(57)【要約】【課題】燃焼機関に対する回転数補償器（１１）を提案するものである。【解決手段】この発明では、この回転数補償器（１１）は、ｉ次の回転数のゆらぎを完全にまたは部分的に解消するための計算規則（ＢＶ(i) ）を有する。これによって、回転数制御系の動特性ならびに強靭さが向上される。
2004535525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの歯車回転時間の形で回転数を検出し、この歯車回転時間から、補償器を用いて、回転数の実測値に対応する、補償処理された歯車回転時間を算出する、燃焼機関（１）に関する回転数補償器において、
この回転数補償器（１１）は、ｉ次の回転数のゆらぎを完全にまたは部分的に解消するための計算規則（ＢＶ(i) ，ｉ＝０．５，１，１．５，... ）を有し、この計算規則（ＢＶ(i) ）を用いて、ある時点の歯車回転時間（Ｕ(k) ）とそれ以前の歯車回転時間（Ｕ(k-(N/2)) ，Ｕ(k-(N/3)) ）を加算する形で、この補償処理された歯車回転時間（ｙ(k) ，ｋ＝１，２，３... ）を決定する（ｙ(k) ＝ｆ（ＢＶ(i) ））ことを特徴とする回転数補償器。
【請求項２】
前記のそれ以前の歯車回転時間（Ｕ(k-(N/2)) ，Ｕ(k-(N/3)) ）が、評価係数（k1，k2... ）で重み付けされることを特徴とする請求項１に記載の回転数補償器（１１）。
【請求項３】
前記の補償処理された歯車回転時間（ｙ(k) ）が、さらに補正部（１５）を用いて決定され、その際この補正部（１５）の入力値（y1(k) ）が、前記の計算規則（ＢＶ(i) ）の出力値に対応することを特徴とする請求項１または２に記載の回転数補償器（１１）。
【請求項４】
前記の補正部（１５）が、少なくとも差分変換部（１３）と有利には低域通過フィルタ（１４）とから構成されることを特徴とする請求項３に記載の回転数補償器（１１）。
【請求項５】
前記の計算規則（ＢＶ(i) ）を用いて、前記のある時点の歯車回転時間（Ｕ(k) ）と１／(2i)回転前の歯車回転時間とから、前記の補償処理された歯車回転時間（y1(k) ）を算出する形で、ｉ次の回転数のゆらぎを完全に解消することを特徴とする請求項３または４に記載の回転数補償器（１１）。
【請求項６】
前記の計算規則（ＢＶ(i) ）が、以下の形で実行されることを特徴とする請求項５に記載の回転数補償器（１１）。
y1(k) ＝y1(k-1) ＋(1/F)[Ｕ(k) ＋k1Ｕ(k-F)]
この場合、
y1(k)       ある時点の補償処理された歯車回転時間
y1(k-1)     2/N 回転前の補償処理された歯車回転時間
Ｎ          動作サイクル毎に検出される歯車回転時間の数
Ｆ          N/(4i)
ｉ          解消しようとしている回転数のゆらぎの次数
Ｕ(k)       ある時点の歯車回転時間
Ｕ(k-F)     1/(2i)回転前の歯車回転時間
k1          評価係数、値は１である。
【請求項７】
前記の補償処理された歯車回転時間（y1(k) ）を、以下の計算規則（ＢＶ(i) ）を用いて算出する形で、ｉ次の回転数のゆらぎを部分的に解消することを特徴とする請求項３または４に記載の回転数補償器（１１）。
y1(k) ＝y1(k-1) ＋(1/F)[Ｕ(k) ＋k1Ｕ(k-F) ＋ΣkjＵ(k-(N/(4i ＋(j-1))))]
この場合、
y1(k)       ある時点の補償処理された歯車回転時間
y1(k-1)     2/N 回転前の補償処理された歯車回転時間
Ｎ          動作サイクル毎に検出される歯車回転時間の数
Ｆ          N/(4i)
ｉ          解消しようとしている回転数のゆらぎの次数
Ｕ(k)       ある時点の歯車回転時間
Ｕ(k-F)     1/(2i)回転前の歯車回転時間
k1          評価係数、k1＜１
ｊ          ２から∞までの値をとる制御変数ｊ
kj          評価係数
【請求項８】
前記の評価係数（k1，k2... ）の総計が、１の値に設定される（k1＋k2＋... ＝１）ことを特徴とする請求項７に記載の回転数補償器（１１）。
【請求項９】
前記のある時点の歯車回転時間（Ｕ(k) ）とそれ以前の歯車回転時間（Ｕ(k-(N/2)) ，Ｕ(k-(N/3)) ，... ）が、シャフト（２）の予め設定可能な角度に渡って平均されることを特徴とする請求項５から８までのいずれか一つに記載の回転数補償器（１１）。
【請求項１０】
前記の回転数補償器（１１）が、別の補償器、特に平均値補償器と組み合わせられることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の回転数補償器（１１）。
【請求項１１】
解消しようとする回転数のゆらぎの次数ｉが、固定値に設定されるか、または周波数解析を用いて算出されることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の回転数補償器（１１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼機関用の回転数補償器に関し、その回転数をシャフトの歯車回転時間の形で検出するものである。この歯車回転時間から、回転数補償器を用いて、回転数の実測値に対応する、補償処理された歯車回転時間が決定される。
【背景技術】
【０００２】
発電機の駆動力として使用される予定の燃焼機関は、一般的にはクラッチおよび発電機を伴わずにエンドユーザーに提供される。クラッチおよび発電機は、エンドユーザーのところで初めて取り付けられる。電力網への電流供給において、一定の定格周波数を保証するためには、燃焼機関は、回転数制御系の中で動かされる。この場合、クランクシャフトの回転数が、制御値として検出されて、エンジン回転数の目標値（誘導値）と比較される。その結果として得られた制御偏差は、回転数制御器によって、燃焼機関に対する制御量、例えば燃料噴射量に変換される。このような制御系には、制御値に重畳されている回転数のゆらぎが回転数制御器によって増大される可能性があるという問題がある。特に、燃焼機関によって起こされる低周波のゆらぎ、例えば０．５次および１次の回転数のゆらぎが問題である。駆動装置の始動時に、回転数のゆらぎの振幅が、回転数制御器の増幅作用によって増大され、その結果限界回転数を超えてしまい、燃焼機関が停止させられる可能性がある。
【０００３】
この不安定性の問題には、回転数制御系のフィードバックルートにある回転数補償器によって対処されている。特許文献１により、そのような回転数補償器が周知である。そこでは、シャフトの歯車回転時間が、燃焼機関の動作サイクルに渡って検出される。動作サイクルとは、クランクシャフトの２回転であり、７２０度に対応するものと考えられている。それに続いて、この歯車回転時間から、算術平均値演算によって、補償処理された歯車回転時間が計算される。この時間は、動作サイクル毎に更新される。この補償処理された歯車回転時間は、回転数の実測値に対応するものであり、それに続いて燃焼機関の制御に利用される。しかし、この２回転補償器には、駆動装置を安定に動作させようとすると、同時に設計荷重状況を悪化させてしまうという問題がある。
【特許文献１】
欧州特許第００５９５８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の課題は、この点に関連して、回転数補償器を最適化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、請求項１の特徴によって解決される。従属請求項には、これに関連した実施形態が記載されている。
【０００６】
この発明によると、回転数補償器は、ｉ次の回転数のゆらぎを完全に、または部分的に解消する計算規則を有する。例えば、０．５次の回転数のゆらぎは、ある時点の歯車回転時間を１回転前の歯車回転時間に加算すると規定する計算規則によって、完全に解消される。それによって、従来技術による２回転補償器に対して、より早い時点で回転数の実測値を得られるという利点が生じる。すなわち、従来技術に対して、回転数の検出がより速くなる。言い換えると、駆動装置の安定した動作を損なうことなく、回転数制御系の動特性が向上される。この発明によると、計測車輪の製造誤差の影響を最小限にするために、予め設定可能なシャフトの角度に渡って、歯車回転時間を検出すると規定している。その他の措置として、この回転数補償器は、補償処理された歯車回転時間の計算のために、低域通過フィルタと差分変換部から成る補正部をさらに備えると規定している。この発明を別の伝達関数、例えば平均値補償器と組み合わせることによって、新たな周波数応答を作り出すことができる。すなわち、この発明は全体として、回転数制御系が擾乱、例えばクラッチの温度や製造誤差に対して非常に強靭であるという利点を提供するものである。周知のように、高い温度では駆動装置の共振周波数が低下する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によると、これに対応する従来技術の２回転補償器または平均値補償器よりも、より小さい位相遅延を持つ、いずれの次数の回転数のゆらぎをも、補償処理して取り除くことが可能となる。このことは、回転数制御系において、安定性を高めるとともに、動特性を改善するものである。この発明は、予め設定可能な角度に渡る歯車回転時間の検出を有するので、製造誤差の影響を最小限にすることができる。この発明の伝達関数を別の伝達関数、例えば平均値補償器の伝達関数と組み合わせると、新たな周波数応答を作り出すことができる。同様に、この発明は、さらに任意の数の時間的に遡った歯車回転時間を組み入れることも許容するものである。個々の評価係数k1，k2... の総和は、常に１に等しくなければならない。
【０００８】
軟調なクラッチを持つ駆動装置の場合、装置にはより低周波の共振周波数が発生する。この共振周波数が０．５次の回転数のゆらぎの範囲にあると、回転数制御系は、不安定となる可能性がある。しかし、前述の回転数補償器を利用すれば、０．５次の回転数のゆらぎの範囲には、非常に大きな減衰が存在し、それは制御系全体において安定した動作をもたらすものである。そのため、大抵の駆動装置は２０Ｈｚより低い共振周波数を持つので、この発明により、回転数制御系の強靭さを向上させることができる。特に、駆動装置の共振周波数は、温度が高くなるにつれて低くなるので、温度の影響に対する強靭さを向上することができる。また、クラッチの製造誤差（ばね定数Ｃ、制動）に対する強靭さを向上することができる。全く一般的には、点対称形の周期的な擾乱信号を解消あるいは減衰させたい場合、常にこの回転数補償器を利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
有利な実施例が図面に示されている。
【００１０】
図１は、連携した制御系構造を持つ燃焼機関１の制御システムのブロック接続図を示す。回転数制御器６、トルク制御器７、選択手段８、燃料噴射開始制御器９および燃料噴射システム、例えば共同噴射システムを持つ燃焼機関１が描かれている。この燃焼機関１は、シャフト２を介してエンジン負荷４、すなわち例えば発電機または船の動力を動かす。このシャフト２には、歯車３がついている。この歯車３の歯車回転時間Ｕ(k) およびＶ(k) は、回転数センサー５によって検知される。ある時点の歯車回転時間Ｕ(k) から、回転数補償器１１によって、補償処理された歯車回転時間ｙ(k) またはこれに対応して回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) が計算される。トルク補償器１０によって、燃焼機関１の末端動力におけるエンジントルクＭＫが算出される。この制御系構造においては、エンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) は、回転数制御器６および燃料噴射開始制御器９に対する入力値として利用される。回転数制御器６の入力値は、エンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) 、回転数の差分ｄｎＭＯＴおよび信号ｖｅ２である。この回転数の差分ｄｎＭＯＴは、エンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) とエンジン回転数の目標値ｎＭＯＴ(SOLL)から計算される。この信号ｖｅ２は、エンジントルク制御器７の出力信号に対応する。この回転数制御器６の出力値は、信号ｖｅ１である。この信号は、選択手段８とエンジントルク制御器７に繋がっている。このエンジントルク制御器７の入力値は、エンジントルクＭＫ、差分トルクｄＭＫ、信号ｖｅ１および制御器モードＲＭである。この差分トルクｄＭＫは、エンジントルクＭＫと最大許容エンジントルクから計算される。このエンジントルク制御器７の出力信号は、信号ｖｅ２である。この信号は、選択手段８と回転数制御器６に繋がっている。この選択手段８によって、二つの制御器６あるいは７のどちらを支配的とするかが、例えば二つの信号ｖｅ１とｖｅ２の最小値選択によって決められる。この選択手段８の出力信号は、性能を決定する信号ｖｅと制御器モードＲＭである。この性能を決定する信号ｖｅは、燃焼機関１の燃料噴射装置１と燃料噴射開始制御器９に繋がっている。性能を決定する信号ｖｅとは、燃料噴射量または燃料調節棒の調整手段であるとする。
【００１１】
燃料噴射開始制御器９の入力値は、エンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) 、選択手段８から供給される性能を決定する信号ｖｅおよびその他の入力値Ｅ、例えば最高燃焼圧力である。この燃料噴射開始制御器９の出力値は、燃焼機関１に繋がっている燃料噴射開始信号ＳＢである。回転数制御器６のエンジントルク制御器７および燃料噴射開始制御器９との協調動作は、この発明の理解には関係がないので、詳細な記述は行わない。
【００１２】
図１に描かれているように、回転数制御系は、次の構成要素から成り、それらは、回転数制御器６、燃焼機関１、歯車回転時間を検出するための回転数センサー５、回転数補償器１１へのフィードバックである。
【００１３】
図２は、駆動ユニット、例えば発電機と接続された燃焼機関の始動プロセスに関する回転数−時間グラフを示している。エンジン回転数の目標値ｎＭＯＴ(SOLL)に対応する、回転数制御に関する誘導値を一点鎖線で表している。エンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) は、実線で示されている。この誘導値は、時点ｔ１での初期値ｎ１から時点ｔ２での値ｎ２まで傾斜状に増加している。この誘導値は、時点ｔ２からは変化しないままである。エンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) は、最初はこの誘導値に追随している。しかし、このエンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) は、時点ｔ２において、設定値ｎ２を超えている。この燃焼機関のエンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) は、ｔ３〜ｔ４までの時間間隔の間にゆらぎ始めている。この回転数のゆらぎの原因は、燃料噴射器の許容以上の噴射、燃料噴射器の停止および／または装置全体の誤った調整であると考えられる。この回転数のゆらぎにおいては、０．５次のものが特に支配的であることが判明している。図２では、この部分を抜粋して示している。実際には、燃焼機関において、その振幅が、動作温度とともに回転数の限界を超えて、緊急停止を引き起こすほどに部分的に大きくなる。時点ｔ４からのエンジン回転数の実測値の推移は、このことから生じたものである。
【００１４】
図３は、クランクシャフトにおける回転数の時間推移（ｎＭＯＴ）を表している。一つの動作サイクル、すなわち燃焼機関のクランクシャフトの７２０度の間における、０．５次と１次に対応する二つの回転数のゆらぎが描かれている。図３では、典型的な５つの歯車回転時間であるＵ(k-N) 、Ｕ(k-(N-1)) 、Ｕ(k-N/2) 、Ｕ(k-N/4) およびＵ(k) が描かれている。この場合、パラメータＮは、動作サイクル毎に検出される歯車回転時間の数を示している。ある時点の歯車回転時間は、Ｕ(k) で表示されている。歯車回転時間とは、歯車３の第一の推進力と第二の推進力間または複数の連続する推進力間の時間間隔とする。実際には、二つの歯の間の角度間隔は、例えば３度とすることができる。これは、すなわち燃焼機関の一つの動作サイクルに対して、最大２４０個の歯車回転時間が検出されることを意味する。この場合、通常これらの歯車回転時間は、メモリに保存される。
【００１５】
図３から、ある時点の歯車回転時間Ｕ(k) と１回転前の歯車回転時間Ｕ(k-N/2) を加算すると、０．５次の回転数のゆらぎが解消されることは、明らかである。ある時点の歯車回転時間Ｕ(k) と半回転前の歯車回転時間Ｕ(k-N/4) を加算することによって、１次の回転数のゆらぎを完全に解消することができる。ｉ次の回転数のゆらぎを完全に解消するための計算規則ＢＶ(i) に対応して、このことを数学的に変換すると、以下のとおりとなる。
y1(k) ＝y1(k-1) ＋(1/F)[Ｕ(k) ＋k1Ｕ(k-F)]
この場合、
y1(k)       ある時点の補償処理された歯車回転時間
y1(k-1)     2/N 回転前の補償処理された歯車回転時間
Ｎ          動作サイクル毎に検出される歯車回転時間の数
Ｆ          N/(4i)
ｉ          解消しようとしている回転数のゆらぎの次数
Ｕ(k)       ある時点の歯車回転時間
Ｕ(k-F)     1/(2i)回転前の歯車回転時間
k1          評価係数、値は１である。
図４では、回転数補償器１１のブロック接続図が描かれている。この入力値は、歯車回転時間Ｕ(k) である。この歯車回転時間Ｕ(k) は、クランクシャフトの2/N 回転の間に検出された歯車回転時間に対応する。この出力値は、補償処理された歯車回転時間ｙ(k) 、これに代わるエンジン回転数の実測値ｎＭＯＴ(IST) である。符号１２の計算規則ＢＶ(i) の関数ブロックに対する入力値は、歯車回転時間Ｕ(k) 、Ｕ(K-(N/2)) などである。この計算規則ＢＶ(i) を用いて、ｉ次の回転数のゆらぎをもはや含まない歯車回転時間y1(k) を算出する。歯車回転時間の加算を前提とする、この計算規則ＢＶ(i) は、不安定なアルゴリズムなので（連携した振る舞いをするので）、補正部１５を後に接続することによって、このアルゴリズムの安定化を実現している。この場合、この補正部１５は、少なくとも差分変換部（Ｄ−部）１３から成る。低域通過フィルタ１４を後に接続することができる。このことは、数学的には計算規則ＢＶ(i) 、差分変換部１３および低域通過フィルタ１４の伝達関数を互いに乗算することを意味する。この補償処理された歯車回転時間ｙ(k) は、補正部１５の出力値である。関数ブロック１６を用いて、エンジン回転数ｎＭＯＴ(IST) への換算を実施する。
【００１６】
この回転数補償器の離散的な伝達関数Ｇ(z) は、以下のように記述される。
Ｇ(z) ＝ｙ(z) ／Ｕ(z)
この場合、
ｚ＝ｅＥｘｐ（ｓＴａ）
ここでは、次のとおりである。
【００１７】
Ｔａ    補償処理アルゴリズムのサンプリング時間
ｙ(z)   補償処理された歯車回転時間ｙ(z) のｚ変換
Ｕ(z)   補償処理されていない歯車回転時間Ｕ(z) のｚ変換
図５と６は、定常状態のエンジン回転数１，５００回転／分における、第一の伝達関数Ｇ１の振幅応答（図５）ならびに位相応答（図６）を示している。この場合、低域通過フィルタとしては、５ミリ秒の時定数Ｔ１を持つＰＴ１−部を利用して、クランクシャフトの９０度の回転角に渡って歯車回転時間を検出している。０．５次の回転数のゆらぎ（１２．５Ｈｚ）が完全に解消されているのが分かる。
【００１８】
さらに、図５と６では、従来技術の２回転補償器の振幅応答と位相応答、伝達関数Ｇ２を示している。伝達関数Ｇ１は、はるかにより有利な位相応答を持つこと、すなわち２回転補償器は、はるかにより大きな位相遅延を持つことが分かる。
【００１９】
０．５次の回転数のゆらぎと１次の回転数のゆらぎを部分的に解消しようとする場合、計算規則ＢＶ(i) は、以下のとおりとなる。
y1(k) ＝y1(k-1) ＋(1/(N/2))[Ｕ(k) ＋k1Ｕ(k-(N/2)) ＋k2Ｕ(k-(N/4))]
この場合、
y1(k)         ある時点の補償処理された歯車回転時間
y1(k-1)       2/N 回転前の補償処理された歯車回転時間
Ｎ            動作サイクル毎に検出される歯車回転時間の数
Ｕ(k)         ある時点の歯車回転時間
Ｕ(k-(N/2))   １回転前の歯車回転時間
Ｕ(k-(N/4))   0.5 回転前の歯車回転時間
k1，k2        評価係数、k1＋k2＝１である。
k1の典型的な値は、０．８であり、k2の典型的な値は、０．２である。
【００２０】
この実施例に関して、低域通過フィルタとして、またもや５ミリ秒の時定数を持つ１次のフィルタ（ＰＴ１−部）を利用して、９０度に渡って歯車回転時間を検出すると、図７と８に描いた振幅応答と位相応答（伝達関数Ｇ３）が得られる。この場合には、０．５次の回転数のゆらぎ（１２．５Ｈｚ）が、完全には解消されていないことが分かる。しかし、それに対して１次の回転数のゆらぎ（２５Ｈｚ）が、より強く減衰されている。伝達関数Ｇ１とＧ３の位相応答を比較すると、伝達関数Ｇ３の方が伝達関数Ｇ１より小さな位相偏位を持つことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ブロック接続図
【図２】始動プロセスの回転数−時間グラフ
【図３】回転数−時間グラフ
【図４】補償器のブロック接続図
【図５】振幅応答−周波数グラフ
【図６】位相応答−周波数グラフ
【図７】振幅応答−周波数グラフ
【図８】位相応答−周波数グラフ
【符号の説明】
【００２２】
１                  燃焼機関
２                  シャフト
３                  歯車（計測車輪）
４                  エンジン負荷
５                  回転数センサー
６                  回転数制御器
７                  エンジントルク制御器
８                  選択手段
９                  燃料噴射開始制御器
１０                  トルク補償器
１１                  回転数補償器
１２                  計算規則
１３                  差分変換部（Ｄ−部）
１４                  低域通過フィルタ
１５                  補正部
１６                  換算器
k1，k2                評価係数
ｉ                    解消しようとしている回転数のゆらぎの次数
ｖｅ，ｖｅ１，ｖｅ２  性能を決定する信号
Ｅ                    その他の入力値
Ｇ１，Ｇ３            この発明にもとづく補償器の伝達関数
Ｇ２                  ２回転補償器の伝達関数
ＭＫ                  エンジントルク
ＲＭ                  制御器モード
ＳＢ                  燃料噴射開始信号
ｄｎＭＯＴ            回転数の差分
ｄＭＫ                差分トルク
ｎＭＯＴ              エンジン回転数
ｎＭＯＴ(IST)         エンジン回転数の実測値
ｎＭＯＴ(SOLL)        エンジン回転数の目標値
ｙ(k) ，y1(k)         ある時点の補償処理された歯車回転時間
ＢＶ(i)               計算規則
Ｕ(k) ，Ｖ(k)         ある時点の歯車回転時間
【図１】
2004535525.tif 000003
【図２】
2004535525.tif 000004
【図３】
2004535525.tif 000005
【図４】
2004535525.tif 000006
【図５】
2004535525.tif 000007
【図６】
2004535525.tif 000008
【図７】
2004535525.tif 000009
【図８】
2004535525.tif 000010
【国際公開パンフレット】
2004535525.tif 000011
2004535525.tif 000012
2004535525.tif 000013
2004535525.tif 000014
2004535525.tif 000015
2004535525.tif 000016
2004535525.tif 000017
2004535525.tif 000018
2004535525.tif 000019
2004535525.tif 000020
2004535525.tif 000021
2004535525.tif 000022
2004535525.tif 000023
2004535525.tif 000024
2004535525.tif 000025
2004535525.tif 000026
2004535525.tif 000027
2004535525.tif 000028
2004535525.tif 000029
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004535525.tif 000030
【国際調査報告】
2004535525.tif 000031
2004535525.tif 000032
2004535525.tif 000033
2004535525.tif 000034
2004535525.tif 000035
2004535525.tif 000036