KR101162231B1 - 선박 엔진 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프로펠러 유입 속도의 변동에 맞추어, 효율이 높은 회전수로 주기를 운전하여 연비의 향상을 도모한다. 회전수 지령과 실측된 주축(13) 또는 주기(12)의 회전수(NE)의 편차를 PID 연산부(16)에 입력하여 연료 분사 장치(15)로부터 주기(12)로 공급된 연료의 양을 피드백 제어한다. 프로펠러(14)로의 프로펠러 유입 속도를 검출하고 연산부(17)에 입력한다. 프로펠러 유입 속도의 변동에 대응하여 제어 포인트가 효율 곡선을 따라서 이동하도록 회전수 지령을 수정한다.

Description

선박 엔진 제어 시스템{SHIP ENGINE CONTROL SYSTEM}
본 발명은 선박용 엔진의 제어 시스템에 관한 것이고, 특히 선박용 엔진의 회전수 제어에 관한 것이다.
선박용 엔진의 제어에서는 설정된 목표 회전수와 실제 회전수의 차이가 없어지도록 PID 제어가 행해진다. 그러나, 거친 날씨 등에는 프로펠러에 의한 부하 토크가 급격하게 변화하기 때문에, 통상의 기후 하에서의 항행을 상정한 게인(gain)에 의한 PID 제어에서는 충분한 응답 성능이 얻어지지 않고, 오버 스피드(over speed)에 의한 기관의 고장을 초래할 우려가 있다. 이와 같은 문제에 대해서는, 외란(外亂)에 의한 프로펠러 회전수의 변동을 예측하여 PID 제어의 게인을 변경하는 구성이 제안되어 있다(특허문헌 1).
특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 제(평)8-200131호
그러나, 특허문헌 1도 포함하여, 선박에 있어서의 일반적인 거버너(governor) 장치의 PID 제어에서는 회전수를 일정하게 유지하도록 제어되어 있기 때문에, 반드시 추진 시스템으로서 효율이 높다고는 말할 수 없다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 프로펠러 유입 속도의 변동에 맞추어, 효율이 높은 회전수로 주기(主機)를 운전하여 연비의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 선박용 엔진 제어 시스템은 프로펠러 유입 속도를 파악하는 프로펠러 유입 속도 파악 수단과, 주기의 회전수를 제어하는 회전수 제어 수단과, 프로펠러 유입 속도의 변동에 맞추어 회전수 제어 수단에 있어서의 목표 회전수의 수정을 행하는 수정 수단을 구비하고, 수정 수단은 프로펠러 유입 속도의 변동에 대하여, 효율 선도(efficiency diagram) 상에서 효율이 저하하지 않는 경로를 따라서 제어 포인트의 이동을 도모하고 목표 회전수를 수정하는 것을 특징으로 한다.
수정에 있어서의 제어 포인트의 이동은 효율 곡선을 따르는 이동인 것이 바람직하다. 이러한 것에 의해, 프로펠러의 영각(迎角, angle of attack)을 대략 일정하게 유지할 수 있다.
프로펠러 유입 속도는 예를 들면 실제 측정, 또는 상관하는 다른 물리량으로부터 추정된다. 추정에 사용되는 물리량으로서는 예를 들면 선박 속도, 파도의 원주파수(Circumference of the wave frequency), 파고가 포함된다. 또한, 물리량으로서는 예를 들면 프로펠러 부하 토크가 포함된다.
본 발명에 의하면, 프로펠러 유입 속도의 변동에 맞추어서 효율이 높은 회전수로 주기를 운전하여 연비의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태인 선박용 엔진 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 횡축을 회전수, 종축을 프로펠러 유입 속도로 하는 효율 선도.
도 3은 도 2의 제어 포인트(P) 주위의 확대도.
도 4는 제 1 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템의 변형예의 구성을 도시한 블록선도.
도 5는 제 2 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템의 구성을 도시한 블록선도.
도 6은 제 3 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템의 구성을 도시한 블록선도.
도 7은 토크 검지부의 구성을 도시한 블록도.
도 8은 토크 검지부의 다른 구성을 도시한 블록도.
도 9는 토크 검지부의 다른 구성을 도시한 블록도.
도 10은 토크 검지부의 다른 구성을 도시한 블록도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태인 선박용 엔진 제어 시스템의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
본 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템(10)은 선체(11), 주기(12), 주축(13), 프로펠러(14) 등을 제어 대상(S)으로 하고, 주기(12)에는 제어 장치(C)의 연료 분사 장치(15, 액튜에이터)로부터 연료가 공급된다. 주기(12)와 프로펠러(14)를 연결하는 주축(13)에는 주축(13) 또는 주기(12)의 실제 회전수[NE, 또는 각속도(ωE)]를 검출하는 종래 주지의 회전수(각속도) 센서(도시되지 않음)가 설치된다.
제어 시스템(10)은 주축 회전수(또는 엔진 회전수)를 회전수 지령(목표치)으로서 예를 들면 PID 제어를 행하는 것으로, 주축(13)에서 검출된 실제 회전수(NE)는 입력측으로 피드백된다. 즉, PID 연산부(16)에는 회전수 지령과 실제 회전수(NE) 사이의 편차가 입력된다. PID 연산부(16)로부터의 출력은 거버너 지령으로서 연료 분사 장치(15)로 출력되고, 주기(12)로의 연료 공급량이 조정된다.
또한, 본 실시 형태에서는 파랑(波浪) 등의 영향에 의한 프로펠러 유입 속도의 변동(예를 들면, 10초 정도의 주기)에 대응하여 회전수 지령이 변경된다. 제 1 실시 형태에 있어서, 프로펠러 유입 속도는 선미에 설치된 주지의 유속계를 사용하여 실측된다. 유속계에서 얻어진 프로펠러 유입 속도의 신호는 제어 장치(C)의 연산부(17)에서 지령 회전수 수정 신호로 변환되어 회전수 지령 신호에 부가된다. 또한, 유속계는 어떠한 형식의 것이어도 좋다.
다음에 도 2를 참조하여, 본 실시 형태에서의 회전수 지령의 수정 제어의 원리에 대해 설명한다. 도 2는 횡축을 엔진 회전수, 종축을 프로펠러 유입 속도로 했을 때의 효율 선도이며, 본 실시 형태에서는 프로펠러 효율과 주기의 연비 효율을 더한 효율(양자의 곱)이 등치선으로 표시된다.
예를 들면, 목표로 하는 제어 포인트가 점(P)으로 설정될 때, 파랑의 영향에 의해 프로펠러 유입 속도에 ΔV의 변동이 발생하면, 종래에 회전수를 일정하게 하는 제어에서는 제어 포인트는 도 2에서 종축을 따라서 상하로 이동한다. 즉, 제어 포인트는 효율의 등치선을 가로질러 이동하기 때문에, 점(P)을 중심으로 효율이 상하로 변동하여 연비의 악화를 초래한다.
본 실시 형태에서는 프로펠러 유입 속도가 변동하여도 효율이 내려가지 않도록 목표로 하는 회전수(회전수 지령)를 수정한다. 예를 들면, 도 2의 효율 선도에 있어서의 화살표(A)와 같이, 목표 제어 포인트(P)를 통과하는 효율 선도(등치선)를 따라서 목표 회전수를 변경한다(본 실시 형태에서는 프로펠러의 영각을 일정하게 유지하는 것에 대응한다). 즉, 연산부(17, 도 1 참조)에서는 검출된 프로펠러 유입 속도에 대응하여, 도 2의 효율 선도에 기초하여 목표 회전수를 구하고 회전수 지령을 수정한다.
연산부(17)는 효율 선도를 맵데이터로 하여 유지하고, 이를 참조하여 목표 회전수를 결정하는 구성이라도 좋지만, 미리 효율 선도로부터 프로펠러 유입 속도와 목표 회전수 사이의 관계를 정한 함수를 설정하고, 이에 따라서 제어를 행하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 회전수를 일정하게 하는 종래의 구성보다 효율을 높인다는 관점에서는, 프로펠러 유입 속도가 저하될 때의 제어 포인트의 이동을 종축을 따르는 방향의 효율의 구배에 비하여 구배가 완만한 방향으로 이동을 변경하면 좋다. 예를 들면, 효율 선도를 따른 이동[화살표(A)]보다 효율은 떨어지지만, 화살표(A1)와 같이 제어 포인트를 이동시켜도 좋다. 그러나, 보다 효율을 높인다고 하는 관점에서, 제어 포인트의 이동은 점(P)을 통과하는 효율 곡선의 내측인 것이 바람직하다[예를 들면, 화살표(A2) : 점(P)의 효율로부터 보다 효율이 높은 영역으로의 제어 포인트의 이동].
또한, 프로펠러 유입 속도가 증가하는 경우에, 종래와 같이 회전수를 일정하게 하는 제어를 행하여도 좋고, 점(P)을 지나는 효율 곡선(등치선)의 내측(효율이 높은 측)에 있어서 여러 방향으로 제어 포인트의 이동을 취할 수 있다[예를 들면 화살표(A3)].
도 3에 도 2의 점(P) 주위의 확대도를 도시하고, 프로펠러 유입 속도가 감속될 때 및 증가할 때 제어 포인트를 이동시킬 수 있는 방향의 범위를 각각 원호(RD, RU)로 나타낸다. 제어 포인트의 이동의 궤적[예를 들면, 실선(A4)]은 상기한 조건을 만족시키면, 곡선, 직선, 절선 중 어느 것이라도 좋고, 또한 이러한 것들의 조합이어도 좋다.
또한, 이용하는 효율 선도는 본 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 프로펠러 효율 선도나 프로펠러 단독 효율 선도를 단독으로 사용하는 것도 가능하고, 또한 주기의 연비 효율에 관련되는 다른 요건을 더욱 가미한 효율 선도를 사용할 수도 있다.
이상과 같이, 제 1 실시 형태에 의하면, 파랑 등의 영향에 의해 변동되는 프로펠러 유입 속도에 맞추어 목표 회전수를 변경하여 연비 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4에 제 1 실시 형태의 변형예의 구성을 도시한다. 제 1 실시 형태에서는 프로펠러 유입 속도에 맞춘 회전수의 수정이 회전수 지령에 대해 행해졌지만, 변형예에서는 PID 연산부(16)로부터 출력되는 거버너 지령에 대하여 수정이 행해진다. 즉, 프로펠러 유입 속도는 제어 장치(C)에 설치된 연산부(18)에 입력되고, 도 2를 참조하여 결정된 궤적을 따르는 회전수가 되도록 연산부(18)로부터 수정 신호가 PID 연산부(16)의 출력측으로 피드포워드(feedforward)된다. 또한, 그 외의 구성에 관해서는 제 1 실시 형태와 같으며, 변형예의 구성에 있어서도 제 1 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
다음에, 도 5를 참조하여, 제 2 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템에 관해서 설명한다. 도 5는 제어 대상(S)을 모델화하여 나타낸 제 2 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템의 블록선도이다.
제 1 실시 형태에서 프로펠러 유입 속도가 실측되었지만, 제 2 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템(10')에서는 프로펠러 유입 속도의 추정이 행해지고, 추정치에 기초하여 회전수 지령의 수정이 행해진다. 또한, 그 외의 구성은 제 1 실시 형태와 같으며, 같은 구성에 대해서는 동일 참조 부호를 사용하고 그 설명을 생략한다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 제 2 실시 형태의 제어 장치(C')에는 파립자(wave particle) 속도 계산부(19)가 설치되고, 연산부(17)에는 파립자 속도 계산부(19)에서 추정된 프로펠러 유입 속도가 입력된다. 파립자 속도 계산부(19)에는 예를 들면 실측된 선박 속도, 파도의 원주파수, 파고가 입력되고, 이러한 입력으로부터 프로펠러 유입 속도가 추정된다. 연산부(17)에서는 제 1 실시 형태와 같이 도 2의 효율 선도에 맞추어 수정 신호가 생성되고, 회전수 지령의 수정이 행해진다.
이상과 같이, 제 2 실시 형태에 있어서도 제 1 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 2 실시 형태에서는 프로펠러 유입 속도를 추정하고 있으므로, 프로펠러 주위에 센서류를 장착할 필요가 없어 제어 시스템의 구성을 보다 간략한 것으로 할 수 있다.
또한, 제 2 실시 형태에서는 프로펠러 유입 속도를 선박 속도, 파도의 원주파수, 파고로부터 추정하였지만, 프로펠러 유입 속도와 상관이 있는 흐름을 사용하여도 좋다.
다음에, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 제 3 실시 형태의 선박용 엔진 제어 시스템에 관해서 설명한다. 제 3 실시 형태에서는 프로펠러 부하 토크(QP)를 검출하고, 제어 장치(C")의 연산부(17')에 입력한다. 연산부(17')에서는 프로펠러 부하 토크(QP)로부터 프로펠러 유입 속도를 추정하여 회전수 지령의 수정을 행한다. 또한, 그 외의 구성에 관해서는 제 1, 제 2 실시 형태와 같기 때문에 그 설명을 생략한다.
도 7 내지 도 10에 토크 검출을 위한 다수의 구성을 도시한다. 도 7에 도시되는 부하 토크 검지부(20)는 주축(13)에 장착된 왜곡 게이지(21) 및 송신기(22)와, 선체측의 고정부에 배치된 수신기(23) 및 계측기(24)로 구성된다. 왜곡 게이지(21)에서 검출된 왜곡의 측정치(왜곡 신호)는 송신기(22)를 통해 수신기(23)로 송신되고, 계측기(24)에서 토크 신호로 변환되어 연산부(17")로 출력된다. 즉, 토크는 왜곡에 비례하기 때문에, 연산부(17")에서는 수신된 왜곡의 측정치(왜곡 신호에 대응)에 소정의 계수를 곱하여 부하 토크(QP)를 산출하고, 토크 신호로서 연산부(17")(도 6)로 출력한다.
도 8에 도시되는 다른 예의 부하 토크 검지부(30)는 주축(13)에 장착된 왜곡 게이지(21), 주축(13)의 주위에 장착되고 왜곡 게이지(21)에 전기적으로 접속된 슬립 링(31), 슬립 링(31)과 미끄럼 접합하는 브러쉬(32), 브러쉬(32)에 접속된 계측기(24)로 구성된다. 즉, 왜곡 게이지(21)에서 검출된 왜곡 신호는 슬립 링(31), 브러쉬(32)를 통해 계측기(24)로 보내어지고, 제 1 실시 형태와 같이 토크 신호로 변환된다. 또한, 계측기(24)에서 생성된 토크 신호는 연산부(17")로 출력된다.
도 9에 도시된 다른 예의 부하 토크 검지부(40)에서는 왜곡 게이지(21) 대신에 프로펠러(14) 근처의 주축(13)에 장착된 마력계(41)가 사용된다. 또한, 도 8의 계측기(24) 대신에 토크 계산부(42)가 사용된다.
이 구성에서는 마력계(41)로부터의 마력 신호가 토크 계산부(42)로 보내어진다. 토크 계산부(42)에는 마력계(41)로부터의 마력 신호 외에 주기(12)로부터 엔진 회전수(NE)가 입력된다. 마력[전달 마력(DHP)에 대응]은 토크와 회전수의 곱에 비례하기 때문에, 토크 계산부(42)에서는 마력(예를 들면, DHP)을 엔진 회전수(NE)로 나누어 소정의 계수(예를 들면, 1/2π)를 곱함으로써 부하 토크(QP)가 구해진다. 산출된 토크의 값은 토크 신호로서 연산부(17")로 출력된다.
도 10의 예는 도 9의 마력계(41)를 주기(12) 근처의 주축(13)에 배치한 것으로, 그 외의 구성은 도 9와 같다. 도 10의 구성에서는 검출되는 마력이 제동 마력(BHP)에 대응하기 때문에, 토크 계산부(42)에서는 검출된 마력(BHP)을 엔진 회전수(NE), 전달 효율(ηT), 및 2π로 나눔으로써 토크가 구해진다.
이상과 같이, 제 3 실시 형태에 있어서도, 제 1, 제 2 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 3 실시 형태에서는 도 2의 종축을 프로펠러 부하 토크로 한 효율 선도를 작성하여 사용하는 것이 가능하다. 또한, 프로펠러 부하 토크 대신, 프로펠러 유입 속도에 상관이 있는 다른 물리량을 계측하여 사용하는 것도 가능하다.
덧붙여, 상기한 각 실시 형태 및 변형예의 각 구성은 서로 다양하게 조합할 수 있다. 예를 들면, 제 1 실시 형태의 변형예로 피드포워드의 구성은 제 2, 제 3 실시 형태에서도 채용할 수 있다.
10, 10', 10" : 선박용 엔진 제어 시스템
11 : 선체
12 : 주기
13 : 주축
14 : 프로펠러
15 : 연료 분사 장치
16 : PID 연산부
17, 17', 18 : 연산부
20, 30, 40 : 부하 토크 검지부
C : 제어 장치
S : 제어 대상

Claims (6)

  1. 프로펠러 유입 속도를 파악하는 프로펠러 유입 속도 파악 수단과,
    주기(主機)의 회전수를 제어하는 회전수 제어 수단과,
    상기 프로펠러 유입 속도의 변동에 맞추어 상기 회전수 제어 수단에 있어서의 목표 회전수의 수정을 행하는 수정 수단을 구비하고,
    상기 수정 수단은, 상기 프로펠러 유입 속도가 목표 제어 포인트보다도 저하될 때, 상기 회전수 및 상기 프로펠러 유입 속도를 파라미터로 하는 효율선도(效率線圖)상, 상기 프로펠러 유입 속도의 변동에 따라, 프로펠러 효율과 주기의 연비 효율의 곱으로 이루어지는 효율 등치선을 따르도록 상기 목표 회전수를 수정하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프로펠러 유입 속도가 실측되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로펠러 유입 속도가 상관하는 다른 물리량으로부터 추정되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 물리량이 선박 속도, 파도의 원주파수(圓周波數), 파고(波高)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 물리량이 프로펠러 부하 토크를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
  6. 삭제
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