(57)【要約】【課題】レシプロエンジンによる脈動の影響が除去された回転数を高い精度で算出する。【解決手段】低速レシプロエンジン１１を設定回転数に維持する燃料供給制御を行う。制御システム１０は、クランクシャフト１２に取り付けられたフライホイール２４の周縁部に設けられた歯をクランク角センサ２６で検知しパルス信号を発生する。回転数計算部２８では、パルス信号から角速度を算出し、クランクの位相角、現回転数、燃料噴射量に対応した補正係数を記憶部３１から取得し、慣性変動および爆発変動の影響が除去された回転数を算出し操作量計算部２９へと出力する。操作量計算部２９は、回転数に応じた操作量を計算し、燃料ポンプ３０に出力するとともに、回転数計算部２８へフィードバックする。燃料ポンプ３０は、操作量に応じた燃料を燃料噴射ノズル１８を通して燃焼室１９へと供給する。【選択図】図１
2011033003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク１回転に付き複数の信号を生成し、前記複数の信号に基づいてレシプロエンジンの実回転数を算出する回転数算出装置であって、前記実回転数を算出する際に、前記複数の信号に含まれる前記レシプロエンジンの爆発変動成分をクランク位相角、回転数、および燃料噴射量に対応して除去する変動成分除去手段を備えることを特徴とするレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項２】
前記複数の信号が、一定クランク角毎に生成され、前記複数の信号に基づき算出される角速度に前記クランク位相角に対応した補正係数を演算することにより前記爆発変動成分を除去することを特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項３】
前記変動成分除去手段が、算出される前記回転数から更に慣性変動成分をクランク位相角に対応して除去することを特徴とする請求項２に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項４】
前記補正係数が、前記爆発変動成分の他、前記慣性変動成分を除去する値に設定されることを特徴とする請求項３に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項５】
前記位相角、前記回転数、前記燃料噴射量から角速度を推定し、前記補正係数が推定される前記角速度に基づいて求められることを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項６】
前記補正係数が、推定される前記角速度をその平均値が１となるように規格した規格化推定角速度の逆数であることを特徴とする請求項５に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項７】
前記角速度の推定に用いられる回転数が、前記複数の信号に基づき算出される角速度の移動平均値、または１次遅れフィルタを施した値の何れかを用いて求められることを特徴とする請求項６に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項８】
クランク１回転に付き複数の信号を生成し、前記複数の信号に基づいてレシプロエンジンの実回転数を算出する回転数算出装置であって、前記実回転数を算出する際に、前記複数の信号に含まれる前記レシプロエンジンの慣性変動成分をクランク位相角に対応して除去する変動成分除去手段を備えることを特徴とするレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項９】
前記クランクの１回転に掛かる時間が一定のとき、前記複数の信号が、前記慣性変動に対応して一定の時間間隔で生成されるように構成されたことを特徴とする請求項８に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項１０】
前記複数の信号が、前記クランクと一体的に回転する回転体の周方向に沿って設けられた複数の被検出部をセンサで検出することにより生成され、前記クランクの１回転に掛かる時間が一定のとき、前記複数の信号が一定の時間間隔で生成されるように、前記被検出部が前記慣性変動に対応した不等間隔のピッチで配列されることを特徴とする請求項９に記載のレシプロエンジンの回転数算出装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の回転数算出装置を備えたことを特徴とするレシプロエンジン制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレシプロエンジン制御装置を備えたことを特徴とする船舶。
【請求項１３】
クランク１回転に付き複数の信号を生成し、前記複数の信号に基づいてレシプロエンジンの実回転数を算出する回転数算出方法であって、前記実回転数を算出する際に、前記複数の信号に含まれる前記レシプロエンジンの爆発変動成分をクランク位相角、回転数、および燃料噴射量に対応して除去することを特徴とするレシプロエンジンの回転数算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レシプロエンジンの機関回転数を検出するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン回転数は、一般にクランクシャフトの回転に同期して生成されるパルス信号に基づいて検出される。数千ＲＰＭ以上の高い回転数で運転されるレシプロエンジンでは、クランクシャフト一回転毎に検出されるパルス信号からエンジン回転数を求めても、サンプリング間隔は制御応答に対して十分短いため、応答性に問題が発生することはない。一方、数百ＲＰＭ以下の低い回転数で運転されるレシプロエンジンでは、一回転につき１パルスのサンプリングでは制御応答に遅れが発生するため、クランクシャフト１回転中に複数のパルスを発生させ、これに基づいてエンジン回転数を算出する必要がある。
【０００３】
しかし、レシプロエンジンはピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するため、クランクの回転に関わる慣性モーメントが、回転数の略２倍の周期で変動する。また、ピストンの往復運動は、圧縮・爆発行程を含むため、この周期に対応する変動も存在する。このためクランクシャフト１回転中に複数のパルス信号を生成し、これに基づいて回転数を算出すると、算出される回転数には、これらの周期的な脈動が含まれることになる。このため目標回転数を設定し、クランクシャフトの実回転数をフィードバック制御する場合、上記脈動の影響を受けて不要な指令が出力され、燃料供給が不安定となり、制御性や操作性が悪化する。このような問題に対しては、回転数をエンジンの爆発周期でサンプルホールドしてフィードバックする構成が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−２４５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のように、回転数をレシプロエンジンの脈動周期でサンプルホールドしてフィードバックすると、急激な負荷変動に対する応答性が悪化し、制御性能を実現できないという問題がある。また、移動平均を用いて回転数を算出し、上記脈動を除去する方法も考えられるが、やはり応答遅れの問題が発生する。
【０００６】
本発明は、レシプロエンジンによる脈動の影響が除去された回転数を高い精度で算出することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレシプロエンジンの回転数算出装置は、クランク１回転に付き複数の信号を生成し、複数の信号に基づいてレシプロエンジンの実回転数を算出する回転数算出装置であって、実回転数を算出する際に、複数の信号に含まれるレシプロエンジンの爆発変動成分をクランク位相角、回転数、および燃料噴射量に対応して除去する変動成分除去手段を備えることを特徴としている。
【０００８】
上記複数の信号が、一定クランク角毎に生成され、これら複数の信号に基づき算出される角速度にクランク位相角に対応した補正係数を演算することにより爆発変動成分が除去される。また変動成分除去手段は、算出される前記回転数から更に爆発変動成分をクランク位相角に対応して除去することが好ましい。補正係数は、爆発変動成分の他、慣性変動成分を除去する値に設定される。位相角、回転数、燃料噴射量から角速度を推定し、補正係数はこの推定された角速度に基づいて求められる。このとき、補正係数は、推定される角速度をその平均値が１となるように規格した規格化推定角速度の逆数であることが好ましい。また、角速度の推定に用いられる回転数は、例えば複数の信号に基づき算出される角速度の移動平均値、または１次遅れフィルタを施した値の何れかを用いて求められる。
【０００９】
また本発明の回転数算出装置は、クランク１回転に付き複数の信号を生成し、複数の信号に基づいてレシプロエンジンの実回転数を算出する回転数算出装置であって、実回転数を算出する際に、複数の信号に含まれるレシプロエンジンの慣性変動成分をクランク位相角に対応して除去する変動成分除去手段を備えたことを特徴としている。
【００１０】
また、クランクの１回転に掛かる時間が一定のとき、上記複数の信号が、慣性変動に対応して一定の時間間隔で生成されるように構成されてもよい。このとき上記複数の信号は、クランクと一体的に回転する回転体の周方向に沿って設けられた複数の被検出部をセンサで検出することにより生成され、クランクの１回転に掛かる時間が一定のとき、これら複数の信号が一定の時間間隔で生成されるように、被検出部が慣性変動に対応した不等間隔のピッチで配列されている。
【００１１】
本発明のレシプロエンジン制御装置は、上記回転数算出装置の何れかを備えたことを特徴としている。
【００１２】
本発明の船舶は、上記レシプロエンジン制御装置を備えたことを特徴としている。
【００１３】
また本発明のレシプロエンジンの回転数算出方法は、クランク１回転に付き複数の信号を生成し、これら複数の信号に基づいてレシプロエンジンの実回転数を算出する回転数算出方法であって、実回転数を算出する際に、上記複数の信号に含まれるレシプロエンジンの爆発変動成分をクランク位相角、回転数、および燃料噴射量に対応して除去することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レシプロエンジンによる脈動の影響が除去された回転数を高い精度で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態である低速レシプロエンジンの制御ブロック図である。
【図２】７気筒エンジンにおけるクランクシャフトの角速度変動の時系列変化で示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は規格化された角速度に対応する。
【図３】７気筒２ストロークエンジンにおける慣性変動および爆発変動に起因する脈動を含む規格化された角速度の変化と、その逆数の変化をクランク位相角３６０°分に渡って示したグラフである。
【図４】補正係数ｆ（θ）を上記正弦波で近似したときの一例を示すグラフである。
【図５】従来の方法で算出した回転数(破線)と、補正係数ｆ（θ）を用いて算出した回転数（実線）の時間的な変化を示すグラフである。
【図６】慣性変動、爆発変動の脈動を除去するために本実施形態の補正係数ｆ（θ）を用いた場合と、移動平均を用いた場合の応答性の違いを示すグラフである。
【図７】１気筒の２ストロークエンジンにおいて、クランク１回転を５分割して、各区間で補正係数をｎ次式で近似したときとと、補正を行わない場合の回転数を示すグラフである。
【図８】第２実施形態である低速レシプロエンジンの制御システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、本発明の第１実施形態である低速レシプロエンジンの制御システムの構成を示すブロック図である。なお、図１には、１気筒のみが示されるが、一般的には多気筒（例えば１０気筒以下）であり、気筒数および常用回転数の詳細については後述する。
【００１７】
制御システム１０は、レシプロエンジン１１への燃料供給量を調整し、その速度を制御するもので、設定された目標回転数を維持するようにＰＩＤ制御が行われる。レシプロエンジン１１は、従来周知のディーゼルエンジンであり、クランクシャフト１２はクランク１３、コネクティングロッド１４、クロスヘッド１５、ピストン棒１６を介してピストン１７に連結され、ピストン１７は、燃料噴射ノズル１８から燃焼室１９内に供給される燃料の爆発により、ライナ２０内を往復運動し、クランクシャフト１２に回転力を与える。なお、燃焼ガスは排気バルブ２１が開いたときに排気ポート２２から排出され、新たな空気は掃気ポート２３から供給される。
【００１８】
クランクシャフト１２には、フライホイール２４が設けられ、フライホイール２４の周縁部には、所定ピッチで歯が形成された歯部２５が設けられる。また、歯部２５に近接する位置には、クランク角センサ２６が配置される。クランク角センサ２６は、近接スイッチやエンコーダなどを備え、例えば歯部２５の１つの歯が通過する毎にパルス信号を発生する。なお、歯部２５、クランク角センサ２６は、回転における基準位置を検知するための機構を備えていてもよい。例えば近接スイッチを用いるときには、１つの歯の幅を他の歯幅も広く設定することが考えられる。また、エンコーダを用いるときには、例えば歯部２５とは別にフライホイール２４の周縁部に１つの突起を設け、これを検出する機構を設けてもよい。
【００１９】
クランク角センサ２６で生成されたパルス信号は、制御装置２７に設けられた回転数計算部２８に入力される。回転数計算部２８では、入力されたパルス信号から、クランクシャフト１２の角速度と位相角が算出され、更に、後述する方法でクランクシャフト１２の回転数を算出して、操作量計算部２９へと出力する。操作量計算部２９では、入力された回転数に基づいて燃料ポンプ３０の操作量（燃料供給量）が算出され、燃料ポンプ３０は、操作量に従ってポンプを駆動して燃料噴射ノズル１８に供給し、所定のタイミングで燃焼室１９へと燃料が噴射される。
【００２０】
また、操作量計算部２９で算出された操作量は、回転数計算部２８へも送られる。すなわち、回転数計算部２８では、角速度、位相角、回転数、操作量（燃料供給量）と、これらの値に対応して記憶部３１に記録されたデータとに基づいて本実施形態における回転数算出処理が実行される(詳細は後述)。なお、図１の例では燃料供給量として操作量を回転数計算部２８にフィードバックするが、より正確な燃料供給量をフィードバックするために、燃料ポンプ３０などにセンサを設けて燃料供給量を実測し、実測された燃料供給量をフィードバックする構成とすることもできる。
【００２１】
次に、本実施形態における回転数算出処理が必要となる条件（気筒数や回転数）について概説する。
【００２２】
レシプロエンジン１１のクランクシャフト１２の回転における角速度変動は、背景技術の項で説明したように、ピストン１７などの往復運動における慣性モーメントの変動（以下慣性変動と呼ぶ）に起因するものと、燃焼サイクルにおける圧縮（減速）、爆発（加速）行程での気筒内圧力の変動(以下爆発変動と呼ぶ)に起因するものによる。この内、慣性変動による影響は爆発変動によるものに比べ小さいので、以下においては、爆発変動に基づく条件について説明する。
【００２３】
１つの気筒に注目すると、爆発変動は、２ストロークエンジンでは１回転（３６０°）で１つの極大値をもつ変動を発生し、４ストロークエンジンでは２回転（７２０°）で１回の極大値をもつ変動を発生する。したがって、ｎ気筒の２ストロークエンジンでは、３６０／ｎ（度）の毎の変動となり、４ストロークエンジンでは７２０／ｎ（度）の毎の変動となる。
【００２４】
一般に１つの気筒における爆発変動による角速度変化は、上死点前後の所定角度範囲（角速度変動領域）で主に発生する。この角速度変動領域の角度幅φは、クランク軸のオフセットとコネクティングロッドの大端・小端の軸間距離や、圧縮比等によって変化するが、一般には、上死点前後６０°の約１２０°である。気筒数が増大すると、爆発が前後する気筒間の角速度変動領域が重なり合い、各気筒における変動が打ち消され抑制される。この角速度変動領域φの重なり度合いに逆相関する爆発変動の影響度をαとすると、影響度αは、気筒間における爆発のタイミングのズレ角（２ストローク：３６０／ｎ、４ストローク：７２０／ｎ）を角速度変動領域角度φで割ったものとして表すことができる。すなわち、２ストロークエンジンにおいてα＝３６０／ｎ／φ、４ストロークエンジンにおいてα＝７２０／ｎ／φとなる。
【００２５】
経験的に、多気筒化による爆発変動成分の抑制は、α＜０．３３では高く、本実施形態の回転数算出処理は不要である。しかし、α≧０．３３では爆発変動成分の影響が角速度に現れ、本実施形態の回転数算出処理が有効となる。特にα≧０．３５において本実施形態の回転数算出処理は効果的である。
【００２６】
例えばφ＝１２０°とすると、２ストロークエンジンでは９気筒以下でα≧０．３３となり、４ストロークエンジンでは、１８気筒以下でα≧０．３３となり、本実施形態の回転数算出処理が有効である。
【００２７】
また、デジタル制御では、計測におけるサンプリング間隔Ｔｓは、Ａ／Ｄ変換の間隔Ｔａ（ここではＤ／Ａ変換の間隔も同じとする）よりも十分に小さい必要があり、一般にＴａ＞５・Ｔｓが必須であり、Ｔａ＞１０・Ｔｓが望ましい。更に、Ａ／Ｄ（Ｄ／Ａ）変換の間隔Ｔａは、被制御量である回転数の応答遅れや操作量である燃料噴射量（燃料供給量）の応答遅れと密接な関係があり、間隔Ｔａはこれらの遅れに対して十分に短い時間間隔である必要がある。被制御量および操作量の遅れを１次遅れの時定数Ｔｄ、Ｔｍで代表すると、Ｔｄ＞１０・ＴａかつＴｍ＞Ｔａであることが必要で、Ｔｄ＞５０・ＴａかつＴｍ＞５・Ｔａであることが望ましい。
【００２８】
したがって、デジタル制御では、サンプリング間隔Ｔｓは、Ｔｄ＞５０・ＴｓかつＴｍ＞５・Ｔｓを満たすことが必要で、Ｔｄ＞５００・ＴｓかつＴｍ＞５０・Ｔｓを満たすことが望ましい。
【００２９】
またサンプリング間隔（パルス間隔）Ｔｓが、被制御量（角速度）の変動周期と一致する場合や、それ以上である場合には、フィルタを施したのと同様の効果があり、変動は被制御量の計測結果に現れない。ここでｎ気筒２ストロークエンジンでは、爆発の間隔は３６０／ｎ（度）毎であり、４ストロークエンジンでは７２０／ｎ度毎である。また、回転数がＲ（ｒｐｍ）のとき、クランクシャフトは毎秒３６０・Ｒ／６０（度）回転するので、爆発による角速度の変動周期は、２ストロークエンジンでは６０／ｎ／Ｒ（秒）、４ストロークエンジンでは１２０／ｎ／Ｒ（秒）である。
【００３０】
すなわち、２ストロークエンジンでは、デジタル制御で求められるサンプリング間隔Ｔｓの値が、６０／ｎ／Ｒ（秒）以下のときに、本実施形態の回転数算出処理が効果的であり、４ストロークエンジンでは、１２０／ｎ／Ｒ（秒）以下のときに効果的である。すなわち、本実施形態の回転数算出処理の適用対象となるレシプロエンジンの常用回転数Ｒは、２ストロークエンジンでは、６０／ｎ／Ｔｓ（ｒｐｍ）以下であり、４ストロークエンジンで１２０／ｎ／Ｔｓ（ｒｐｍ）以下である。
【００３１】
例えば２ストローク、６気筒エンジンにおいて、Ｔｄ＝１０秒、Ｔｍ＝１秒とすると、デジタル制御の制約は、Ｔｓ＜１／５、望ましくはＴｓ＜１／５０であり、ここでＴｓ≒１／５とすると、Ｒは約５０ｒｐｍ以下となり、Ｔｓ≒１／５０とすると５００ｒｐｍ
以下となる。
【００３２】
次に図２〜図７を参照して本実施形態の回転数算出処理の具体例について説明する。図２は、７気筒エンジンにおけるクランクシャフトのある一定の回転数の下での角速度変動の時系列変化を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は規格化された角速度に対応する。なお、角速度は、その平均値が１になるように規格化されている。
【００３３】
図２に示されるように、エンジン回転数が一定であり、角速度の平均値が一定であっても、角速度は慣性変動、爆発変動の影響を受けて一定の周期で変動している。従来、エンジン回転数は、角速度に所定の係数を掛けて求められるため、図２のように角速度が慣性変動、爆発変動の影響で脈動すると、本来一定であるとされるべきエンジン回転数が、角速度変動と同じ周期で変動するものとして算出される。
【００３４】
一般に、慣性変動および爆発変動に起因する角速度ωの変動は、気筒数が決まっていれば、基本的にクランクの位相角θ、回転数Ｎ、燃料供給量Ｑのみに依存する。したがって、クランクの位相角θ、回転数Ｎ、燃料供給量Ｑから慣性変動および爆発変動に起因する変動を含む角速度を推定して、この変動成分を実測される角速度ωからこれを取り除けば、慣性変動および爆発変動による脈動が略除去された回転数を角速度ωから求めることができる。なお、ここで角速度を推定する際に用いられる回転数Ｎには、例えば実測されている角速度ωの移動平均や１次遅れフィルタによる平滑化が行われた値、あるいは１つ前の処理で求められた回転数の値が用いられる。また燃料供給量Ｑには、例えば最後の燃料供給量の値が用いられる。
【００３５】
なお１次遅れフィルタで平滑化するときの時定数は、クランク回転数の応答の時定数（数十秒）よりも十分に短い値（例えばクランク回転数の応答時定数の１０％以下）に設定されることが好ましい。しかし、１次遅れフィルタの時定数は、単純に２秒程度の時定数に設定することも可能である。
【００３６】
今、回転数Ｎ、燃料供給量Ｑにおける角速度の推定値をΩ（θ；Ｎ，Ｑ）、その平均値をΩｍ（＝２πＮ）とし、位相θにおける実測角速度ω（θ）とすると、回転数一定の条件の下、位相θにおいてω（θ）の値を示す角速度の平均値ωｍ（θ）は、ωｍ（θ）＝ω（θ）・Ωｍ（Ｎ）／Ω（θ；Ｎ，Ｑ）と表される（ω：ωｍ＝Ω：Ωｍより）。したがって、ｆ（θ）＝Ωｍ（Ｎ）／Ω（θ；Ｎ，Ｑ）を求めれば、実測される角速度ω（θ）に対して、脈動成分が略除去された有効な回転数Ｎe（θ）（以下有効回転数と呼ぶ）がＮe（θ）＝ωｍ(θ)／（２π）＝ω（θ）・ｆ（θ）／（２π）[ｒａｄ／秒]として求められる。
【００３７】
図３は、７気筒２ストロークエンジンにおける慣性変動および爆発変動に起因する脈動を含む、ある回転数Ｎ、燃料供給量Ｑに対して推定される、規格化された角速度：Ω（θ）／Ωｍの変化と、その逆数ｆ（θ）の変化をクランク位相角３６０°分に渡って示したグラフである。なお、横軸はある１つの気筒のＴＤＣを中心（０）として、ＴＤＣ−ＢＤＣ間の位相角（１８０°）が１となるように規格化されている。なお、図３では規格化角速度Ω（θ）／Ωｍが実線で示され、その逆数であり本実施形態においてエンジン回転数算出の際の補正係数ｆ（θ）が破線で示される。
【００３８】
７気筒２ストロークエンジンでは、クランクが１回転する間に、７つの周期的な角速度変動があり、補正係数（逆数）は、角速度とは逆位相で変化する。図３の例では、補正係数は、正弦波に近い形で変化している。
【００３９】
図３の例において、補正係数（逆数）ｆ（θ）を正弦波で近似すると、クランクの位相角θにおける補正係数の値ｆ（θ）は、次式で表される。
ｆ（θ）〜Ａ・ｓｉｎ（Ｂ・θ＋Ｃ）＋Ｄ
ここで、Ｂは気筒数および２ストロークか４ストロークで決まる係数であり、図３の例では、Ｂ＝７である。振幅Ａおよび位相差Ｃは、シミュレーションや実験に基づいて決定され、振幅Ａは、主に燃料供給量（操作量）Ｑと回転数Ｎに依存する。振幅Ａは、例えば予め求められた関数ｇ（Ｑ）、ｈ（Ｎ）の積としてＡ＝ｇ（Ｑ）・ｈ（Ｎ）で求められる。また、各Ｑ、Ｎの値に対するルックアップテーブルとして記憶部３１（図１）などに記憶されていてもよい。位相差Ｃも、燃料供給量（操作量）Ｑと回転数Ｎに依存するが、位相差Ｃの変動量は微小であり、振幅Ａと略同様の方法で求められる。また、オフセット量Ｄは、平均値Ωｍに対応し、Ｄ＝１である。
【００４０】
なお、振幅Ａと位相差Ｃの間の相関は低いため、シミュレーションや実験により求めた補正係数ｆ(θ)の波形から容易に決定することができる。
【００４１】
図４は、補正係数ｆ（θ）を上記正弦波で近似したときの一例を示すグラフで、横軸、縦軸は図３のグラフと同じである。図４では、補正係数ｆ（θ）が実線で示され、正弦波で近似された値が破線で示される。図示されるように、７気筒エンジンにおいて、補正係数ｆ（θ）は、正弦波で極めて精度よく近似される。
【００４２】
図５は、図１の規格化角速度から、本実施形態の補正係数ｆ（θ）を用いることなく、従来の方法で算出した回転数(破線)と、図４に示した本実施形態の近似式による補正係数ｆ（θ）を用いて算出した回転数（実線）の時間的な変化を示すグラフである。すなわち、破線の回転数（従来の方法による回転数）は、位相角θにおいて検出される角速度をω（θ）［ｒａｄ／秒］とすると、６０×ω（θ）／（２π）［ｒｐｍ］により算出される。一方、本実施形態で算出される有効回転数Ｎｅは、６０×ω（θ）×ｆ（θ）／（２π）［ｒｐｍ］として算出される。
【００４３】
なお、角速度ω（θ）は、クランク角センサ２６において歯の検出に合わせて生成されるパルス信号の時間間隔と歯ピッチ(角度)から計算され、位相角は基準パルスからカウントされるパルス数と歯ピッチから計算される。また、図５において、横軸は時間（秒）、縦軸は平均角速度から求められる回転数が１となるように規格化された回転数を表す。
【００４４】
図５からも明らかなように、補正係数ｆ（θ）を用いた回転数算出方法では、補正係数ｆ（θ）を用いない従来の方法に比べ、回転数の変動幅が著しく小さくなり、その値は、角速度の平均値における回転数に略等しい。これにより、回転数からは、慣性変動および爆発変動に起因する脈動が略除去される。
【００４５】
また、図６に、慣性変動、爆発変動の脈動を除去するために本実施形態の補正係数ｆ（θ）を用いた場合と、移動平均を用いた場合の違いを示す。図６は、回転数が７０ｒｐｍから６６．５ｒｐｍに３．５秒かけて低下する場合の慣性変動、爆発変動の脈動を含む角速度ω（ｔ）と、ω（ｔ）の移動平均を用いた回転数と、本実施形態の補正係数ｆ（θ）を用いた有効回転数Ｎｅの経時変化を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は回転数[ｒｐｍ]を表す。
【００４６】
図６において、ω（ｔ）は破線Ｓ１で示され、ω（ｔ）の移動平均を用いて求められた回転数は曲線Ｓ２で示される。また、本実施形態により算出される有効回転数Ｎｅは曲線Ｓ３で示される。図６に示されるように、移動平均を用いた場合には、求められる回転数から脈動成分は除去されるものの角速度ω（ｔ）の変化に対して遅れを生じる。したがって、この回転数をフィードバック制御に用いると、ガバナ制御に応答遅れが発生する。これに対して、補正係数ｆ（θ）を用いた本実施形態による有効回転数Ｎｅは、脈動成分が除去されるとともに、角速度ω（ｔ）の平均値の変化に迅速に追従しており、遅れを発生することがないことが分かる。
【００４７】
なお、７気筒など気筒数がある程度大きいときには、補正係数ｆ（θ）は、正弦波で近似することができるが、気筒数が少ない場合には、正弦波で近似することはできない。このような場合には、位相角θを所定の範囲で区分し、各区間Ｉ毎にそれぞれ、多項式等を用いて角速度の逆数である補正係数ｆｉ（θ）を近似することが考えられる。
【００４８】
なお、図７に、１気筒の２ストロークエンジンにおいて、クランク１回転を５分割して、各区間で補正係数をｎ次式で近似したときの結果を図５と同様に示す。すなわち、破線が補正を行わない場合の回転数の値であり、実線が補正を行った場合の回転数である。
【００４９】
図７に示されるように、補正係数を用いると、算出される回転数の変動が大幅に低減される。なお、この場合には、近似式の各パラメータは、位相角、回転数、燃料供給量に対応して記憶部３１に記憶され、回転数計算部２８では、これらの値に基づいて、式が選択され回転数が算出される。
【００５０】
以上のように、第１実施形態の低速レシプロエンジンの制御システムによれば、クランク１回転に付き複数個発生されるパルス信号に基づいて回転数を算出する場合にも、慣性変動および爆発変動による影響を算出される回転数から除去することがでる。これにより、回転数を設定値に維持し、低速で運用される大型エンジンにおいても、高い制御応答性を維持しながらも、安定した回転数制御を実現することができる。
【００５１】
なお、補正係数の近似式を用いる代わりに、位相角、回転数、燃料供給量の値（所定区間）毎に、補正係数の値をルックアップテーブルとして記憶部３１に記憶しておくことも可能である。また、変動が正弦波に近い場合には、回転数Ｎ、燃料供給量ＱのときのΩ（θ）−Ωｍの近似式（正弦波）とは逆位相（余弦波）のＦ（θ）を求め、ω（θ）にＦ（θ）を足し合わることで角速度変動を相殺することも可能である。この場合Ｎｅ＝６０×（ω（θ）＋Ｆ（θ））／（２π）[ｒｐｍ]として求められる。
【００５２】
また、第１実施形態では、クランクの位相角、回転数、燃料供給量を参照して、回転数から慣性変動および爆発変動の影響を除去した。しかし、燃料供給量に基づく補正が不要なとき、すなわち、爆発変動の影響が小さいときには、クランクの位相角のみに基づき補正を行い回転数を算出することも可能である。この場合、回転数の算出に燃料供給量が必要ないので、操作量計算部２９から回転数計算部２８に操作量(燃料供給量)がフィードバックされることはない。また逆に、慣性変動の影響が爆発変動に比べ小さいときには、爆発変動のみを考慮し、これを相殺する補正を行うことも可能である。
【００５３】
次に図８を参照して、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、燃料供給量に基づく補正が不要なとき、すなわち、低負荷で常用運転されるなど、爆発変動の影響が小さいときに対応したものである。上述したようにこの場合、クランクの位相角のみに基づく補正により回転数を算出することが可能である。第２実施形態では、一定のクランク角毎にパルスを発生するのではなく、回転数が一定のときには、慣性変動などが存在しても一定の間隔でパルスが発生するように構成し、制御部では従来と同様に角速度に固定係数を乗じて回転数を算出する。
【００５４】
図８は、第２実施形態である低速レシプロエンジンの制御システムの構成を示すブロック図であり、図１と同様に、１気筒のみが示されるが、一般的には多気筒（例えば１０気筒以下）である。また、第１実施形態と同様の構成については、同一参照符号を用いその説明を省略する。
【００５５】
第１実施形態では、フライホイール２４の周縁部に設けられた歯部２５には、所定ピッチで歯が形成されたが、第２実施形態のフライホイール３３の歯部３４は、不等間隔で歯が形成される。歯の間隔は、主に慣性変動に対応して設定され、例えば慣性変動によりクランクシャフト１２（フライホイール３３）の角速度が変動しても、クランク角センサ２６において発生するパルス信号が、一定の時間間隔で生成されるように、クランク角に対応して異なるピッチで形成される。
【００５６】
クランク角センサ２６で生成されたパルス信号は、制御装置３２の回転数計算部３５へ入力される。回転数計算部３５では、パルス信号から角速度を算出し、これに固定係数を乗じることで回転数を算出し、操作量計算部２９へと出力する。操作量計算部２９では、算出された回転数に基づき燃料ポンプ３０の操作量を計算し、燃料ポンプ３０へと出力する。
【００５７】
以上のように、第２実施形態では、慣性変動など、燃料供給量に依存しないエンジン固有の脈動が、制御装置に変更を加えることなく回転数から除去される。
【００５８】
なお、除去の対象となるのは慣性変動のみとは限らず、クランク角に一意的に対応している変動であれば、第２実施形態の方法で除去することができる。また、本実施形態では、歯のピッチを除去される変動の周期に合わせて不等間隔にしたが、例えば、フライホイール周縁部に、このようなピッチに対応したバーコード状の模様を設け（例えばシールに描かれた模様を貼付する）、これをセンサで読み取ることにより、回転数毎に一定間隔のパルス信号を生成することも可能である。また、これらの構成を、フライホイールではなく、エンコーダ内に設けることも可能である。
【００５９】
また、慣性変動の影響は第２実施形態の方法で除去し、爆発変動については、第１実施形態と同様に、クランク位相、回転数、燃料供給量に基づき補正する構成とすることもできる。
【００６０】
なお、本発明は、船舶用のエンジンや工場などで原動機や発電機として用いられる陸用エンジンなどに好適であり、特にディーゼルエンジンなど、大型で低速運転されるレシプロエンジンにおいて有用である。また、気筒数が１０気筒以下、好ましくは７〜８気筒以下で、常用回転数が、数百ＲＰＭ以下、好ましくは１００ＲＰＭ以下で運用されるレシプロエンジンに有効である。
【００６１】
また、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を例に挙げたが、制御方法はこれに限らず、現代制御理論、適用制御、学習制御等にも適用可能である。また、第１実施形態や第２実施形態に説明された各構成は、整合する範囲において様々に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  制御システム
１１  レシプロエンジン
１２  クランクシャフト
１３  クランク
１４  コネクティングロッド
１５  クロスヘッド
１６  ピストン棒
１７  ピストン
１８  燃料噴射ノズル
１９  燃焼室
２０  ライナ
２１  排気バルブ
２２  排気ポート
２３  掃気ポート
２４、３３  フライホイール
２５、３４  歯部
２６  クランク角センサ
２７、３２  制御装置
２８、３５  回転数計算部
２９  操作量計算部
３０  燃料ポンプ
３１  記憶部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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