(57)【要約】【課題】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等を提供すること。【解決手段】エンジンへ１の空気量Ｇａを算出するための状態初期値を設定し、船舶のプロペラを駆動するエンジンの回転数ｎｅをセンサ値として検出して実海域の外乱を考慮した負荷を推定するプロペラモデルと連係したエンジン状態観測器１５のエンジンモデルに入力し、エンジンモデルでエンジンの回転数ｎｅと負荷に基づいて燃料量Ｇｆを求め、状態初期値とセンサ値より得られるエンジンモデルの観測パラメータに基づいてエンジン１への空気量Ｇａを求め、燃料量Ｇｆとエンジン１への空気量Ｇａとにより空気過剰率λを推定し、推定した空気過剰率λが運転初期の値よりも下がった場合に、空気過剰率λを回復するように少なくとも排気弁６の排気弁開度ＥＶＣを制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、前記エンジンへの空気量を算出するための状態初期値を設定し、船舶のプロペラを駆動する前記エンジンの回転数をセンサ値として検出して実海域の外乱を考慮した負荷を推定するプロペラモデルと連係した前記エンジン状態観測器の前記エンジンモデルに入力し、前記エンジンモデルで前記エンジンの前記回転数と前記負荷に基づいて燃料量を求め、前記状態初期値と前記センサ値より得られる前記エンジンモデルの観測パラメータ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空気量とにより空気過剰率を推定し、推定した前記空気過剰率が運転初期の値よりも下がった場合に、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。
【請求項２】
前記状態初期値として前記エンジンの前記回転数と、過給機の過給機回転数と、掃気圧力と、排気温度と、排気圧力を設定して前記エンジン状態観測器の前記エンジンモデルに入力し、さらに前記センサ値として検出した燃料ポンプラック値を用いて前記エンジンモデルで前記観測パラメータとしての前記負荷を推定し、推定した前記負荷から前記排気弁開度の制御信号に乗算するゲインを計算して前記排気弁開度を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項３】
前記空気過剰率が運転初期の値よりも下がった場合に、前記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前記空気過剰率を回復することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項４】
前記空気過剰率が運転初期の値よりも下がった場合に、前記空気過剰率を回復するよう前記燃料量を調節する前記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１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項５】
前記燃料調節手段により調節される前記燃料量と、前記排気弁のリフト量及び／又は前記動作タイミングを前記センサ値として検出して前記エンジン状態観測器の前記エンジンモデルに入力し、前記空気過剰率の推定に利用することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項６】
前記状態初期値と、時刻ｋにおいて検出して入力した前記エンジンの前記回転数と、前記燃料ポンプラック値と、前記排気弁の前記排気弁開度又は前記動作タイミングを用いて、前記エンジンモデルで、前記空気過剰率及び前記負荷を推定することを特徴とする請求項２又は請求項２を引用する請求項３から請求項５のいずれか１項に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項７】
前記空気過剰率の推定結果により前記排気弁の前記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、前記排気弁の前記排気弁開度又は前記動作タイミングを用いて、前記エンジンモデルで前記空気過剰率及び前記負荷を推定するための前記エンジンモデルの前記観測パラメータとしての前記エンジンの前記回転数、前記過給機回転数、前記掃気圧力、前記排気温度、及び前記排気圧力を更新することを特徴とする請求項６に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項８】
前記観測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、特定の前記エンジンに合う前記エンジンモデルとして非線形モデルを設定するためのエンジンモデルパラメータを更新し、更新した前記エンジンモデルパラメータに基づいて前記観測パラメータの推定を行うことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項９】
前記エンジン状態観測器における前記空気過剰率及び前記負荷の推定には、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６から請求項８のいずれか１項に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項１０】
前記状態初期値の設定状況に基づいて前記拡張カルマンフィルター又は前記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に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項１１】
前記拡張カルマンフィルター又は前記アンセンテッドカルマンフィルターを予め選択し、前記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９に記載のエンジン状態観測器を用いたエンジン制御方法。
【請求項１２】
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プログラムであって、
コンピュータに、前記エンジンへの空気量を算出するための入力された状態初期値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前記回転数をセンサ値として取得するセンサ値取得ステップと、前記状態初期値と前記センサ値を実海域の外乱を考慮した負荷を推定するプロペラモデルと連係した前記エンジンモデルに入力し、前記エンジンモデルで前記エンジンの前記回転数と前記負荷に基づいて燃料量を求め、前記状態初期値と前記センサ値より得られる前記エンジンモデルの観測パラメータ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により少なくとも前記空気過剰率を推定する空気過剰率推定ステップと、前記空気過剰率の推定結果に基づいて前記空気過剰率が運転初期の値よりも下がった場合に、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。
【請求項１３】
前記空気過剰率推定ステップにおける前記空気過剰率の推定結果により、前記制御ステップで前記排気弁の前記排気弁開度を制御し、時刻ｋ+１における前記センサ値として取得した前記エンジンの前記回転数と、燃料ポンプラック値と、前記排気弁の前記排気弁開度又は前記動作タイミングを用いて、前記エンジンモデルで前記空気過剰率及び前記負荷を推定するための前記時刻ｋにおける前記エンジンモデルの観測パラメータを更新する観測パラメータ更新ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１２に記載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。
【請求項１４】
前記空気過剰率推定ステップにおける前記観測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、特定の前記エンジンに合う前記エンジンモデルである非線形モデルを設定するための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、更新した前記エンジンモデルパラメータに基づいて前記観測パラメータの推定を行うことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載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。
【請求項１５】
前記空気過剰率推定ステップにおいて、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１２から請求項１４のいずれか１項に記載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。
【請求項１６】
前記状態初期値の設定状況に基づいて前記拡張カルマンフィルター又は前記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１５に記載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。
【請求項１７】
請求項１２から請求項１６のいずれか１項に記載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を利用したエンジン制御装置であって、前記エンジン状態観測器を含むコンピュータと、前記エンジンモデルの前記状態初期値を入力する入力手段と、前記エンジンの前記回転数を前記センサ値として取得するセンサ値取得手段と、少なくとも前記排気弁の前記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エンジン状態観測器を用いたエンジン制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４８９４６号公報
【特許文献２】特開２００６−３３６６４５号公報
【特許文献３】特開２０１７−８２６６２号公報
【特許文献４】特開２００２−１２９９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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であって、エンジンへの空気量を算出するための状態初期値を設定し、船舶のプロペラを駆動するエンジンの回転数をセンサ値として検出して実海域の外乱を考慮した負荷を推定するプロペラモデルと連係したエンジン状態観測器のエンジンモデルに入力し、エンジンモデルでエンジンの回転数と負荷に基づいて燃料量を求め、状態初期値とセンサ値より得られるエンジンモデルの観測パラメータ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により空気過剰率を推定し、推定した空気過剰率が運転初期の値よりも下がった場合に、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。
【００１０】
請求項２記載の本発明は、状態初期値としてエンジンの回転数と、過給機の過給機回転数と、掃気圧力と、排気温度と、排気圧力を設定してエンジン状態観測器のエンジンモデルに入力し、さらにセンサ値として検出した燃料ポンプラック値を用いてエンジンモデルで観測パラメータとしての負荷を推定し、推定した負荷から排気弁開度の制御信号に乗算するゲインを計算して排気弁開度を制御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、空気過剰率に加えてエンジンの負荷も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、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
【００１１】
請求項３記載の本発明は、空気過剰率が運転初期の値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３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。
【００１２】
請求項４記載の本発明は、空気過剰率が運転初期の値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４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。
【００１３】
請求項５記載の本発明は、燃料調節手段により調節される燃料量と、排気弁のリフト量及び／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、空気過剰率の推定に利用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、空気過剰率の推定精度を高めることができる。
【００１４】
請求項６記載の本発明は、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、エンジンモデルで、空気過剰率及び負荷を推定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、空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００１５】
請求項７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、エンジンモデルで空気過剰率及び負荷を推定するためのエンジンモデルの観測パラメータとしてのエンジンの回転数、過給機回転数、掃気圧力、排気温度、及び排気圧力を更新することを特徴とする。
請求項７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負荷の推定精度を高めることができる。
【００１６】
請求項８記載の本発明は、観測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非線形モデルを設定するため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観測パラメータの推定を行うことを特徴とする。
請求項８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、誤差を小さくして観測パラメータの推定精度を高めることができる。
【００１７】
請求項９記載の本発明は、エンジン状態観測器における空気過剰率及び負荷の推定には、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９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、空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００１８】
請求項１０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１０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、空気過剰率及び負荷の推定を的確に行うことができる。
【００１９】
請求項１１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１１に記載の本発明によれば、空気過剰率及び負荷の推定を迅速に行うことができる。
【００２０】
請求項１２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プログラムであって、コンピュータに、エンジンへの空気量を算出するための入力された状態初期値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、状態初期値とセンサ値を実海域の外乱を考慮した負荷を推定するプロペラモデルと連係したエンジンモデルに入力し、エンジンモデルでエンジンの回転数と負荷に基づいて燃料量を求め、状態初期値とセンサ値より得られるエンジンモデルの観測パラメータ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により少なくとも空気過剰率を推定する空気過剰率状態推定ステップと、空気過剰率の推定結果に基づいて空気過剰率が運転初期の値よりも下がった場合に、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制御ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項１２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。
【００２１】
請求項１３記載の本発明は、空気過剰率推定ステップにおける空気過剰率の推定結果により、制御ステップで排気弁の排気弁開度を制御し、時刻ｋ+１におけるセンサ値として取得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、エンジンモデルで空気過剰率及び負荷を推定するための時刻ｋにおけるエンジンモデルの観測パラメータを更新する観測パラメータ更新ステップをさらに備えたことを特徴とする。
請求項１３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負荷の推定精度を高めることができる。
【００２２】
請求項１４記載の本発明は、空気過剰率推定ステップにおける観測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である非線形モデルを設定するための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観測パラメータの推定を行うことを特徴とする。
請求項１４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、誤差を小さくして観測パラメータの推定精度を高めることができる。
【００２３】
請求項１５記載の本発明は、空気過剰率推定ステップにおいて、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１５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、空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００２４】
請求項１６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１６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、空気過剰率及び負荷の推定を的確に行うことができる。
【００２５】
請求項１７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た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、エンジンモデルの状態初期値を入力する入力手段と、エンジンの回転数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１７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。
【発明の効果】
【００２６】
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。
【００２７】
また、状態初期値としてエンジンの回転数と、過給機の過給機回転数と、掃気圧力と、排気温度と、排気圧力を設定してエンジン状態観測器のエンジンモデルに入力し、さらにセンサ値として検出した燃料ポンプラック値を用いてエンジンモデルで観測パラメータとしての負荷を推定し、推定した負荷から排気弁開度の制御信号に乗算するゲインを計算して排気弁開度を制御する場合には、空気過剰率に加えてエンジンの負荷も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、さらにエンジン性能を最大効率に維持しやすくなる。
【００２８】
また、空気過剰率が運転初期の値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。
【００２９】
また、空気過剰率が運転初期の値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。
【００３０】
また、燃料調節手段により調節される燃料量と、排気弁のリフト量及び／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、空気過剰率の推定に利用する場合には、空気過剰率の推定精度を高めることができる。
【００３１】
また、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、エンジンモデルで、空気過剰率及び負荷を推定する場合には、空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００３２】
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、エンジンモデルで空気過剰率及び負荷を推定するためのエンジンモデルの観測パラメータとしてのエンジンの回転数、過給機回転数、掃気圧力、排気温度、及び排気圧力を更新する場合には、最新の観測パラメータを用いることで空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００３３】
また、観測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非線形モデルを設定するため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観測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、誤差を小さくして観測パラメータの推定精度を高めることができる。
【００３４】
また、エンジン状態観測器における空気過剰率及び負荷の推定には、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、空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００３５】
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、空気過剰率及び負荷の推定を的確に行うことができる。
【００３６】
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、空気過剰率及び負荷の推定を迅速に行うことができる。
【００３７】
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。
【００３８】
また、空気過剰率ステップにおける空気過剰率の推定結果により、制御ステップで排気弁の排気弁開度を制御し、時刻ｋ+１におけるセンサ値として取得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、エンジンモデルで空気過剰率及び負荷を推定するための時刻ｋにおけるエンジンモデルの観測パラメータを更新する観測パラメータ更新ステップをさらに備えた場合には、最新の観測パラメータを用いることで空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００３９】
また、空気過剰率推定ステップにおける観測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である非線形モデルを設定するための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観測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、誤差を小さくして観測パラメータの推定精度を高めることができる。
【００４０】
また、空気過剰率推定ステップにおいて、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、空気過剰率及び負荷の推定精度を高めることができる。
【００４１】
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、空気過剰率及び負荷の推定を的確に行うことができる。
【００４２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】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
【図２】同エンジン状態観測器を用いた制御の概念図
【図３】同エンジン、制御部及び負荷の構成及び関係を示す構成図
【図４】同排気弁の制御系の機能ブロック図
【図５】同排気弁開度と空気過剰率との関係を示す図
【図６】同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
【図７】同エンジン状態の推定方法を示すフローチャート
【図８】同エンジン状態の推定誤差を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【数１】
2020186730.tif 000003
ここで、λは空気過剰率、Ｇａは空気量、Ｇｆは燃料量、ＥＶＣは排気弁開度、ｎｔｃは過給機回転数、ｐｓは掃気圧力、Ｔｅは排気温度、Ｐeは排気圧力、ｎｅはエンジン回転数、ｈｐは燃料ポンプラックである。
【００６２】
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。
【数２】
2020186730.tif 000004
ここで、Ａｉ，Ｂｉはエンジンダイナミクスの非線形関数、ＳＡｉ，ＳＢｉは特定のエンジンに対するエンジンモデルパラメータの設定値である。
【００６３】
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。
【数３】
2020186730.tif 000005
【００６４】
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。
【数４】
2020186730.tif 000006
【００６５】
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。
【００６６】
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観測パラメータを推定し、空気過剰率λを推定する（エンジン状態推定ステップＳ１２）。推定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。
【００６７】
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推定した後、推定結果に基づいて、エンジンモデルの観測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観測パラメータの更新を繰り返し行う。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
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。
【符号の説明】
【００７１】
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
【図１】
2020186730.tif 000007
【図２】
2020186730.tif 000008
【図３】
2020186730.tif 000009
【図４】
2020186730.tif 000010
【図５】
2020186730.tif 000011
【図６】
2020186730.tif 000012
【図７】
2020186730.tif 000013
【図８】
2020186730.tif 000014