JP4758498B2 - 機関回転数算出装置およびガバナ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のガバナ制御に関し、特に機関回転数を算出するための回転数算出装置に関する。

例えば舶用機関のガバナ制御では、ターニングギア近くに配置されたセンサにより機関の実回転数が検出され、設定された目標回転数と実回転数の差がなくなるように燃料噴射量が制御される。しかし、内燃機関の回転出力には、燃焼行程の爆発に起因する脈動が含まれるため、機関回転数をモニタするガバナ制御では、この脈動に基づき不要な調整が行われる可能性がある。そのような場合、燃料噴射量が不安定となり、制御性、操作性が悪化する。また、機関がカム式燃料噴射システムを採用している場合には、不要な調整によりガバナアクチュエータから燃料ポンプに至る機構の磨耗を早めることとなる。このような問題に対して、検出された実回転数を脈動周期でサンプルホールドしてフィードバックすることにより、ガバナ制御から機関の脈動の影響を取り除く方法が知られている（特許文献１）。

特公平３−２４５８１号公報

一方、今日では、例えば大型舶用機関においても燃費改善に向けた要請が高まっており、波浪中のプロペラ負荷変動（例えば１０秒周期よりも短い周期の変動）などを考慮したガバナ制御が求められている。しかし、特許文献１のように、回転数を機関の脈動周期でサンプルホールドしてフィードバックすると、波浪による負荷変動に追従することが困難となる。

本発明は、負荷変動による回転数変動を維持しつつも簡略な構成で機関の脈動の影響が除去された回転数を算出することを目的としている。

本発明の機関回転数算出装置は、内燃機関の１サイクルの回転に対応して複数のパルス信号を検出するパルス検出手段と、パルス信号から機関回転数を算出する回転数算出手段とを備え、機関回転数が内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として算出されることを特徴としている。

回転数算出手段は、隣接するパルス間の時間間隔Ｔ_ｉを脈動周期に対応する所定の数分連続して積算することにより脈動周期を求める。

１サイクルの回転において検出されるパルス信号の数Ｎを、内燃機関のシリンダ数Ｚとするとき、所定の数がＮ／Ｚに対応する。Ｎ／Ｚの整数部をＱとするときに、脈動周期はＱ個またはＱ＋１個の時間間隔Ｔ_ｉの積算を用いて算出される。

Ｎ／Ｚの小数部をＤとするときに、時間間隔Ｔ_ｉの積算において前記小数部Ｄに対応する修正を行って脈動周期を算出する。小数部Ｄに対応する修正値は、積算される時間間隔Ｔ_ｉのうち、最も過去の時間間隔を用いて算出される。修正は、積算される時間間隔Ｔ_ｉのうち、更に最新の時間間隔を用いて算出される。

本発明のガバナ制御システムは、上記機関回転数算出装置を用いたことを特徴とする。

また本発明の機関回転数算出方法は、内燃機関の１サイクルの回転に対応して複数のパルス信号を検出し、パルス信号から機関回転数を算出し、機関回転数が内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として算出されることを特徴としている。

更に本発明の船舶は、船体と、船体に搭載される内燃機関と、内燃機関の機関回転数を算出する機関回転数算出装置を備え、機関回転数算出装置が、内燃機関の１サイクルの回転に対応して複数のパルス信号を検出するパルス検出手段と、パルス信号から機関回転数を算出する回転数算出手段とを備え、機関回転数が内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として算出されることを特徴としている。

本発明によれば、負荷変動による回転数変動を維持しつつも簡略な構成で機関の脈動の影響が除去された回転数を算出することができる。

本発明の一実施形態である舶用機関のガバナ制御システム全体の構成を示すブロック線図である。 各シリンダのピストン位置、爆発のタイミングと、機関回転数（角速度）の変動、およびパルス信号の関係を示す図である。 Ｎ＝４６、Ｚ＝６のときの(１)式の内容を模式的に示す図である。

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、本発明の一実施形態である舶用機関のガバナ制御システム全体の構成を示すブロック線図である。

ガバナ制御システムは、主機である内燃機関１１の調速を行うもので、設定された機関回転数を入力として内燃機関１１の各シリンダへの燃料噴射を調整し、実測された機関回転数をフィードバックすることで、機関回転数が設定値に維持される。

すなわち、目標回転数は回転数設定部１２において設定され、ＰＩＤ制御部１３へ入力される。ＰＩＤ制御部１３からは、ガバナ指令が燃料ポンプ１４へと出力され、燃料ポンプ１４は、ガバナ指令に基づく噴射量の燃料を内燃機関１１の各シリンダに供給する。内燃機関１１の主軸１５には、ターニングギア１６およびプロペラ１７が取り付けられ、ターニングギア１６の周縁部近傍には、近接して、近接スイッチや電磁ピックアップセンサなどのパルス発生装置１８が配置される。

パルス発生装置１８は、ターニングギア１６の回転に伴ってパルス信号を生成する装置であり、例えばターニングギア１６の歯先部や溝部を検出して、機関回転速度に比例したパルス信号を発生する。パルス発生装置１８からのパルス信号は、回転数演算部１９に送られ、後述する回転数算出処理が施され、現在の機関回転数が実回転数として算出される。回転数演算部１９において算出された実回転数は、ＰＩＤ制御部１３の入力側にフィードバックされ、目標回転数との差がＰＩＤ制御部１３に入力される。

次に図２を参照して、内燃機関１１の燃焼行程に起因して発生する機関回転数の脈動とパルス信号の関係について説明する。なお図２は、各シリンダのピストン位置、爆発のタイミングと、機関回転数の変動、およびパルス信号の関係を示すものである。

図２では、内燃機関１１として６気筒、２ストロークディーゼルエンジンを採用した場合のタイミングが一例として示される。図２（ａ）〜図２（ｆ）は、それぞれ１サイクル（クランク軸１回転）に渡るシリンダ＃１〜＃６のピストン位置と爆発のタイミングを示しており、図２（ｇ）には、このときの主軸１５の回転数変動、図２（ｈ）には、このときにパルス信号発生装置１８で生成されるパルス信号のシーケンスが示される。

図２に示されるように、６気筒２ストロークエンジンでは、クランク軸が１回転する間（１サイクル）に各シリンダで１回の爆発、合計６回の爆発が順次発生する。クランク軸には、各シリンダで爆発が起こる燃焼行程においてトルクが供給されるため、クランク軸の角速度は各シリンダの爆発直後のタイミングで一時的に速くなり、爆発が起こる周期で変動（脈動）する。これにより、ターニングギア１６（図１参照）の回転（角速度）も１サイクルの間に変動し、パルス発生装置１８において生成されるパルス信号のパルス幅、パルス間隔にも爆発の間隔に合わせて粗密が発生する。なお、パルス間隔は、ターニングギア１６の歯ピッチ（一定値）に対応し、主軸（クランク軸）のピッチ角度分の回転に対応する。

上述したように、ガバナ制御でフィードバックされる主機の実回転数は、パルス信号に基づいて算出され、例えば、所定の数のパルスが検出されるまでの時間を計測することにより得られる。また、回転数は、隣り合う２つのパルスの時間間隔から算出することも可能であり、この場合、周期の短い変動を算出される回転数に反映させることができる。しかし、パルス毎に回転数を算出すると、ターニングギアやセンサの精度、誤パルス、ノイズ等の影響を受ける可能性がある。また、通常パルス信号は、シリンダ間における爆発間隔よりも短い周期で生成されるので、パルス毎に回転数を算出すると、算出される回転数には、機関の爆発による脈動が含まれることとなる。

内燃機関自身の脈動は、機関回転数制御とは関係がない上、燃料噴射量の調整により制御されるものでもないので、ガバナ制御において機関の脈動を含む回転数をフィードバックすると、従来技術の項で説明したように不要な燃料調整が行われ、燃料供給系の機構にとって好ましくない結果をもたらす。したがって、機関回転数を入力とするガバナ制御においては、フィードバックされる主機の実回転数から機関の脈動の影響を除去することが望まれる。

回転数から機関の脈動を除去するためにフィルタを用いることも考えられるが、フィルタを用いる場合、例えば主機回転数の設定が変更されるとフィルタの設定も変更する必要が発生して構成が複雑となる。また、設定回転数に係らず、脈動の影響を十分に除去できる構成にすると、負荷トルク変動への追従性が悪化してしまう。

このようなことから、本実施形態では、パルス信号から回転数を算出する際に、直接脈動の影響を算出回転数から除去する。すなわち、本実施形態では、内燃機関の脈動周期に対応してサンプリングが行われる構成とすることで、機関回転数を、脈動周期を単位とした移動平均として算出する。

例えばシリンダ数Ｚの２ストロークエンジンの場合、脈動周期（爆発の間隔）をＴ_ｐ（ｓｅｃ）とすると、脈動は１／Ｚ回転に１回発生するので、脈動周期Ｔ_ｐは、１／Ｚ回転するときの時間間隔に対応する。したがって、脈動周期に渡る機関の平均回転数（ＲＰＭ）は、６０×（１／Ｚ）／Ｔ_ｐとして求められ、１／Ｚ回転に要した時間間隔を随時計測し、前式に代入することで、機関回転数が内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として直接求められる。

しかし、主軸の位相（回転角）は、断続的なパルス信号を通して検出されるもので、連続的な値としては検出されない。したがって、パルス信号の時間間隔から脈動周期Ｔ_ｐを推定する必要がある。以下、本実施形態において採用される脈動周期Ｔ_ｐの算出式の例を示す。なお、以下の説明では、シリンダ数がＺの２ストロークエンジンを例とし、１回転（１サイクル）におけるパルス数をＮ、Ｎ／Ｚの整数部をＱ、小数部をＤ（０≦Ｄ＜１）、四捨五入された整数をＲとする。また、パルスの各時間間隔をＴ_ｉ（ｓｅｃ）として表し、添え字ｉは、ｉ＝０が計測された最新の時間間隔、ｉ＝−１がその１つ前に計測された時間間隔、ｉ＝−２が２個前に計測された時間間隔、ｉ＝−ｎがｎ個前に計測された時間間隔に対応する。

Ｎ／Ｚは、爆発から次の爆発までの間に検出されるパルス数に対応するので、Ｎ／Ｚ（＝Ｑ＋Ｄ）個のパルス間隔を積算すれば、脈動周期Ｔ_ｐを算出できる。したがって、第１の例では、Ｑ個のパルス間隔Ｔ_ｉ（ｉ＝０〜−（Ｑ−１））の積算値に、Ｑ個前のパルス間隔Ｔ_−Ｑに小数部Ｄを掛けた値を加えて脈動周期Ｔ_ｐとする。
Ｔ_ｐ＝Ｔ_０＋Ｔ_−１＋Ｔ_−２＋・・・＋Ｔ_{−（Ｑ−１）}＋Ｄ・Ｔ_−Ｑ （１）
このとき、回転数（ＲＰＭ）は、以下の（２）式で求められる。
回転数（ＲＰＭ）＝６０／{Ｚ×（Ｔ_０＋Ｔ_−１＋・・・Ｔ_{−（Ｑ−１）}＋Ｄ・Ｔ_−Ｑ）} （２）

図３は、（１）式で求められる脈動周期Ｔ_ｐの内容を、Ｎ＝４６、Ｚ＝６のときを例に模式的に示す図である。すなわち、Ｑ＝７、Ｄ＝２／３（０．６６…）で、脈動周期Ｔ_ｐが、Ｔ_ｐ＝Ｔ_０＋Ｔ_−１＋Ｔ_−２＋・・・＋Ｔ_−６＋（２／３）Ｔ_−７として求められる場合を示す。

図３には、１回転（１サイクル）に渡るパルス信号（４６個）が、爆発のタイミングとともに描かれ、各パルスには１〜４６の番号が付されている。Ｔ_ｐ（９）は、９番目のパルスが検知されたときに（１）式で計算される脈動周期を表しており、Ｔ_ｐ（１０）は１０番目のパルスが検知されたときのＴ_ｐを表す。同様に、図３にはＴ_ｐ（１１）〜Ｔ_ｐ（１６）が示される。Ｔ_ｐ（９）〜Ｔ_ｐ（１６）の各々において、各長方形の幅は、それぞれ右からパルス間隔Ｔ_０〜Ｔ_−６に対応し、最も左には、パルス間隔Ｔ_−７の２／３が示される。なお、各長方形内には、パルス間隔Ｔ_ｉの添え字の値が示される。

図１の回転数演算部１９では、図３に示されるように、新たにパルスが検出される毎に、脈動周期Ｔ_ｐが、例えばＴ_ｐ（９）から順次Ｔ_ｐ（１６）へと更新され、その都度（２）式に基づく回転数（ＲＰＭ）が算出されフィードバックされる。

回転数に機関による脈動以外の変動がないときには、算出される脈動周期Ｔ_ｐ（９）〜Ｔ_ｐ（１６）は、略同じ長さとなり、（２）式で求められる回転数も略一定となる。これにより、回転数ベースのガバナ制御から脈動による影響が除去される。一方、プロペラ負荷トルクの影響により回転数に変動が生じたときには、Ｔ_ｐ（９）〜Ｔ_ｐ（１６）の長さも変化し、回転数の変化としてフィードバックされる。

また、次に、（１）式を修正した第２の例による脈動周期Ｔ_ｐの算出方法について説明する。図３に示されるように、（１）式を用いた第１の例では、Ｎ／Ｚにおける小数Ｄの影響を、計算に参入される最も過去のパルス間隔Ｔ_−７の長さのみから求めたが、第２の例では、これを最新のパルス間隔Ｔ_０と最も過去のパルス間隔Ｔ_−７の両者に振り分け、次の（３）式で算出し、推定精度を向上させている。
Ｔ_ｐ＝（０．５＋Ｄ／２）Ｔ_０＋Ｔ_−１＋Ｔ_−２＋
・・・＋Ｔ_{−（Ｑ−１）}＋（０．５＋Ｄ／２）Ｔ_−Ｑ （３）
このとき、回転数（ＲＰＭ）は、６０／（Ｚ×Ｔ_ｐ）として求められる。

なお、小数Ｄの影響をＴ_０〜Ｔ_−Ｑの全てに割り振ることもでき、例えば均等に割り振るのであれば、（１＋Ｄ）／Ｑを各項に掛ける。また、各項の重み付けを異ならせることも可能である。

次に、（２）式を修正した第３の例による脈動周期Ｔ_ｐの算出方法について説明する。第３の例では、脈動周期Ｔ_ｐの算出に用いられる項数（パルス間隔の数）を減らし、回転数変化への追従性を高めている。すなわち、第３の例では、Ｑ個のパルス間隔Ｔ_０〜Ｔ_{−（Ｑ−１）}のみを用いて脈動周期Ｔ_ｐを（４）式を用いて求める。
Ｔ_ｐ＝（１＋Ｄ／２）Ｔ_０＋Ｔ_−１＋Ｔ_−２＋
・・・＋Ｔ_{−（Ｑ−２）}＋（１＋Ｄ／２）Ｔ_{−（Ｑ−１）} （４）
このとき回転数（ＲＰＭ）は、６０／（Ｚ×Ｔ_ｐ）として求められる。

なお、（１）式で示される第１の例においても、項数をＴ_{−（Ｑ−１）}までとし、この項に（１＋Ｄ）を掛ける方法も考えられる。

次に、第４の例による脈動周期Ｔ_ｐの算出方法について説明する。第４の例では、Ｎ／Ｚを四捨五入した値Ｒに基づき、Ｒ個のパルス間隔Ｔ_０〜Ｔ_{−（Ｒ−１）}を積算して近似的な脈動周期Ｔ_ｐとするとともに、周期Ｔ_ｐにおける回転をＲ／Ｎ（１／Ｚに対応）回転として、回転数を次の（５）式により求める。
回転数（ＲＰＭ）＝６０・（Ｒ／Ｎ）／（Ｔ_０＋Ｔ_−１＋・・・＋Ｔ_{−（Ｒ−１）}） （５）

以上のように、本実施形態によれば、回転数を算出する過程（サンプリング）において、内燃機関の脈動周期に対応する移動平均が求められるので、極めて簡略な構成で機関の脈動の影響を除去できる。また、サンプリングが脈動間隔(周期)に対応するように行われるので、目標回転数の設定が変更されても、パラメータを変更するなど、算出処理を変更する必要がない。また、回転数の平滑化は、必要最小限に抑えられるので、機関の脈動の影響は除去しつつも、プロペラなどの負荷トルク変動などによる回転数変動には十分に追従することができる。

なお、これらのことから、運転全般に渡って、回転数の制御性、操作性が安定し、不要な燃料噴射量の調整を防止できるので、燃費が改善され得るとともに、ガバナアクチュエータから燃料ポンプに至る機構の機械的磨耗も軽減できる。

なお、実測では、（３）式＞（１）式＞（４）式の順で、脈動成分の除去精度が高かったが、Ｔ_ｐの推定において最新のパルス間隔Ｔ_０が占める割合や、Ｔ_０よりの項が占める割合が高い程、回転数変動への追従性が向上する。

また、本実施形態では、２ストロークエンジンを例に説明を行ったが、４ストロークエンジンにも適用できる。この場合、回転数は２ストロークのときの２倍となる。

本実施形態では、舶用機関を例に説明を行ったが、工業用の動力源や発電機など陸用の内燃機関においても本発明を適用できる。すなわち回転数を一定に維持する制御を行うとともに、負荷変動を伴う用途で用いられる内燃機関において、１回転（１サイクル）に複数のパルス信号が生成され、これを用いて回転数を算出する場合には、本発明を適用することができる。

また、制御方法についてはＰＩＤ制御に限らず、現代制御理論、適用制御、学習制御等にも適用可能である。

１０ ガバナ制御システム
１１ 内燃機関（主機）
１２ 回転数設定部
１３ ＰＩＤ制御部
１４ 燃料ポンプ
１５ 主軸
１６ ターニングギア
１７ プロペラ
１８ パルス信号発生装置（近接スイッチ）
１９ 回転数演算部

Claims (5)

1. 内燃機関の１サイクルの回転に対応して複数のパルス信号を検出するパルス検出手段と、前記パルス信号から機関回転数を算出する回転数算出手段とを備え、
   前記機関回転数が前記内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として算出され、
   前記回転数算出手段が、隣接するパルス間の時間間隔Ｔ_ｉを前記脈動周期に対応する所定の数分連続して積算することにより前記脈動周期を求め、
   前記１サイクルの回転において検出されるパルス信号の数をＮ、前記内燃機関のシリンダ数をＺとするとき、前記所定の数がＮ／Ｚに対応し、
   Ｎ／Ｚの整数部をＱとするときに、前記脈動周期がＱ個またはＱ＋１個の時間間隔Ｔ_ｉの積算を用いて算出され、
   Ｎ／Ｚの小数部をＤとするときに、前記時間間隔Ｔ_ｉの積算において前記小数部Ｄに対応する修正を行って前記脈動周期を算出し、
   前記小数部Ｄに対応する修正値が、積算される前記時間間隔Ｔ_ｉのうち、最も過去の時間間隔を用いて算出される
   ことを特徴とする機関回転数算出装置。
2. 前記修正が、積算される前記時間間隔Ｔ_ｉのうち、更に最新の時間間隔を用いて算出されることを特徴とする請求項１に記載の機関回転数算出装置。
3. 請求項１または請求項２の何れか一項に記載の機関回転数算出装置を用いたガバナ制御システム。
4. 内燃機関の１サイクルの回転に対応して複数のパルス信号を検出し、
   前記パルス信号から機関回転数を算出し、
   前記機関回転数が前記内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として算出され、
   隣接するパルス間の時間間隔Ｔ_ｉを前記脈動周期に対応する所定の数分連続して積算することにより前記脈動周期を求め、
   前記１サイクルの回転において検出されるパルス信号の数をＮ、前記内燃機関のシリンダ数をＺとするとき、前記所定の数がＮ／Ｚに対応し、
   Ｎ／Ｚの整数部をＱとするときに、前記脈動周期がＱ個またはＱ＋１個の時間間隔Ｔ_ｉの積算を用いて算出され、
   Ｎ／Ｚの小数部をＤとするときに、前記時間間隔Ｔ_ｉの積算において前記小数部Ｄに対応する修正を行って前記脈動周期を算出し、
   前記小数部Ｄに対応する修正値が、積算される前記時間間隔Ｔ_ｉのうち、最も過去の時間間隔を用いて算出される
   ことを特徴とする機関回転数算出方法。
5. 船体と、前記船体に搭載される内燃機関と、前記内燃機関の機関回転数を算出する機関回転数算出装置を備え、前記機関回転数算出装置が、内燃機関の１サイクルの回転に対応して複数のパルス信号を検出するパルス検出手段と、前記パルス信号から機関回転数を算出する回転数算出手段とを備え、
   前記機関回転数が前記内燃機関の脈動周期を単位とする移動平均として算出され、
   前記回転数算出手段が、隣接するパルス間の時間間隔Ｔ_ｉを前記脈動周期に対応する所定の数分連続して積算することにより前記脈動周期を求め、
   前記１サイクルの回転において検出されるパルス信号の数をＮ、前記内燃機関のシリンダ数をＺとするとき、前記所定の数がＮ／Ｚに対応し、
   Ｎ／Ｚの整数部をＱとするときに、前記脈動周期がＱ個またはＱ＋１個の時間間隔Ｔ_ｉの積算を用いて算出され、
   Ｎ／Ｚの小数部をＤとするときに、前記時間間隔Ｔ_ｉの積算において前記小数部Ｄに対応する修正を行って前記脈動周期を算出し、
   前記小数部Ｄに対応する修正値が、積算される前記時間間隔Ｔ_ｉのうち、最も過去の時間間隔を用いて算出される
   ことを特徴とする船舶。
   

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