(57)【要約】【課題】  燃料の過剰供給を抑制し完全燃焼を行わせることができる舶用エンジンの回転数制御方法を提供する。【解決手段】  船体のピッチングの大きさに基づき航行時の外乱の有無およびその性状について判断し、外乱がないと判断した場合には通常の制御特性によって回転数が目標回転数になるように制御し、外乱が周期性であると判断した場合には、例えばＰＩＤ制御の場合は比例ゲインを操作し許容される回転数変動及びトルク変動の範囲でエンジンを運転する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガバナによって燃料噴射量を制御する舶用エンジンの回転数制御方法において、船体のピッチングの大きさに基づき航行時の外乱が周期性か否かを判断し、外乱が小さく周期性でもないと判断した場合には応答性を重視した比例ゲインを有する制御方式によって回転数が目標回転数になるように制御し、外乱が周期性であると判断した場合には、比例ゲインを操作し許容される回転数変動及びトルク変動の範囲で制御を行うことを特徴とする舶用エンジンの回転数制御方法。
【請求項２】
ガバナによって燃料噴射量を制御する舶用エンジンの回転数制御方法において、船体のピッチングの大きさに基づき航行時の外乱が周期性か否かを判断し、外乱が小さく周期性でもないと判断した場合には応答性を重視した比例項を有する制御方式によって回転数が目標回転数になるように制御し、外乱が周期性であると判断した場合には、前記制御方式における比例項の変動幅よりも狭い値を周期性外乱時の比例項の変動幅と定めて制御を行うことを特徴とする舶用エンジンの回転数制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の舶用エンジンの回転数制御方法において、前記ガバナは電気式または機械式制御回路を備えることを特徴とする舶用エンジンの回転数制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの回転数を一定にするガバナを備えた舶用エンジンの回転数制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、海象に応じて選択可能な３つの制御モードが記載されている。第１制御モードは、主機関の実回転速度（回転数）を目標回転速度（回転数）に維持する回転速度制御、第２制御モードは、主機関の出力を目標値に維持する出力制御、第３制御モードは、燃料噴射量（フューエルインデックス）を目標値に維持するフューエルインデックス制御である。また、何れの制御モードを行う場合でも、制御の対象は回転速度である。
【０００３】
特許文献２には、燃費向上を目的とした舶用エンジン制御方法として、目標回転数が所定の回転数範囲（例えば船舶が外洋を航海するときに設定される回転数の最低値以上且つ過回転数以下）か否かを判断し、所定の範囲内にあると判断した場合にはガバナオフ条件（切り替えスイッチがオフに切り替えられている場合を含む）が成立しているか否かを判断し、成立していない場合には回転数調整を実行する内容が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７５０８８１号公報
【特許文献２】特開２００８−０４５４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に示すように、舶用エンジンの回転数制御は目標回転数を定め、この目標回転数と実際の回転数との偏差に応じガバナを操作して、目標回転数を保持するよう、エンジンへの供給燃料をＰＩＤなどの制御で加減するようにしている。
【０００６】
一方、船舶が航行する場合、波浪などに起因する外乱を受けると、ピッチングによって船体が前後に上下動しエンジンに直結するプロペラの水深が変化する。水深が深くなるとプロペラトルクが大きくなりエンジン出力を上回ってエンジン回転数が低下し、逆にプロペラの水深が浅くなるとエンジン回転数が目標回転数よりも高くなってしまう。
【０００７】
ここで、船舶に作用する外乱には、比較的穏やかな海面を航行する場合の波浪による周期性外乱と、荒天の場合の非周期性外乱があり、従来の制御では、外乱の有無、周期性或は非周期性外乱の区別なく、一律の制御特性により回転数制御を行っており、燃料消費量の増加・黒煙などの有害物質の排出・エンジン内部の汚れ等々の問題につながっている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
非周期的外乱の場合にエンジン回転数を制御しないと、オーバースピード、オーバーロードとなって航行が不安定になり、燃費の損失も大きくなる。
一方、周期性外乱の場合は、回転数は、常時一定となるような厳密な制御を行わなくても一定の幅内に収まっており、一定値を厳格に保持するため敏感な回転数の制御を繰り返すと、特に回転数を上げるためガバナによって供給燃料量を多くする場合に、燃料噴射量が燃焼可能量を上回り、不完全燃焼となって、却って燃費が悪くなる傾向があること、これが黒煙等有害物質の排出、さらにはエンジン内部の汚れにつながることを本発明者は知見した。
【０００９】
上記の知見に基づき本発明をなしたものであり、本発明はガバナによって燃料噴射量を制御する舶用エンジンの回転数制御方法において、船体のピッチングの大きさに基づき航行時の外乱の有無およびその性状について判断し、外乱がないと判断した場合には通常の制御特性によって回転数が目標回転数になるように制御し、外乱が周期性であると判断した場合には、例えばＰＩＤ制御の場合は比例ゲインを操作し許容される回転数変動及びトルク変動の範囲でエンジンを運転するようにした。
【００１０】
上記ＰＩＤ制御は、目標回転数をｎr、実回転数をｎとするとき、
ＫP（ｎr−ｎ）＋ＫI∫（ｎr−ｎ）dt＋ＫDd/dt（ｎr−ｎ）
で表される。制御方式にはこのＰＩＤ制御の他に比例項と積分項からなるＰＩ制御、比例項と微分項からなるＰＤ制御なども用いられる。
本発明にあっては、周期性外乱と判断した場合には、制御方式の感度を代表する項、上記では比例項であるＫP（ｎr−ｎ）のゲインＫPのみを操作する。
【００１１】
本発明に係る制御方法は、電気式制御回路を有するガバナに有利ではあるが、機械式ガバナであっても出力リンク機構の動きを制御することで、本発明方法を適用することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る舶用エンジンの回転数制御方法によれば、通常航行時の周期的外乱が船体に加わった場合に、回転数変動及びトルク変動が所定の範囲内であれば、必要以上に細かな制御を行わないことで、燃料の過剰供給を抑制することができる。その結果、燃費が向上するのみならず、黒煙などの有害物質の排出を抑えることが出来る。また、燃料の未燃分によるエンジン内部の汚れも少なくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る舶用エンジンの回転数制御方法を適用するシミュレーションモデルの概要を示す図。
【図２】同制御方法のフローチャート。
【図３】図２の省エネモードの詳細を示すフローチャート。
【図４】周期性外乱時の運転時間と回転数を示すグラフであり、（ａ）は従来の制御方法を適用した場合、（ｂ）は本発明の制御方法を適用した場合を示す。
【図５】周期性外乱時の運転時間と燃料噴射量を示すグラフであり、（ａ）は従来の制御方法を適用した場合、（ｂ）は本発明の制御方法を適用した場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示すように、目標回転数をガバナに設定すると、ガバナはエンジンに対し目標回転数に応じた量の燃料を噴射するため、燃料噴射弁を開く期間（燃料噴射期間）を調整する。このときガバナゲイン調整器は応答特性などの制御特性を調整する。
【００１５】
エンジンの回転数は回転系において計測され、この計測値はガバナにフィードバックされ目標回転数（ｎr）と実際の回転数（ｎ）との差をなくすようにガバナ出力すなわち燃料噴射期間が調整される。
【００１６】
また、エンジンの回転はプロペラに伝えられ、プロペラが回転することで、その反力がプロペラトルクとしてエンジンの発生するトルクと拮抗し、エンジンおよびプロペラからなる回転系の回転数が定まる。
【００１７】
また、航行時には波浪などによって船体に外乱が加わり、ピッチングなどの船体運動を引き起こす。この結果プロペラの水深が変化し、プロペラトルクも変化することとなり更にはエンジンの回転数も変化する。また外乱によって船速も変化する。
【００１８】
上記のように、外乱によってエンジン回転数が変化するため、ガバナはＰＩＤ制御などによって出力を調整し、回転数を目標回転数に近づけるための制御を行う。具体的には以下の制御を行う。
【００１９】
図２に示すように、先ずは通常のＰＩＤ制御、即ちエンジン回転数を一定に維持する高ゲインによる回転数制御で航行を開始し、外乱が無ければその状態を維持するが、海象の変化により外乱を受けるようになったとき、船体に加わる外乱が周期性外乱か否かを判断する。
【００２０】
外乱の有無および周期性外乱か否かの判断はピッチングの大きさによって判断する。すなわり、外乱が無しの場合は前記したようにその状態を維持し、外乱が周期性外乱であると判断した場合には、省エネモードでエンジンを回転させ、外乱が周期性外乱でないと判断した場合、即ち、プロペラが水面上に突出するような危険外乱と判断した場合には、通常の制御特性による制御のままで目標回転数を影響の無い範囲まで下げる。
【００２１】
省エネモードでは図３に示すように、比例ゲインＫPを徐々に小さくして行く。この実施例では、回転数変動とトルク変動が所定の範囲内であれば前回のゲインＫPに０．９をかけて今回の比例ゲインＫPとする制御を行い、回転数変動とトルク変動の少なくとも一方が所定の範囲を超えた場合には、前回のゲインＫPを０．９で割って今回の比例ゲインＫPとする制御を行い、回転数変動とトルク変動が共に所定の範囲を超えない場合には再び比例ゲインＫPを徐々に小さくして行く制御に戻り、ＫPがＫPの初期値ＫPOを超えた場合には省エネモードを終了する。
【００２２】
図３では、回転数変動とトルク変動の少なくとも一方が所定の範囲を超えない範囲で、比例ゲインＫPを徐々に小さくしていく方式としたが、省エネモードにおける比例ゲインＫPの値を通常制御のままとし、比例項ＫP（ｎr−ｎ）の変化幅を縮小或いは拡大させ制御することも可能である。
【００２３】
そして、省エネモードが終了したならば再び図２に戻り、回転数とトルクを測定し、回転数変動またはトルク変動の少なくとも一方が所定値よりも小さければ、再度外乱の有無および周期性外乱か否かを判断し、外乱が無ければ通常のＰＩＤ制御を行い、周期性外乱と判断した場合には省エネモードに移行する。
【００２４】
また回転数変動及びトルク変動の両方が所定値よりも大きい場合には荒天航行モードに移行する。この荒天航行モードではオーバースピード及びオーバーロードを避けるため、目標回転数を下げ、許容される運転条件で運転する。
【００２５】
荒天航行モードでは一定間隔ごとに回転数変動とトルク変動を測定し、これら回転数変動またはトルク変動が所定値以下となった場合には、外乱が周期性か否かを判断し、周期性と判断した場合には省エネモードで運転し、周期性でないと判断した場合にはＫP値が高い通常の制御に戻る。
【００２６】
図４は周期性外乱時の運転時間と回転数を示すグラフであり、（ａ）は従来の制御方法を適用した場合、（ｂ）は本発明の制御方法を適用した場合を示す。
この図４から比例ゲインＫPを高く設定した従来法は、比例ゲインＫPを低く設定した本発明方法での制御よりも回転数の変動幅が小さいことが分かる。
【００２７】
一方、図５は図４と同時に行った周期性外乱時の運転時間と燃料噴射量を示すグラフであり、（ａ）は従来の制御方法を適用した場合、（ｂ）は本発明の制御方法を適用した場合を示す。
この図５から比例ゲインＫPを高く設定した従来法は、比例ゲインＫPを低く設定した本発明方法での制御よりも１回の燃料噴射量の上下の幅が大きくしかも変化の中心が上方ずれていることが分かる。
【００２８】
また、以下の表１はトルク変動が１０〜２５％の範囲での、比例ゲインＫPを高く設定した従来法と比例ゲインＫPを低く設定した本発明方法の燃料節約％を比較したものである。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
図５の燃料噴射量はトルクと同等であり、このことからプロペラトルクの変動幅が大きいほど、比例ゲインＫPを低く設定した本発明方法の方が燃費向上に有利であることが分かる。
【００３１】
即ち、比例ゲインＫPを低く設定することで過剰な燃料供給を抑制することができ、これによって不完全燃焼が防止され、その結果燃費向上が達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る舶用エンジンの回転数制御方法は、電気式或は機械式のガバナを備えた船舶であれば、商船やフェリーに限らず漁船などあらゆる船舶に適用することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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