JPH0319834B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、過給機付デイーゼル内燃機関と可変
ピツチプロペラを装備した船舶などにおける可変
ピツチプロペラの制御装置に関する。

船舶は特に荒天航海中において、プロペラの負
荷が増大し、かつ変動するので、デイーゼル内燃
機関の主機（以下単に主機という）回転数が低下
し、これにより過給機の過給空気圧が正常時に比
べて上昇ならびに脈動と言われる変動を起こし
（一般的にサージングと言われる現象）、主機回転
数低下および変動により主機の燃焼状態が悪化
し、ひいては主機の燃焼消費量を一般的に増大さ
せる現象が発生する。

最近の可変ピツチプロペラ（以下CPPと略称
する）では、自動負荷制御装置と言われる主機出
力と主機回転数とを予め設定した関係になるよう
に操縦ハンドルで設定し、翼角はその設定主機出
力と回転数とになるように自動的に設定されるよ
うな制御装置を装備している。ところが、この主
機出力と回転数との設定関係は、一般的に平穏な
海上状態でプロペラ効率および主機燃費性能を考
慮して設定されたものであり、荒天時にプロペラ
の負荷変動が大となると一時的にサージング領域
に入つてしまう危険性がある。

そこで、このようなサージング現象を常に防止
するために、荒天航海のようにプロペラの負荷変
動が大となる場合には、主機の負荷と回転数との
設定関係を事前に自動的に変動することにより、
実際的には平穏時に比べて主機の回転数は高く、
翼角は小さくなるような運転点に変更することに
より、主機のサージング運転を防止し、ひいては
荒天時における主機の燃料消費量の改善を図るこ
とが望まれる。

サージング域運転を事前に検出する装置とし
て、以下のようなものがある。主機の工場運転時
に、内燃機関回転数に対応した正常時の過給機整
定過給圧力およびサージングを発生する場合の過
給機過給圧力の平均値、変動値、時間微分値を計
測しておく。CPPの制御装置は、過給機過給圧
力を常時検出する装置および検出した圧力の平均
値、変動値、時間微分値を統計処理するととも
に、前述の工場試験時の値と比較して回転数を修
正するための信号を出すマイクロコンピユータを
装備している。このマイクロコンピユータは、実
際の運航状態における過給機の各圧力状態が工場
で計測したサージングを引き起こす各圧力状態限
界値にある程度の余裕を持たせた値になつたとき
に、主機の設定回転数を上昇させるための信号を
出力するように構成されている。これによつて、
主機はたとえプロペラ負荷が大きく変動したとし
ても、サージング域から離れた点で運転されるこ
とになり、サージング運転が防止できるという利
点がある。

以下、従来技術について詳述する。過給機付デ
イーゼル内燃機関の場合は、一般的に第１図の斜
線で示すようなサージング域と言われる運転制限
範囲が存在する。主機回転数が予め定めた値以下
に低下すると、主機排ガス量が不足して過給機の
回転数が低下し、過給機がサージング現象を起こ
すので、常時は、運転が禁止されているととも
に、主機シリンダに供給される吸入空気量が不足
し、主機の燃焼状態が悪化する。

ところでCPPの場合は、主機の負荷を同一に
するための回転数とプロペラ翼角との組合せが無
数に存在する。この場合、プロペラ翼角Ｐと回転
数Ｖとの組合せ、すなわちこれらのパラメータに
よつて、プロペラ効率が異なるため、第２図の一
点鎖線で示すような同一船速における馬力最小の
点を結んだ最適効率線の組合せを選定するのが望
ましい。一方、主機についても出力と回転数との
組合せによつて燃料消費率が異なる。

第３図は代表的な燃料消費率をパラメータとし
た曲線を示しており、一点鎖線はその最良の点を
結んだ曲線である。したがつてCPPの場合は、
プロペラ効率と主機燃料消費率との両者を考慮
し、主機燃料消費量が最小となる主機出力と回転
数との組合せを予め設定しておき、この運転点を
CPPの操縦ハンドルで指令すれば、この設定さ
れた主機出力および回転数になるようにプロペラ
翼角が自動的に設定される自動負荷制御装置が採
用されている。

ところが、この効率最大となる主機出力と回転
数との関係は、通常のプロペラの場合、前述のサ
ージング域に極く近いところに存在する。荒天時
には、波によりプロペラが海面上に突出するレー
シングと言われる現象等により、プロペラ負荷が
増加するとともに、周期的に大きく変動する現象
が発生する。第４図はこの状態を示すものであ
り、一点鎖線は平穏時の馬力曲線を示しており、
点Ａはその運転点を示している。荒天時になると
船舶の運航者は、一般的に第４図示の平穏時の点
Ａから主機の馬力および回転数を減少させた点Ｂ
に運転点を減少させる。ところが、回転数を減少
させてもプロペラ負荷が変動するので、必然的に
前述のサージング域での運転を余儀なくされる。

第４図の直線ａ−ａはガバナ操縦運転時の負荷
変動を示し、直線ｂ−ｂはラツク固定運転時の負
荷変動を示す。CPPで自動負荷制御装置を装備
している場合には、主機の燃料ラツク位置ならび
に主機回転数が予め定めた値となるように自動負
荷制御装置が常時作用し、翼角を自動的に修正す
るので、主機の負荷変動はある程度抑制される。
しかし、プロペラ負荷変動が大きく、かつ周期の
短い場合には、翼角変更速度が能力不足となり、
プロペラ負荷変動に追従し得なくなり、固定ピツ
チプロペラと同様に主機のサージング域運転を余
儀なくされることになる。

本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、
主機のサージング域運転を防止し、主機の燃料消
費量を改善するようにした可変ピツチプロペラの
制御装置を提供することである。

本発明は、可変ピツチプロペラを過給機付デイ
ーゼル機関によつて駆動し、 操縦装置と、 操縦装置の出力に応答して、可変ピツチプロペ
ラのプロペラ翼角を設定する第１関数発生器と、 操縦装置の出力に応答して、過給機付デイーゼ
ル機関の負荷を設定する第２関数発生器と、 過給機付デイーゼル機関の負荷を検出する負荷
検出器と、 設定負荷と検出負荷とを比較して、第１関数発
生器によつて設定されたプロペラ翼角を修正演算
する手段と、 操縦装置の出力に応答して過給機付デイーゼル
機関の回転数を設定する第３関数発生器と、 第３関数発生器からの出力に応答して、過給機
の正常な過給空気圧を設定する第４関数発生器
と、 実際の過給空気圧を検出するための過給空気圧
検出器と、 前記設定過給空気圧と検出過給空気圧とを比較
して、第３関数発生器によつて設定されたプロペ
ラ回転数を修正演算する手段とを含み、 プロペラ回転数を上昇させて可変ピツチプロペ
ラ翼角を減少させることによつて、過給機のサー
ジングを防ぐことを特徴とする可変ピツチプロペ
ラの制御装置である。

以下、図面によつて本発明の実施例を説明す
る。上述のようなサージング発生の危険性がある
場合には、設定回転数を上昇させて、ピツチを減
少させることにより、サージング域運転を防止で
きるが、この様子を第５図に示す。したがつて高
回転、低ピツチの運転点Ｃの状態であれば、第４
図と同一の負荷変動が生じてもサージング域での
運転を回避することができる。主機の回転数が高
いので、過給機の回転数も高く、したがつて充分
な主機吸入空気が得られるので、主機は正常な燃
焼が可能であり、燃費改善も可能となる。

CPPの運転モードを低回転、高ピツチの組合
せ（第５図の点Ｂ）から高回転、低ピツチの組合
せ（第５図の点Ｃ）に自動的に変更させる本発明
の一実施例を第６図のブロツクダイアグラムに従
つて説明する。CPPの操縦装置１は、プロペラ
翼角、主機回転数、主機出力を設定するハンドル
であり、処理回路１３に接続されている。処理回
路１３には、操縦装置１のハンドル位置に対応し
た翼角を設定するための関数発生器２があり、こ
の関数発生器２からの信号は、CPPの翼角を変
更するための翼角駆動装置３に送出される。一
方、操縦装置１のハンドル位置に対応した主機出
力を設定するための関数発生器４があり、この関
数発生器４からの信号に対応して、実際の主機負
荷を検出するための検出器５から信号が出力され
る。演算回路６では、関数発生器４によつて設定
された主機出力と検出器５によつて検出した実際
の主機負荷とを比較して差が存在すれば、その偏
差に応じて翼角の修正量を計算する。第３の関数
発生器７では、操縦装置１のハンドル位置に対応
した主機の回転数を設定する。この関数発生器７
からの信号は、主機の回転数を制御する装置８
（たとえばエンジンガバナ）に送出される。

以上の構成は、現状のCPPの自動負荷制御装
置の一実施例であり、載荷条件、気象海象条件、
経年変化等によつてプロペラ負荷が変化しても、
予め設定した出力と回転数との関係で主機が運転
されるように自動的にプロペラ翼角を修正するよ
うにした制御装置である。以下の構成は、本発明
に係る制御装置の特徴とするところである。

前記関数発生器７からの信号は過給空気圧設定
関数発生器９に送出される。これに対して実際の
過給空気圧を検出するための検出器１０があり、
検出器１０で検出された信号は、統計処理をする
ための演算装置１１に送出される。演算回路１２
では、過給空気圧設定関数発生器９により設定さ
れた基準値と演算装置１１により統計処理された
実際値とを比較して実際値の方が大きければ、そ
の差に応じて主機回転数の修正量を演算する。

本発明の意図するところは、過給機がサージン
グ現象を起こすのを防止するため、主機運転回転
数を過給機がサージング現象を起こさなくなるま
で自動的に上昇させることにある。まず、過給機
がサージングを起こさない限界値を把握しておく
必要がある。そのため主機関の工場運転時に、第
７図に示すように主機回転数に対応しち正常時の
過給空気圧力p0およびサージング発生時の平均
過給空気圧力psならびに第８図に示すようなサー
ジング時の圧力変動値Δpsおよび脈動圧力の時間
微分値dps／dtを計測しておく。これらの諸デー
タを主機回転数Ｎの関数として、 p0＝f1（Ｎ） ……(1) ps＝f2（Ｎ） ……(2) Δps＝f3（Ｎ） ……(3) dps／dt＝f4（Ｎ） ……(4) 過給空気圧設定関数発生器９に第１式〜第４式
を記憶させておく。過給空気圧設定関数発生器９
は、設定回転数関数発生器７からの信号を受けて
修正回転数演算回路１２に次式第５式〜第７式で
示される信号を出力する。

〔ps〕ｓ＝p0＋k1（ps−p0） ……(5) 〔Δps〕ｓ＝k2Δps ……(6) 〔dps／dt〕ｓ＝k3dps／dt ……(7) ここでk1，k2，k3はサージングを起こさない
ようにする余裕のための係数であり、それぞれ０
＜ｋ＜1.0でかつ実船上で変更することが可能な
値である。

統計処理演算装置１１は、過給空気圧検出器１
０が検出した実際の空気圧力を時間的に統計処理
して、その時点での過給空気圧力の平均値〔ｐ〕
ａ、変動値〔Δp〕ａ、時間微分値〔dp／dt〕ａを演 算処理する装置である。修正回転数演算回路１２
は、過給空気圧設定関数発生器９および統計処理
演算装置１１からの信号〔ｐ〕ｓと〔ｐ〕ａ、
〔Δps〕ｓと〔Δp〕ａ、〔dps／dt〕ｓと〔dp／dt〕ａ
の うちのすべてまたはどれか１つを比較し、統計処
理演算装置１１からの信号が過給空気圧設定関数
発生器９からの信号よりも大きければ（たとえば
〔ｐ〕ａ＞〔ps〕ｓ）、その差に応じてPID
（Proportional Integral and Derivative）動作
で修正回転数を算出する通常の演算回路である。

次に本発明の一実施例の動作について説明す
る。今、仮にCPPの操縦操作１で第４図の点Ｂ
の運転点を指令していたときに、プロペラ負荷変
動が発生したとする。その負荷変動が軽度のもの
であれば、従来の自動負荷制御装置すなわち第６
図の参照符１〜８で示される各制御装置が作動し
て、翼角が自動的に修正され、その負荷変動を抑
制してしまう。負荷変動がさらに大きくなると過
給空気圧が変化を起こすので、第６図の参照符９
〜１２で示される各制御装置が機能して、 〔ｐ〕ａ＞〔ps〕ｓおよび／または 〔Δp〕ａ＞〔Δps〕ｓおよび／または 〔dp／dt〕ａ＞〔dps／dt〕ｓ となれば、回転数制御装置８に設定回転数よりも
大きい回転数命令が与えられ、第５図の点Ｃに運
転点が自動的に変更されることになり、サージン
グ域運転を防止することか可能となる。

なお、設定主機負荷関数発生器４および主機負
荷検出器５の主機負荷の設定ならびに検出には、
実際的には主機燃料ラツクを用いていることが多
いので、その場合には点Ｂ、Ｃの主機出力を同一
にするため、修正回転数演算回路１２から設定主
機負荷関数発生器４に、 ΔR≒Ｒ−Ｎ×Ｒ／（Ｎ＋ΔN） ……(8) の修正ラツク信号を供給する必要がある。

以上のように本発明によれば、設定回転数を上
昇させて、ピツチを減少させることによつてサー
ジング域運転を防止することができる。また主機
の回転数が高いので過給機の回転数も高く、した
がつて充分な主機吸入空気が得られるので、主機
は正常な燃焼が可能であり、燃費改善も可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は主機関の正常時およびサージング時の
出力と回転数との関係を示すグラフ、第２図は
CPPのプロペラ翼角および船速をパラメータと
した主機関の出力と回転数との関係を示すグラ
フ、第３図は主機関の燃料消費率をパラメータと
した主機関の出力と回転数との関係を示すグラ
フ、第４図はCPPの運転点を平穏時において推
進効率最大となるような主機出力と回転数との関
係になる点に定めたときにプロペラ負荷変動が発
生したときの主機関の出力と回転数との関係を示
すグラフ、第５図は第４図における運転点を変更
してサージングを防止している状態における主機
関の出力と回転数との関係を示すグラフ、第６図
は本発明の一実施例を示すブロツクダイアグラ
ム、第７図は正常時、サージング時の主機回転数
と過給機過給圧力との関係を示すグラフ、第８図
はサージング発生時に過給空気圧が脈動を起こし
ていることを示すグラフである。 １……操縦装置、２……設定翼角関数発生器、
４……設定主機負荷関数発生器、７……設定回転
数関数発生器、９……過給空気圧設定関数発生
器、１０……過給空気圧検出器、１１……統計処
理演算装置、１２……修正回転数演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可変ピツチプロペラを過給機付デイーゼル機
   関によつて駆動し、 操縦装置と、 操縦装置の出力に応答して、可変ピツチプロペ
   ラのプロペラ翼角を設定する第１関数発生器と、 操縦装置の出力に応答して、過給機付デイーゼ
   ル機関の負荷を設定する第２関数発生器と、 過給機付デイーゼル機関の負荷を検出する負荷
   検出器と、 設定負荷と検出負荷とを比較して、第１関数発
   生器によつて設定されたプロペラ翼角を修正演算
   する手段と、 操縦装置の出力に応答して過給機付デイーゼル
   機関の回転数を設定する第３関数発生器と、 第３関数発生器からの出力に応答して、過給機
   の正常な過給空気圧を設定する第４関数発生器
   と、 実際の過給空気圧を検出するための過給空気圧
   検出器と、 前記設定過給空気圧と検出過給空気圧とを比較
   して、第３関数発生器によつて設定されたプロペ
   ラ回転数を修正演算する手段とを含み、 プロペラ回転数を上昇させて可変ピツチプロペ
   ラ翼角を減少させることによつて、過給機のサー
   ジングを防ぐことを特徴とする可変ピツチプロペ
   ラの制御装置。