KR101229816B1 - 선박용 엔진 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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히데노리 야마모토
아키라 미쓰후지
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미츠이 조센 시스템 기켄 가부시키가이샤
미쯔이 죠센 가부시키가이샤
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Abstract

주기관(11)의 실회전 속도(Ne)를 검출하고, 시간 지연 로직(13) 및 주기 산출부(15)에 입력한다. 주기 산출부(15)에 있어서 실회전 속도(Ne)의 변동 주기를 검출하고, 시간 지연 로직(13)에 있어서 실회전 속도(Ne)를 4분의 1주기분 지연시켜 부(負)귀환한다. 목표 회전 속도(No)와 피드백 신호의 편차를 비례 제어부(14)에 입력하고, 주기 산출부(15)에서 구해진 주기부터 산출되는 실회전 속도(Ne)의 변동 각속도(ω)에 대응하는 게인으로 비례 연산을 행한다. N/FI 변환부(12)에 있어서 목표 회전 속도(No)에 대응하는 퓨얼 인덱스(FIo)를 산출하고, 비례 제어부(14)로부터의 출력과 가산한다.

Description

선박용 엔진 제어 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING SHIP ENGINE}
본 발명은 선박의 주기(主機)의 운전을 제어하는 선박용 엔진 제어 장치에 관한 것이다.
선박에서는 프로펠러 회전 속도를 일정값으로 유지하는 회전 속도 일정 제어가 일반적으로 채용된다. 즉, 선박 주기의 거버너 제어에서는 PID 제어에 의해 실회전 속도가 목표 회전 속도로 유지된다(특허문헌 1). 그러나, 회전 속도 일정 제어에서는 부하 변동에 따라 연료 공급량(퓨얼 인덱스)이 변동되기 때문에 연비가 악화되는 경우가 있다. 이것으로부터 해상(海象)에 따라서는, 연료 공급량(퓨얼 인덱스)을 일정값으로 고정시키는 거버너 제어를 행하는 경우도 있다.
일본 공개특허공보 제(평)8-200131호
그러나, 퓨얼 인덱스를 일정하게 하고, 주기 토크를 대략 일정하게 유지해도, 프로펠러 부하가 변동되면, 프로펠러 토크는 일정하게 유지되지 않기 때문에, 스러스트에 변동이 발생하여 추진 효율이 저하된다.
본 발명은 프로펠러 토크가 일정해지는 주기 제어를 행하여, 스러스트 변동을 억제하고, 추진 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 선박용 엔진 제어 장치는 목표 회전 속도를 부여하여 퓨얼 인덱스를 출력하는 선박용 엔진 제어 장치로서, 주기관의 실회전 속도의 변동 주기에 대해 10% 내지 30% 지연된 피드백 신호를 귀환하는 동시에, 실회전 속도의 변동 각(角)속도에 비례하여 퓨얼 인덱스를 변동시키는 것을 특징으로 하고 있다.
피드백 신호는 예를 들면 실회전 속도를 시간 지연 로직으로 지연시킨 신호이며, 목표 회전 속도와 피드백 신호의 편차는 예를 들면 변동 각속도에 대응하는 게인이 설정되는 비례 연산부를 개재하여 출력된다.
또한, 목표 회전 속도에 대응하는 퓨얼 인덱스를 산출하는 목표 회전 속도/퓨얼 인덱스 변환 수단을 추가로 구비하고, 비례 연산부로부터의 출력은 목표 회전 속도에 대응하는 퓨얼 인덱스에 가산된다.
또는, 선박용 엔진 제어 장치는 PI 제어부를 구비하고, 목표 회전 속도와 피드백 신호의 편차가 P1 제어부에 입력되고, 목표 회전 속도에 대응하는 퓨얼 인덱스가 PI 제어부의 I 연산부에서 생성·유지된다.
또한, 피드백 신호는 실회전 속도의 미분 연산에 의해 생성되는 구성이라도 좋다.
본 발명의 선박은 상기 선박용 엔진 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 선박용 엔진 제어 방법은 목표 회전 속도를 부여하여 퓨얼 인덱스를 출력하는 선박용 엔진 제어 방법으로서, 주기관의 실회전 속도의 변동 주기에 대해 10% 내지 30% 지연된 피드백 신호를 귀환하는 동시에, 실회전 속도의 변동 각속도에 비례하여 퓨얼 인덱스를 변동시키는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의하면, 프로펠러 토크가 일정해지는 주기 제어를 행하여, 스러스트 변동을 억제하고, 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태의 엔진 제어 장치의 구성을 도시하는 제어 블록도이다.
도 2는 발명의 원리 및 작용·효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 제 2 실시형태의 엔진 제어 장치의 구성을 도시하는 제어 블록도이다.
도 4는 제 3 실시형태의 엔진 제어 장치의 구성을 도시하는 제어 블록도이다.
도 5는 제 4 실시형태의 엔진 제어 장치의 구성을 도시하는 제어 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태인 선박용 엔진의 제어 장치의 구성을 도시하는 제어 블록도이다.
본 실시형태의 선박용 엔진 제어 장치(10)는 주기관(11)으로의 연료 공급을 제어하는 거버너 시스템이며, 주기관(11)의 크랭크 샤프트(도시 생략)는 추진용의 프로펠러(도시 생략)에 연결된다. 선박용 엔진 제어 장치(10)에서는 목표값으로서 목표 회전 속도(No)가 설정되고, 주기관(11)의 출력인 실회전 속도(Ne)가 터닝 기어 등을 사용한 주지의 방법에 의해 검출된다.
목표 회전 속도(No)는 N/FI 변환부(12)에서 퓨얼 인덱스(FIo)로 변환된다. 또한, 이것과 병행하여 본 실시형태에서는 시간 지연 로직(13)을 개재하여 피드백되는 주기관(11)의 실회전 속도(Ne)와의 편차가 구해지고, 비례 제어부(14)에서 비례 연산이 시행된다.
본 실시형태에 있어서, 비례 제어부(14)는 실회전 속도(Ne)의 변동 각속도(ω)에 비례하는 게인으로 비례 연산을 행하고, 시간 지연 로직(13)은 실회전 속도(Ne)의 위상을 대략 90°또는 변동 주기의 약 10 내지 30% 지연시킨다. 또한, 비례 제어부(14)의 게인 및 시간 지연 로직(13)의 지연 시간은 실회전 속도(Ne)의 변동에 기초하여 주기 산출부(15)에서 산출되는 실회전 속도(Ne)의 주기(T)에 기초하여 결정된다.
또한, N/FI 변환부(12) 및 비례 제어부(14)로부터의 신호는 가산되어 액추에이터(16)에 입력되고, 액추에이터(16)는 퓨얼 인덱스(FI)에 대응하는 양의 연료를 주기관(11)에 공급한다.
다음에 도 2를 참조하여 본 발명의 프로펠러 토크 일정 제어의 원리에 관해서, 퓨얼 인덱스 일정 제어와 대비하여 설명한다.
또한, 도 2에는 퓨얼 인덱스 일정 제어 및 프로펠러 토크 일정 제어에 있어서의 주기 회전 속도(N)(도 2a), 퓨얼 인덱스(FI) 또는 주기 토크(Qe)(도 2b), 프로펠러 토크(Qp) 또는 스러스트(도 2c), 토크 계수(Kq)(도 2d)의 시간 변동이 그 평균값을 100%로 하여 나타낸다. 또한, 도 2에서는 0 내지 25초의 구간에 퓨얼 인덱스 일정 제어에 있어서의 각 물리량의 변동이 나타나고, 30 내지 55초의 구간에 프로펠러 토크 일정 제어에 있어서의 각 물리량의 변동이 나타낸다.
유체 밀도(ρ), 프로펠러 직경(D), 목표 회전 속도(No)로 각 물리량을 무차원화할 때, 프로펠러 토크(Qp)는 토크 계수(Kq)와 주기 회전 속도(N)를 사용하여
Figure 112012090141439-pct00001
로 표시된다.
여기에서, 프로펠러 토크(Qp), 토크 계수(Kq), 주기 회전 속도(N)를 각각의 평균값(Qpa, Kqa, Na)과, 변동 성분(ΔQp, ΔKq, ΔN)을 사용하여
Qp=Qpa+ΔQp
Kq=Kqa+ΔKq
N=Na+ΔN
로 표시하고, 수학식 1을 평균값 주위로 선형 근사하면
Figure 112012090141439-pct00002
과 근사할 수 있다.
여기에서 토크 계수의 평균값(Kqa)을 1(100%), 즉 평균 프로펠러 토크(Qpa)를 1(100%)로 할 때, 평균값 주위에 있어서 평균 회전 속도(Na)는 실질적으로 목표 회전 속도(No)(=1)와 동일하기 때문에, 프로펠러 토크 변동 성분(ΔQp)은, 수학식 2로부터
Figure 112012090141439-pct00003
으로 표시된다.
또한, 엔진이나 프로펠러를 포함하는 회전부의 관성 모멘트를 I, 주기 토크를 Qe로 하면, 오일러의 운동 방정식은
Figure 112012090141439-pct00004
가 된다. 여기에서 주기 토크(Qe)를 그 평균값(Qea) 및 변동 성분(ΔQe)으로 분리하고, Qe=Qea+ΔQe로 나타낼 때, Qea는 실질적으로 Qpa와 동일하기 때문에(Qea=Qpa), 수학식 4는
Figure 112012090141439-pct00005
로 표시된다.
(퓨얼 인덱스 일정 제어)
주기 토크(Qe)는 퓨얼 인덱스(FI)에 대략 정비례하고, 계수를 제외하면 실질적으로 퓨얼 인덱스(FI)와 동일하게 둘 수 있기 때문에, 퓨얼 인덱스 일정 제어에서는 ΔQe=0이라고 생각할 수 있다(도 2b좌). 이 때, 수학식 5는
Figure 112012090141439-pct00006
로 표시된다.
여기에서 파도 등의 외란에 의한 부하 변동을 토크 계수(Kq)의 변동(ΔKq)으로서 나타내고, ΔKq에 변동 각속도(ω)의 정현파(도 2d좌)
Figure 112012090141439-pct00007
을 가정하면 (t는 시간), 수학식 3으로부터
Figure 112012090141439-pct00008
이 된다. 이것을 수학식 6에 대입하면 오일러의 운동 방정식은,
Figure 112012090141439-pct00009
가 된다.
여기에서 수학식 9의 정상 해(解)는,
Figure 112012090141439-pct00010
로 표시된다(도 2a좌).
즉, 퓨얼 인덱스 일정 제어에서는 프로펠러에 수학식 7로 표시되는 주기적인 부하 변동이 가해지면, 주기 회전 속도(N)는 관성 모멘트(I)에 따른 위상(θ)의 지연으로 수학식 10과 같이 변동된다. 이 때 프로펠러 토크(Qp) 및 스러스트Th(=Kt·N2, Kt: 추력 계수)는, 수학식 8과 같이 변동하여(도 2c좌), 추진 효율이 저하된다. 또한, 여기에서 추력 계수(Kt)는 오프셋분의 차이를 제외하고 토크 계수(Kq)와 대략 같이(동위상으로) 변동하는 것으로 가정하고 있다.
(프로펠러 토크 일정 제어)
한편, 프로펠러 토크(Qp)가 일정하면, ΔQp=0이며(도 2c우), 이것을 수학식 3에 대입하면
Figure 112012090141439-pct00011
이 얻어진다. 즉 평균값의 주변에서 선형 근사가 성립할 때, 프로펠러 토크(Qp)를 일정하게 하기 위해서는, 주기 회전 속도(N)를 토크 계수(Kq)의 변동(ΔKq)에 맞춰서 목표 회전 속도(No)를 중심으로 수학식 11에 따라서 변동시키면 좋다(도 2a우).
또한, 프로펠러 토크(Qp)가 일정할 때(ΔQp=0일 때), 수학식 5는
dΔN/dt=ΔQe/I
로 표시되고, 주기 토크(Qe)의 변동 성분(ΔQe)은
Figure 112012090141439-pct00012
가 된다.
여기에서 퓨얼 인덱스 일정 제어일 때와 같이, 토크 계수(Kq)에 수학식 7의 주기 변동을 가정할 때(도 2d우), 프로펠러 토크(Qp)를 일정하게 하기 위한 조건은, 수학식 11로부터
ΔN=-A·sin(ωt)/2
가 되고, 주기 회전 속도(N)를 토크 계수의 변동(ΔKq)과는 역위상으로, 1/2의 진폭으로 변동시키면 되는 것을 알 수 있다(도 2a우). 또한, 이것은 수학식 12로부터, 주기 토크(Qe)를 평균값(Qea)의 주위에
Figure 112012090141439-pct00013
으로 변동시키는 것에 대응한다(도 2b우).
상기한 바와 같이, 퓨얼 인덱스(FI)는 주기 토크(Qe)라고 간주할 수 있다. 따라서, 부하 변동이 수학식 7로 주어질 때, 목표 회전 속도(No)에 대응하는 퓨얼 인덱스(FIo)에 수학식 13의 변동을 부가하면, 프로펠러 토크(Qp)는 일정하게 유지된다(도 2c우). 즉, 제 1 실시형태에서는 도 1에 도시하는 바와 같이, 시간 지연 로직(13)에 있어서 실회전 속도(Ne)의 위상을 90°(4분의 1주기) 지연시킨 것을 부(負)귀환시켜, 비례 제어부(14)에서는 변동 각속도(ω)에 대응하는 게인에서의 증폭이 행해진다.
이상과 같이 제 1 실시형태에 의하면, 프로펠러 토크를 일정하게 유지하여 스러스트를 일정하게 유지하고, 부하 변동에 의한 추진 효율의 저하를 방지할 수 있다.
다음에 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태인 선박용 엔진의 제어 장치에 관해서 설명한다. 또한, 도 3은 제 2 실시형태의 선박용 엔진의 제어 장치의 구성을 도시하는 제어 블록도이다.
제 1 실시형태의 선박용 엔진 제어 장치(10)에서는 P제어만을 사용하고, 목표 회전 속도(No)에 대응하는 퓨얼 인덱스(FIo)는 N/FI 변환부(12)를 통해 생성되었다. 그러나, 제 2 실시형태의 선박용 엔진 제어 장치(20)에서는 PI 제어를 사용하고, N/FI 변환부(12)는 사용되지 않는다. 또한, 그 밖의 구성은 제 1 실시형태와 같으며, 같은 구성에 관해서는 동일 참조 부호를 사용하여, 그 설명을 생략한다.
선박용 엔진 제어 장치(20)에서는 목표 회전 속도(No)와 시간 지연 로직(13)을 개재한 실회전 속도(Ne)의 피드백 신호의 편차가 비례+적분 제어부(PI 제어부)(17)에 입력된다. 입력된 편차는 비례+적분 제어부(PI 제어부)(17)에 있어서 각 연산이 시행되어 액추에이터(16)로 출력된다. 또한, 목표 회전 속도(No)에 대응하는 퓨얼 인덱스(FIo)는 비례+적분 제어부(PI 제어부)(17)의 I 연산부에 있어서 생성·유지된다. 이 때, 적분 시정수(時定수數)는 변동 주기의 영향을 받지 않는 약간 긴 시간으로 설정된다.
이상과 같이 제 2 실시형태에 있어서도, 제 1 실시형태와 같이, 프로펠러 토크를 일정하게 유지할 수 있어, 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제 1, 제 2 실시형태에서는 시간 지연 로직을 사용하여 실회전 속도를 지연시켜 피드백을 행하는 동시에, 비례 연산부의 게인을 실회전 속도의 변동 각속도에 대응하여 설정했지만, 실회전 속도에 미분 연산을 시행하여 피드백하는 구성으로 할 수도 있다.
예를 들면 도 4, 5에 미분 연산을 사용하는 제 3 및 제 4 실시형태의 선박용 엔진의 제어 장치(22, 25)의 제어 블록도를 도시한다. 또한, 이하의 설명에서는 제 1, 제 2 실시형태와 같은 구성에 관해서는 동일 참조 부호를 사용하고, 그 설명을 생략한다.
도 4의 제 3 실시형태는 도 1의 제 1 실시형태에 대응하고, 도 5의 제 4 실시형태는 도 3의 제 2 실시형태에 대응한다. 즉, 제 3 실시형태에서는, 목표 회전 속도(No)에 대응하는 퓨얼 인덱스(FIo)는 N/FI 변환부(12)를 통해 생성되고, 실회전 속도(Ne)는 미분 연산 로직(21), 비례 제어부(14)를 개재하여 N/FI 변환부(12)로부터의 퓨얼 인덱스(FIo)로 정(正)귀환된다. 미분 연산 로직(21)에서는 실회전 속도(Ne)에 미분 연산이 시행되고, 비례 제어부(14)에서는 미분 신호가 소정의 게인으로 증폭된다.
한편, 제 4 실시형태에서는 실회전 속도(Ne)는 제 3 실시형태와 같이 미분 연산 로직(21), 비례 제어부(14)를 개재하여 정귀환되는 동시에, 목표 회전 속도(No)의 입력측으로 부귀환되어, 그 편차가 적분 제어부(24)에 입력된다. 즉, 적분 제어부(24)의 적분 시상수는 변동 주기의 영향을 받지 않는 약간 긴 시간으로 설정되어, 목표 회전 속도(No)에 대응하는 퓨얼 인덱스(FIo)는 적분 제어부(24)의 I 연산에 있어서 생성·유지된다. 비례 제어부(14)로부터 출력되는 피드백 신호는 적분 제어부(24)로부터의 신호(FIo)로 정귀환되고, 이들의 합이 액추에이터(16)에 입력된다.
이상과 같이, 제 3, 제 4 실시형태의 구성에 있어서도 제 1, 제 2 실시형태와 같이 프로펠러 토크 일정 제어를 실현할 수 있다.
또한, 제 1 내지 제 4 실시형태의 프로펠러 토크 일정 제어는, 예를 들면, 회전 속도 일정 제어, 퓨얼 인덱스 일정 제어, 출력 일정 제어 등과 병용되고, 해상에 따라 예를 들면 자동 또는 수동으로 선택적으로 전환된다. 프로펠러 토크 일정 제어는 파도 등에 의한 부하 변동이 약 20초 이하(보다 바람직하게는 10초 이하)의 대략 일정한 주기일 때에 적합하고, 예를 들면 그러한 조건에 있어서 선택된다. 또한, 제 1, 제 2 실시형태에 있어서, 시간 지연 로직의 지연 시간을 0으로 하고, 제어부의 비례 게인을 1로 함으로써, 프로펠러 토크 일정 제어를 출력 일정 제어로 전환하는 것도 가능하다.
10, 20, 22, 25 선박용 엔진 제어 장치
11 주기관
12 N/FI 변환부
13 시간 지연 로직
14 비례 제어부
15 주기 산출부
16 액추에이터
17 비례+적분 제어부(PI 제어부)
21 미분 연산 로직
24 적분 제어부

Claims (7)

  1. 목표 회전 속도를 부여하여 퓨얼 인덱스(fuel index)를 출력하는 선박용 엔진 제어 장치로서, 주기관의 실회전 속도의 변동 주기에 대해 10% 내지 30% 지연된 피드백 신호를 귀환하는 동시에, 상기 실회전 속도의 변동 각속도에 비례하여 상기 퓨얼 인덱스를 변동시키는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 신호가 상기 실회전 속도를 시간 지연 로직으로 지연시킨 신호이고, 상기 목표 회전 속도와 상기 피드백 신호의 편차가 상기 변동 각속도에 대응하는 게인이 설정되는 비례 연산부를 개재하여 출력되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 목표 회전 속도에 대응하는 퓨얼 인덱스를 산출하는 목표 회전 속도/퓨얼 인덱스 변환 수단을 구비하고, 상기 비례 연산부로부터의 출력이 상기 목표 회전 속도에 대응하는 퓨얼 인덱스에 가산되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, PI 제어부를 구비하고, 상기 목표 회전 속도와 상기 피드백 신호의 편차가 상기 PI 제어부에 입력되고, 상기 목표 회전 속도에 대응하는 퓨얼 인덱스가 상기 PI 제어부의 I 연산부에서 생성·유지되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 신호가 상기 실회전 속도의 미분 연산에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 선박용 엔진 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
  7. 목표 회전 속도를 부여하여 퓨얼 인덱스를 출력하는 선박용 엔진 제어 방법으로서, 주기관의 실회전 속도의 변동 주기에 대해 10% 내지 30% 지연된 피드백 신호를 귀환하는 동시에, 상기 실회전 속도의 변동 각속도에 비례하여 상기 퓨얼 인덱스를 변동시키는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 방법.
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