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TWI464320B - Engine speed calculation device and governor control system - Google Patents

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TWI464320B
TWI464320B TW099122121A TW99122121A TWI464320B TW I464320 B TWI464320 B TW I464320B TW 099122121 A TW099122121 A TW 099122121A TW 99122121 A TW99122121 A TW 99122121A TW I464320 B TWI464320 B TW I464320B
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TW201107587A (en
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Ichiro Tanaka
Kazutaka Shimada
Hidenori Yamamoto
Akira Mitsufuji
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Mitsui Shipbuilding Eng
Mitsui Zosen Systems Res Inc
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Description

引擎轉速計算裝置及調速器控制系統
本發明是關於燃機引擎的調速器控制，尤其是關於用來算出引擎轉速之轉速計算裝置。
例如，船舶用引擎的調速器控制係利用配置在轉動齒輪附近的感測器檢測引擎的實際轉速，以使已被設定的目標轉速與實際轉速沒有差距的方式控制燃料噴射量。但是，由於內燃機引擎的迴轉輸出中含有燃燒行程中因爆發所引起的脈動，故監視引擎轉速之調速器控制，會有根據該脈動進行非必要的調整的可能性。這種情況，燃料噴射量變不穩定，控制性、操作性惡化。另外，引擎採用凸輪式的燃料噴射系統的情況，由於非必要的調整，會使從調速制動器至燃料泵的機構提早磨損。針對這個問題，已知的方法為將被檢測過的實際轉速依脈波週期進行取樣保持予以回授，由調速器控制來消除引擎脈動的影響(日本專利文獻1)。
【專利文獻1】日本專利特公平3-24581號公報
現今，例如大型船舶用引擎也高漲針對油耗量進行改善的要求，追求考慮到波浪中的螺旋槳負載變動(例如小於10秒週期之週期的變動)等之調速器控制。但是，日本專利文獻1中，將轉速以引擎的脈動週期進行取樣保持予以回授，追隨波浪所導致的負載變動會有困難。
本發明的目的為既維持負載變動所導致的轉速變動又算出以簡單的構成消除了引擎脈動的影響之轉速。
本發明的引擎轉速計算裝置，其特徵為：具備有對應於內燃機引擎1循環的迴轉，檢測複數個脈波訊號之脈波檢測手段，及從脈波訊號算出引擎轉速之轉速計算手段；由以內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均來算出引擎轉速。
轉速計算手段係將相鄰脈波間的時間間隔Ti 對應於前述脈動週期的特定數量連續予以累計以求出脈動週期。
當1循環的迴轉被檢測之脈波訊號數N為內燃機引擎的氣缸數Z時，特定個數對應於N/Z。當N/Z的整數部為Q時，用Q個或Q+1個時間間隔Ti 的累計來算出脈動週期。
當N/Z的小數部為D時，於時間間隔Ti 的累計進行對應於前述小數部D的修正來算出脈動週期。對應於小數部D的修正值係用被累計的時間間隔Ti 當中最過去的時間間隔算出。修正係用被累計的時間間隔Ti 當中最新的時間間隔算出。
本發明的調速器控制系統，其特徵為：使用前述引擎轉速計算裝置。
又，本發明的引擎轉速計算方法，其特徵為：對應於內燃機引擎1循環的迴轉檢測複數個脈波訊號，從脈波訊號算出引擎轉速，由以內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均來算出引擎轉速。
進而，本發明的船舶，其特徵為：具備有船體、及船體上搭載之內燃機引擎、及算出內燃機引擎的引擎轉速之引擎轉速計算裝置；引擎轉速計算裝置具備有對應於內燃機引擎1循環的迴轉檢測複數個脈波訊號之脈波檢測手段，及從脈波訊號算出引擎轉速之轉速計算手段；由以內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均來算出引擎轉速。
依據本發明，可以既維持負載變動所導致的轉速變動又算出以簡單的構成消除了引擎脈動的影響之轉速。
以下，參考附圖來說明本發明的實施形態。
第一圖為表示本發明的一個實施形態中船舶用引擎之調速器控制系統的全體構成之方塊圖。
調速器控制系統是一種進行主機也就是內燃機引擎11的調速之系統，經由以已被設定的引擎轉速作為輸入，調整對內燃機引擎11的各氣缸之燃料噴射，回授被實測過的引擎轉速，使引擎轉速維持在設定值。
即是目標轉速係於轉速設定部12進行設定，輸入給PID控制部13。從PID控制部13使調速器指令輸出給燃料泵14，燃料泵14則將根據調速器指令的噴射量之燃料供應給內燃機引擎11的各氣缸。內燃機引擎11的主軸15安裝有轉動齒輪16和螺旋槳17，在轉動齒輪16的周緣部附近，接近配置接近開關或電磁拾取感測器等的脈波產生裝置18。
脈波產生裝置18是一種伴隨轉動齒輪16的迴轉來產生脈波訊號之裝置，例如檢測轉動齒輪16的齒尖部或溝槽部，產生與引擎轉速成比例的脈波訊號。來自脈波產生裝置18的脈波訊號傳送至轉速運算部19，施予後述的轉速計算處理，算出現在的引擎轉速來作為實際轉速。於轉速運算部19被算出的實際轉速回授給PID控制部13的輸入側，與目標轉速的差輸入到PID控制部13。
其次，參考第二圖，針對因內燃機引擎11的燃燒行程而發生之引擎轉速的脈動與脈波訊號的關係。此外，第二圖為表示各氣缸的活塞位置、爆發的時序、及引擎轉速(角速度)的變動與脈波訊號的關係之圖。
第二圖中，以一個例子表示採用6缸2行程的柴油引擎來作為內燃機引擎11的情況之時序。第二(a)圖至第二(f)圖為分別表示1循環(曲柄軸1迴轉)所經過之氣缸＃1至＃6的活塞位置及爆發的時序，第二(g)圖為表示此時主軸15的轉速變動，第二(h)圖為表示此時脈波產生裝置18所產生之脈波訊號的順序。
如同第二圖所示，6缸2行程的柴油為曲柄軸1迴轉間(1循環)，各氣缸依序發生1次的爆發，共6次的爆發。曲柄軸於各氣缸發生爆發的燃燒行程供應扭力(torque)，故曲柄軸的角速度會在各氣缸發生爆發正後的時序一時變快，以發生爆發的週期變動(脈動)。藉由此方式，轉動齒輪16(參考第一圖)的迴轉(角速度)也是在1循環之間變動，也會在脈波產生裝置18所產生之脈波訊號的脈波波幅、脈波間隔，配合爆發的間隔而發生疏密。此外，脈波間隔對應於轉動齒輪16的齒距(一定值)並對應主軸(曲柄軸)的間距角度分量的迴轉。
如同前述，經由調速器控制所回授之主機的實際轉速係根據脈波訊號所算出，例如測量檢測特定數量的脈波為止的時間而獲得。又，轉速也能夠從相鄰2個脈波的時間間隔算出，此情況，可以反映在被算出很短週期的變動之轉速。但是，每個脈波算出轉速，則會有受到轉動齒輪或感測器之精度、誤脈波、雜訊等的影響之可能性。又，通常脈波訊號係以小於氣缸間之爆發間隔的週期產生，所以每個脈波算出轉速，則會成為被算出的轉速中含有引擎的爆發所導致的脈動。
內燃機引擎本身的脈動係與引擎轉速控制無關，也不是利用調整燃料噴射量來控制，所以於調速器控制回授含有引擎的脈動之轉速，則如同習知技術的項目所說明過進行非必要的燃料調整，導致對於燃料供應系統的機構並不理想的結果。因此，就輸入引擎轉速之調速器控制而言，期望可以從被回授之主機的實際轉速消除引擎脈動的影響。
為了要從轉速消除引擎的脈動，也考慮到用濾清器，用濾清器的情況，例如導致變更主機轉速的設定也必須變更濾清器的設定而使構成變複雜。又，形成為不論設定轉速仍可以充分消除脈動的影響之構成，則會使對負載扭力變動的追隨性惡化。
由於這樣的事態，本實施形態中，從脈波訊號算出轉速時，直接從算出轉速消除脈動的影響。即是本實施形態中，設定為對應於內燃機引擎的脈動週期進行取樣之構成，由以脈動週期為單位的移動平均來算出引擎轉速。
例如氣缸數Z的2行程引擎的情況，脈動週期(爆發的間隔)設為TP (sec)，則脈動為1/Z迴轉發生1次，所以脈動週期TP 為對應於1/Z迴轉時的時間間隔。因此，經過脈動週期之引擎的平均轉速(RPM)以60×(1/Z)/TP 求出，經由隨時測量1/Z迴轉所需要的時間間隔，代入前式，則由以內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均直接求出引擎轉速。
但是，主軸的相位(迴轉角)係透過斷續的脈波訊號進行檢測，不是以連續的值進行檢測。因此，必須從脈波訊號的時間間隔來推定脈動週期TP 。以下，表示本實施形態所採用之脈動週期TP 的計算式之例子。此外，以下的說明中，以氣缸數為Z的2行程引擎為例子，1迴轉(1循環)的脈波數設為N，N/Z的整數部設為Q，小數部設為D(0≦D＜1)，經過四捨五入的整數設為R。另外，以Ti (sec)表示脈波的各時間間隔，附屬的i字母係i=0對應於被測量過之最新的時間間隔，i=-1對應於該前1個被測量過的時間間隔，i=-2對應於前2個被測量過的時間間隔，i=-n對應於前n個被測量過的時間間隔。
N/Z係對應於從爆發至下一次爆發為止之間被檢測的脈波數，所以累計N/Z(=Q+D)個的脈波間隔的話，可以算出脈動週期TP 。因此，第一例中，在Q個脈波間隔Ti (i=0至-(Q-1))的累計值中加入已在Q個前的脈波間隔T-Q 乘上小數部D之值而為脈動週期TP 。
TP =To+T-1 +T-2 +‧‧‧+T-(Q-1) +D‧T-Q 　(1)
此時，轉速(RPM)由以下的式子(2)求出。
轉速(RPM)=60/{Z×(To+T-1 +‧‧‧T-(Q-1) +D‧T-Q )}　(2)
第三圖為表示N=46、Z=6時為例子由式子(1)所求出之脈動週期TP 的內容之示意圖。即是表示Q=7、D=2/3(0.66...)，以TP =T0 +T-1 +T-2 +...+T-6 +(2/3)T-7 求出脈動週期TP 的情況。
第三圖中，經過1迴轉(1循環)的脈波訊號(46個)及爆發的時序一起被畫出，各脈波附註1至46的號碼。TP (9)為代表偵測出第九號的脈波時由式子(1)所計算的脈波週期，TP (10)為代表偵測出第十號的脈波時的TP 。同樣，第三圖中顯示TP (11)至TP (16)。TP (9)至TP (16)各個中，各長方形的寬分別從右起對應於脈波間隔T0 至T-6 ，最左邊顯示脈波間隔T-7 的2/3。此外，在各長方形內顯示脈波間隔Ti 的附屬字母之值。
第一圖的轉速運算部19係如第三圖所示，每次重新檢測脈波，脈動週期TP 則例如更新成從TP (9)起依序至TP (16)，這時候算出根據式子(2)的轉速(RPM)並予以回授。
轉速並沒有引擎脈動以外的變動時，被算出脈動週期TP (9)至TP (16)為大致相同長度，式子(2)所求出的轉速也大致一定。藉由此方式，由轉速基本的調速器控制消除脈動導致的影響。一方面，由於螺旋槳負載扭力的影響而對轉速造成變動時，TP (9)至TP (16)的長度也變化，以轉速的變化予以回授。
又，其次針對修正了式子(1)的第二例子之脈動週期TP 的計算方法進行說明。如同第三圖所示，用式子(1)的第一例子係只從計算所加入之最過去脈波間隔T-7 的長度來求出N/Z中小數D的影響，第二例子則是將脈波間隔劃分成最新的脈波間隔T0 及最過去的脈波間隔T-7 的兩者，由以下的式子(3)算出，使推定精度提高。
TP =(0.5+D/2)To+T-1 +T-2 +‧‧‧+T-(Q-1) +(0.5+D/2)T-Q 　(3)
此時，轉速(RPM)以60/(Z×TP )求出。
此外，也可以將小數D的影響分配在T0 至T-Q 的全體中，例如均等地分配的話，將(1+D)/Q乘在各項中。又，也能夠使各項的加權值不同。
其次，針對修正了式子(2)的第三例子之脈動週期TP 的計算方法進行說明。第三例子係將用於算出脈動週期TP 之項數(脈波間隔數)予以減少，提高對轉速變化的追隨性。即是第三例子係只用Q個脈波間隔T0 至T-(Q-1) ，由式子(4)來求出脈動週期TP 。
TP =(1+D/2)To+T-1 +T-2 +‧‧‧+T-(Q-2) +(1+D/2)T-(Q-1) 　(4)
此時，轉速(RPM)以60/(Z×TP )求出。
此外，式子(1)所示的第一例子中，也考慮到將項數設為T-(Q-1) 為止，在該項中乘上(1+D)的方法。
其次，針對第四例子之脈動週期TP 的計算方法進行說明。第四例子係根據已將N/Z四捨五入的值R，累計R個脈波間隔T0 至T-(R-1) 而為近似的脈動週期TP ，並且將週期TP 的迴轉設為R/N(對應於1/N)迴轉，利用以下的式子(5)求出轉速。
轉速(RPM)=60‧(R/N)/(To+T-1 +‧‧‧+T-(R-1) )　(5)
如同以上，依據本實施形態，因於算出轉速的過程(取樣)，求出對應於內燃機引擎的脈動週期之移動平均，所以以極簡單的構成即可以消除引擎脈動的影響。又，因以對應於脈動間隔(週期)的方式進行取樣，所以即使目標轉速的設定變更，仍不必變更參數等變更計算處理。又，轉速的順暢化係因被抑制在必要的最小限度，所以即使消除引擎脈動的影響，對於螺旋槳等的負載扭力變動等所導致的轉速變動仍可以充分追隨。
此外，由這些事態，涵蓋運轉全面來使轉速的控制性、操作性穩定，可以防止非必要之燃料噴射量的調整，所以得以改善油耗量，並且也可以減少從調速制動器至燃料泵的機構之機械耗損。
此外，實測則是依照式子(3)＞式子(1)＞式子(4)的順序，提高脈動成分的消除精度，不過於TP 的推定，最新的脈波間隔T0 所佔的比例或由T0 起的項所佔比例愈高，對轉速變動的追隨性則愈高。
又，本實施形態中已以2行程引擎為例進行說明過，但也可以適用於4行程引擎。此情況，轉速成為2行程時的2倍。
本實施形態中已以船舶引擎為例進行說明過，不過即使是工業用的動力源或發電機等陸用的內燃機引擎也可以適用本發明。即是進行維持一定轉速的控制，並且於伴隨負載變動的用途所採用的內燃機引擎，1迴轉(1循環)產生複數個脈波訊號，用該訊號來算出轉速的情況，可以適用本發明。
又，有關控制方法並不侷限於PID控制，也能夠應用現代控制理論、應用控制、學習控制等。
10‧‧‧調速器控制系統
11‧‧‧內燃機引擎(主機)
12‧‧‧轉速設定部
13‧‧‧PID控制部
14‧‧‧燃料泵
15‧‧‧主軸
16‧‧‧轉動齒輪
17‧‧‧螺旋槳
18‧‧‧脈波訊號產生裝置(接近開關)
19‧‧‧轉速運算部
第一圖為表示本發明的一個實施形態中船舶用引擎之調速器控制系統的全體構成之方塊圖。
第二圖為表示各氣缸的活塞位置、爆發的時序、及引擎轉速(角速度)的變動與脈訊號的關係之圖。
第三圖為表示N=46、Z=6時式子(1)的內容之示意圖。
11．．．內燃機引擎
12．．．轉速設定部
13．．．PID控制部
14．．．燃料泵
15．．．主軸
16．．．轉動齒輪
17．．．螺旋槳
18．．．脈波產生裝置
19．．．轉速運算部

Claims (5)

  1. 一種引擎轉速計算裝置，其特徵為：具備有對應於內燃機引擎1循環的迴轉來檢測複數個脈波訊號之脈波檢測手段、及從前述脈波訊號算出引擎轉速之轉速計算手段；由以前述內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均算出前述引擎轉速；前述轉速計算手段係將相鄰脈波間的時間間隔Ti 對應於前述脈動週期的特定數量連續予以累計以求出前述脈動週期；當前述1循環的迴轉被檢測之脈波訊號數為N，前述內燃機引擎的氣缸數為Z時，前述特定個數對應於N/Z；當N/Z的整數部為Q時，用Q個或Q+1個時間間隔Ti 的累計來算出前述脈動週期；當N/Z的小數部為D時，於前述時間間隔Ti 的累計進行對應於前述小數部D的修正來算出前述脈動週期；對應於前述小數部D的修正值係用被累計的前述時間間隔Ti 當中最過去的時間間隔算出。
  2. 如申請專利範圍第1項之引擎轉速計算裝置，其中，前述修正係用被累計的前述時間間隔Ti 當中，進一步將最新的時間間隔算出。
  3. 一種調速器控制系統，其特徵為：用申請專利範圍第1或2項所述之引擎轉速計算裝置。
  4. 一種內引擎轉速計算方法，其特徵為：對應於內燃機引擎1循環的迴轉檢測複數個脈波訊號，從前述脈波訊號算出引擎轉速，由以前述內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均來算出前述引擎轉速；將相鄰脈波間的時間間隔Ti 對應於前述脈動週期的特定數量連續予以累計以求出前述脈動週期；當前述1循環的迴轉被檢測之脈波訊號數為N，前述內燃機引擎的氣缸數為Z時，前述特定個數對應於N/Z； 當N/Z的整數部為Q時，用Q個或Q+1個時間間隔Ti 的累計來算出前述脈動週期；當N/Z的小數部為D時，於前述時間間隔Ti 的累計進行對應於前述小數部D的修正來算出前述脈動週期；對應於前述小數部D的修正值係用被累計的前述時間間隔Ti 當中最過去的時間間隔算出。
  5. 一種船舶，其特徵為：具備有船體、及前述船體上搭載之內燃機引擎、及算出前述內燃機引擎的引擎轉速之引擎轉速計算裝置；前述引擎轉速計算裝置具備有對應於內燃機引擎1循環的迴轉檢測複數個脈波訊號之脈波檢測手段、及從前述脈波訊號算出引擎轉速之轉速計算手段；由以前述內燃機引擎的脈動週期為單位的移動平均來算出前述引擎轉速；前述轉速計算手段係將相鄰脈波間的時間間隔Ti 對應於前述脈動週期的特定數量連續予以累計以求出前述脈動週期；當前述1循環的迴轉被檢測之脈波訊號數為N，前述內燃機引擎的氣缸數為Z時，前述特定個數對應於N/Z；當N/Z的整數部為Q時，用Q個或Q+1個時間間隔Ti 的累計來算出前述脈動週期；當N/Z的小數部為D時，於前述時間間隔Ti 的累計進行對應於前述小數部D的修正來算出前述脈動週期；對應於前述小數部D的修正值係用被累計的前述時間間隔Ti 當中最過去的時間間隔算出。
TW099122121A 2009-07-06 2010-07-06 Engine speed calculation device and governor control system TWI464320B (zh)

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JP2009160282A JP4758498B2 (ja) 2009-07-06 2009-07-06 機関回転数算出装置およびガバナ制御システム

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Application Number Title Priority Date Filing Date
TW099122121A TWI464320B (zh) 2009-07-06 2010-07-06 Engine speed calculation device and governor control system

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KR (1) KR101161647B1 (zh)
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