０を備える。過給器２４０は、いわゆるターボチャージャであり、燃焼部２１０での燃焼後に排出される気体により回転するタービン２４２と、軸２４３によってタービン２４２と同軸上で結合されて連動して回転するコンプレッサ２４１を備える。

コンプレッサ２４１は、一端が外気（大気）に開放され、他端が燃焼部２１０に連通された給気路２２０内の一端側に設けられ、その回転により外気を吸入すると同時に圧縮する。コンプレッサ２４１によって圧縮されて圧力が高まった空気は給気路２２０を通じて燃焼部２１０に供給され、そこでの燃料の燃焼に使用される。給気路２２０は、外気に開放された一端からコンプレッサ２４１が吸入する空気が流通する吸気管２２１と、コンプレッサ２４１が燃焼部２１０に供給する圧縮空気が流通する給気管２２２と、他端側の燃焼部２１０に近い位置に設けられて圧縮空気を収容する給気収容部としての給気レシーバ２２３とを備える。また、コンプレッサ２４１で圧縮された空気の温度上昇による膨張を防止するために、給気管２２２を流通する圧縮空気を冷却する冷却器である給気クーラ２２４が給気管２２２の途中に設けられている。これにより、給気クーラ２２４を流通する間に冷却されて給気レシーバ２２３に収容される圧縮空気の温度は一定範囲内に保たれている。

タービン２４２は、一端が燃焼部２１０に連通され、他端が外気（大気）に開放された排気路２３０内の他端側に設けられる。燃焼部２１０での燃焼後に排出される気体は、その勢いでタービン２４２を回転させた後、排気路２３０の他端から外気に放出される。排気路２３０は、一端側の燃焼部２１０に近い位置に設けられて燃焼部２１０での燃焼後に排出される気体を収容する排気収容部としての排気レシーバ２３１と、排気レシーバ２３１からタービン２４２へ向かう排気が流通する排気管２３２と、タービン２４２を通過した後の他端から外気に放出されるまでの排気が流通するタービン出口管２３３とを備える。

燃焼部２１０は、空気による燃料の燃焼が起こる燃焼室２１１と、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を供給する燃料供給ノズル２１２と、給気レシーバ２２３からの空気の燃焼室２１１への供給を制御する吸気弁２１３と、燃焼室２１１から排気レシーバ２３１への気体の排出を制御する排気弁２１４と、燃焼室２１１における燃料の燃焼に応じて直線上に駆動されるピストン２１５と、ピストン２１５の直線上の運動に伴って回転駆動される回転駆動部としてのクランクシャフト２１６と、一端がピストン２１５に固定され他端がクランクシャフト２１６に固定されてピストン２１５の直線運動をクランクシャフト２１６の回転運動に変換するコネクティングロッド２１７を備える。なお、上記では燃料供給ノズル２１２により燃料を燃焼室２１１内に直接供給する構成としたが、ガソリン等の揮発性の高い燃料を使用する場合は、給気レシーバ２２３あるいは給気管２２２内に燃料を噴射し、空気と混合した状態で燃焼室２１１内に供給してもよい。

上記の構成において、エンジン２００は以下のサイクルで駆動される。ここで、エンジン２００は前サイクル以前の駆動もしくは多気筒の燃焼による駆動によって動作状態にあるものとし、回転を続けるクランクシャフト２１６の動作に応じてピストン２１５が上昇と下降を繰り返すものとする。

（１）吸気：吸気弁２１３が開き、排気弁２１４が閉じ、ピストン２１５が下降することで、給気レシーバ２２３から燃焼室２１１に空気が供給される。
（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、圧縮された空気の中で燃焼される。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から排気レシーバ２３１に排出される。

図３はエンジン２００の他の例としてのいわゆる２ストロークエンジンの燃焼部を示す模式図である（図２と対応する構成要素については同一の符号を付して適宜説明を省略する）。２ストロークエンジンでは、ピストンの四回の上下動で１サイクルが完了する図２の４ストロークエンジンと異なり、ピストンの１回の上昇と１回の下降の合計２回の上下動で１サイクルが完了する。

２ストロークエンジンの燃焼部２１０は、上述の４ストロークエンジンと同様に、燃焼室２１１における燃料の燃焼によってピストン２１５を直線上に駆動し、それをクランクシャフト２１６の回転動力に変換するものである。両タイプのエンジンにおいて主要な構造はほとんど共通であるが、２ストロークエンジンでは、燃焼部２１０においてクランクシャフト２１６を収容するクランクケース２１８と燃焼室２１１を連結する掃気路２１９が設けられている点が一つの違いである。

ピストン２１５が下降している図示の状態において、クランクケース２１８、掃気路２１９、燃焼室２１１、排気路２３０を通る経路は気体が流通可能となっており、クランクケース２１８内の新しい空気が、掃気路２１９を通じて燃焼室２１１に流入するとともに、その勢いで燃焼後の気体を排気路２３０に排出する（掃気）。

それに続いてピストン２１５が上昇すると、掃気路２１９および排気路２３０を閉塞し、燃焼室２１１が密閉されてその圧力が上昇する。そして、高圧になった燃焼室２１１内に燃料供給ノズル２１２から燃料を供給することにより燃焼が引き起こされ、ピストン２１５を再び下降させる動力が発生する。一方、ピストン２１５の上昇時にはクランクケース２１８と給気路２２０が連通し、新しい空気が給気路２２０からクランクケース２１８内に流入する。このように、ピストン２１５の上昇時には、燃焼室２１１における燃焼とクランクケース２１８への給気が同時に行われる。

以上のように、２ストロークエンジンにおいては、ピストン２１５の一回の下降と一回の上昇の合計２ストロークで１サイクルが完了する。このような２ストロークエンジンにおいて、図２に示される過給器２４０を使用すると、ピストン２１５上昇時におけるクランクケース２１８への給気と、ピストン２１５下降時における燃焼室２１１への掃気の圧力を高めることができる。

なお、２ストロークエンジンとしては、特許文献２に開示されているような構成のものを使用してもよい。この２ストロークエンジンでは、図３についての上記の説明と同様に、ピストン（４１：特許文献２中の符号（以下同じ））が下降している状態において、給気レシーバ２２３に対応する掃気レシーバ（２）、クランクケース２１８および掃気路２１９に対応する掃気口（１７）、燃焼室２１１に対応するシリンダ（１）、排気路２３０に対応する排気ダクト（６）を通る経路は気体が流通可能となっており、掃気レシーバ内の新しい空気が、掃気口を通じてシリンダに流入するとともに、その勢いで燃焼後の気体を排気ダクトに排出する掃気動作が行われる。また、このような構成において過給器２４０を使用すると、掃気レシーバ内の掃気の圧力を高めることができる。

本実施形態は、船舶用、車両用、航空機用等の用途を問わず、上記のような様々なタイプのエンジン２００に対して適用することができるが、特に定格回転数が毎分１０００回転以下の船舶用のエンジンに対して使用するのが好適である。一般的に、船舶用のエンジンは車両用のエンジンと比較して上記のような低い定格回転数で駆動される。そして、特に大型の船舶においては、エンジンで発生された動力が船舶の実際の動きに反映されるまでに時間を要するため、正確なエンジン駆動が求められる。このように、船舶用のエンジンにおいては、エンジンの状態を高精度に推定して正確な駆動を行う要請が強く、本実施形態のエンジン状態推定装置１００を使用するのが好ましい。

なお、船舶としては、例えば特許文献３に開示されている構成のものに、本実施形態のエンジン２００を使用することができる。すなわち、船舶の推進力を発生させる主機関（１０：特許文献３中の符号（以下同じ））として本実施形態のエンジン２００を使用し、そこで発生した動力が駆動軸を介してプロペラ（１４）に伝達されることで、プロペラ（１４）が回転して船舶の推進力が生まれる。

上記のような構成のエンジン２００において、燃料の燃焼に使用される気体は次の経路を流通する。外気→吸気管２２１→コンプレッサ２４１→給気管２２２→給気レシーバ２２３→燃焼部２１０（燃焼室２１１）→排気レシーバ２３１→排気管２３２→タービン２４２→タービン出口管２３３→外気。

本実施形態では上記の気体の流通経路の各所に空気の密度に関するパラメータ、具体的には圧力、温度等のパラメータを測定するセンサが設置可能である。図示されるように、センサの設置位置はＳ０～Ｓ２の次の三カ所に分類される。
Ｓ０：吸気管２２１内
Ｓ１：給気管２２２内
Ｓ２：給気レシーバ２２３内

吸気管２２１内のセンサ設置位置Ｓ０には、コンプレッサ２４１が吸入する外気の圧力、温度を測定するセンサが設置可能である。吸気管２２１内のセンサ設置位置Ｓ０は、安定した測定を可能とするために、吸気管２２１の外気に開放された開放端およびコンプレッサ２４１の入口から所定距離を離した位置とするのが好ましい。外気への開放端に近すぎると外気の突発的な変化に測定データが影響されやすくなってしまい、またコンプレッサ２４１の入口に近すぎると回転するコンプレッサ２４１が発生させる気流の影響により測定環境が安定しない可能性がある。

給気管２２２内のセンサ設置位置Ｓ１には、コンプレッサ２４１が圧力を高めて燃焼部２１０に供給する圧縮空気の圧力、温度を測定するセンサが設置可能である。温度に関しては、圧縮空気の温度を直接的に測定してもよいし、圧縮空気を冷却する給気クーラ２２４による冷却温度、すなわち冷却水等の冷媒の温度を間接的に測定してもよい。なお、給気クーラ２２４による冷却温度が一定で、給気管２２２内の圧縮空気の温度が一定とみなせる場合は、センサ設置位置Ｓ１で温度を測定する重要性は低いので、圧力を測定するのが好ましい。

また、給気管２２２内のセンサ設置位置Ｓ１は、安定した測定を可能とするために、コンプレッサ２４１の出口から所定距離を離した位置とするのが好ましい。さらに好ましくは、給気クーラ２２４よりも後段で、圧縮空気が十分に冷却された後の位置とすれば、より安定した測定が可能である。特に、給気クーラ２２４による冷却温度が一定とみなせる場合は、圧縮空気の温度も一定とみなすことができるので、圧力のみの測定によって給気管２２２内の圧縮空気の状態を高精度に把握することができる。

給気レシーバ２２３内のセンサ設置位置Ｓ２には、燃焼部２１０に供給される圧縮空気の圧力、温度を測定するセンサが設置可能である。上記の給気管２２２と同様に、給気クーラ２２４による冷却温度が一定で、給気レシーバ２２３内の圧縮空気の温度が一定とみなせる場合は、センサ設置位置Ｓ２で温度を測定する重要性は低いので、圧力を測定するのが好ましい。

また、給気レシーバ２２３内のセンサ設置位置Ｓ２は、安定した測定を可能とするために、給気管２２２からの圧縮空気の流入口および燃焼部２１０への圧縮空気の流出口から所定距離を離した位置とするのが好ましい。これにより、これらの箇所で発生しうる変則的な気流の影響を避けて安定した測定が可能となる。さらに、給気クーラ２２４による冷却温度が一定とみなせる場合は、給気レシーバ２２３内の圧縮空気の温度も一定とみなすことができるので、圧力のみの測定によって給気レシーバ２２３内の圧縮空気の状態を高精度に把握することができる。

以上で説明した三つのセンサ設置位置Ｓ０～Ｓ２で測定可能なパラメータは、燃焼部２１０における燃焼で使用される空気の密度を表すものであり、後述するようにエンジン状態推定装置１００によるエンジン２００の状態を推定するために用いられる。ここで、三つのセンサ設置位置Ｓ０～Ｓ２の全てにセンサを設置する必要はなく、少なくとも一つにセンサを設置すれば、エンジン２００の状態を推定することができる。一方、Ｓ０～Ｓ２のうち複数のセンサ設置位置にセンサを設置した場合や、一つのセンサ位置に種類の異なる複数のセンサを設置した場合は、そこから得られる複数の測定データに基づき、エンジン２００の状態推定の精度を向上させることができる。

図１に戻り、エンジン２００の状態推定を行うエンジン状態推定装置１００の各部（空気密度測定データ取得部１１０、状態推定部１２０）について説明する。

空気密度測定データ取得部１１０は、センサ設置位置Ｓ０～Ｓ２で測定された各種の空気密度測定データを取得する。具体的には、コンプレッサ２４１が吸入する外気の測定データをセンサ設置位置Ｓ０（吸気管２２１内）から取得し、コンプレッサ２４１が圧力を高めて燃焼部２１０に供給する空気の測定データをセンサ設置位置Ｓ１（給気管２２２内）、Ｓ２（給気レシーバ２２３内）から取得する。

エンジン２００の状態を推定する状態推定部１２０は、エンジン２００の特性を表すエンジンモデルに基づいてエンジン２００の状態に関するパラメータである状態変数を計算する計算部１２１を備える。計算部１２１のエンジンモデルは、熱効率、動力伝達効率、動特性、過給器効率、外乱影響等のエンジン２００の諸特性を数学的にモデル化したものであり、燃焼部２１０に供給される１燃焼当たりの燃料供給量Ｕ、燃焼部２１０において回転動力を発生させるクランクシャフト２１６の回転数の測定データＮｅ等を入力データとして計算を行い、エンジン２００の各状態変数の推定値をエンジン状態推定結果として出力する。後述するように、本実施形態では、燃料供給量Ｕと回転数Ｎｅに加え、空気密度測定データ取得部１１０で取得された空気密度測定データもエンジンモデルに入力することで、高精度にエンジン２００の状態を推定することができる。なお、エンジンモデルを構成する方法は様々なものが考えられるが、簡単な例としては、入力である燃料供給量Ｕ、回転数Ｎｅ、空気密度測定データ等に対して、出力である
エンジン２００の各状態変数の推定値を対応づけたテーブルとして構成することができる。

状態推定部１２０で推定可能なエンジン２００の状態変数は、例えば以下のようなものが挙げられる。

燃焼部２１０の動作に関するパラメータ：
・クランクシャフト２１６の回転数（燃焼部２１０の回転数Ｎｅ）
過給器２４０の動作に関するパラメータ：
・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）
なお、本実施形態では、回転数Ｎｅは測定データとして取得されるため、状態推定部１２０での推定を行う必要はない。

以下はエンジン２００の状態変数のうち、空気密度測定データ取得部１１０が測定データとして取得可能なものである。本実施形態では、このように測定データとして取得される状態変数については、状態推定部１２０での推定を行う必要はない。
コンプレッサ２４１が吸入する外気に関するパラメータ（吸気管２２１内Ｓ０で測定可能）：
・外気の圧力（外気圧Ｐａ）
・外気の温度（外気温Ｔａ）
コンプレッサ２４１が圧力を高めて燃焼部２１０に供給する圧縮空気（給気）に関するパラメータ（給気管２２２内Ｓ１、給気レシーバ２２３内Ｓ２で測定可能）：
・給気の圧力（給気圧Ｐｂ／掃気動作を行う２ストロークエンジンにおいては掃気圧Ｐｓとも表記される）
・給気の温度（給気温Ｔｂ／掃気動作を行う２ストロークエンジンにおいては掃気温Ｔｓとも表記される）
・給気クーラ２２４の冷却水の温度（冷却水温Ｔｗ）

上記の他、エンジン２００内の各部を流通する気体に関するパラメータ：
・吸気管２２１、給気管２２２、給気レシーバ２２３内の流量
・排気レシーバ２３１、排気管２３２、タービン出口管２３３内の圧力、温度、流量

上記の各パラメータを利用してエンジンモデルで計算可能なエンジン２００の各種性能：
・エンジン２００が発生させる動力に関する性能（トルク、出力等）
・エンジン２００の燃料消費に関する性能（単位時間当たりの燃料消費量（以下、燃費と略す）、単位時間および単位出力当たりの燃料消費率、燃料の単位容量当たりの進行距離等）

上記の各状態変数は、いずれも適当なセンサを設けることにより測定可能であるが、実際のエンジン２００ではコストや設置上の制約により全ての状態変数を測定するのは現実的ではない。そのため、本実施形態では、回転数Ｎｅと、状態推定部１２０での推定精度の向上に用いられる一部の空気密度測定データのみを測定し、それ以外の状態変数は状態推定部１２０が推定値を計算する構成としている。

なお、エンジン２００への駆動入力である１燃焼当たりの燃料供給量Ｕは、燃焼部２１０の回転数Ｎｅの測定データに基づいて設定される。すなわち、燃焼部２１０の目標回転数をＮｅ０としたときに、測定値であるＮｅと目標値であるＮｅ０の差分が演算され、その差分が小さくなるような１燃焼当たりの燃料供給量Ｕが所定のテーブルやアルゴリズムに基づいて設定される。

続いて、本発明者が実験を通じて見出した、空気密度測定データを用いた状態推定精度の向上技術について説明する。図４～図７は、空気密度測定データである外気温Ｔａ、外気圧Ｐａ、冷却水温Ｔｗがエンジン２００の様々な状態変数に及ぼす影響について実験した結果を示すものである。具体的には、図４は出力に及ぼす影響を、図５は燃費に及ぼす影響を、図６は、給気管２２２内のコンプレッサ２４１の出口付近の温度（コンプレッサ出口温度Ｔｃ）、給気レシーバ２２３内の掃気温Ｔｓ、排気レシーバ２３１内の排気温Ｔｅｘのそれぞれに及ぼす影響を、図７は、給気レシーバ２２３内の掃気圧Ｐｓ、排気レシーバ２３１内の排気圧Ｐｅｘ、タービン出口管２３３内の圧力（タービン出口圧力Ｐ０）のそれぞれに及ぼす影響を示すものである。それぞれの実験では、エンジン２００の負荷を変化させながら測定を行っており、各図において、エンジン２００の負荷が最大負荷の５０％、７５％、８５％、１００％のそれぞれの場合の結果が別々に示されている。

それぞれの図においては、外気温Ｔａ、外気圧Ｐａ、冷却水温Ｔｗが、各々想定される環境条件の変動範囲内で変化したときに、各図で対象とする状態変数が変化した割合がグラフとして示されている。例えば、出力を対象とする図４の外気温Ｔａを見ると、負荷１００％のときに約－１．２％の影響があるが、これは外気温Ｔａが想定範囲内で下限のときの出力に対して、外気温Ｔａが想定範囲内で上限のときの出力が約１．２％小さくなっていることを意味する。同様に、燃費を対象とする図５の外気温Ｔａを見ると、負荷５０％のときに約１．５％の影響があるが、これは外気温Ｔａが想定範囲内で下限のときの燃費に対して、外気温Ｔａが想定範囲内で上限のときの燃費が約１．５％大きくなっていることを意味する。

以上の実験結果のうち、エンジン２００の重要指標である出力と燃費に関する図４と図５によれば、三つの空気密度測定データのうち、外気温Ｔａが突出して出力と燃費に大きな影響を及ぼすことが分かる。したがって、外気温Ｔａをセンサ設置位置Ｓ０で測定し、空気密度測定データ取得部１１０を介して状態推定部１２０に供給することにより、状態推定部１２０は出力と燃費を高精度に推定することができる。

エンジン２００内を流通する気体の温度に関する図６によれば、コンプレッサ出口温度Ｔｃに対する影響は外気温Ｔａが最も大きく（次いで冷却水温Ｔｗ）、掃気温Ｔｓに対する影響は冷却水温Ｔｗが最も大きく、排気温Ｔｅｘに対する影響は外気温Ｔａが最も大きい（次いで冷却水温Ｔｗ）ことが分かる。
また、エンジン２００内を流通する気体の圧力に関する図７によれば、掃気圧Ｐｓに対する影響は外気温Ｔａが最も大きく（次いで冷却水温Ｔｗ）、排気圧Ｐｅｘに対する影響は外気温Ｔａが最も大きく（次いで冷却水温Ｔｗ）、タービン出口圧力Ｐ０に対する影響は外気圧Ｐａが最も大きいことが分かる。
したがって、外気温Ｔａ（センサ設置位置Ｓ０）、外気圧Ｐａ（センサ設置位置Ｓ０）、冷却水温Ｔｗ（センサ設置位置Ｓ１）をそれぞれ測定し、空気密度測定データ取得部１１０を介して状態推定部１２０に供給することにより、状態推定部１２０はそれぞれの空気密度測定データによる影響が大きい状態変数を高精度に推定することができる。

なお、上記では三つの空気密度測定データに関して実験を行ったが、ここで得られた示唆はその他の空気密度測定データにも以下のように適用することができる。

図４と図５で示された出力と燃費への影響は外気温Ｔａが最大であったが、これは外気の状態がエンジン２００の基本動作、すなわち燃焼部２１０での燃料の燃焼と動力の発生に直接的に影響するためであると考えられる。つまり、外気はコンプレッサ２４１に吸入されて燃焼部２１０に供給されるので、外気の状態がエンジン２００の出力と燃費に及ぼす影響が大きいと理解される。

一方、図４と図５において、外気の状態を表すもう一つのパラメータである外気圧Ｐａが出力と燃費に及ぼす影響はほとんど見られない。これは、想定される外気圧Ｐａの変動の範囲内では出力と燃費にほとんど影響しないからであると考えられる。

以上のような外気がコンプレッサ２４１により吸入圧縮され、給気管２２２および給気レシーバ２２３に入ると、今度はその圧力である給気圧Ｐｂないし掃気圧Ｐｓが出力および燃費に影響を及ぼす主要なパラメータになると考えられる。なぜなら、給気管２２２の途中に設けられた給気クーラ２２４によって給気温Ｔｂないし掃気温Ｔｓは一定範囲内に冷却されるため、燃焼部２１０に供給される空気の密度は主に圧力によって決まるからである。したがって、給気クーラ２２４が設けられたエンジン２００においては、冷却された空気の給気圧Ｐｂないし掃気圧Ｐｓを空気密度測定データとして測定し、空気密度測定データ取得部１１０を介して状態推定部１２０に供給することにより、状態推定部１２０は出力と燃費を高精度に推定することができる。一方、給気クーラ２２４が設けられないエンジン２００においては、外気温Ｔａと同様に、給気温Ｔｂないし掃気温Ｔｓが引き続き出力と燃費に大きな影響を及ぼすと考えられるので、これらを測定することにより出力と燃費を高精度に推定することができる。

以上をまとめると、エンジン２００の重要指標である出力と燃費の推定精度を向上させるためには、以下の空気密度測定データを利用するのが好ましい。
・外気温Ｔａ
・給気圧Ｐｂないし掃気圧Ｐｓ
・給気温Ｔｂないし掃気温Ｔｓ（給気クーラ２２４が設けられない場合）

図４～図７から得られた上記のような知見は、各空気密度測定データと各状態変数との関係を表す情報として、計算部１２１のエンジンモデルに予め組み込んでおくのが好ましい。このようなエンジンモデルによれば、測定された各空気密度測定データに応じて、図４～図７で示されるような影響度を加味して各状態変数の計算を高精度に行うことができる。

なお、図４～図７を通じて、エンジン２００の負荷が最大負荷の５０％といった低い負荷の場合に、各気体密度測定データの各状態変数への影響が大きく出る傾向があることが分かる。これはエンジン２００が低負荷で稼働しているときは、エンジン２００内外の様々な変化の影響を受けやすくなっているためと考えられる。したがって、状態推定部１２０は、エンジン２００の低負荷稼働時、例えば最大負荷の５０％以下での稼働時に気体密度測定データを用いてエンジン２００の状態を推定するのが好ましい。一方、気体密度測定データによる影響が比較的小さい高負荷稼働時、例えば最大負荷の５０％よりも高い負荷での稼働時には、気体密度測定データを用いずに状態推定を行ってもよいし、状態推定自体の頻度を低下させてもよい。

上記のようなエンジン状態推定装置１００が出力するエンジン状態推定結果は、例えば以下の用途に使用することができる。
エンジン状態推定結果は、エンジン２００の各種制御に使用することができる。本実施形態によれば、エンジン２００の状態推定精度を向上させることができるので、それに伴って制御の精度も向上させることができる。
エンジン状態推定結果は、エンジン２００の監視や劣化診断に使用することができる。エンジンの異常を的確に特定して迅速な対処を行うことができる。

図８は、第２実施形態に係るエンジン状態推定装置１００の構成を示す模式図である。図１に示される第１実施形態に係るエンジン状態推定装置１００とは、状態推定部１２０の構成のみが異なる。状態推定部１２０は、計算部１２１と、エンジンモデル補正部１２２を備える。

計算部１２１は、燃料供給量Ｕと回転数Ｎｅを入力データとして、エンジン２００の特性を表すエンジンモデルに基づき、エンジン２００の状態変数の推定値を計算し、エンジン状態推定結果として出力する。本実施形態では、第１実施形態とは異なり、空気密度測定データが計算部１２１のエンジンモデルに入力されず、後段のエンジンモデル補正部１２２に供給される。その代わりに、計算部１２１は、上記のエンジンモデルに基づく計算の中で、気体密度測定データの推定値である空気密度推定データを計算する。第１実施形態の中で説明したように、外気圧Ｐａ、外気温Ｔａ、給気圧Ｐｂ／掃気圧Ｐｓ、給気温Ｔｂ／掃気温Ｔｓ、冷却水温Ｔｗ等の空気密度に影響する測定データはいずれもエンジン２００の状態変数であるため、計算部１２１はエンジン状態推定結果を求める通常の計算の中で気体推定データを求めることができる。

エンジンモデル補正部１２２は、計算部１２１から供給される空気密度推定データと空気密度測定データ取得部１１０から供給される空気密度測定データとの差分が小さくなるように、計算部１２１におけるエンジンモデルを補正する。ここで、推定値である空気密度推定データと実測値である空気密度測定データの間に差分がある場合は、その推定値の算出の基礎となったエンジンモデルが実際のエンジン２００の特性から乖離しているため、エンジンモデル補正部１２２によってエンジンモデルを補正し、実際のエンジン２００の特性に近づけようとするものである。理想的には空気密度推定データと空気密度測定データの差分が常にゼロになれば、エンジンモデルが実際のエンジン２００の特性を正確に表すことになる。このような補正によってエンジンモデルは実際のエンジン２００の特性をよりよく反映したものとなるため、エンジン状態推定の精度を向上させることができる。特に本実施形態では、エンジン２００の出力や燃費といった各状態変数への影響が大きい空気密度測定データを用いることで、効果的にエンジンモデルの補正を行うことができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態では、空気密度測定データとして温度または圧力を例示したが、空気の密度に関する他のパラメータを測定してもよい。例えば、気体の濃度、密度、成分量が挙げられる。

なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。

本明細書で開示した実施形態のうち、複数の機能が分散して設けられているものは、当該複数の機能の一部又は全部を集約して設けても良く、逆に複数の機能が集約して設けられているものを、当該複数の機能の一部又は全部が分散するように設けることができる。機能が集約されているか分散されているかにかかわらず、発明の目的を達成できるように構成されていればよい。

１００・・・エンジン状態推定装置、１１０・・・空気密度測定データ取得部、１２０・・・状態推定部、１２１・・・計算部、１２２・・・エンジンモデル補正部、２００・・・エンジン、２１０・・・燃焼部、２２０・・・給気路、２２１・・・吸気管、２２２・・・給気管、２２３・・・給気レシーバ、２２４・・・給気クーラ、２３０・・・排気路、２３１・・・排気レシーバ、２３２・・・排気管、２３３・・・タービン出口管、２４０・・・過給器、２４１・・・コンプレッサ、２４２・・・タービン。

Claims (14)

1. 空気と燃料とを燃焼させて動力を発生させる燃焼部と、吸入した空気の圧力を高めて前記燃焼部に供給する過給器とを備えるエンジンの状態を推定するエンジン状態推定装置であって、
   前記過給器が吸入する空気および前記過給器が前記燃焼部に供給する圧縮空気の少なくとも一つの密度に関するパラメータの測定データを取得する空気密度測定データ取得部と、
   前記空気密度測定データと、前記エンジンの特性を表すエンジンモデルに入力される前記燃焼部への燃料供給量とに基づいて前記エンジンの状態を推定する状態推定部と
   を備えるエンジン状態推定装置。
2. 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に記載のエンジン状態推定装置。
3. 前記状態推定部は、前記空気密度測定データを前記エンジンモデルに入力して前記エンジンの状態を推定する
   請求項１または２に記載のエンジン状態推定装置。
4. 前記状態推定部は、
   前記エンジンモデルに基づいて前記空気密度測定データの推定値である空気密度推定データを計算する計算部と、
   前記空気密度推定データと前記空気密度測定データとの差分が小さくなるように、前記エンジンモデルを補正するエンジンモデル補正部と
   を備える請求項１または２に記載のエンジン状態推定装置。
5. 前記空気密度測定データの測定器は、前記過給器が吸入する空気が流通する吸気管に設けられる
   請求項１から４のいずれかに記載のエンジン状態推定装置。
6. 前記空気密度測定データの測定器は、前記圧縮空気を収容する給気収容部に設けられる
   請求項１から５のいずれかに記載のエンジン状態推定装置。
7. 前記空気密度測定データは、前記過給器が吸入する空気および前記圧縮空気の温度および圧力の少なくとも一つの測定データである
   請求項１から６のいずれかに記載のエンジン状態推定装置。
8. 前記空気密度測定データは、前記過給器が吸入する空気の温度の測定データである
   請求項７に記載のエンジン状態推定装置。
9. 前記エンジンは、前記圧縮空気を冷却する冷却器を備え、
   前記空気密度測定データは、前記冷却器によって冷却された圧縮空気の圧力の測定データである
   請求項７または８に記載のエンジン状態推定装置。
10. 前記エンジンは、前記圧縮空気を冷却する冷却器を備え、
    前記空気密度測定データは、前記冷却器の冷却媒体の温度の測定データである
    請求項１から９のいずれかに記載のエンジン状態推定装置。
11. 前記状態推定部は、前記燃焼部において回転動力を発生させる回転駆動部の回転数の測定データに基づいて前記エンジンの状態を推定する
    請求項１から１０のいずれかに記載のエンジン状態推定装置。
12. 前記状態推定部は、前記エンジンの負荷がその最大負荷の５０％以下の場合に前記エンジンの状態を推定する
    請求項１から１１のいずれかに記載のエンジン状態推定装置。
13. 空気と燃料とを燃焼させて動力を発生させる燃焼部と、吸入した空気の圧力を高めて前記燃焼部に供給する過給器とを備えるエンジンの状態を推定するエンジン状態推定方法であって、
    前記過給器が吸入する空気および前記過給器が前記燃焼部に供給する圧縮空気の少なくとも一つの密度に関するパラメータの測定データを取得する空気密度測定データ取得ステップと、
    前記空気密度測定データと、前記エンジンの特性を表すエンジンモデルに入力される前記燃焼部への燃料供給量とに基づいて前記エンジンの状態を推定する状態推定ステップと
    を備えるエンジン状態推定方法。
14. 空気と燃料とを燃焼させて動力を発生させる燃焼部と、吸入した空気の圧力を高めて前記燃焼部に供給する過給器とを備えるエンジンの状態を推定するエンジン状態推定プログラムであって、
    前記過給器が吸入する空気および前記過給器が前記燃焼部に供給する圧縮空気の少なくとも一つの密度に関するパラメータの測定データを取得する空気密度測定データ取得ステップと、
    前記空気密度測定データと、前記エンジンの特性を表すエンジンモデルに入力される前記燃焼部への燃料供給量とに基づいて前記エンジンの状態を推定する状態推定ステップと
    をコンピュータに実行させるエンジン状態推定プログラム。

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