WO2010113654A1 - 舶用エンジン制御システム - Google Patents

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宮田淳也
稲見昭一
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1002—Output torque

Definitions

  • the present invention relates to a marine engine control system, and more particularly to a marine engine governor control.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to more quickly estimate the influence of disturbance on the propeller and to modify the governor control based on this to improve fuel efficiency.
  • the marine engine control system of the present invention performs PID control of the fuel injection amount with the rotation speed of the main shaft or main engine as an input, and performs feedforward control for correcting the output from the PID control based on the load torque of the propeller. It is characterized by.
  • the marine engine control system includes load torque detection means for detecting load torque, and the load torque detection means calculates the load torque based on, for example, distortion of the main shaft or based on horsepower and rotation speed.
  • the influence of the disturbance on the propeller can be estimated more quickly, and based on this, the governor control can be modified to improve fuel efficiency.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an entire marine engine control system according to an embodiment of the present invention.
  • the marine engine control system 10 of the present embodiment uses a hull 11, a main engine 12, a main shaft 13, a propeller 14 and the like as a control object S, and fuel is supplied to the main engine 12 from a fuel injection device (actuator) 15 of the control device C.
  • the main shaft 13 connecting the main machine 12 and the propeller 14 is provided with a conventionally known rotation speed (angular speed) sensor (not shown) for detecting the actual rotation speed N E (or angular speed ⁇ E ) of the main shaft 13 or the main machine 12.
  • the main shaft 13, the load torque detecting unit for detecting a load torque Q P of the propeller acting on the main shaft 13 (described later) is provided.
  • Control system 10 which performs PID control spindle speed (or engine speed) as the rotation speed command (target value), the actual rotational speed N E detected in the main shaft 13 is fed back to the input side . That is, the PID operator 16 deviation between the rotation speed command and the actual rotation speed N E is input.
  • the output from the PID calculation unit 16 is output to the fuel injection device 15 as a governor command, and the fuel supply amount to the main engine 12 is adjusted.
  • a signal based on the load torque Q P from the load torque detecting unit is feedforward governor command is corrected to the output side of the PID computing unit 16.
  • the propeller 14 because of the influence due to disturbance waves such, in this embodiment, monitors the load torque Q P, the correction signal corresponding to the change in the load torque Q P generated in the arithmetic unit 17, PID This is added to the governor command output from the calculation unit 16.
  • FIG. 2 is a block diagram in which the control target S is modeled.
  • N E angular velocity ⁇ E
  • I moment of inertia
  • t time
  • Q E the main engine torque
  • the load torque detection unit 20 of the present embodiment includes a strain gauge 21 and a transmitter 22 mounted on the main shaft 13, and a receiver 23 and a measuring instrument 24 disposed on a fixed part on the hull side.
  • a strain measurement value (strain signal) detected by the strain gauge 21 is transmitted to the receiver 23 via the transmitter 22, converted into a torque signal by the measuring instrument 24, and output to the computing unit 17. That is, since the torque is proportional to the strain, the strain measurements of received the arithmetic unit 17 (corresponding to the distorted signal) is multiplied by a predetermined coefficient to calculate the load torque Q P, the arithmetic unit 17 as a torque signal (FIG. 2 ).
  • the load torque detector 30 of the first modification includes a strain gauge 21 attached to the main shaft 13, a slip ring 31 attached around the main shaft 13 and electrically connected to the strain gauge 21, and a brush that is in sliding contact with the slip ring 31. 32 and the measuring instrument 24 connected to the brush 32. That is, the strain signal detected by the strain gauge 21 is sent to the measuring instrument 24 via the slip ring 31 and the brush 32, and converted into a torque signal as in the first embodiment. Further, the torque signal generated in the measuring instrument 24 is output to the calculation unit 17. With the above configuration, the same effect as that of the above embodiment can be obtained also in the first modification.
  • a horsepower meter 41 attached to the main shaft 13 near the propeller 14 is used instead of the strain gauge 21 of the above embodiment and the first modification.
  • a torque calculation unit 42 is used instead of the measuring instrument 24.
  • a horsepower signal from the horsepower meter 41 is sent to the torque calculator 42.
  • the engine speed NE is input from the main machine 12 to the torque calculator 42.
  • Hp (corresponding to substantially transmit horsepower DHP in this modification) is proportional to the rotational speed of the product between the torque, the torque calculation unit 42, horsepower (e.g. DHP) split predetermined coefficient by the engine speed N E (e.g. load torque Q P is obtained by applying a 1 / 2 ⁇ ).
  • the calculated torque value is output to the computing unit 17 as a torque signal.
  • the structure of the 3rd modification of a load torque detection part is demonstrated.
  • the horsepower meter 41 of the second modified example is arranged on the main shaft 13 near the main machine 12, and the other configuration is the same as that of the third modified example.
  • the torque calculator 42 divides the detected horsepower (BHP) by the engine speed N E , the transmission efficiency ⁇ T , and 2 ⁇ . Thus, torque is obtained.
  • the third modification it is possible to obtain substantially the same effects as in the above embodiment and Modifications 1 and 2.
  • the fluctuation of the propeller load torque due to waves or the like is detected, and this is fed forward to the rotation speed-based fuel supply PID control, thereby reducing the influence of the disturbance. It is possible to correct the main engine speed by estimating at an earlier stage. For example, sufficient responsiveness can be exhibited even with a disturbance having a period of about 10 seconds, and fuel consumption can be greatly improved.

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Abstract

　回転数指令と実測された主軸１３または主機１２の回転数ＮＥの偏差をＰＩＤ演算部１６に入力するとともに燃料噴射装置１５から主機１２へ供給される燃料の量をフィードバック制御する。プロペラ１４に掛かる負荷トルクを検知して、ＰＩＤ演算部１６から燃料噴射装置１５に出力されるガバナ指令に修正を加える。

Description

舶用エンジン制御システム
　本発明は、舶用エンジンの制御システムに関し、特に舶用エンジンのガバナ制御に関する。
　舶用エンジンの制御では、設定された目標回転数と実回転数の差がなくなるようにＰＩＤ制御が行われる。しかし、荒天時などには、プロペラによる負荷トルクが急激に変化するため通常の天候の下での航行を想定したゲインによるＰＩＤ制御では、十分な応答性能が得られずオーバースピードによる機関の故障を招く恐れがある。このような問題に対しては、外乱によるプロペラ回転数の変動を予測してＰＩＤ制御のゲインを変更する構成が提案されている（特許文献１）。
特開平８－２００１３１号公報
　しかし、特許文献１のようにＰＩＤゲインを上げる構成では、ハンチングを起こし易くなったり燃費が悪化したりする。近年では、特に燃費向上が強く求められているため特許文献１の構成では十分ではなく、プロペラへの外乱に対してより高い応答性を備えたガバナ制御が求められている。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、プロペラへの外乱の影響をより迅速に推定し、これに基づきガバナ制御に修正を加え燃費の向上を図ることを課題としている。
　本発明の舶用エンジン制御システムは、主軸または主機の回転数を入力として燃料噴射量のＰＩＤ制御を行うとともに、プロペラの負荷トルクに基づき前記ＰＩＤ制御からの出力に修正を加えるフィードフォワード制御を行うことを特徴としている。
　舶用エンジン制御システムは、負荷トルクを検出するための負荷トルク検知手段を備え、負荷トルク検知手段は、例えば主軸の歪みに基づいて、あるいは馬力と回転数に基づいて負荷トルクを算出する。
　本発明によれば、プロペラへの外乱の影響をより迅速に推定し、これに基づきガバナ制御に修正を加え燃費の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態である舶用エンジン制御システムの構成を示すブロック線図である。 制御対象をモデル化したブロック線図である。 本実施形態の負荷トルク検知部の構成を示す模式図である。 負荷トルク検知部の第１変形例の構成を示す模式図である。 負荷トルク検知部の第２変形例の構成を示す模式図である。 負荷トルク検知部の第３変形例の構成を示す模式図である。
　１０　舶用エンジン制御システム
　１１　船体
　１２　主機
　１３　主軸
　１４　プロペラ
　１５　ガバナ
　１６　ＰＩＤ演算部
　１７　演算部
　２０、３０、４０　負荷トルク検知部
　２１　歪ゲージ
　２２　送信機
　２３　受信機
　２４　計測器
　３１　スリップリング
　３２　ブラシ
　４１　馬力計
　４２　トルク計算部
　Ｃ　制御装置
　Ｓ　制御対象
　以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態である舶用エンジン制御システム全体の構成を示すブロック線図である。
　本実施形態の舶用エンジン制御システム１０は、船体１１、主機１２、主軸１３、プロペラ１４などを制御対象Ｓとし、主機１２には、制御装置Ｃの燃料噴射装置（アクチュエータ）１５から燃料が供給される。主機１２とプロペラ１４を連結する主軸１３には、主軸１３または主機１２の実回転数ＮＥ（または角速度ωＥ）を検出する従来周知の回転数（角速度）センサ（不図示）が設けられる。また、主軸１３には、主軸１３に掛かるプロペラの負荷トルクＱＰを検出する負荷トルク検出部（後述）が設けられる。
　制御システム１０は、主軸回転数（あるいはエンジン回転数）を回転数指令（目標値）としてＰＩＤ制御を行うもので、主軸１３において検出された実回転数ＮＥは、入力側へとフィードバックされる。すなわち、ＰＩＤ演算部１６には回転数指令と実回転数ＮＥの間の偏差が入力される。ＰＩＤ演算部１６からの出力は、ガバナ指令として燃料噴射装置１５へ出力され、主機１２への燃料供給量が調整される。
　更に、本実施形態では、負荷トルク検出部からの負荷トルクＱＰに基づく信号がＰＩＤ演算部１６の出力側へとフィードフォワードされてガバナ指令が修正される。すなわち、プロペラ１４には、波浪等の外乱による影響があるため、本実施形態では、負荷トルクＱＰをモニタし、負荷トルクＱＰの変動に対応した修正信号を演算部１７において生成し、ＰＩＤ演算部１６から出力されるガバナ指令に付加する。
　すなわち本実施形態では、負荷トルクＱＰが主軸回転数ＮＥ（角速度ωＥ）の時間微分に比例することから、負荷トルクＱＰをモニタすることにより波浪による外乱が主軸回転数ＮＥに大きく影響する前に外乱の影響を検知して出力に修正を加え、外乱による影響を低減している。
　図２は制御対象Ｓをモデル化したブロック線図である。図２を参照して、負荷トルクのフィードフォワードによる効果について説明する。図２に示されるように、プロペラ周りの流体のプロペラへの流入速度（プロペラ流入速度）は、船速と波浪による流速とを加え合わせたもので、負荷トルクＱＰは、プロペラ流入速度とプロペラ回転数（主軸回転数）を入力としてプロペラのトルク特性に基づいて決定される。また、主軸１３には、主機１２による主機トルクＱＥから負荷トルクＱＰを差し引いたトルクＱＥ－ＱＰが作用する。
　主軸１３の回転数ＮＥ（角速度ωＥ）は、慣性モーメントをＩ、時間をｔ、主機トルクをＱＥとすると、ＮＥ＝∫［（ＱＥ－ＱＰ）／Ｉ］ｄｔとなる。すなわち、回転数ＮＥは、トルクを積分（１／ｓ）したものなのでトルク変動のほうが回転数の変化よりも外乱に対する応答性が高い。したがって、負荷トルクＱＰをモニタしてフィードフォワード制御を行うことにより波浪（外乱）の影響をより有効に低減できる。
　次に図３を参照して、本実施形態の負荷トルク検知部の構成について説明する。本実施形態の負荷トルク検知部２０は、主軸１３に装着された歪ゲージ２１および送信機２２と、船体側の固定部に配置された受信機２３および計測器２４から構成される。歪ゲージ２１において検出された歪の測定値（歪信号）は、送信機２２を介して受信機２３に送信され、計測器２４において、トルク信号に変換され演算部１７へと出力される。すなわち、トルクは歪に比例するため、演算部１７では受信した歪の測定値（歪信号に対応）に所定の係数を掛けて負荷トルクＱＰを算出し、トルク信号として演算部１７（図２）へ出力する。
　次に図４を参照して、本実施形態の負荷トルク検知部２０の第１変形例の構成について説明する。第１変形例の負荷トルク検知部３０は、主軸１３に装着された歪ゲージ２１、主軸１３の周囲に装着され歪ゲージ２１に電気的に接続されたスリップリング３１、スリップリング３１と摺接するブラシ３２、ブラシ３２に接続された計測器２４から構成される。すなわち、歪ゲージ２１において検出された歪信号は、スリップリング３１、ブラシ３２を介して計測器２４に送られ、第１実施形態と同様にトルク信号に変換される。また計測器２４において生成されたトルク信号は、演算部１７へと出力される。以上の構成により第１変形例においても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
　次に図５を参照して、負荷トルク検知部の第２変形例の構成について説明する。第２変形例の負荷トルク検知部４０では、上記実施形態、第１変形例の歪ゲージ２１に替えてプロペラ１４近くの主軸１３に装着された馬力計４１が用いられる。また、第２変形例では計測器２４に替えてトルク計算部４２が用いられる。
　第２変形例においては、馬力計４１からの馬力信号がトルク計算部４２に送られる。トルク計算部４２には、馬力計４１からの馬力信号のほか主機１２からエンジン回転数ＮＥが入力される。馬力（本変形例では略伝達馬力ＤＨＰに対応）は、トルクと回転数の積に比例するため、トルク計算部４２では、馬力（例えばＤＨＰ）をエンジン回転数ＮＥで割り所定の係数（例えば１／２π）を掛けることにより負荷トルクＱＰが求められる。算出されたトルクの値はトルク信号として演算部１７へ出力される。
　次に図６を参照して、負荷トルク検知部の第３変形例の構成について説明する。第３変形例は、第２変形例の馬力計４１を主機１２近くの主軸１３に配置したもので、その他の構成は第３変形例と同様である。第３変形例では、検出される馬力が略制動馬力ＢＨＰに対応するため、トルク計算部４２では、検出された馬力（ＢＨＰ）をエンジン回転数ＮＥ、伝達効率ηＴ、および２πで割ることによりトルクが求められる。以上のように第３変形例においても、上記実施形態および変形例１、２と略同様の効果を得ることができる。
　以上のように、本実施形態の構成によれば、波浪等（外乱）によるプロペラ負荷トルクの変動を検知し、これを回転数ベースの燃料供給ＰＩＤ制御にフィードフォワードすることにより、外乱の影響をより早い段階で推測して主機回転数の修正を行うことが可能となり、例えば１０秒程の周期の外乱に対しても十分な応答性を示し、燃費を大きく改善することができる。
 

Claims (4)

  1. 　主軸または主機の回転数を入力として燃料噴射量のＰＩＤ制御を行うとともに、プロペラの負荷トルクに基づき前記ＰＩＤ制御からの出力に修正を加えるフィードフォワード制御を行うことを特徴とする舶用エンジン制御システム。
  2. 　前記負荷トルクを検出するための負荷トルク検知手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の舶用エンジン制御システム。
  3. 　前記負荷トルク検知手段が、前記主軸の歪みに基づいて負荷トルクを算出することを特徴とする請求項２に記載の舶用エンジン制御システム。
  4. 　前記負荷トルク検知手段が、馬力と前記回転数に基づいて負荷トルクを算出することを特徴とする請求項２に記載の舶用エンジン制御システム。
     
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