JP4790072B1 - 舶用エンジンの制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶の主機回転数を負荷変動に追従させながらもエンジンへの負荷を軽減し、燃費の向上を図る。
【解決手段】エンジン１１の実回転数Ｎｅを検出し、制御部１２の入力側にフィードバックする。実回転数Ｎｅおよび制御部１２からエンジン１１に出力されるフューエルインデックスＦＩｅをＲσ演算部１３へ入力する。Ｒσ演算部１３において、実回転数ＮｅとフューエルインデックスＦＩｅから負荷抵抗係数を算出する。負荷抵抗係数の変動成分の実効値Ｒσを求める。実効値Ｒσに応じて目標回転数Ｎｏを下方修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶の主機回転数を一定の目標値に維持するエンジン制御装置に関する。

船舶では、プロペラ回転数（主機回転数）を一定値に維持する回転数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制御により実回転数が目標回転数に維持される。（特許文献１）。

特開平８−２００１３１号公報

しかし、回転数一定制御では、負荷変動に応じて燃料供給量（フューエルインデックス）が変動し、これにより実回転数も目標回転数を中心に変動する。また、これらの変動は負荷の変動が大きくなるとともに増大するので、回転数を一定に制御すると回転数の最大値や燃料供給量の最大値が負荷変動の増大とともに大きくなり、エンジンへの負担が必要以上に増大するとともに燃費が悪化する。

本発明は、船舶の主機回転数を負荷変動に追従させながらもエンジンに掛かる負荷を軽減し、燃費の向上を図ることを目的としている。

本発明の舶用エンジンの制御装置は、負荷抵抗係数の変動幅が大きいほど主機の目標回転数を下方修正し、負荷変動にともなう主機回転数の最大値の上昇を抑えたことを特徴としている。

負荷抵抗係数は、例えば主機回転数と主機へ出力されるフューエルインデックスの値から求められ、負荷抵抗係数の変動幅は、負荷抵抗係数の変動成分の実効値として算出される。

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、負荷抵抗係数の変動幅が大きいほど主機の目標回転数を下方修正し、負荷変動にともなう主機回転数の最大値の上昇を抑えたことを特徴としている。

本発明によれば、船舶の主機回転数を負荷変動に追従させながらもエンジンへの負荷を軽減し、燃費の向上を図ることができる。

本実施形態のエンジン制御装置の構成を示すブロック図である。 負荷抵抗係数の変動に対する回転速度制御方式、本実施形態の制御方式における各物理量の変動を示すグラフである。

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。

本実施形態のエンジン制御装置１０において、エンジン１１は船舶の主機であり、そのシャフト（図示せず）は例えば推進用のプロペラ（図示せず）に直接または減速機を介して連結される。エンジン１１への燃料供給量は、制御部１２から出力されるフューエルインデックスＦＩｅに基づいて制御され、エンジン制御装置１０には、操縦者により目標回転数Ｎｏが制御指令として与えられる。

また、エンジン制御装置１０には、エンジン１１の実回転数Ｎｅを計測するセンサ（図示せず）が設けられ、計測された実回転数Ｎｅは、制御部１２の入力側へとフィードバックされる。すなわち、制御部１２には目標回転数Ｎｏと実回転数Ｎｅの偏差が入力される。また実回転数Ｎｅは、Ｒσ演算部１３へと入力され、Ｒσ演算部１３では、実回転数Ｎｅおよび現在のフューエルインデックスＦＩｅの値から目標回転数Ｎｏの補正量が算出される。Ｒσ演算部１３は、後述する負荷抵抗係数Ｒの変動幅を求め、これに基づき目標回転数Ｎｏの補正量（Ｋ・Ｒσ）を算出するもので、算出された補正量（Ｋ・Ｒσ）は制御部１２の入力側へとフィードバックされ、設定された目標回転数Ｎｏの値が補正される。

次に、負荷抵抗係数Ｒの意味および負荷抵抗係数Ｒの算出方法、および目標回転数Ｎｏの補正量の算出方法について説明する。なお以下の説明では、回転速度（回転数）Ｎ、出力Ｐｗ、トルクＱ、フューエルインデックスＦＩの値をエンジンの連続最大定格（ＭＣＲ）のときに１００％となる百分率［％］で示す。

プロペラ法則によれば、出力Ｐｗ［％］は、回転速度（回転数）Ｎ［％］の３乗に比例し、
Ｐｗ＝Ｒ・（Ｎ／１００）^３ （１）
と表される。ここでＲは、海象に依存する係数［％］であり、本明細書ではこの係数Ｒを負荷抵抗係数と呼ぶ。なお、Ｒ［％］は、平水状態（波風がない穏やかな状態）を航行中のときの平均値が１００％となる。

一方、トルクＱ［％］、出力Ｐｗ［％］、回転速度Ｎ［％］の間には、
Ｑ＝Ｐｗ／（Ｎ／１００） （２）
の関係があるので、トルクＱは、負荷抵抗係数Ｒを用いると
Ｑ＝Ｒ・（Ｎ／１００）^２ （３）
と表される。

更に、ガバナ制御においてフューエルインデックスＦＩ［％］は、トルクＱ［％］に等しい（ＦＩ＝Ｑ）と見なせるので（３）式から、
ＦＩ＝Ｒ・（Ｎ／１００）^２ （４）
が得られる。

したがって、現在のフューエルインデックスＦＩｅ［％］、実回転速度Ｎｅ[％]を（４）式に代入することにより現在の負荷抵抗係数Ｒｅの値が、
Ｒｅ＝ＦＩｅ／（Ｎｅ／１００）^２ （５）
として求められる。

本実施形態では、負荷抵抗係数Ｒの変動幅を表す指標として、負荷抵抗係数Ｒｅの変動成分の実効値Ｒσ（負荷抵抗係数の標準偏差）が用いられる。すなわち、Ｒσは、（６）式で表される。
Ｒσ＝（Ｒ_ｒｍｓ ^２−Ｒ_ａｖ ^２）^１／２ （６）
Ｒ_ｒｍｓ＝［（∫（Ｒｅ（ｔ））^２ｄｔ）／Ｔ］^１／２
ここで、Ｒ_ｒｍｓはＲｅの実効値であり、積分は例えば過去の期間Ｔ（ｔ１〜ｔ２）に亘るものである（ｔ２は例えば現時点に対応）。また、Ｒ_ａｖは、負荷抵抗係数Ｒｅ（ｔ）の期間Ｔ（ｔ１〜ｔ２）に亘る平均値であり、期間Ｔとしては、例えば変動（波浪）の周期よりも長い時間が選択される。また期間Ｔは、現在の海象を代表するＲ_ａｖが得られる時間であればよく、例えば数十秒から１時間程度の時間が選択される。しかし、期間Ｔはこれよりも長くともよく、波浪の周期が短い場合には、これよりも短い周期を選択することも可能である。

また、本実施形態において、目標回転数Ｎｏの補正量は、例えばＲσと補正係数Ｋを掛けた値Ｋ・Ｒσとして求められる。なお、補正係数Ｋはシミュレーションや実験から求められ、負荷抵抗係数の変動幅の拡大にともなう実回転数Ｎｅの変動における最大値（上側ピーク値）の上昇を抑える値とされる（後述）。また、補正量は入力側に負帰還され、制御部１２には、補正後の目標回転数（Ｎｏ−Ｋ・Ｒσ）と実回転数Ｎｅの偏差（Ｎｏ−Ｋ・Ｒσ−Ｎｅ）が入力される。制御部１２は入力された値に対して例えばＰＩＤ演算を行い、エンジン１１の操作端へとフューエルインデックスＦＩを出力する。

次に図２を参照して、本実施形態の作用・効果について説明する。図２には、回転数を一定とする従来の回転速度制御方式Ａ、および指令回転数の補正を行う本実施形態の速度制御方式（指令速度自動変更方式）Ｂに対するシミュレーション結果が示される。すなわち、各制御方式Ａ、Ｂに対し、図２（ｃ）に示される負荷抵抗係数Ｒｅの変動を与えたときの各制御方式Ａ、Ｂにおける（ａ）回転数変動、（ｂ）フューエルインデックスの変動が示される。

ここで各制御方式Ａ、Ｂに与えられる負荷抵抗係数Ｒｅの変動は、図２（ｃ）に示されるように同一である（符号Ａ３、Ｂ３）。また、両制御方式Ａ、Ｂで設定される目標回転数Ｎｏの値も同一の９０［％］である。図２のグラフにおいて、横軸（時間軸）０〜１００秒の範囲に制御方式Ａにおける各物理量の変動［％］が示され、１００〜２００秒の範囲に制限方式Ｂにおける各物理量の変動［％］が示される。

図２（ｃ）に示されるように、想定される負荷抵抗係数Ｒｅは、平水状態における値であるＲｅ＝１００［％］を中心に約１０秒周期で変動し、その振幅は図示される範囲において漸次拡大される。

このとき、回転数一定とする制御方式Ａでは、回転速度（実回転数）Ｎｅは、負荷抵抗係数Ｒｅの変動に追随して目標回転数Ｎｏ＝９０［％］を中心に負荷抵抗係数Ｒｅに対し略逆位相の対応で約１０秒周期の変動を繰り返し、その振幅も漸次拡大される（符号Ａ１）。方式Ａでは、変動の中心が目標回転数Ｎｏに維持されるため、振幅の拡大とともに、回転数Ｎｅの最大値（上側ピーク値）が増大し、図示された例では、実回転数Ｎｅの最大値が約９５［％］にまで達する。なお、このときフューエルインデックスＦＩｅ（符号Ａ２）は、８１［％］を中心に負荷抵抗係数Ｒｅ（符号Ａ１）に対して略同位相、同周期で振動し、振幅も負荷抵抗係数Ｒｅの振幅の増大に対応して拡大する。

一方、目標回転数を補正する制御方式Ｂでは、負荷抵抗係数の変動幅が大きくなると（符号Ｂ３）、これに合わせて目標回転数Ｎｏが下方修正（補正）される。したがって、実回転数Ｎｅは、負荷抵抗係数Ｒｅに対して略逆位相、同周期で振動するが、目標回転数Ｎｏが下方修正されることで振動する実回転数Ｎｅの最大値（上側ピーク値）が略一定に維持され、最大値の上昇が抑えられる。なお、図示された例では、実回転数Ｎｅの最大値が約９２［％］に抑えられている。このときフューエルインデックスＦＩｅ（符号Ｂ２）は、負荷抵抗係数Ｒｅと略同位相、同周期で変動し、その振幅も拡大するが、その上側ピーク値、中心値は漸次低下し、燃費が大幅に抑えられる。

以上のように、本実施形態によれば、負荷抵抗係数の変動成分の変動幅から、指令回転数を自動補正（下方修正）し、主機回転数を負荷変動に追従させながらも主機回転数の変動における上側ピーク値の上昇を抑えることができ、エンジンへの負荷を軽減できる。また、指令回転数の下方修正よりフューエルインデックスの出力が抑えられ、燃費の向上を図られる。更に、本実施形態では主機回転数の変動における上側ピーク値は、略一定に保たれるので、回転数を必要以上に低下させることがない。

また、本実施形態では実回転数、実フューエルインデックスから負荷抵抗係数を求めているため新たな構成を設けることなく、海象の状態を計量化して指令回転数を適正に補正することが可能になる。

なお、本実施形態では負荷抵抗係数の変動成分の実効値を、負荷抵抗係数の変動幅を評価する指標としたが、実効値以外の指標を用いることも可能である。また、波浪等による回転数の変動のピーク値を増大させないと言う意味においては、実回転数の最大値（上側ピーク）と目標回転数を比較し、その差が設定値（例えば図２では２％）を超えないように目標回転数を下方修正することも可能である。また、制御部には、ＰＩＤ制御に限らず、現代制御理論、適応制御、学習制御等にも適用可能である。

１０ 舶用エンジン制御装置
１１ 主機エンジン
１２ 制御部
１３ Ｒσ演算部

Claims (5)

1. 負荷抵抗係数の変動幅が大きいほど主機の目標回転数を下方修正し、負荷変動にともなう主機回転数の最大値の上昇を抑えることを特徴とする舶用エンジン制御装置。
2. 前記負荷抵抗係数が、前記主機回転数と前記主機へ出力されるフューエルインデックスの値から求めら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。
3. 前記変動幅が前記負荷抵抗係数の変動成分の実効値として算出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。
4. 請求項１〜３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。
5. 負荷抵抗係数の変動幅が大きいほど主機の目標回転数を下方修正し、負荷変動にともなう主機回転数の最大値の上昇を抑えることを特徴とする舶用エンジン制御方法。

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