JP5090957B2 - 舶用機関の制御方法及びその制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、調速装置を備えた舶用機関の制御方法及びそれに使用する制御装置に関する。

舶用機関には、その回転数が操縦者によって設定された目標回転数に調整されるように燃料噴射量などの燃料制御パラメータを制御する調速装置（ガバナ）が設けられている。このガバナとしては、例えば特許文献１に開示されているように舶用機関の実際の回転数と設定回転数とを比較演算して、この比較演算結果に従って燃料ポンプのラック位置を調整するものや、特許文献２に開示されているように実際の回転数と設定回転数との偏差に応じて燃料供給量を調整するものがある。

特開平７−２７９７３８号公報 特開平８−２００１３１号公報

上記の特許文献１、２の技術によれば、比較演算の結果に従って逐次燃料ポンプのラック位置の調整が行われ、実際の回転数と設定回転数との偏差に応じて逐次燃料供給量の調整が行われている。逐次ラック位置の調整や燃料供給量の調整を行うと、舶用機関の回転数は常に一定に制御されるが、燃料が無駄に消費される可能性がある。一方、逐次制御を中止した場合、舶用機関の回転数は変動するが、燃料の消費量を抑えることができる。そこで、回転数を一定に逐次制御する状態と、逐次制御を中止する状態とを適宜に切り換えることが望ましい。

また、逐次制御に代えて、制御に使用するパラメータの作動の速度を落とし、燃料の供給量の変動を少なくする制御を行うことも可能である。しかし、この場合、操縦者が設定した回転数に実際の回転数がなかなか一致せず、操船が難しい。

本発明は、操船性を維持しながら、燃料供給手段への出力値の変更を禁止するかまたは燃料の供給量の変動を小さくするモードに効率よく切り換えて、燃料効率を向上させることができる舶用機関の制御方法及びその制御装置を提供することを目的とする。

本発明による舶用機関の制御方法の一態様は、操縦者によって設定される設定回転数と、舶用機関の実際の回転数である実回転数との差から燃料供給手段への出力値を変更する通常モードと、通常モードに比べて単位時間当たりの変更幅を小さくする燃料セーブモードとを、備えている。燃料供給手段としては、機械制御の場合には燃料ポンプを制御するアクチュエータや、電子制御の場合には電磁弁を使用することができる。所定の条件で前記燃料セーブモードから前記通常モードに切り換えられる。

上記の態様の制御方法において、前記所定の条件を、前記設定回転数が前記操縦者によって変更されたときとすることができる。上記の態様の制御装置では、監視手段は、前記設定回転数が前記操縦者によって変更されたとき、解除指令を生成することができる。

これらのように構成すると、操縦者が設定回転数を変更した場合、通常モードに切り換えられるので、設定回転数に応じた実回転数で舶用機関を回転させることができる。その後、燃料セーブモードに切り換えて、舶の航行を続けると、燃料消費効率を改善することができる。

更に、前記設定回転数の変更量が微調整の範囲のとき、前記燃料セーブモードを維持することもできるし、監視手段が燃料セーブモードを維持することもできる。微調整としては、例えば２ｒｐｍ／秒以下の設定回転数がある。このように構成すると、設定回転数が微調整の範囲の場合、燃料セーブモードが維持されるので、燃料消費効率を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、燃料セーブモードと通常モードとの切換を効率よく行って、燃料消費効率を向上させると共に操船性を維持することができる。

本発明の一実施態様の舶用機関の制御装置は、図２に示すように、舶用機関、例えば舶用内燃機関２を制御するものである。舶用内燃機関２は、例えば多気筒のディーゼルエンジンで、図示していないが、各気筒にそれぞれ燃料噴射弁と燃料供給手段、例えば燃料噴射ポンプとを備えている。燃料噴射弁は、燃料噴射ポンプから供給される燃料の圧力が所定圧力以上のときに、供給された燃料を対応する気筒に供給する。各燃料噴射ポンプは、後述する制御装置、例えばコントローラ４からの出力値に基づく量の燃料を、対応する燃料噴射弁に供給する。舶用内燃機関２は、燃料噴射弁や燃料噴射ポンプを備えたもの以外に、各気筒に電磁弁で燃料供給を制御するもの、例えばコモンレール式や増圧シリンダ式の燃料噴射システムにすることもできる。その他に、各気筒に燃料供給手段、例えば燃料噴射弁としてのインジェクタを備えたものとすることもできる。インジェクタは、その内部に設けた電磁石を励磁または消磁することによって、弁体を移動させて、対応する気筒内に燃料噴射を制御するもので、それぞれコントローラ４の出力値に基づいて制御される。

コントローラ４は、演算手段、例えばマイクロプロセッサ及び記憶手段、例えばＲＯＭ、ＲＡＭを備えている。コントローラ４には、回転数検出器６から、舶用内燃機関２の実際の回転数である実回転数を表す実回転数信号が供給されている。また、コントローラ４には、操縦装置８から舶用内燃機関２の設定回転数を表す設定回転数信号も供給されている。

この実施形態では、コントローラ４は、図２に示すように、設定回転数信号と実回転数信号との偏差を加算手段、例えば加算器１０によって算出し、この偏差が供給されるＰＩＤ制御手段、例えばＰＩＤ制御器１２としても機能する。即ち、供給された偏差に比例ゲイン定数を乗算して比例制御を行い、供給された偏差を積分して、これに積分時間の逆数を乗算して積分制御を行い、供給された偏差を微分して、これに微分時間を乗算して微分制御を行い、これら比例制御、積分制御及び微分制御で得られた各値を加算した値を出力値として出力する。

なお、ＰＩＤ制御器１２には、リミッタ１４が設けられており、算出された出力値がリミッタ１４に設定されているリミッタ上限値を超える場合には、リミッタ上限値を出力するように構成されている。

ＰＩＤ制御器１２は、通常モードと燃料セーブモードとのうち、選択されたモードで動作するように構成されている。

通常モードでは、設定回転数信号が変化した場合にもオフセットが発生することがなく、また速やかに設定回数信号に実回転数信号が一致するように、比例ゲイン定数、積分時間及び微分時間が設定されている。

燃料セーブモードでは、通常モードよりも積分制御の働きの強さが強くなり、微分制御が殆ど働かないように積分時間及び微分時間が設定されている。また比例制御の働きの強さが通常モードの比例制御よりも小さくなるように比例ゲイン定数が設定されている。このように設定することにより、通常モードに比べて単位時間当たりのＰＩＤ制御器１２の出力値の単位時間当たりの変動幅が小さくされている。

燃料セーブモードにおける比例ゲイン定数、積分時間及び微分時間の設定は、これら自体を変更するのではなく、初期値、例えば通常モードの比例ゲイン定数、積分時間及び微分時間に、比例ゲイン定数用倍率、積分時間用倍率及び微分時間用倍率をそれぞれ乗算することによって行われる。従って、通常モードにおける比例ゲイン定数、積分時間及び微分時間自体を把握しなくても、通常モードにおける比例ゲイン定数の何倍、同積分時間の何倍、同微分時間の何倍とするかだけを考えればよいので、設定が容易になる。なお、比例ゲイン定数用倍率、積分時間用倍率及び微分時間用倍率は、それぞれ操縦者が任意に設定することができる。

燃料セーブモードと通常モードとの間の切換については、後述する。

コントローラ４は、ＰＩＤ制御器１２の出力を平均化する、例えばローパスフィルタのようなフィルタ１６としても機能する。このフィルタ１６の出力と、ＰＩＤ制御器１２の出力とのうち一方を選択して、舶用内燃機関２内の燃料噴射ポンプまたはインジェクタへ供給する切換手段、例えば切換スイッチ１８としても、コントローラ４は機能する。切換スイッチ１８は、通常モードではＰＩＤ制御器１２の出力を燃料噴射ポンプまたはインジェクタへ直接に供給しているが、後述するようにコントローラ４が構成する切換制御部１９によって、例えば通常モードから燃料セーブモードに切り換えられたとき、フィルタ１６の出力を燃料噴射ポンプまたはインジェクタへ所定期間または制御プログラムの１ループ間供給する。

上述した通常モードと燃料セーブモードとの間での切換を決定するために、コントローラ４は、監視手段、例えば５つの検出部としても機能する。５つの検出部として、実回転数オーバースピード検出部２０、実回転数レベル検出部２２、設定回転数レベル検出部２４、設定回転数変化量検出部２６、回転数変動量検出部２８が設けられている。

実回転数オーバースピードレベル検出部２０は、実回転数信号を入力し、これが、予め定めたオーバースピードレベル以上であるか否かを判定し、実回転数信号がオーバースピードレベル以上であると、通常モードに切り換えるＯＦＦ信号を出力し、実回転数信号がオーバースピードレベル未満であると、燃料セーブモードに切り換えるＯＮ信号を出力する。オーバースピードレベルは、舶用内燃機関２が過回転していると判定できるレベルに設定されている。従って、燃料セーブモードにおいて舶用内燃機関２が過回転している場合には、通常モードに切換可能であり、通常モードにおいて舶用内燃機関２が過回転していない場合、燃料セーブモードに切換可能である。

実回転数レベル検出部２２は、実回転数信号を入力し、これがナビフル回転数以上であるか否かを判定し、実回転数信号がナビフル回転数以上であると、ＯＦＦ信号を出力し、実回転数信号がナビフル回転数未満であると、ＯＮ信号を出力する。ナビフル回転数は、舶用内燃機関２を外洋で使用している場合の回転数を表している。従って、燃料セーブモードにおいて、実回転数信号がナビフル回転数以上の場合、通常モードに切換可能である。また、通常モードにおいて実回転数信号がナビフル回転数未満であると燃料セーブモードに切換可能である。ナビフル回転数は、船舶の形状や大きさ等から予め算出された外洋航行時の回転数である。その他に湾内を航行時においても海象や外乱なども考慮して安全に航行できる回転数が予め算出されている。

設定回転数レベル検出部２４は、設定回転数信号を入力し、これがナビフル回転数以上であるか否かを判定し、ナビフル回転数以上である場合、ＯＦＦ信号を出力し、ナビフル回転数未満である場合、ＯＮ信号を出力する。従って、燃料セーブモードにおいて設定回転数信号がナビフル回転数以上の場合、通常モードに切換可能である。また、通常モードにおいて設定回転数信号がナビフル回転数未満の場合、燃料セーブモードに切換可能である。

設定回転数変化量検出部２６は、設定回転数信号を入力し、その単位時間、例えば１秒当たりの変化率を算出し、この変化率が予め定めた値、例えば２ｒｐｍ／秒以上であるか否かを判定し、２ｒｐｍ／秒以上の場合、ＯＦＦ信号を出力し、２ｒｐｍ／秒未満の場合、ＯＮ信号を出力する。この予め定めた値は、設定回転数の変化量が微調整の範囲であると見なせる値に設定されている。従って、燃料セーブモードにおいて設定回転数の変化量が微調整の範囲外である場合には、通常モードに切換可能であり、通常モードにおいて設定回転数の変化量が微調整の範囲内である場合には、燃料セーブモードに切換可能である。

回転数変動量検出部２８には、加算器１０からの偏差信号（設定回転数信号と実回転数信号との偏差信号）が入力されている。この偏差信号は、実回転数の設定回転数に対する変動量を表しており、この変動量が予め定めた第１の範囲、例えば±３ｒｐｍの範囲内にある場合に、ＯＮ信号を出力し、この変動量が予め定めた第２の範囲、例えば＋５ｒｐｍ以上であるか−５ｒｐｍ以下の場合にＯＦＦ信号を出力する。従って、燃料セーブモードにおいて、設定回転数信号と実回転数信号との偏差信号である回転数変動量が、５ｒｐｍ以上増加した場合、または−５ｒｐｍ以下に減少した場合、通常モードに切換可能である。また、通常モードにおいて、回転数変動量が±３ｒｐｍの範囲内の変動の場合、燃料セーブモードに切換可能である。

これら各検出部２０、２２、２４、２６、２８の出力信号は、コントローラ４が構成している論理ゲート、例えばアンドゲート３０に供給される。アンドゲート３０は、各検出部２０、２４、２６、２８の出力信号が全てＯＮ信号の場合に、出力を発生する。この出力は、コントローラ４が構成するタイマ３２に供給される。このタイマ３２は、アンドゲート３０の出力が予め定めた時間にわたって継続したときに、出力を発生する。従って、短時間だけ全ての検出部２０、２２、２４、２６、２８がＯＮ信号を出力しても、タイマ３２は出力を発生せず、全ての検出部２０、２２、２４、２６、２８が予め定めた時間にわたってＯＮ信号を発生したときに、タイマ３２は出力を発生する。このタイマ３２の出力が、図１に示す表示器３４に設けられた燃料セーブモード準備完了表示部３６に供給され、これが点灯し、燃料セーブモードが準備完了していることを表示する。

タイマ３２の出力は、コントローラ４が構成した論理ゲート、例えばアンドゲート３８に供給されている。このアンドゲート３８には、操縦装置８に設けた燃料セーブモード選択ボタン４０が閉じられたときに生成される燃料セーブモード選択信号も供給される。アンドゲート３８は、タイマ３４が出力を供給し、かつ燃料セーブモード選択ボタン４０から燃料セーブモード選択信号が供給されているときのみ、出力を発生する。従って、タイマ３２が出力を発生していても、即ち、全ての検出部２０、２２、２４、２６、２８が予め定めた時間にわたってＯＮ信号を発生していても、燃料セーブモード選択信号が供給されていない限り、アンドゲート３８は出力を発生しない。

アンドゲート３８の出力は、ＰＩＤ制御器１２に供給される。ＰＩＤ制御器１２は、アンドゲート３８の出力の供給を受けたことにより、通常モードから燃料セーブモードに切り換えられ、燃料セーブモードでＰＩＤ制御を行う。同時に、アンドゲート３８の出力は、表示器３４に設けられた燃料セーブモード表示器４２に供給され、燃料セーブモードに移行したことを表示する。逆に、アンドゲート３８の出力がＰＩＤ制御器１２に供給されなくなったとき、ＰＩＤ制御器１２は燃料セーブモードから通常モードに切り換えられる。

また、アンドゲート３８の出力は、切換制御部１９に供給され、切換制御部１９は、フィルタ１６の出力を燃料噴射ポンプまたはインジェクタへ供給するように切換スイッチ１８を切り換える。通常モードから燃料セーブモードに切り換えられたことによってＰＩＤ制御器１２の出力値に変動が生じる。なお、切り換えの初期にはフィルタ１６で緩和したものが、燃料噴射ポンプまたはインジェクタへ供給されるから、切り換える時の変動を抑制できる。所定期間経過後に、切換スイッチ１８が切り換えられ、ＰＩＤ制御器１２の出力が、そのまま燃料噴射ポンプまたはインジェクタへ供給される。

このように通常モードにおいて、全ての検出部２０、２２、２４、２６、２８がＯＮ信号を一定時間にわたって出力すると、ＰＩＤ制御器１２は燃料セーブモードに切り換えられ、ＰＩＤ制御器１２は燃料セーブモードで燃料噴射ポンプまたはインジェクタを制御する出力値を出力する。しかし、この燃料セーブモードにおいて、検出部２０、２２、２４、２６、２８のいずれかがＯＦＦ信号を出力すると、ＰＩＤ制御器１２は通常モードに切り換えられ、通常モードでＰＩＤ制御器１２は燃料噴射ポンプまたはインジェクタを制御する出力値を出力する。

従って、実回転数がオーバースピードレベル以上に増加した場合、実回転数がナビフル回転数以上に増加した場合、設定回転数が２ｒｐｍ以上増加した場合、設定回転数がナビフル回転数以上に増加した場合、または回転数の変動量が±５ｒｐｍ以上変化した場合には、今まで燃料セーブモードで制御が行われていても、通常モードに制御が切り換えられるので、安全航行に影響を与えることはないし、操船性が向上する。また、燃料セーブモードの間には、燃料の消費量が抑制される。

また、燃料セーブモードに切り換えられた所定期間、ＰＩＤ制御器１２の出力は、フィルタ１６によって平均化されて出力されているので、燃料噴射ポンプまたはインジェクタに供給される出力値が急激に大きく変動することがない。その結果、舶用機関２の回転数の変動量が大きく変動せず、燃料セーブモードに切り替わって即座に、通常モードに再び切り換えられることを防止できる。

また、ＰＩＤ制御器１２には、リミッタ１４が設けられているので、その出力値は、リミッタ上限値よりも大きくなることはなく、燃料の変化量は異常に大きくなることはなく、過回転を防止できる。燃料セーブモードでは、アクチュエータやインジェクタの操作量が極端に少なくなるので、燃料セーブモードに切り換えられた後、通常モードよりも回転数変動が大きくなる可能性がある。そのため、このリミッタ１４を設けてある。なお、このリミッタ１４は、通常モードでのＰＩＤ制御器１２の出力上限よりも５から１０パーセント低い値とするのが良い。

上記の実施形態では、５つの検出部２０、２２、２４、２６、２８を設けたが、状況に応じて、これら５つの検出部のうち所望の単数または複数のものを使用することもできる。単数の検出部３０を使用する場合には、アンドゲート３０は不要である。また、燃料セーブモード選択ボタン４０を設けて、燃料セーブモード選択信号をアンドゲート３８に供給したが、燃料セーブモード選択ボタン４０、アンドゲート３８を除去して、タイマ３２の出力を、直接にＰＩＤ制御器１２、切換制御部１９、燃料セーブモード表示部４２に供給することもできる。また、タイマ３２、フィルタ４６、切換スイッチ１８、切換制御部１９は、状況に応じて除去することもできる。

本発明の１実施形態の舶用機関の制御装置のブロック図である。 図１のコントローラの詳細なブロック図である。

符号の説明

２ 舶用内燃機関
４ コントローラ
６ 回転数検出器
１２ ＰＩＤ制御器
１４ リミッタ
１６ フィルタ（平均値算出回路）
２０ 実回転数オーバースピードレベル検出部（監視手段）
２２ 実回転数レベル検出部（監視手段）
２４ 設定回転数レベル検出部（監視手段）
２６ 設定回転数変化量検出部（監視手段）
２８ 回転数変動量検出部（監視手段）

Claims (2)

1. 操縦者によって設定される設定回転数と、舶用機関の実際の回転数である実回転数との差から燃料供給手段への出力値を変更する通常モードと、前記通常モードに比べて単位時間当たりの前記出力値の変更幅を小さくする燃料セーブモードとを、備え、所定の条件で前記燃料セーブモードから前記通常モードに切り換える舶用機関の制御方法において、
   前記所定の条件は、前記設定回転数が前記操縦者によって変更されたときであり、
   前記設定回転数の変更量が微調整の範囲のとき、前記燃料セーブモードを維持することを特徴とする舶用機関の制御方法。
2. 請求項１に記載の舶用機関の制御方法に用いられる制御装置であって、
   設定回転数と、実回転数とが、入力され、前記設定回転数と前記実回転数との差から前記舶用機関の燃料供給手段への出力値を算出する通常モードを有する演算手段を、備えた舶用機関の制御装置において、
   前記演算手段は、前記通常モードに比べて単位時間当たりの前記出力値の変更幅を小さくする燃料セーブモードを、有し、前記通常モードと前記燃料セーブモードとに切換可能に構成され、
   前記設定回転数または前記実回転数の変動を監視する監視手段を備え、前記設定回転数または前記実回転数が所定範囲を超えたとき解除指令を発し、
   前記演算手段は、前記解除指令を受けて、前記通常モードに切り換えられ、
   前記監視手段は、前記設定回転数が、操縦者によって変更されたときに、前記解除指令を発信し、
   前記監視手段は、前記設定回転数の変更量が、微調整の範囲のときに、前記燃料セーブモードを維持することを特徴とする舶用機関の制御装置。

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