JP4854756B2 - 舶用エンジン制御システム - Google Patents

Description

本発明は、舶用エンジンの制御システムに関し、特に舶用エンジンの回転数制御に関する。

舶用エンジンの制御では、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ＰＩＤ制御が行われる。しかし、荒天時などには、プロペラによる負荷トルクが急激に変化するため通常の天候の下での航行を想定したゲインによるＰＩＤ制御では、十分な応答性能が得られずオーバースピードによる機関の故障を招く恐れがある。このような問題に対しては、外乱によるプロペラ回転数の変動を予測してＰＩＤ制御のゲインを変更する構成が提案されている（特許文献１）。

特開平８−２００１３１号公報

しかし、特許文献１も含め船舶における一般のガバナ装置のＰＩＤ制御では、回転数を一定に維持するように制御されているため、必ずしも推進システムとして効率が高いとは言えない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、プロペラ流入速度の変動に合わせて、効率の高い回転数で主機を運転して燃費の向上を図ることを課題としている。

本発明の舶用エンジン制御システムは、プロペラ流入速度を把握するプロペラ流入速度把握手段と、主機の回転数を制御する回転数制御手段と、プロペラ流入速度の変動に合わせて回転数制御手段における目標回転数の修正を行う修正手段とを備え、修正手段は、プロペラ流入速度の変動に対して、効率線図上、効率が低下しない経路に沿って制御ポイントの移動を図り目標回転数を修正することを特徴としている。

修正における制御ポイントの移動は、効率曲線に沿った移動であることが好ましい。これにより、プロペラの迎角を略一定に保つことができる。

プロペラ流入速度は、例えば実測、あるいは相関する他の物理量から推定される。推定に用いられる物理量としては、例えば船速、波の円周波数、波高が含まれる。また物理量としては、例えばプロペラ負荷トルクが含まれる。

本発明によれば、プロペラ流入速度の変動に合わせて、効率の高い回転数で主機を運転して燃費の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態である舶用エンジン制御システムの構成を示すブロック図である。 横軸を回転数、縦軸をプロペラ流入速度とした効率線図である。 図２の制御ポイントＰの周りの拡大図である。 第１実施形態の舶用エンジン制御システムの変形例の構成を示すブロック線図である。 第２実施形態の舶用エンジン制御システムの構成を示すブロック線図である。 第３実施形態の舶用エンジン制御システムの構成を示すブロック線図である。 トルク検知部の構成を示すブロック図である。 トルク検知部の別の構成を示すブロック図である。 トルク検知部の別の構成を示すブロック図である。 トルク検知部の別の構成を示すブロック図である。

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、本発明の第１実施形態である舶用エンジン制御システムの全体の構成を示すブロック図である。

本実施形態の舶用エンジン制御システム１０は、船体１１、主機１２、主軸１３、プロペラ１４などを制御対象Ｓとし、主機１２には、制御装置Ｃの燃料噴射装置（アクチュエータ）１５から燃料が供給される。主機１２とプロペラ１４を連結する主軸１３には、主軸１３または主機１２の実回転数Ｎ_Ｅ（または角速度ω_Ｅ）を検出する従来周知の回転数（角速度）センサ（不図示）が設けられる。

制御システム１０は、主軸回転数（あるいはエンジン回転数）を回転数指令（目標値）として例えばＰＩＤ制御を行うもので、主軸１３において検出された実回転数Ｎ_Ｅは、入力側へとフィードバックされる。すなわち、ＰＩＤ演算部１６には回転数指令と実回転数Ｎ_Ｅの間の偏差が入力される。ＰＩＤ演算部１６からの出力は、ガバナ指令として燃料噴射装置１５へ出力され、主機１２への燃料供給量が調整される。

また、本実施形態では、波浪などの影響によるプロペラ流入速度の変動（例えば１０秒程の周期）に対応して回転数指令が変更される。第１実施形態において、プロペラ流入速度は船尾に設けられた周知の流速計を用いて実測される。流速計で得られたプロペラ流入速度の信号は、制御装置Ｃの演算部１７において指令回転数修正信号に変換され回転数指令信号に付加される。なお流速計はどのような形式のものであってもよい。

次に図２を参照して、本実施形態における回転数指令の修正制御の原理について説明する。図２は、横軸をエンジン回転数、縦軸をプロペラ流入速度としたときの効率線図であり、本実施形態ではプロペラ効率と主機の燃費効率を合わせた効率（両者の積）が等値線として示される。

例えば目標とする制御ポイントが点Ｐに設定されているときに波浪の影響によりプロペラ流入速度にΔＶの変動が発生すると、従来の回転数一定とする制御では、制御ポイントは図２において縦軸に沿って上下に移動する。すなわち、制御ポイントは効率の等値線を横切って移動するため、点Ｐを中心に効率が上下に変動して燃費の悪化を招く。

本実施形態では、プロペラ流入速度が変動しても効率が下がらないように目標とする回転数（回転数指令）を修正する。例えば、図２の効率線図における矢印Ａのように、目標制御ポイントＰを通る効率曲線（等値線）に沿って目標回転数を変更する（本実施形態では、プロペラの迎角を一定に維持することに対応する）。すなわち、演算部１７（図１参照）では、検出されたプロペラ流入速度に対応して、図２の効率線図に基づいて目標回転数を求め回転数指令を修正する。

演算部１７は、効率線図をマップデータとして保持し、これを参照して目標回転数を決定する構成でもよいが、予め効率線図から、プロペラ流入速度と目標回転数との間の関係を定めた関数を設定し、これに従って制御を行う構成としてもよい。

なお、回転数を一定とする従来の構成よりも効率を上げるという観点からは、プロペラ流入速度が低下するときの制御ポイントの移動を、縦軸に沿った方向の効率の勾配に比べ勾配が緩やかな方向へ移動を変更すればよい。例えば、効率曲線に沿った移動（矢印Ａ）よりも効率は落ちるものの、矢印Ａ１のように制御ポイントを移動してもよい。しかし、より効率を高めるという観点からは、制御ポイントの移動は、点Ｐを通る効率曲線の内側であることが好ましい（例えば矢印Ａ２：点Ｐの効率からより効率が高い領域への制御ポイントの移動）。

また、プロペラ流入速度が増加する場合には、従来のように回転数を一定にする制御を行ってもよいし、点Ｐを通る効率曲線（等値線）の内側（効率の高い側）において様々な方向に制御ポイントの移動をとることができる（例えば矢印Ａ３）。

図３に、図２の点Ｐ周りの拡大図を示し、プロペラ流入速度が減速するときおよび増加するときに制御ポイントを移動させることができる方向の範囲をそれぞれ円弧Ｒ_Ｄ、Ｒ_Ｕで示す。制御ポイントの移動の軌跡（例えば実線Ａ４）は、前述の条件を満たしていれば、曲線、直線、折れ線のいずれであってもよく、またこれらの組合せであってもよい。

また、利用する効率線図は本実施形態に限定されるものではなく、例えばプロペラ効率線図や、プロペラ単独効率線図を単独で用いることも可能であり、また主機の燃費効率に関わる他の要素を更に加味した効率線図を用いることもできる。

以上のように、第１実施形態によれば、波浪などの影響により変動するプロペラ流入速度に合わせて目標回転数を変更して燃費効率を向上することができる。

図４に、第１実施形態の変形例の構成を示す。第１実施形態では、プロペラ流入速度に合わせた回転数の修正が回転数指令に対して行われたが、変形例ではＰＩＤ演算部１６から出力されるガバナ指令に対して修正が行われる。すなわち、プロペラ流入速度は、制御装置Ｃに設けられた演算部１８に入力され、図２を参照して決定された軌跡に沿った回転数となるように、演算部１８から修正信号がＰＩＤ演算部１６の出力側にフィードフォワードされる。なお、その他の構成については第１実施形態と同様であり、変形例の構成においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に図５を参照して、第２実施形態の舶用エンジン制御システムについて説明する。図５は、制御対象Ｓをモデル化して示した第２実施形態の舶用エンジン制御システムのブロック線図である。

第１実施形態では、プロペラ流入速度が実測されたが、第２実施形態の舶用エンジン制御システム１０’では、プロペラ流入速度の推定が行われ、推定値に基づいて回転数指令の修正が行われる。なお、その他の構成は第１実施形態と同様であり、同様の構成に対しては同一参照符号を用いその説明を省略する。

図５に示されるように、第２実施形態の制御装置Ｃ’には、波粒子速度計算部１９が設けられ、演算部１７には、波粒子速度計算部１９で推定されたプロペラ流入速度が入力される。波粒子速度計算部１９には、例えば実測された船速、波の円周波数、波高が入力され、これらの入力からプロペラ流入速度が推定される。演算部１７では、第１実施形態と同様に図２の効率線図に合わせて修正信号が生成され、回転数指令の修正が行われる。

以上のように、第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２実施形態では、プロペラ流入速度を推定しているので、プロペラ周りにセンサ類を取り付ける必要がなく、制御システムの構成をより簡略なものにすることができる。

なお、第２実施形態ではプロペラ流入速度を船速、波の円周波数、波高から推定したが、プロペラ流入速度と相関のある流れを用いてもよい。

次に図６〜１０を参照して、第３実施形態の舶用エンジン制御システムについて説明する。第３実施形態では、プロペラ負荷トルクＱ_Ｐを検出し、制御装置Ｃ”の演算部１７’に入力する。演算部１７’では、プロペラ負荷トルクＱ_Ｐからプロペラ流入速度を推定して回転数指令の修正を行う。なお、その他の構成に関しては、第１、２実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

図７〜１０に、トルク検出のための複数の構成を示す。図７に示される負荷トルク検知部２０は、主軸１３に装着された歪ゲージ２１および送信機２２と、船体側の固定部に配置された受信機２３および計測器２４から構成される。歪ゲージ２１において検出された歪の測定値（歪信号）は、送信機２２を介して受信機２３に送信され、計測器２４において、トルク信号に変換され演算部１７”へと出力される。すなわち、トルクは歪に比例するため、演算部１７”では受信した歪の測定値（歪信号に対応）に所定の係数を掛けて負荷トルクＱ_Ｐを算出し、トルク信号として演算部１７”（図６）へ出力する。

図８に示される別の例の負荷トルク検知部３０は、主軸１３に装着された歪ゲージ２１、主軸１３の周囲に装着され歪ゲージ２１に電気的に接続されたスリップリング３１、スリップリング３１と摺接するブラシ３２、ブラシ３２に接続された計測器２４から構成される。すなわち、歪ゲージ２１において検出された歪信号は、スリップリング３１、ブラシ３２を介して計測器２４に送られ、第１実施形態と同様にトルク信号に変換される。また計測器２４において生成されたトルク信号は、演算部１７”へと出力される。

図９に示される別の例の負荷トルク検知部４０では、歪ゲージ２１に替えてプロペラ１４近くの主軸１３に装着された馬力計４１が用いられる。また、図８の計測器２４に替えてトルク計算部４２が用いられる。

この構成では、馬力計４１からの馬力信号がトルク計算部４２に送られる。トルク計算部４２には、馬力計４１からの馬力信号のほか主機１２からエンジン回転数Ｎ_Ｅが入力される。馬力（伝達馬力ＤＨＰに対応）は、トルクと回転数の積に比例するため、トルク計算部４２では、馬力（例えばＤＨＰ）をエンジン回転数Ｎ_Ｅで割り所定の係数（例えば１／２π）を掛けることにより負荷トルクＱ_Ｐが求められる。算出されたトルクの値はトルク信号として演算部１７”へ出力される。

図１０の例は、図９の馬力計４１を主機１２近くの主軸１３に配置したもので、その他の構成は図９と同様である。図１０の構成では検出される馬力が制動馬力ＢＨＰに対応するため、トルク計算部４２では、検出された馬力（ＢＨＰ）をエンジン回転数Ｎ_Ｅ、伝達効率η_Ｔ、および２πで割ることによりトルクが求められる。

以上のように、第３実施形態においても、第１、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、第３実施形態では、図２の縦軸をプロペラ負荷トルクとした効率線図を作成して用いることも可能である。また、プロペラ負荷トルクに変え、プロペラ流入速度に相関のある他の物理量を計測して用いることも可能である。

なお、上述された各実施形態および変形例の各構成は、相互に様々に組み合わせることができる。例えば第１実施形態の変形例にフィードフォワードの構成は、第２、第３実施形態においても採用できる

１０、１０’、１０” 舶用エンジン制御システム
１１ 船体
１２ 主機
１３ 主軸
１４ プロペラ
１５ 燃料噴射装置
１６ ＰＩＤ演算部
１７、１７’、１８ 演算部
２０、３０、４０ 負荷トルク検知部
Ｃ 制御装置
Ｓ 制御対象

Claims (5)

1. プロペラ流入速度を把握するプロペラ流入速度把握手段と、
   主機の回転数を制御する回転数制御手段と、
   前記プロペラ流入速度の変動に合わせて前記回転数制御手段における目標回転数の修正を行う修正手段とを備え、
   前記修正手段は、前記プロペラ流入速度が目標制御ポイントよりも低下するとき、前記回転数および前記プロペラ流入速度をパラメータとする効率線図上、前記プロペラ流入速度の変動に応じて、プロペラ効率と主機の燃費効率の積からなる効率の等値線に沿うように前記目標回転数を修正する
   ことを特徴とする舶用エンジン制御システム。
2. 前記プロペラ流入速度が実測さ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システム。
3. 前記プロペラ流入速度が、相関する他の物理量から推定さ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システム。
4. 前記物理量が、船速、波の円周波数、波高を含むことを特徴とする請求項３に記載の舶用エンジン制御システム。
5. 前記物理量が、プロペラ負荷トルクを含むことを特徴とする請求項３に記載の舶用エンジン制御システム。

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