JP7232532B2 - ENGINE CONTROL METHOD, ENGINE CONTROL PROGRAM AND ENGINE CONTROL DEVICE USING ENGINE STATE OBSERVER - Google Patents
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Description
本発明は、排気弁と燃料調節手段を備えたエンジンを、エンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置に関する。 The present invention relates to an engine control method, an engine control program, and an engine control apparatus for controlling an engine equipped with an exhaust valve and fuel control means using an engine state observer for estimating the engine state from an engine model.
近年、船舶推進プラントに対する環境規制が益々強化され、さらにEEDI(エネルギー効率設計指標)に代表されるCO2削減規制の強化等も行われている。推進プラントにはこれらの規制に対応するための各種対策装置が必要となり、システムが複雑化しているが、推進プラントとして、安全性と省エネ運航の更なる追求の両立が求められる。このため、推進プラントに対する高度な実海域自動適用制御技術が必要となっている。
実海域自動適用制御技術には、推進プラントのシミュレータで仮想プラントを作成し、実際のプラントと比較することで、推進プラントの制御を行うものがある。推進プラントの中核となるのはエンジンであり、エンジンモデルが実エンジンを忠実に代表し、しかもリアルタイムの制御を行えるように計算が簡単なモデルである必要がある。
In recent years, environmental regulations on ship propulsion plants have been strengthened more and more, and CO2 reduction regulations represented by EEDI (Energy Efficiency Design Index) have also been strengthened. Propulsion plants require various countermeasures to comply with these regulations, and the system is becoming more complex. Therefore, there is a need for advanced control technology that automatically adapts to actual sea conditions for propulsion plants.
In the real-sea area automatic application control technology, there is a propulsion plant that controls the propulsion plant by creating a virtual plant using a propulsion plant simulator and comparing it with the actual plant. The heart of the propulsion plant is the engine, and the engine model needs to be a faithful representation of the actual engine, yet easy to compute for real-time control.
エンジン性能で最も重要な状態パラメータは、燃料量とその燃焼に必要な空気量であり、エンジンの効率を上げたり排気に含まれる汚染物質を低減したりするためには、空気過剰率(空燃比)を適正に制御することが必要である。しかし、従来はいずれのパラメータも特に非定常状態において正確に計測することが出来ず、制御に用いることができていない。 The most important state parameters for engine performance are the amount of fuel and the amount of air required for its combustion. ) must be properly controlled. However, none of these parameters can be measured accurately, especially in non-stationary conditions, and cannot be used for control.
また、エンジン性能を最大効率に維持するためには、エンジン状態パラメータを与えられた運転状態で最適値に保つ必要がある。エンジン性能を制御する従来の制御方法は二つあり、一つはオープンループ制御、もう一つはクローズドループ制御である。
オープンループ制御は、制御アクションと状態パラメータの関係を定常状態のマップで予め作成しておき制御に利用する方法である。オープンループ制御は単純であるが、経年劣化等によりエンジン状態が変わった場合はマップを適用できないため、複雑な制御を必要とするエンジン性能の制御には適用できない。
クローズドループ制御は、現在最も使われている。クローズドループ制御は、エンジン状態パラメータ(最も簡単にはエンジン回転数)を計測し、最適設定値との差を最小にする制御である。しかしながら、従来のクローズドループ制御の代表とも言えるPID制御は線形制御であるが、実際のエンジン状態は非線形であり、線形制御を使う方法は最適とは言えない。これを補うためには、オープンループ制御と同様に予めマップを作成しておき、エンジン状態に応じて使う必要があるが、マップを作成するためにはあらゆる運転状態に応じたパラメータを計算しておく必要があるため膨大な時間がかかる。しかも、作成したマップがエンジン固有の非線形をカバーしていると保障できるものではない。さらに、問題を複雑にするものとして計測センサの信頼性があり、劣化に伴う間違った計測や、計測できても多くの雑音を含むことがあり、精度の高い制御ができない。
Also, in order to maintain engine performance at maximum efficiency, it is necessary to keep engine state parameters at optimum values under given operating conditions. There are two conventional control methods for controlling engine performance, one is open loop control and the other is closed loop control.
Open-loop control is a method in which the relationship between control actions and state parameters is created in advance as a steady-state map and used for control. Open-loop control is simple, but it cannot be applied to engine performance control, which requires complicated control, because the map cannot be applied when the engine condition changes due to deterioration over time.
Closed loop control is currently most used. Closed-loop control is control that measures an engine state parameter (most simply, engine speed) and minimizes the difference from the optimum set value. However, although PID control, which can be said to be representative of conventional closed-loop control, is linear control, the actual engine state is nonlinear, and the method using linear control cannot be said to be optimal. In order to compensate for this, it is necessary to create a map in advance and use it according to the engine state, as in open loop control. It takes an enormous amount of time because it is necessary to Moreover, it cannot be guaranteed that the created map covers non-linearity unique to the engine. Further complicating the problem is the reliability of the measurement sensor, which may lead to erroneous measurements due to deterioration, and even if measurements are made, they may contain a lot of noise, making highly accurate control impossible.
ここで、特許文献1には、エンジンのセンサにより取得した温度等のパラメータの値を拡張カルマンフィルタ(EKF)が実装された状態推定器に入力し、入力されたパラメータの値とエンジンの予測モデルを用いて、非計測又は非感知パラメータを推定することによりエンジンの状態を推定し、最適化アルゴリズムを用いて、状態に基づきアクチュエータ向けのコマンドを生成し、そのコマンドをエンジンに送ることによりエンジン性能を最適化する方法が開示されている。
また、特許文献2には、マニホールドに連結されている複数のシリンダと、マニホールドの下流で空燃比を推定する検出器と、拡張カルマンフィルタ(EKF)が実装された推定器とを有し、エンジン回転数及びクランク軸の角度等によって定まる遅延時間と空燃比を推定器に入力し、個別のシリンダの空燃比を推定する方法が開示されている。
また、特許文献3には、エンジンのクランクシャフトのクランク角度を測定し、クランク角速度推定誤差とクランク角度推定誤差を演算し、非線形カルマンフィルタを用いてエンジントルクを推定する方法が開示されている。
また、特許文献4には、外部環境等によって変化する油水温や給気圧力に応じて、燃焼室の所定の密閉期間(排気弁が閉じた後、吸気弁が開弁するまでの燃焼室が密閉された期間)、吸気弁閉時期、密閉期間中燃料噴射量などを補正するバルブタイミング制御装置が開示されている。
Here, in
Further,
Further,
Further, in
しかしながら、エンジン性能で最も重要な状態パラメータである空気過剰率を非定常状態においても正確に推定することでエンジン状態を把握し、推定した空気過剰率に基づいてエンジンの制御を効率的に行う技術はこれまで提案されていない。 However, technology that accurately estimates the excess air ratio, which is the most important state parameter in engine performance, even in unsteady conditions, allows the engine state to be understood, and the engine is efficiently controlled based on the estimated excess air ratio. has never been proposed.
そこで本発明は、エンジンモデルを用いて空気過剰率を推定し、推定した空気過剰率に基づいてエンジンを制御することによりエンジン性能を非定常状態においても最大効率に維持することができる、エンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention estimates an excess air ratio using an engine model, and controls the engine based on the estimated excess air ratio to maintain engine performance at maximum efficiency even in an unsteady state. An object of the present invention is to provide an engine control method, an engine control program, and an engine control device using an observer.
請求項1記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法においては、排気弁と燃料調節手段と過給機を備えた2ストローク式のエンジンをエンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御方法であって、エンジンの回転数、過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及びエンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、燃料ポンプラック値の更新によって状態パラメータがどのように変化するかを表すエンジンモデルである非線形状態空間方程式に対して、状態パラメータのそれぞれの状態初期値を設定し、船舶の実海域の外乱により負荷変動を生ずるプロペラを駆動するエンジンにおけるエンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁の排気弁開度又は動作タイミングをセンサ値として検出してエンジン状態観測器のエンジンモデルに入力し、非線形状態空間方程式で状態パラメータのそれぞれの状態初期値と燃料ポンプラック値を用いて状態パラメータを推定し、推定した状態パラメータを観測して観測パラメータとし、観測パラメータとセンサ値としてのエンジンの回転数とをカルマンフィルターにかけて観測パラメータを補正し、補正した観測パラメータとしてのエンジンの回転数とセンサ値としての燃料ポンプラック値より燃料量を求め、補正した観測パラメータとしての過給機回転数と、掃気圧力と、排気温度と、排気圧力と、空気量との関係式に基づいてエンジンへの空気量を求め、燃料量と、エンジンへの空気量と、センサ値としての排気弁開度又は動作タイミングと、予め取得したエンジンの掃気効率とにより空気過剰率を推定し、エンジン状態観測器で所定の時間ごとに推定した空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、推定した空気過剰率に基づいて空気過剰率を回復するように少なくとも排気弁の排気弁開度を制御するとともに、観測パラメータとしての補正したエンジンの負荷に基づいて計算したゲインを用いて燃料量を調節する制御信号を更新し燃料調節手段を制御することを特徴とする。
請求項1に記載の本発明によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数等に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁の排気弁開度を制御するため、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。ここで、空気過剰率は正確に推定された真の空気過剰率であることが好ましい。真の空気過剰率とは予めエンジンの掃気効率を、実際対象とするエンジンで計測したデータ、数値流体力学(CFD)計算をした結果等に基づき、より詳細に把握して推定したエンジンシリンダ内の空気過剰率をいう。
In the engine control method using the engine state observation device corresponding to
According to the first aspect of the present invention, the accuracy of the estimated excess air ratio is high because the excess air ratio is estimated based on the engine speed and the like that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state. In addition, since the excess air ratio, which is important for understanding the engine state, is estimated and the opening of the exhaust valve is controlled, it becomes easier to maintain engine performance at maximum efficiency. Here, it is preferable that the excess air ratio is an accurately estimated true excess air ratio. The true excess air ratio is the scavenging efficiency of the engine, which is estimated based on a more detailed understanding of the engine's scavenging efficiency, based on data actually measured on the target engine and the results of computational fluid dynamics (CFD) calculations. Excess air ratio.
請求項2記載の本発明は、空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、排気弁開度の制御として閉弁タイミングを早める制御を行い空気過剰率を回復することを特徴とする。
請求項2に記載の本発明によれば、空気過剰率を効果的に回復でき、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
According to the second aspect of the present invention, when the excess air ratio is lower than the reference excess air ratio, the exhaust valve opening is controlled to advance the valve closing timing to recover the excess air ratio. and
According to the second aspect of the present invention, the excess air ratio can be effectively recovered, and the engine performance can be easily maintained at maximum efficiency.
請求項3記載の本発明は、空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、空気過剰率を回復するよう燃料量を調節する燃料調節手段をさらに制御することを特徴とする。
請求項3に記載の本発明によれば、排気弁の排気弁開度に加えて燃料調節手段も制御するため、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
The present invention according to
According to the third aspect of the present invention, since the fuel control means is controlled in addition to the exhaust valve opening degree of the exhaust valve, it becomes easier to maintain the engine performance at the maximum efficiency.
請求項4記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法においては、排気弁と燃料調節手段と過給機を備えた2ストローク式のエンジンをエンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御方法であって、エンジンの回転数、過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及びエンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、燃料ポンプラック値の更新によって状態パラメータがどのように変化するかを表すエンジンモデルである非線形状態空間方程式に対して、状態パラメータのそれぞれの状態初期値を設定し、船舶の実海域の外乱により負荷変動を生ずるプロペラを駆動するエンジンにおけるエンジンの回転数と、燃料調節手段により調節される燃料量と、排気弁の排気弁開度としてのリフト量又は動作タイミングをセンサ値として検出してエンジン状態観測器に入力し、非線形状態空間方程式で状態パラメータのそれぞれの状態初期値とセンサ値としての燃料ポンプラック値を用いて状態パラメータを推定し、推定した状態パラメータを観測して観測パラメータとし、観測パラメータとセンサ値としてのエンジンの回転数とをカルマンフィルターにかけて観測パラメータを補正し、補正した観測パラメータとしての過給機回転数と、掃気圧力と、排気温度と、排気圧力と、空気量との関係式に基づいてエンジンへの空気量を求め、センサ値としての燃料量と、エンジンへの空気量と、センサ値としての排気弁開度又は動作タイミングと、予め取得したエンジンの掃気効率とにより空気過剰率を推定し、エンジン状態観測器で所定の時間ごとに推定した空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、推定した空気過剰率に基づいて空気過剰率を回復するように少なくとも排気弁の排気弁開度を制御するとともに、観測パラメータとしての補正したエンジンの負荷に基づいて計算したゲインを用いて燃料量を調節する制御信号を更新し燃料調節手段を制御することを特徴とする。
請求項4に記載の本発明によれば、空気過剰率の推定精度を高めることができる。
In the engine control method using the engine state observation device corresponding to
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of the excess air ratio.
請求項5記載の本発明は、入力された状態初期値と、時刻kにおいて検出して入力したエンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁の排気弁開度又は動作タイミングを用いて、エンジン状態観測器で、空気過剰率及びエンジンの負荷を推定することを特徴とする。
請求項5に記載の本発明によれば、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。
The present invention according to
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to improve the accuracy of estimating the excess air ratio and the engine load.
請求項6記載の本発明は、空気過剰率の推定結果により排気弁の排気弁開度を制御し、時刻k+1において検出して入力したエンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁の排気弁開度又は動作タイミングを用いて、エンジン状態観測器で空気過剰率及びエンジンの負荷を推定するため、エンジンモデルの時刻k+1の状態パラメータとして補正した観測パラメータをもって更新することを特徴とする。
請求項6に記載の本発明によれば、最新の観測パラメータを用いることで空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。
In the present invention according to
According to the sixth aspect of the present invention, the accuracy of estimating the excess air ratio and the engine load can be improved by using the latest observation parameters.
請求項7記載の本発明は、状態パラメータの推定結果の推定誤差が予め定めた許容範囲から逸脱した場合、特定のエンジンに合うエンジンモデルとしての非線形状態空間方程式のエンジンモデルパラメータを更新し、更新したエンジンモデルパラメータに基づいて状態パラメータの推定を行うことを特徴とする。
請求項7に記載の本発明によれば、特定のエンジンに合わせたエンジンモデルパラメータにより、誤差を小さくして状態パラメータの推定精度を高めることができる。
According to the seventh aspect of the present invention, when the estimation error of the state parameter estimation result deviates from a predetermined allowable range, the engine model parameters of the nonlinear state space equation as the engine model suitable for the specific engine are updated and updated. It is characterized by estimating the state parameters based on the engine model parameters obtained.
According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to reduce the error and improve the accuracy of estimating the state parameters by using the engine model parameters adapted to the specific engine.
請求項8記載の本発明は、エンジン状態観測器における観測パラメータの補正には、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用することを特徴とする。
請求項8に記載の本発明によれば、非線形カルマンフィルターを用いることで、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 8 is characterized in that an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is used for correcting the observation parameters in the engine state observer.
According to the eighth aspect of the present invention, by using the nonlinear Kalman filter, it is possible to improve the accuracy of estimating the excess air ratio and the engine load.
請求項9記載の本発明は、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択することを特徴とする。
請求項9に記載の本発明によれば、エンジンモデルの状態に応じて、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定を的確に行うことができる。
A ninth aspect of the present invention is characterized in that an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is selected based on the state of setting initial state values.
According to the ninth aspect of the present invention, the excess air ratio and the load of the engine can be accurately estimated according to the state of the engine model.
請求項10記載の本発明は、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを予め選択し、エンジン状態観測器に設定することを特徴とする。
請求項10に記載の本発明によれば、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定を迅速に行うことができる。
According to the tenth aspect of the present invention, an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is selected in advance and set in the engine state observer.
According to the tenth aspect of the present invention, the excess air ratio and the engine load can be quickly estimated.
請求項11記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラムは、排気弁と燃料調節手段と過給機を備えた2ストローク式のエンジンをエンジンモデルによりエンジン状態を推定するエンジン状態観測器を用いて制御するエンジン制御プログラムであって、エンジンモデルが、エンジンの回転数、過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及びエンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、燃料ポンプラック値の更新によって状態パラメータがどのように変化するかを表す非線形状態空間方程式であり、コンピュータに、エンジンモデルの状態パラメータのそれぞれの状態初期値として入力された船舶の実海域の外乱により負荷変動を生ずるプロペラを駆動するエンジンにおけるエンジンの回転数、過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及びエンジンの負荷を取得する状態初期値取得ステップと、時刻kにおけるエンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁の排気弁開度又は動作タイミングをセンサ値として取得するセンサ値取得ステップと、状態パラメータのそれぞれの状態初期値と、センサ値としての燃料ポンプラック値を非線形状態空間方程式に適用して、状態パラメータを推定する状態パラメータ推定ステップと、推定した状態パラメータを観測し観測パラメータとする観測ステップと、観測パラメータとセンサ値としてのエンジンの回転数とをカルマンフィルターにかけて観測パラメータを補正する観測パラメータ補正ステップと、補正した観測パラメータとしてのエンジンの回転数と燃料ポンプラック値より燃料量を求める燃料量導出ステップと、補正した観測パラメータとしての過給機回転数と、掃気圧力と、排気温度と、排気圧力と、空気量との関係式に基づいてエンジンへの空気量を求める空気量導出ステップと、燃料量と、エンジンへの空気量と、センサ値としての排気弁開度又は動作タイミングと、予め取得したエンジンの掃気効率とにより空気過剰率を推定する空気過剰率状態推定ステップと、時刻k+1において取得したセンサ値としての燃料ポンプラック値を非線形空間状態方程式に入力し、空気過剰率推定ステップの空気過剰率を所定の時間ごとに推定するため、補正した観測パラメータを時刻k+1における非線形状態空間方程式の状態パラメータとして更新するパラメータ更新ステップと、空気過剰率の推定結果に基づいて推定した空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、推定した空気過剰率に基づいて空気過剰率を回復するように少なくとも排気弁の排気弁開度を制御するとともに、観測パラメータとしての補正したエンジンの負荷に基づいて計算したゲインを用いて燃料量を調節する制御信号を更新し燃料調節手段を制御する制御ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項11に記載の本発明によれば、状態初期値と、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数等に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁の排気弁開度を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
An engine control program using an engine state observer corresponding to claim 11 is an engine state observer for estimating an engine state of a two-stroke engine having an exhaust valve, fuel control means, and a supercharger using an engine model. wherein the engine model consists of engine speed, supercharger speed of supercharger, scavenging pressure, exhaust temperature, exhaust pressure, and engine load; A non-linear state-space equation combining a non-linear function of engine dynamics, an engine model parameter, and a fuel pump rack value of a fuel regulator that describes how the state parameters change with an update of the fuel pump rack value. , engine speed, supercharger speed, scavenging air pressure in the engine that drives the propeller that causes load fluctuations due to disturbances in the actual sea area of the ship, which are input to the computer as the initial state values of the state parameters of the engine model; A state initial value acquisition step for acquiring the exhaust temperature, exhaust pressure, and engine load, and acquiring the engine speed at time k, the fuel pump rack value, and the exhaust valve opening or operation timing of the exhaust valve as sensor values. a sensor value acquisition step for estimating state parameters by applying the state initial values of the state parameters and the fuel pump rack value as the sensor value to the nonlinear state space equation; a state parameter estimation step for estimating the state parameters; Observation step that observes and uses as an observation parameter, an observation parameter correction step that corrects the observation parameter by applying the observation parameter and the engine speed as a sensor value to the Kalman filter, and an engine speed and fuel as the corrected observation parameter A fuel amount derivation step that obtains the fuel amount from the pump rack value, and the turbocharger rotation speed as corrected observation parameters, scavenging pressure, exhaust temperature, exhaust pressure, and air amount to the engine based on the relational expression An air amount derivation step for obtaining the air amount of , a fuel amount, an air amount to the engine, an exhaust valve opening or operation timing as a sensor value, and an engine scavenging efficiency obtained in advance to estimate an excess air ratio. To estimate the excess air ratio in the excess air ratio estimation step at predetermined time intervals by inputting the excess air ratio state estimation step and the fuel pump rack value as the sensor value obtained at time k+1 into the nonlinear spatial state equation. , the corrected observation parameters at time k+1 A parameter update step for updating the state parameters of the nonlinear state-space equation, and when the excess air ratio estimated based on the estimation result of the excess air ratio falls below the reference excess air ratio , the estimated excess air ratio is changed to Controls at least the opening of the exhaust valve so as to recover the excess air ratio based on the data, and updates the control signal that adjusts the fuel amount using the gain calculated based on the corrected engine load as the observed parameter and a control step of controlling the fuel adjusting means.
According to the eleventh aspect of the present invention, since the excess air ratio is estimated based on the initial state value and the engine speed that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state, the accuracy of the estimated excess air ratio is is high. In addition, since the excess air ratio, which is important for understanding the engine state, is estimated to control the opening of the exhaust valve, it becomes easier to maintain engine performance at maximum efficiency even in an unsteady state.
請求項12記載の本発明は、状態パラメータ推定ステップにおける状態パラメータの推定結果の推定誤差が予め定めた許容範囲から逸脱した場合にエンジンモデルパラメータを更新するエンジンモデルパラメータ更新ステップをさらに備え、更新したエンジンモデルパラメータに基づいて状態パラメータの推定を行うことを特徴とする。
請求項12に記載の本発明によれば、特定のエンジンに合わせたエンジンモデルパラメータにより、誤差を小さくして状態パラメータの推定精度を高めることができる。
The present invention according to claim 12 further comprises an engine model parameter update step for updating the engine model parameter when the estimation error of the state parameter estimation result in the state parameter estimation step deviates from a predetermined allowable range. It is characterized by estimating state parameters based on engine model parameters.
According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to reduce the error and improve the accuracy of estimating the state parameters by using the engine model parameters adapted to the specific engine.
請求項13記載の本発明は、観測パラメータ補正ステップにおいて、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用することを特徴とする。
請求項13に記載の本発明によれば、非線形カルマンフィルターを用いることで、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter is used in the observation parameter correcting step.
According to the thirteenth aspect of the present invention, by using the nonlinear Kalman filter, it is possible to improve the accuracy of estimating the excess air ratio and the engine load.
請求項14記載の本発明は、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択する選択ステップをさらに備えたことを特徴とする。
請求項14に記載の本発明によれば、エンジンモデルの状態に応じて、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定を的確に行うことができる。
According to a fourteenth aspect of the present invention, the method further comprises a selection step of selecting either the extended Kalman filter or the unscented Kalman filter based on the state of setting the initial state value.
According to the fourteenth aspect of the present invention, it is possible to accurately estimate the excess air ratio and the load of the engine according to the state of the engine model.
請求項15記載に対応したエンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置は、エンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラムを利用して排気弁と燃料調節手段と過給機を備えた2ストローク式のエンジンを制御するエンジン制御装置であって、エンジン状態観測器を含むコンピュータと、エンジンの回転数、過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及びエンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、燃料ポンプラック値の更新によって状態パラメータがどのように変化するかを表すエンジンモデルの状態パラメータのそれぞれの状態初期値を入力する入力手段と、エンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁開度をセンサ値として取得するセンサ値取得手段と、少なくとも排気弁の排気弁開度を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項15に記載の本発明によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁の排気弁開度を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
An engine control device using an engine state observer corresponding to claim 15 is a two-stroke engine equipped with an exhaust valve, fuel control means, and a supercharger using an engine control program using the engine state observer. An engine control device for controlling an engine , comprising a computer including an engine state monitor, engine speed, supercharger speed of a supercharger, scavenging pressure, exhaust temperature, exhaust pressure, and engine load. An engine model that combines state parameters, a non-linear function of engine dynamics, an engine model parameter, and a fuel pump rack value of the fuel regulator representing how the state parameters change with updates to the fuel pump rack values. input means for inputting initial state values of the state parameters; sensor value acquisition means for acquiring engine speed, fuel pump rack value, and exhaust valve opening as sensor values; and at least the exhaust valve of the exhaust valve and control means for controlling the degree of opening.
According to the fifteenth aspect of the present invention, the accuracy of the estimated excess air ratio is high because the excess air ratio is estimated based on the engine speed that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state. In addition, since the excess air ratio, which is important for understanding the engine state, is estimated to control the opening of the exhaust valve, it becomes easier to maintain engine performance at maximum efficiency even in an unsteady state.
本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数等に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁の排気弁開度を制御するため、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 According to the engine control method using the engine state observer of the present invention, since the excess air ratio is estimated based on the engine speed etc. that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state, the accuracy of the estimated excess air ratio is high. In addition, since the excess air ratio, which is important for understanding the engine state, is estimated and the opening of the exhaust valve is controlled, it becomes easier to maintain engine performance at maximum efficiency.
また、空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、排気弁開度の制御として閉弁タイミングを早める制御を行い空気過剰率を回復する場合には、空気過剰率を効果的に回復でき、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 In addition, when the excess air ratio falls below the reference excess air ratio, control is performed to advance the valve closing timing as control of the opening of the exhaust valve to recover the excess air ratio. can be restored to normal, and it is easier to maintain engine performance at maximum efficiency.
また、空気過剰率が基準とする空気過剰率よりも下がった場合に、空気過剰率を回復するよう燃料量を調節する燃料調節手段をさらに制御する場合には、排気弁の排気弁開度に加えて燃料調節手段も制御するため、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, when the excess air ratio falls below the reference excess air ratio, when further controlling the fuel control means for adjusting the fuel amount so as to recover the excess air ratio, the exhaust valve opening degree of the exhaust valve In addition, it also controls the fuel adjustment means, further helping to maintain engine performance at maximum efficiency.
また、本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法によれば、燃料調節手段により調節される燃料量と、排気弁の排気弁開度としてのリフト量又は動作タイミングをセンサ値として検出してエンジン状態観測器に入力し、空気過剰率を推定するため、空気過剰率の推定精度を高めることができる。 Further, according to the engine control method using the engine state monitor of the present invention, the fuel amount adjusted by the fuel adjustment means and the lift amount or operation timing as the exhaust valve opening degree of the exhaust valve are detected as sensor values. Since the excess air ratio is estimated by inputting it to the engine state observer, the accuracy of estimating the excess air ratio can be improved.
また、入力された状態初期値と、時刻kにおいて検出して入力したエンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁の排気弁開度又は動作タイミングを用いて、エンジン状態観測器で、空気過剰率及びエンジンの負荷を推定する場合には、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。 Also, using the input initial state value, the engine speed detected and input at time k, the fuel pump rack value, and the exhaust valve opening or operation timing of the exhaust valve, the engine state observer When estimating the excess air ratio and the engine load, the estimation accuracy of the excess air ratio and the engine load can be improved.
また、空気過剰率の推定結果により排気弁の排気弁開度を制御し、時刻k+1において検出して入力したエンジンの回転数と、燃料ポンプラック値と、排気弁の排気弁開度又は動作タイミングを用いて、エンジン状態観測器で空気過剰率及びエンジンの負荷を推定するため、エンジンモデルの時刻k+1の状態パラメータとして補正した観測パラメータをもって更新する場合には、最新の観測パラメータを用いることで空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。
In addition, the exhaust valve opening of the exhaust valve is controlled by the estimation result of the excess air ratio, and the engine speed detected and input at
また、状態パラメータの推定結果の推定誤差が予め定めた許容範囲から逸脱した場合、特定のエンジンに合うエンジンモデルとしての非線形状態空間方程式のエンジンモデルパラメータを更新し、更新したエンジンモデルパラメータに基づいて状態パラメータの推定を行う場合には、特定のエンジンに合わせたエンジンモデルパラメータにより、誤差を小さくして状態パラメータの推定精度を高めることができる。 In addition, when the estimation error of the state parameter estimation result deviates from the predetermined allowable range, the engine model parameters of the nonlinear state space equation as an engine model suitable for the specific engine are updated, and based on the updated engine model parameters When estimating the state parameters, it is possible to reduce errors and improve the accuracy of estimating the state parameters by using engine model parameters adapted to a specific engine.
また、エンジン状態観測器における観測パラメータの補正には、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用する場合には、非線形カルマンフィルターを用いることで、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。 In addition, when using an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter to correct the observation parameters in the engine state monitor, a non-linear Kalman filter should be used to improve the accuracy of estimating the excess air ratio and engine load. can be done.
また、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択する場合には、エンジンモデルの状態に応じて、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定を的確に行うことができる。 Further, when the extended Kalman filter or the unscented Kalman filter is selected based on the setting state of the initial state value, the excess air ratio and the engine load can be accurately estimated according to the state of the engine model. .
また、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを予め選択し、エンジン状態観測器に設定する場合には、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定を迅速に行うことができる。 Further, when the extended Kalman filter or the unscented Kalman filter is selected in advance and set in the engine state observer, the excess air ratio and the load of the engine can be quickly estimated.
また、本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラムによれば、状態初期値と、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁の排気弁開度を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, according to the engine control program using the engine state observer of the present invention, the excess air ratio is estimated based on the initial state value and the engine speed that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state. The accuracy of the excess air ratio is high. In addition, since the excess air ratio, which is important for understanding the engine state, is estimated to control the opening of the exhaust valve, it becomes easier to maintain engine performance at maximum efficiency even in an unsteady state.
また、状態パラメータ推定ステップにおける状態パラメータの推定結果の推定誤差が予め定めた許容範囲から逸脱した場合にエンジンモデルパラメータを更新するエンジンモデルパラメータ更新ステップをさらに備え、更新したエンジンモデルパラメータに基づいて状態パラメータの推定を行う場合には、特定のエンジンに合わせたエンジンモデルパラメータにより、誤差を小さくして状態パラメータの推定精度を高めることができる。 The engine model parameter update step of updating the engine model parameter when the estimation error of the state parameter estimation result in the state parameter estimation step deviates from a predetermined allowable range, wherein the state parameter is updated based on the updated engine model parameter. When estimating parameters, it is possible to reduce errors and improve the accuracy of estimating state parameters by using engine model parameters adapted to a specific engine.
また、観測パラメータ補正ステップにおいて、拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを使用する場合には、非線形カルマンフィルターを用いることで、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定精度を高めることができる。 Further, in the observation parameter correction step, when using an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter, using a non-linear Kalman filter can improve the accuracy of estimating the excess air ratio and the engine load.
また、状態初期値の設定状況に基づいて拡張カルマンフィルター又はアンセンテッドカルマンフィルターを選択する選択ステップをさらに備えた場合には、エンジンモデルの状態に応じて、空気過剰率及びエンジンの負荷の推定を的確に行うことができる。 In addition, when further comprising a selection step of selecting an extended Kalman filter or an unscented Kalman filter based on the setting state of the state initial value, the excess air ratio and the load of the engine are estimated according to the state of the engine model. can be done accurately.
また、本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置によれば、非定常状態においても確実かつ正確に計測できるエンジン回転数に基づいて空気過剰率を推定するため、推定した空気過剰率の精度が高い。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率を推定して排気弁の排気弁開度を制御するため、非定常状態においても、エンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。 Further, according to the engine control device using the engine state observer of the present invention, since the excess air ratio is estimated based on the engine speed that can be reliably and accurately measured even in an unsteady state, the estimated excess air ratio is High accuracy. In addition, since the excess air ratio, which is important for understanding the engine state, is estimated to control the opening of the exhaust valve, it becomes easier to maintain engine performance at maximum efficiency even in an unsteady state.
以下に、本発明の実施形態によるエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置について説明する。 An engine control method, an engine control program, and an engine control device using an engine state observer according to embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本実施形態によるエンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置の概念図である。
エンジン制御装置10は、波や風の状態といった実海域を代表する外乱(Actual Sea Condition)を考慮したプロペラモデル、及びエンジンモデルの各モジュールを組み込んだ推進プラントのシミュレータであり、いわゆる仮想プラント(Virtual Plant)を作成し、実際のプラント(Real Plant)と比較検討し、オフラインあるいはオンラインでエンジンモデルパラメータを修正し、シミュレータの精度を上げ、エンジンに対しきめ細かい制御を行う。
エンジン制御装置10は、エンジン状態観測器15を用いたエンジン制御プログラムを利用して、排気弁と燃料調節手段とを備えたエンジンを制御する。エンジンは、船舶に搭載されており、負荷として船舶を推進するプロペラを駆動するものである。
エンジン制御装置10は、エンジン状態観測器15を含むコンピュータ11と、エンジンの回転数を含む状態初期値を設定する入力手段12と、エンジンの回転数、燃料調節手段による燃料調節量、排気弁のリフト量、及び排気弁の動作タイミングを取得するセンサ値取得手段13と、排気弁及び燃料調節手段(燃料ポンプラック)を制御する制御出力手段14とを備える。入力手段12は、制御盤、マウス、キーボード又はタッチパネル等である。なお、排気弁については、閉弁、開弁のタイミング、弁リフト量を単独又は組み合わせてセンサ値取得手段13で取得できる。
FIG. 1 is a conceptual diagram of an engine control system using an engine state observer according to this embodiment.
The
The
The
図2は本実施形態によるエンジン状態観測器を用いた制御の概念図である。
エンジン制御装置10は、プロペラ2を駆動するエンジン1の回転数neを検出器等のセンサ値取得手段13で取得し、エンジン状態観測器15に入力する。エンジン状態観測器15は、入力された回転数neを用いてエンジンモデルによりエンジン状態として空気過剰率λとエンジンの負荷qpを推定する。そして、エンジン制御装置10は、最適なゲインを計算し、排気弁開度EVC(閉弁タイミング)と燃料ポンプラックhpの制御更新信号を送出する。エンジン制御装置10は、送出された信号に基づき、制御出力手段14によって排気弁開度EVC及び燃料ポンプラックhpを調節する。なお、排気弁開度EVCの調節は、排気弁の閉弁タイミングの他、開弁タイミング、弁リフト量やこれらを組み合わせたものであってもよい。また、燃料調節手段の調節は、燃料ポンプラックhpの他、燃料ポンプのタイミング、電子ガバナー、燃料調節機構等であってもよい。
ここで空気過剰率λの推定に当っては、予め実験やCFDシミュレーション等により、求めたエンジン1の掃気効率を利用する。特に、2ストロークエンジンの掃気過程において、供給された全給気のうち一部分はシリンダを素通りし、残りの給気は掃気が終わった後もシリンダ内に残る。このときシリンダ内には前サイクルの燃焼ガスなどからなる残留排気が存在するので、掃気後のシリンダ内全ガス量は残留給気と残留排気を加えたものになる。掃気完了後の残留給気の質量とシリンダ内全ガス量との質量の割合を掃気効率といい、掃気作用の良否を示す値である。掃気効率はシリンダ内の給気濃度を表し、エンジン出力に直結する値であるが、エンジン1の掃気方式によりその到達レベルが異なる。このため、エンジン1の正しい掃気効率を把握しておかないと真の空気過剰率λは導出できなく、空気過剰率λに基づいてエンジン性能を真に最大効率に維持することもできない。
このように、少なくともエンジン1の回転数neを検出してエンジン状態観測器15に入力し、エンジン状態観測器15でエンジン状態として掃気効率に基づいた真の空気過剰率λとエンジンの負荷qpを推定し、推定した真の空気過剰率λに基づいて制御対象として排気弁及び燃料調節手段を制御する。確実かつ正確に計測できるエンジン1の回転数neに基づいて、また掃気効率に基づいて空気過剰率λを推定するため、推定に用いるパラメータ数を少なくしつつ、空気過剰率λを精度よく推定できる。また、エンジン状態を把握する上で重要な空気過剰率λを推定して排気弁及び燃料調節手段を制御するため、船舶に搭載されたエンジン1の性能を最大効率に維持して運用しやすくなる。
なお、排気弁のリフト量(開度)又は動作タイミングの少なくとも一方と、燃料調節手段による燃料調節量とをセンサ値取得手段13で取得して、エンジン状態観測器15に入力し、空気過剰率λを含むエンジン状態の推定に利用することで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。
また、エンジン状態観測器15が、プロペラモデルによりプロペラ2の状態も考慮してエンジン状態を推定することで、エンジン状態の推定精度をさらに高めることができる。
FIG. 2 is a conceptual diagram of control using the engine state observer according to this embodiment.
The
Here, in estimating the excess air ratio λ, the scavenging efficiency of the
In this way, at least the rotational speed ne of the
At least one of the lift amount (opening degree) or operation timing of the exhaust valve and the fuel adjustment amount by the fuel adjustment means are acquired by the sensor value acquisition means 13, input to the
In addition, the
図3は、エンジン、制御部及び負荷の構成及び関係を示す構成図である。
エンジン1は、2ストロークのジーゼルエンジンを想定しており、エンジン本体3、過給機4、給気管、インタークーラー5、掃気レシーバ20、排気弁6、排気レシーバ7、排気管、燃料調節手段16(燃料ポンプ16a、電子ガバナー16b、燃料調節機構16c)及びコントローラ17(排気弁タイミング変更機構17a,排気弁駆動ポンプ17b)を含んで構成される。
FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration and relationship of the engine, control unit, and load.
The
エンジン本体3は、シリンダ3a、ピストン3b、クランク3c等を含んで構成される。エンジン本体3では、シリンダ3a内におけるピストン3bの往復運動に応じてシリンダ3aに対する空気の給気及び掃気が行われる。また、シリンダ3a内には、燃料調節手段16によって燃料が供給され、燃料と空気の混合気に点火及び燃焼・爆発が行われ、そのエネルギーがピストン3bを駆動させる。ピストン3bへ与えられた駆動力は、クランク3cを介して負荷へ伝達される。本実施形態における主たる負荷は、船舶推進用のプロペラ2であり、波風による外乱や船速の変化によりプロペラ2の負荷変動を生じ、エンジン1の非定常状態が発生する。
The
過給機4は、圧縮機C及びタービンTを含んで構成される。過給機4では、エンジン本体3からの排気ガスのエネルギー(温度及び圧力)を利用してタービンTを高速回転させ、その回転力によって圧縮機Cを駆動することによって圧縮した空気をエンジン本体3のシリンダ3a内へ供給する。すなわち、過給機4は、圧縮した空気をエンジン本体3に送り込み、エンジン1の本来の給気量を超える混合気を吸入・爆発させることで見かけの排気量を超える出力を与える。
The
過給機4において圧縮された空気は、ディフューザ等を介して給気管に送り込まれる。給気管には、インタークーラー5が設けられる。インタークーラー5は、圧縮空気を中間冷却する。インタークーラー5を通った圧縮空気は掃気レシーバ20に送り込まれて貯められる。掃気レシーバ20に貯められた圧縮空気は、エンジン本体3のピストン3bが下死点付近にあるときに開状態となる掃気ポートからエンジン本体3のシリンダ3a内に送り込まれる。燃料調節手段16は、燃料ポンプ16a、電子ガバナー16b及び燃料調節機構16cを含んで構成される。電子ガバナー16bは、クランク3cの回転数を示す回転数信号Neを受けて、燃料ポンプ16aの駆動タイミングを制御する。燃料ポンプ16aは、電子ガバナー16bの制御により所望のタイミングで燃料をシリンダ3a内に噴射させる。エンジン本体3のシリンダ3a内には、燃料調節手段16から燃料が供給されて混合気となり、ピストン3bにより圧縮されて混合気が燃焼させられる。燃焼によりピストン3bに駆動力が与えられる。
Air compressed in the
エンジン本体3での燃焼により発生した排気ガスは、排気弁6が開状態となると共に掃気レシーバ20に貯められた圧縮空気によって掃気されて排気レシーバ7に送り込まれる。排気レシーバ7に貯められた排気ガスは、過給機4のタービンTに導かれて回転力を与えた後に排気される。
Exhaust gas generated by combustion in the
本実施形態では、排気弁6を閉状態から開状態にする開弁タイミング及び開状態から閉状態にする閉弁タイミングは制御部18によって制御される。具体的には、制御部18が排気弁タイミング制御装置として機能し、排気弁タイミング変更機構17aを制御することによって排気弁6の作動タイミング及び開度(リフト量)が制御される。排気弁タイミング変更機構17aは、排気弁駆動ポンプ17bにより発生した油圧を利用して、排気弁6を押す油圧アクチュエータに設けられた電磁式のリリーフバルブにより排気弁6を開く圧力を調整して排気弁6を制御する。排気弁6の制御については後述する。なお、排気弁6の制御は、作動タイミングのみでもよく、開度(リフト量)のみでもよく、これらを組み合わせてもよいが、作動タイミングのみの制御が排気弁タイミング変更機構17aの構成が簡略化できるため好ましい。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、掃気レシーバ20に掃気バイパス管19が接続される。掃気バイパス管19には流量センサ19aと取出弁19bが設けられる。取出弁19bを開状態にすることによって、掃気レシーバ20に送り込まれた圧縮空気の一部が空気潤滑用の供給管(図示せず)へ送り込まれる。一方、取出弁19bを閉状態とすることによって、掃気レシーバ20に送り込まれた圧縮空気は供給管に送り込まれない状態となる。取出弁19bの開度は、流量センサ19aの信号も利用し、制御部18によって制御される。
Further, in the present embodiment, a scavenging
図4は、排気弁の制御系の機能ブロック図を示す。本実施形態における船舶は、過給機4の近傍から加圧空気(掃気)を取り出して船体周囲に気泡を噴出させることによって空気潤滑を行い船舶の摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減装置を搭載している。この空気潤滑を行う際に掃気を取り出した場合も、非定常状態に該当する。
エンジン状態観測器15は、センサ値取得手段13である回転数センサ13a、燃料調節量センサ13b及び排気弁センサ13cからそれぞれエンジン1の回転数ne、燃料ポンプラックhp及び排気弁開度EVCの情報を取得する。回転数センサ13aはエンジン本体3に設けられ、燃料調節量センサ13bは燃料調節手段16に設けられ、排気弁センサ13cは排気弁6又は排気弁タイミング変更機構17aに設けられている。そして、回転数センサ13aによりエンジン1の回転数neを検出し、燃料調節量センサ13bにより燃料ポンプラックhpを検出し、排気弁センサ13cにより排気弁開度EVCを検出する。
エンジン状態観測器15は、入力されたエンジン1の回転数ne、燃料ポンプラックhp及び排気弁開度EVCを用いてエンジンモデルによりエンジン状態として空気過剰率λとエンジン1の負荷qpを推定し、最適なゲインを計算し、排気弁開度EVCと燃料ポンプラックhpの制御更新信号を制御出力手段14へ送出する。
制御出力手段14は、制御部(排気弁タイミング制御装置)18に対して排気弁開度EVCの制御設定信号を送出する。排気弁開度EVCの制御設定信号を受信した制御部(排気弁タイミング制御装置)18は、排気弁6を開閉させるタイミング及び開度(リフト量)を制御する。具体的には、排気弁タイミング変更機構17aにより排気弁6の作動タイミング及び開度(リフト量)が調整される。排気弁タイミング変更機構17aは、制御部(排気弁タイミング制御装置)18からの制御信号に応じて排気弁6を押す油圧アクチュエータに設けられた電磁式のリリーフバルブを制御し、それにより排気弁6を開く圧力を調整して排気弁6の作動タイミング及び開度(リフト量)を調整する。
また、制御出力手段14は、燃料調節手段16に対して燃料ポンプラックhpの制御設定信号を送出する。燃料ポンプラックhpの制御設定信号を受信した燃料調節手段16は、制御設定信号に応じて燃料量を調節する。
FIG. 4 shows a functional block diagram of the exhaust valve control system. The ship in this embodiment is equipped with a frictional resistance reduction device that extracts pressurized air (scavenging air) from the vicinity of the
The
The
The control output means 14 sends a control setting signal for the exhaust valve opening degree EVC to the control section (exhaust valve timing control device) 18 . The control unit (exhaust valve timing control device) 18 that receives the control setting signal for the exhaust valve opening degree EVC controls the timing and opening degree (lift amount) of opening and closing the
The control output means 14 also sends a control setting signal for the fuel pump rack hp to the fuel adjustment means 16 . Upon receiving the control setting signal for the fuel pump rack hp , the fuel adjusting means 16 adjusts the amount of fuel according to the control setting signal.
本実施形態では、非定常状態として空気潤滑のための取出空気の取り出し状態に応じて少なくとも排気弁6の制御が行われる。空気潤滑のために必要な気泡として生成される空気の噴出量に関連して、掃気の取出空気の量が変更される。すなわち、掃気バイパス管19から取出弁19b介して取り出される取出空気(掃気)の量が制御される。
In this embodiment, at least the
なお、取出空気の取り出し割合は、取出弁19bにより制御される。ここで、図4に示した、掃気バイパス管19に設けられた流量センサ19aにより掃気からの取出空気の取り出し量を検出し、エンジン1の回転数neからエンジン1への空気量を算出し、取出空気の取り出し割合を求めることができる。なお、流量センサ19aを用いる代わりに取出弁19bの開度(変位)に基づいて取出空気の取り出し量を求めてもよい。
The take-out ratio of the taken-out air is controlled by the take-out
なお、取り出し割合とは、例えば過給機4から供給される加圧空気(掃気)と取出空気との量の比をいう。この際、量は質量流量であることが好ましく、他の比のとり方であってもエンジン本体3に供給される掃気の量が確保される比であることが好ましい。実際の制御に当たっては、エンジン本体3に供給される掃気の量は、直接、流量を計測してもよいし、掃気圧等で代用してもよい。
In addition, the take-out ratio refers to the ratio of the amount of pressurized air (scavenging air) supplied from the
一方、取出空気の取り出し割合に応じてエンジン1における掃気圧が低下し、エンジン1の性能が低下する。また、排気ガス中の有害物質の量が増加するおそれがある。そこで、制御部18では、取出空気の量に応じてエンジン1の排気弁6をまず制御する。具体的には、制御部18は、取出空気に応じて排気弁6の閉弁タイミングを制御する。これにより、制御部18は、タイミング制御手段として機能する。
エンジン状態観測器15は、エンジン1の回転数ne、燃料ポンプラックhp及び排気弁開度EVCを用いてエンジンモデルによりエンジン状態として空気過剰率λとエンジン1の負荷qpを推定し、空気取り出しに合った最適なゲインを計算し、排気弁開度EVCと燃料ポンプラックhpの制御設定信号を制御出力手段14へ送出する。
先に制御した排気弁6の閉弁タイミングは、エンジン状態観測器15の制御設定信号である排気弁開度EVCとしての閉弁タイミングと差がある場合は、制御設定信号に従って修正される。
なお、上記の例では空気潤滑用の加圧空気として掃気を取り出す例を示したが、加圧空気として過給機4とインタークーラー5の間から給気を取り出して利用したり、排気レシーバ7から排気を取り出して利用してもよい。また、掃気、給気、排気を組み合わせて取り出して利用することも可能である。
On the other hand, the scavenging pressure in the
The
The previously controlled closing timing of the
In the above example, scavenging air is taken out as pressurized air for air lubrication. The exhaust may be taken out and used. It is also possible to take out and use a combination of scavenging, supplying and exhausting air.
図5は、排気弁開度と空気過剰率との関係を示す図である。図5(a)は、当初の排気弁開度(EVC_0)、第1の排気弁開度(EVC_1)、及び第2の排気弁開度(EVC_2)の閉弁タイミングを示している。
空気過剰率λは、実海域の波や風の状況が悪い非定常時や、過給機の性能劣化、また上記した掃気の取り出し状態等により低下するが、排気弁開度EVCが当初の状態(EVC_0)のままでは元の最適な空気過剰率λの値を回復できない。このため、図5(b)に示すように、エンジン制御装置10は、エンジン状態観測器15が推定した空気過剰率λに応じて、排気弁開度EVCを第1の排気弁開度(EVC_1)、又は第2の排気弁開度(EVC_2)に変え、元の最適な空気過剰率λの値を回復するように制御する。これにより、エンジン性能を最大効率に維持することができる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the opening degree of the exhaust valve and the excess air ratio. FIG. 5(a) shows valve closing timings of the initial exhaust valve opening (EVC_0), the first exhaust valve opening (EVC_1), and the second exhaust valve opening (EVC_2).
The excess air ratio λ decreases due to unsteady times when the wave and wind conditions in the actual sea area are bad, the performance deterioration of the turbocharger, and the above-mentioned scavenging air extraction state, etc., but the exhaust valve opening EVC is the initial state. With (EVC_0) as it is, the original optimal excess air ratio λ cannot be restored. Therefore, as shown in FIG. 5B, the
次に、図6から図8を用いて、エンジン制御プログラムにおけるエンジン状態の推定方法について説明する。
本実施形態において、エンジン状態観測器15におけるエンジン状態の推定には、拡張カルマンフィルター(EKF)、又はアンセンテッドカルマンフィルター(UKF)を使用する。
Next, a method for estimating the engine state in the engine control program will be described with reference to FIGS. 6 to 8. FIG.
In this embodiment, an extended Kalman filter (EKF) or an unscented Kalman filter (UKF) is used for estimating the engine state in the
下式(1)は、エンジン状態パラメータと空気過剰率λの非線形な関係式である。
また、下式(2)は、エンジン動的モデルの非線形状態空間方程式を表す。エンジンの回転数ne、過給機回転数ntc、掃気圧力ps、排気温度Te、排気圧力Peの状態パラメータが、燃料ポンプラックhp、エンジンの負荷qpの制御更新によってどのように変化するかの状態空間方程式を示す。
また、下式(3)は、エンジン負荷qpが不明の場合のエンジン動的モデルの非線形状態空間方程式を表し、アンセンテッドカルマンフィルター(UKF)用のものである。
また、下式(4)は、拡張カルマンフィルター(EKF)用のLTI(Linear time invariant)モデルである。この線形モデルを使用することにより、計算速度を上げることができる。
図6は、エンジンモデルパラメータの設定とカルマンフィルターの選択方法を示すフローチャートである。
まず、特定のエンジンに対するエンジンモデルパラメータSAn,SBnを設定することにより、特定のエンジンに合う非線形モデルが作られる(非線形モデル作成ステップS1)。
非線形モデル作成ステップS1の後、作成したモデルが不確かか否かを判断する(判断ステップS2)。
判断ステップS2において、作成したモデルが不確かだと判断された場合は、式(3)を用いるアンセンテッドカルマンフィルター(UKF)が選択される(UKF選択ステップS3)。
判断ステップS2において、作成したモデルが確かだと判断された場合は、式(4)を用いる拡張カルマンフィルター(EKF)が選択される(EKF選択ステップS4)。
このように、アンセンテッドカルマンフィルター(UKF)と拡張カルマンフィルター(EKF)のどちらかを、エンジンモデルパラメータが不確かか否かによって選択するアルゴリズムがオフラインで予め作成される。
なお、図1に示すように、設定したエンジンモデルパラメータは、実際のプラントと比較して、必要に応じてオフラインで更新することができる。
また、これらオフラインのステップや更新は、オンラインで行うこともできる。
FIG. 6 is a flow chart showing a method of setting engine model parameters and selecting a Kalman filter.
First, by setting engine model parameters S An and S Bn for a specific engine, a non-linear model suitable for the specific engine is created (non-linear model creation step S1).
After the nonlinear model creation step S1, it is determined whether or not the created model is uncertain (determination step S2).
If it is determined in decision step S2 that the created model is uncertain, an unscented Kalman filter (UKF) using equation (3) is selected (UKF selection step S3).
If it is determined in decision step S2 that the created model is reliable, an extended Kalman filter (EKF) using equation (4) is selected (EKF selection step S4).
Thus, an algorithm is pre-created off-line that selects between the unscented Kalman filter (UKF) and the extended Kalman filter (EKF) depending on whether the engine model parameters are uncertain.
As shown in FIG. 1, the set engine model parameters can be compared with the actual plant and updated off-line as needed.
These offline steps and updates can also be done online.
図7は、エンジン状態の推定方法を示すフローチャートである。図7のフローチャートにおいては、エンジン状態がリアルタイムで所定の時間毎(例えば200Hz)にオンラインで推定される。
まず、エンジンの回転数ne、過給機回転数ntc、掃気圧力ps、排気温度Te、エンジンの負荷qp、排気圧力Peを状態初期値として取得する(状態初期値取得ステップS10)。状態初期値を取得して設定することによりエンジン状態の推定精度を高めることができる。
状態初期値取得ステップS10の後、センサ値取得手段13から、時刻kにおけるエンジンの回転数ne(k)、燃料ポンプラックhp(k)、及び排気弁開度EVC(k)を取得する(センサ値取得ステップS11)。なお、エンジンの回転数ne(k)のみを取得するようにしてもよい。
センサ値取得ステップS11の後、センサ値取得ステップS11で取得した時刻kにおけるエンジンの回転数ne(k)、燃料ポンプラックhp(k)、及び排気弁開度EVC(k)と、状態初期値取得ステップS10で取得した状態初期値に基づいて、エンジン状態観測器15が、エンジン状態として状態パラメータを推定し、これを観測し、補正して空気過剰率λを推定する(エンジン状態推定ステップS12)。観測する観測パラメータは、エンジンの回転数ne、過給機回転数ntc、掃気圧力ps、排気温度Te、エンジンの負荷qp、排気圧力Peである。エンジン状態観測器15におけるエンジン状態の推定には、拡張カルマンフィルター(EKF)又はアンセンテッドカルマンフィルター(UKF)を使用することで、エンジン状態の推定精度を高めることができる。どちらを使用するかは図4を用いて説明した選択手順に従う。なお、拡張カルマンフィルター(EKF)又はアンセンテッドカルマンフィルター(UKF)を予め選択し、エンジン状態観測器15に設定しておいてもよい。この場合は、エンジン状態の推定をさらに迅速に行うことができる。
FIG. 7 is a flow chart showing a method for estimating the engine state. In the flow chart of FIG. 7, the engine condition is estimated online in real time every predetermined time (for example, 200 Hz).
First, the engine speed n e , supercharger speed n tc , scavenging pressure p s , exhaust temperature T e , engine load q p , and exhaust pressure P e are obtained as initial state values (state initial value obtaining step S10). By acquiring and setting the state initial value, the estimation accuracy of the engine state can be improved.
After the state initial value acquisition step S10, the engine speed n e (k), the fuel pump rack h p (k), and the exhaust valve opening EVC(k) at time k are acquired from the sensor value acquisition means 13. (Sensor value acquisition step S11). Alternatively, only the engine speed n e (k) may be acquired.
After the sensor value acquisition step S11, the engine speed n e (k), the fuel pump rack h p (k), and the exhaust valve opening EVC(k) at the time k acquired in the sensor value acquisition step S11, and the state Based on the state initial values acquired in the initial value acquisition step S10, the
エンジン状態推定ステップS12の後、燃料ポンプラックhp、及び排気弁開度EVCを推定された条件に基づいた制御の入力として、燃料調節手段16及び排気弁を制御する(制御ステップS13)。これにより、エンジン性能を最大効率に維持することができる。
制御ステップS13の後、時刻kの次の所定時間である時刻k+1におけるエンジンの回転数ne(k+1)、燃料ポンプラックhp(k+1)、及び排気弁開度EVC(k+1)を取得し(次時刻センサ値取得ステップS14)、エンジン状態推定ステップS12に戻る。
また、エンジン状態推定ステップS12で観測パラメータを補正した後、補正結果に基づいて、エンジンモデルの状態パラメータを更新する(観測パラメータ更新ステップS15)。
このように、エンジン状態観測器15は、エンジン状態の推定とエンジンモデルの状態パラメータの更新を繰り返し行う。
After the engine state estimation step S12, the fuel pump rack hp and the exhaust valve opening degree EVC are used as inputs for control based on the estimated conditions to control the fuel adjustment means 16 and the exhaust valve (control step S13). This allows engine performance to be maintained at maximum efficiency.
After control step S13, the engine speed n e (k+1), the fuel pump rack hp (k+1), and the exhaust valve opening EVC (k+1) at
After correcting the observation parameters in the engine state estimation step S12, the state parameters of the engine model are updated based on the correction result (observation parameter update step S15).
In this manner, the
また、図8は、エンジン状態の推定誤差を示す図である。図8において、縦軸は誤差、横軸は時間であり、点線でエンジン状態の推定誤差の許容範囲を示し、実線でエンジン状態の誤差推定値を示している。
エンジン制御装置10は、エンジン状態観測器15によるエンジン状態の推定誤差を追跡し、予め定めた許容範囲から逸脱した場合は、エンジンモデルパラメータを更新する(エンジンモデルパラメータ更新ステップS16)。
そして、更新したエンジンモデルパラメータに基づき、エンジン状態推定ステップS12においてエンジン状態の推定を行う。これにより、エンジンモデルパラメータの誤差を小さくしてエンジン状態の誤差推定精度を高め、信頼性を向上させることができる。
なお、エンジンモデルパラメータの更新に当っては、予め定めた許容範囲から複数回逸脱した場合に更新することや、誤差を時間的に積分して所定の条件に達したら更新する等、各種の方法が採用できる。
Also, FIG. 8 is a diagram showing an estimation error of the engine state. In FIG. 8, the vertical axis is the error, the horizontal axis is the time, the dotted line indicates the allowable range of the engine state estimation error, and the solid line indicates the estimated error value of the engine state.
The
Then, based on the updated engine model parameters, the engine state is estimated in the engine state estimation step S12. As a result, the error in the engine model parameters can be reduced, the error estimation accuracy of the engine state can be increased, and the reliability can be improved.
There are various methods for updating the engine model parameters, such as updating when they deviate from a predetermined allowable range multiple times, or updating when a predetermined condition is reached by integrating the error over time. can be adopted.
以上説明したように、クローズド、オープンループ制御を用いた従来の制御方法の問題を解決する手段として、本実施形態では、制御のための多くの計測センサを用いずに、エンジンモデルの状態に応じて、ソフトセンサと呼ばれる非線形カルマンフィルターのアンセンテッドカルマンフィルター(UKF)、又は拡張カルマンフィルター(EKF)を用いる観測器を使用する。
この数学モデルが二つの部分からできていることに大きな意味がある。すなわち、a)特定のエンジンに適合する非線形モデルと、b)その非線形モデルに完全に結び付けられる線形モデルである。これにより、アンセンテッドカルマンフィルター(UKF)を用いるエンジン状態観測器15、又は拡張カルマンフィルター(EKF)を用いるエンジン状態観測器15を使用して、エンジンの非線形プロセスを効果的に追跡することが可能となる。さらに、通常は計測できないエンジン内部の状態を推定することが可能となる。特にエンジン性能で重要な真の空気過剰率λとエンジンの負荷qp(プロペラ負荷)を推定でき、制御の入力に使用できる。これにより、エンジン状態の現在の運転状況を推定するだけではなく、近い将来のエンジン状態を的確に予測することができ、最適で安全な運転が可能となる。
なお、エンジン状態パラメータは、およそ的確に空気過剰率λを推定できるものであれば他パラメータや組み合わせでもよく、また、観測パラメータは制御対象、制御項目等に応じて他のパラメータや組み合わせを任意に選択できる。
As described above, as a means of solving the problems of the conventional control method using closed and open loop control, the present embodiment does not use many measurement sensors for control, but rather detects the state of the engine model. We use an observer that uses a non-linear Kalman filter, the unscented Kalman filter (UKF), or the extended Kalman filter (EKF), which is called a soft sensor.
It is significant that this mathematical model consists of two parts. a) a non-linear model that fits a particular engine, and b) a linear model that is fully bound to that non-linear model. This allows the
The engine state parameter may be any other parameter or combination as long as the excess air ratio λ can be approximately accurately estimated. You can choose.
本発明のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法、エンジン制御プログラム及びエンジン制御装置は、船舶推進プラントのエンジンの制御に好適に利用できる。特に2ストロークエンジンのシリンダ内の空気過剰率を最適に保ち、エンジン性能を最大効率に維持することができる。また、少なくとも空気過剰率が制御に必要な排気弁と燃料調整手段を備えたあらゆるエンジンの制御に利用できる。例えば、より細かい制御が必要なガスエンジンの制御に利用することもできる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The engine control method, engine control program, and engine control device using the engine state observer of the present invention can be suitably used for controlling the engine of a ship propulsion plant. In particular, the excess air ratio in the cylinders of a two-stroke engine can be optimally maintained, and the engine performance can be maintained at maximum efficiency. It can also be used to control any engine equipped with exhaust valves and fuel adjustment means that require control of at least excess air ratio. For example, it can be used to control a gas engine that requires finer control.
1 エンジン
2 プロペラ
6 排気弁
10 エンジン制御装置
11 コンピュータ
12 入力手段
13 センサ値取得手段
14 制御出力手段
15 エンジン状態観測器
16 燃料調節手段
S3、S4 選択ステプ
S10 状態初期値取得ステップ
S11 センサ値取得ステップ
S12 エンジン状態推定ステップ
S13 制御ステップ
S15 観測パラメータ更新ステップ
λ 空気過剰率
qp エンジンの負荷
ne エンジンの回転数
1
Claims (15)
前記エンジンの回転数、前記過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及び前記エンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、前記燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、前記燃料ポンプラック値の更新によって前記状態パラメータがどのように変化するかを表す前記エンジンモデルである非線形状態空間方程式に対して、前記状態パラメータのそれぞれの状態初期値を設定し、
船舶の実海域の外乱により負荷変動を生ずるプロペラを駆動する前記エンジンにおける前記エンジンの回転数と、前記燃料ポンプラック値と、前記排気弁の排気弁開度又は動作タイミングをセンサ値として検出して前記エンジン状態観測器に入力し、
前記非線形状態空間方程式で前記状態パラメータのそれぞれの前記状態初期値と前記燃料ポンプラック値を用いて前記状態パラメータを推定し、推定した前記状態パラメータを観測して観測パラメータとし、
前記観測パラメータと前記センサ値としての前記エンジンの回転数とをカルマンフィルターにかけて前記観測パラメータを補正し、
補正した前記観測パラメータとしての前記エンジンの回転数と前記センサ値としての前記燃料ポンプラック値より燃料量を求め、
補正した前記観測パラメータとしての前記過給機回転数と、前記掃気圧力と、前記排気温度と、前記排気圧力と、空気量との関係式に基づいて前記エンジンへの前記空気量を求め、
前記燃料量と、前記エンジンへの前記空気量と、前記センサ値としての前記排気弁開度又は前記動作タイミングと、予め取得した前記エンジンの掃気効率とにより空気過剰率を推定し、
前記エンジン状態観測器で所定の時間ごとに推定した前記空気過剰率が基準とする前記空気過剰率よりも下がった場合に、推定した前記空気過剰率に基づいて前記空気過剰率を回復するように少なくとも前記排気弁の前記排気弁開度を制御するとともに、前記観測パラメータとしての補正した前記エンジンの負荷に基づいて計算したゲインを用いて前記燃料量を調節する制御信号を更新し前記燃料調節手段を制御することを特徴とするエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。 An engine control method for controlling a two-stroke engine equipped with an exhaust valve, fuel control means, and a supercharger using an engine state observer for estimating the engine state from an engine model, comprising:
State parameters consisting of the engine speed, the supercharger speed of the supercharger, the scavenging pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the load of the engine, a nonlinear function of engine dynamics, and an engine model parameter; For a nonlinear state-space equation of the engine model that represents how the state parameter changes with an update of the fuel pump rack value in combination with the fuel pump rack value of the fuel adjustment means, the state parameter set the initial state values for each of
Detecting, as sensor values, the number of rotations of the engine that drives the propeller that causes load fluctuations due to disturbances in the actual sea area of the ship, the fuel pump rack value, and the exhaust valve opening or operation timing of the exhaust valve. input into the engine condition observer;
estimating the state parameters using the initial state values and the fuel pump rack values of the state parameters in the nonlinear state space equation, observing the estimated state parameters and using them as observation parameters;
Applying a Kalman filter to the observed parameter and the rotation speed of the engine as the sensor value to correct the observed parameter,
obtaining a fuel amount from the engine speed as the corrected observation parameter and the fuel pump rack value as the sensor value;
Obtaining the air amount to the engine based on a relational expression among the supercharger rotation speed, the scavenging pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the air amount as the corrected observation parameters,
estimating an excess air ratio from the fuel amount, the air amount to the engine, the exhaust valve opening degree or the operation timing as the sensor value, and the scavenging efficiency of the engine obtained in advance;
When the excess air ratio estimated by the engine condition observer at predetermined intervals falls below the reference excess air ratio, the excess air ratio is restored based on the estimated excess air ratio. and controlling at least the exhaust valve opening degree of the exhaust valve, and updating the control signal for adjusting the fuel amount using the gain calculated based on the corrected engine load as the observation parameter, and the fuel adjustment An engine control method using an engine state observer, characterized by controlling means.
前記エンジンの回転数、前記過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及び前記エンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、前記燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、前記燃料ポンプラック値の更新によって前記状態パラメータがどのように変化するかを表す前記エンジンモデルである非線形状態空間方程式に対して、前記状態パラメータのそれぞれの状態初期値を設定し、
船舶の実海域の外乱により負荷変動を生ずるプロペラを駆動する前記エンジンにおける前記エンジンの回転数と、前記燃料調節手段により調節される燃料量と、前記排気弁の排気弁開度としてのリフト量又は動作タイミングをセンサ値として検出して前記エンジン状態観測器に入力し、
前記非線形状態空間方程式で前記状態パラメータのそれぞれの前記状態初期値と前記燃料ポンプラック値を用いて前記状態パラメータを推定し、推定した前記状態パラメータを観測して観測パラメータとし、
前記観測パラメータと前記センサ値としての前記エンジンの回転数とをカルマンフィルターにかけて前記観測パラメータを補正し、
補正した前記観測パラメータとしての前記過給機回転数と、前記掃気圧力と、前記排気温度と、前記排気圧力と、空気量との関係式に基づいて前記エンジンへの前記空気量を求め、
前記センサ値としての前記燃料量と、前記エンジンへの前記空気量と、前記センサ値としての前記排気弁開度又は前記動作タイミングと、予め取得した前記エンジンの掃気効率とにより空気過剰率を推定し、
前記エンジン状態観測器で所定の時間ごとに推定した前記空気過剰率が基準とする前記空気過剰率よりも下がった場合に、推定した前記空気過剰率に基づいて前記空気過剰率を回復するように少なくとも前記排気弁の前記排気弁開度を制御するとともに、前記観測パラメータとしての補正した前記エンジンの負荷に基づいて計算したゲインを用いて前記燃料量を調節する制御信号を更新し前記燃料調節手段を制御することを特徴とするエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。 An engine control method for controlling a two-stroke engine equipped with an exhaust valve, fuel control means, and a supercharger using an engine state observer for estimating the engine state from an engine model, comprising:
State parameters consisting of the engine speed, the supercharger speed of the supercharger, the scavenging pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the load of the engine, a nonlinear function of engine dynamics, and an engine model parameter; For a nonlinear state-space equation of the engine model that represents how the state parameter changes with an update of the fuel pump rack value in combination with the fuel pump rack value of the fuel adjustment means, the state parameter set the initial state values for each of
The rotation speed of the engine that drives the propeller that causes load fluctuations due to disturbances in the actual sea area of the ship, the fuel amount adjusted by the fuel adjustment means, and the lift amount as the exhaust valve opening of the exhaust valve, or Detecting the operation timing as a sensor value and inputting it to the engine state observer,
estimating the state parameters using the initial state values and the fuel pump rack values of the state parameters in the nonlinear state space equation, observing the estimated state parameters and using them as observation parameters;
Applying a Kalman filter to the observed parameter and the rotation speed of the engine as the sensor value to correct the observed parameter,
Obtaining the air amount to the engine based on a relational expression among the supercharger rotation speed, the scavenging pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the air amount as the corrected observation parameters,
An excess air ratio is estimated from the fuel amount as the sensor value , the air amount to the engine, the exhaust valve opening degree or the operation timing as the sensor value, and the scavenging efficiency of the engine acquired in advance. death,
When the excess air ratio estimated by the engine condition observer at predetermined intervals falls below the reference excess air ratio, the excess air ratio is restored based on the estimated excess air ratio. and controlling at least the exhaust valve opening degree of the exhaust valve, and updating the control signal for adjusting the fuel amount using the gain calculated based on the corrected engine load as the observation parameter, and the fuel adjustment An engine control method using an engine state observer, characterized by controlling means.
前記エンジンモデルが、前記エンジンの回転数、前記過給機の過給機回転数、掃気圧力、排気温度、排気圧力、及び前記エンジンの負荷からなる状態パラメータと、エンジンダイナミックスの非線形関数と、エンジンモデルパラメータと、前記燃料調節手段の燃料ポンプラック値とを組み合わせた、前記燃料ポンプラック値の更新によって前記状態パラメータがどのように変化するかを表す非線形状態空間方程式であり、
コンピュータに、
前記エンジンモデルの前記状態パラメータのそれぞれの状態初期値として入力された船舶の実海域の外乱により負荷変動を生ずるプロペラを駆動する前記エンジンにおける前記エンジンの回転数、前記過給機回転数、前記掃気圧力、前記排気温度、前記排気圧力、及び前記エンジンの負荷を取得する状態初期値取得ステップと、
時刻kにおける前記エンジンの回転数と、前記燃料ポンプラック値と、前記排気弁の排気弁開度又は動作タイミングをセンサ値として取得するセンサ値取得ステップと、
前記状態パラメータのそれぞれの前記状態初期値と、前記センサ値としての前記燃料ポンプラック値を前記非線形状態空間方程式に適用して、前記状態パラメータを推定する状態パラメータ推定ステップと、
推定した前記状態パラメータを観測し観測パラメータとする観測ステップと、
前記観測パラメータと前記センサ値としての前記エンジンの回転数とをカルマンフィルターにかけて前記観測パラメータを補正する観測パラメータ補正ステップと、
補正した前記観測パラメータとしての前記エンジンの回転数と前記燃料ポンプラック値より燃料量を求める燃料量導出ステップと、
補正した前記観測パラメータとしての前記過給機回転数と、前記掃気圧力と、前記排気温度と、前記排気圧力と、前記空気量との関係式に基づいて前記エンジンへの前記空気量を求める空気量導出ステップと、
前記燃料量と、前記エンジンへの前記空気量と、前記センサ値としての前記排気弁開度又は前記動作タイミングと、予め取得した前記エンジンの掃気効率とにより前記空気過剰率を推定する空気過剰率推定ステップと、
時刻k+1において取得した前記センサ値としての前記燃料ポンプラック値を前記非線形空間状態方程式に入力し、前記空気過剰率推定ステップの前記空気過剰率を所定の時間ごとに推定するため、補正した前記観測パラメータを時刻k+1における前記非線形状態空間方程式の前記状態パラメータとして更新するパラメータ更新ステップと、
前記空気過剰率の推定結果に基づいて推定した前記空気過剰率が基準とする前記空気過剰率よりも下がった場合に、推定した前記空気過剰率に基づいて前記空気過剰率を回復するように少なくとも前記排気弁の前記排気弁開度を制御するとともに、前記観測パラメータとしての補正した前記エンジンの負荷に基づいて計算したゲインを用いて前記燃料量を調節する制御信号を更新し前記燃料調節手段を制御する制御ステップとを実行させることを特徴とするエンジン状態観測器を用いたエンジン制御プログラム。 An engine control program for controlling a two-stroke engine equipped with an exhaust valve, fuel control means and a supercharger using an engine state observer for estimating the engine state from an engine model,
The engine model includes state parameters consisting of the engine speed, the supercharger speed of the supercharger, the scavenging pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the load of the engine, and a nonlinear function of engine dynamics; a non-linear state-space equation combining an engine model parameter and a fuel pump rack value of the fuel modulating means representing how the state parameter changes with an update of the fuel pump rack value;
to the computer,
The engine speed, the supercharger speed, and the scavenging in the engine that drives the propeller that causes load fluctuations due to disturbances in the actual sea area of the ship that are input as the state initial values of the state parameters of the engine model. a state initial value acquisition step of acquiring the pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the load of the engine;
a sensor value acquisition step of acquiring, as sensor values, the number of rotations of the engine at time k, the fuel pump rack value, and the exhaust valve opening or operation timing of the exhaust valve;
a state parameter estimation step of applying the state initial values for each of the state parameters and the fuel pump rack value as the sensor value to the nonlinear state-space equation to estimate the state parameters;
an observation step of observing the estimated state parameter and using it as an observation parameter;
an observation parameter correcting step of applying a Kalman filter to the observation parameter and the rotation speed of the engine as the sensor value to correct the observation parameter;
a fuel amount derivation step of obtaining a fuel amount from the engine speed and the fuel pump rack value as the corrected observation parameters;
Air for determining the amount of air to the engine based on a relational expression among the supercharger rotation speed, the scavenging pressure, the exhaust temperature, the exhaust pressure, and the air amount as the corrected observation parameters. a quantity derivation step;
Excess air ratio for estimating the excess air ratio from the fuel amount, the air amount to the engine, the exhaust valve opening degree or the operation timing as the sensor value, and the scavenging efficiency of the engine acquired in advance. an estimation step;
The fuel pump rack value as the sensor value acquired at time k+1 is input to the nonlinear space state equation, and corrected to estimate the excess air ratio in the excess air ratio estimation step every predetermined time. a parameter update step of updating the observation parameter as the state parameter of the nonlinear state-space equation at time k+1;
recovering the excess air ratio based on the estimated excess air ratio when the excess air ratio estimated based on the estimation result of the excess air ratio falls below the reference excess air ratio ; The fuel adjustment means controls at least the opening degree of the exhaust valve and updates a control signal for adjusting the fuel amount using a gain calculated based on the corrected engine load as the observation parameter. An engine control program using an engine state observer, characterized by executing a control step for controlling the
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