JP6907139B2

JP6907139B2 - 舶用主機関の制御システム

Info

Publication number: JP6907139B2
Application number: JP2018032998A
Authority: JP
Inventors: 尾崎　一博; 一博尾崎; 一孝島田; 渡辺　寛樹; 寛樹渡辺
Original assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019148212A

Description

本発明は、船舶に採用される主機関を制御するシステムに係り、特に、主機関の燃費向上に好適な舶用主機関の出力制御システムに関する。

舶用主機関の運転制御には、種々の方法が提案されてきている。最も一般的に行われている制御としては、例えば特許文献１に開示されているような回転数一定制御による運転である。回転数一定制御は、主機関の回転数としての目標回転数を与え、実際の出力側回転数をフィードバックする事で、目標回転数と実回転数との偏差を小さくするように燃料制御を行うというものである。

このような制御方式について、負荷変動に応じて燃料供給量が変動し、燃費が悪化したり、低出力域において連続運転が困難になる虞があるといった問題が提示され、特許文献２に開示されているようなプロペラトルク一定制御方式が提案されている。プロペラトルク一定制御方式では、主機関の出力側回転速度を検出し、この検出値の波形に位相遅れとなる遅延操作を施し、フィードバック信号として目標回転速度との偏差を求め、この偏差に基づいて目標回転速度に対する調整値を導き、主機関のプロペラトルクが一定となるように、出力側回転速度を変化させるというものである。

特開２０１２−５７５２３号公報特開２０１２−１９３６４１号公報

特許文献２に開示されているようなプロペラトルク一定制御によれば、波浪等に基づく負荷変動による推進効率の低下を防止し、燃費の向上を図ることができる。

しかし、特許文献２に開示されている制御方式では、時々刻々と変化するプロペラトルクを、時間遅れに基づく予測値に起因した偏差に基づいて制御しているため、急激な負荷変動が生じた場合には、対応ができなくなる可能性がある。また、特許文献２に開示されている制御方式では、目標回転速度に変化が無いため、長期的な運航時には、主機関の平均出力が変動するといった問題もある。

そこで本発明では、急激な負荷変動が生じた場合であっても出力の急激な変化を抑制することができ、かつ長期的な運航における主機関の平均出力を安定させることができる舶用主機関の制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る舶用主機関の制御システムは、舶用の主機関における実回転速度と、前記主機関に対する供給燃料量とに基づいて前記主機関の実出力値を算出する主機関出力算出部と、前記主機関の目標出力値と、前記実出力値との偏差に基づいて、前記主機関の目標回転速度に対する補正値を算出する補正値算出部と、前記目標回転速度を前記補正値により補正した補正目標回転速度と、前記実回転速度との偏差に基づいて、前記主機関に対する供給燃料量の調整を行うガバナと、を備えたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する舶用主機関の制御システムにおいて、前記主機関出力算出部は、前記実回転速度と前記供給燃料量に基づいて出力トルクを導き、前記出力トルクと前記実回転速度から前記実出力値を算出するものとすることができる。このような特徴を有する事により、複雑な演算を行う事なく出力トルクを導き出し、かつ実出力を算出することができる。

さらに、上記のような特徴を有する舶用主機関の制御システムにおいて、前記補正値算出部は、前記目標出力値と前記実出力値との偏差に基づくＰＩＤ制御を行い、前記偏差を０に近付けるための前記目標回転速度に対する仮補正値を求め、前記仮補正値を前記補正値の閾値を定めたリミッタに入力し、前記仮補正値が前記閾値の範囲内であった場合には、前記仮補正値を補正値として出力し、前記仮補正値が前記閾値の範囲を超えていた場合には、前記閾値を補正値として出力するものとすると良い。このような特徴を有する事により、目標回転速度に対する補正値が極端に大きな値、あるいは小さな値となり、目標回転数に基づく供給燃料制御を急激に変化させるといった事態を避けることができる。

上記のような特徴を有する舶用主機関の制御システムによれば、実測値に基づくフィードバック制御により、急激な負荷変動が生じた場合であっても出力の急激な変化を抑制することが可能となる。これにより、主機関の燃費の悪化や、過負荷に起因した機械部品の損傷等を防止することができる。

実施形態に係る舶用主機関の制御システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の舶用主機関の制御システムに係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態に係る舶用主機関の制御システム（制御システム１０と称す）は、主機関１８に付帯するものであり、主機関出力算出部１２と、補正値算出部１４、およびガバナ１６を有する。また、主機関１８には、出力側に回転速度検出部２０が備えられ、燃料供給側に燃料量検出部２２が備えられている。回転速度検出部２０は、主機関１８におけるクランク軸（回転軸）の回転速度（以下、実回転速度と称す）を検出する役割を担う要素である。一方、燃料量検出部２２は、主機関１８に供給される燃料の供給量を検出する役割を担う要素である。

回転速度検出部２０による検出値である実回転速度と、燃料量検出部２２による検出値である燃料量は共に、主機関出力算出部１２に入力される。主機関出力算出部１２は、入力値として与えられる実回転速度と、燃料量に基づき、主機関１８の実出力値を算出する役割を担う要素である。実出力値の算出の一例としては、次のようなものであれば良い。

例えば、燃料量とトルクの関係において、燃料量（％）＝トルクＴ（％）の近似式を立て、この近似式に基づき、Ｔ・ｎにより、実出力Ｐ（％）を算出すれば良い（ｎは、実回転数）。

算出された実出力値Ｐは、制御システム１０に与えられる目標出力値Ｐ_０との偏差が求められ、この偏差が補正値算出部１４に入力される。補正値算出部１４は、制御システム１０に与えられる目標回転速度に対する補正値を算出する要素である。補正値算出部１４には、ＰＩＤ制御部１４ａが備えられ、目標出力値Ｐ_０と実出力値Ｐとの偏差に基づくＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を行い、偏差を０に近付けるための目標回転速度に対する補正値（仮補正値）が求められる。

また、本実施形態における補正値算出部１４には、ＰＩＤ制御部１４ａの出力側にリミッタ１４ｂが備えられている。

リミッタ１４ｂは、ＰＩＤ制御部１４ａにより求められた仮補正値が、目標回転速度に対する補正値の範囲に収まるようにフィルタをかける役割を担う要素である。目標回転速度は、詳細を後述するガバナ１６に対する指令値の１つである。補正値が目標回転速度を著しく異ならせる数値である場合、これに基づく制御は、主機関１８の出力を大きく変動させるものとなり、負荷変動による燃費の悪化や、機械部品への負荷増大を招くこととなる。また、荒天時の負荷増大により、回転速度が制限なく低下した場合には、失速して推進力を失う場合もある。このため、補正値を特定の閾値の範囲に定め、仮補正値が、この閾値を超える範囲である場合には、閾値を補正値として出力し、仮補正値が閾値の範囲である場合には、仮補正値を補正値として出力する。このような制御により、主機関１８の出力が安定し、燃費の悪化を防止すると共に、機械部品の損傷を抑制することができる。

補正値算出部１４から出力された補正値は、目標回転速度に対する補正値として働き、補正後の目標回転速度（補正目標回転速度）と、回転速度検出部２０によって検出された実回転速度との偏差が求められ、この偏差がガバナ１６に対する調整値として与えられる。

ガバナ１６は、主機関１８に供給する燃料量を調節する役割を担う要素である。ガバナ１６は、例えば図示しない制御器と調節器とから構成され、制御器に調整値が入力される事により、制御器から調整器へ制御信号が出力され、調整器により燃料量の調整が成される。

このような構成の制御システム１０によれば、目標回転速度に対して、目標出力値と実出力値に基づく補正値が、リミッタ１４ｂにより調整された上で与えられ、この補正値に基づいて制御が成されることとなる。このため、荒天時における波浪や操舵等の影響により負荷に急激な変動が生じた場合であっても、過負荷運転を防止し、燃費の悪化を抑えることができる。

また、追い風や凪などの影響により、負荷が減る場合であっても、出力が所定値以下になる事を防止することができる。これにより、ノッキングや、急激な負荷変動の影響による機械部品の損傷を抑制し、メンテナンスコストの削減を図ることもできる。また、上記実施形態によれば、目標回転速度自体に補正値を与え、これを調整する制御を行っている。このため、長期的な運航においても、主機関１８の平均出力を安定させることが可能となる。

また、主機関１８の出力が安定する事により、これに依存する過給機の効率低下を抑制し、燃費の悪化を抑えることもできる。また、当然に、操縦者による操作負担を軽減することもできる。

１０………制御システム、１２………主機関出力算出部、１４………補正値算出部、１４ａ………ＰＩＤ制御部、１４ｂ………リミッタ、１６………ガバナ、１８………主機関、２０………回転速度検出部、２２………燃料量検出部。

Claims

舶用の主機関における実回転速度と、前記主機関に対する供給燃料量とに基づいて前記主機関の実出力値を算出する主機関出力算出部と、
前記主機関の目標出力値と、前記実出力値との偏差に基づいて、前記主機関の目標回転速度に対する補正値を算出する補正値算出部と、
前記目標回転速度を前記補正値により補正した補正目標回転速度と、前記実回転速度との偏差に基づいて、前記主機関に対する供給燃料量の調整を行うガバナと、を備えたことを特徴とする舶用主機関の制御システム。
前記主機関出力算出部は、前記実回転速度と前記供給燃料量に基づいて出力トルクを導き、前記出力トルクと前記実回転速度から前記実出力値を算出することを特徴とする請求項１に記載の舶用主機関の制御システム。
前記補正値算出部は、前記目標出力値と前記実出力値との偏差に基づくＰＩＤ制御を行い、前記偏差を０に近付けるための前記目標回転速度に対する仮補正値を求め、前記仮補正値を前記補正値の閾値を定めたリミッタに入力し、前記仮補正値が前記閾値の範囲内であった場合には、前記仮補正値を補正値として出力し、前記仮補正値が前記閾値の範囲を超えていた場合には、前記閾値を補正値として出力することを特徴とする請求項１または２に記載の舶用主機関の制御システム。