專利名稱：往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置以及往復(fù)式發(fā)動機控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測往復(fù)式發(fā)動機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的裝置。
背景技術(shù)：
發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般基于與曲柄軸的旋轉(zhuǎn)同步生成的脈沖信號而被檢測出。在以數(shù)千 RPM以上的高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的往復(fù)式發(fā)動機中，即使從曲柄軸每旋轉(zhuǎn)一次所檢測出的脈沖信號來求出發(fā)動機轉(zhuǎn)速，也由于取樣間隔相對于控制應(yīng)答非常短，因此，應(yīng)答性不會產(chǎn)生問題。 另一方面，在以數(shù)百RPM以下的低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的往復(fù)式發(fā)動機中，由于在隨旋轉(zhuǎn)一次的1脈沖的取樣中控制應(yīng)答產(chǎn)生延遲，因此，在曲柄軸一次旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生多個脈沖，需要基于此算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速。但是，由于往復(fù)式發(fā)動機將活塞的往復(fù)運動變換為曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運動，因此，與曲柄軸的旋轉(zhuǎn)有關(guān)的慣性矩以轉(zhuǎn)速的大致兩倍的周期進行變動。并且，由于活塞的往復(fù)運動包括壓縮和爆發(fā)行程，因此，也存在對應(yīng)于該周期的變動。為此，當(dāng)在曲柄軸一次旋轉(zhuǎn)中生成多個脈沖信號，并基于此算出轉(zhuǎn)速時，所算出的轉(zhuǎn)速中包含這些周期性的脈動。為此，在設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并對曲柄軸的實際轉(zhuǎn)速進行反饋控制的情況下，受到上述脈動的影響而輸出不需要的指令，燃料供應(yīng)不穩(wěn)定，控制性和操作性變壞。對于這樣的問題，提出了以發(fā)動機的爆發(fā)周期對轉(zhuǎn)速進行取樣而進行反饋的構(gòu)成的方案(專利文獻1)。專利文獻1 日本特公平3-24581號公報

發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明要解決的問題)但是，如專利文獻1，當(dāng)以往復(fù)式發(fā)動機的脈動周期對轉(zhuǎn)速進行取樣并進行反饋時，對于急劇的負(fù)載變動的應(yīng)答性惡化，存在不能實現(xiàn)控制性能這樣的問題。并且，雖然也考慮了使用移動平均來算出轉(zhuǎn)速而將上述脈動消除的方法，但是仍然發(fā)生應(yīng)答延遲的問題。本發(fā)明的目的在于以高精度算出消除了往復(fù)式發(fā)動機所產(chǎn)生的脈動影響的轉(zhuǎn)速。(解決技術(shù)問題的技術(shù)方案)本發(fā)明的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置為一種隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，包括變動成分消除機構(gòu)，該變動成分消除機構(gòu)在算出實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角、轉(zhuǎn)速、以及燃料噴射量，消除包含在多個信號中的往復(fù)式發(fā)動機的爆發(fā)變動成分。所述多個信號在每個一定曲柄角度被生成，通過對基于多個信號所算出的角速度進行對應(yīng)于曲柄相位角的補正系數(shù)的運算，從而消除爆發(fā)變動成分。并且，變動成分消除機構(gòu)優(yōu)選從所算出的所述轉(zhuǎn)速中進一步對應(yīng)于曲柄相位角而消除爆發(fā)變動成分。補正系數(shù)被設(shè)定為除了爆發(fā)變動成分以外，還消除慣性變動成分的值。從相位角、轉(zhuǎn)速、燃料噴射量推算角速度，補正系數(shù)基于推算的角速度而求出。此時，補正系數(shù)優(yōu)選為將推算的角速度以其平均值為1的方式進行標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn)化推算角速度的倒數(shù)。并且，用于角速度的推算的轉(zhuǎn)速例如使用基于多個信號所算出的角速度的移動平均值、或者利用一次延遲濾波器的值的任一個而求出。并且，本發(fā)明的轉(zhuǎn)速算出裝置為一種隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，包括變動成分消除機構(gòu)，該變動成分消除機構(gòu)在算出實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角，消除包含在多個信號中的往復(fù)式發(fā)動機的慣性變動成分。并且，也可以構(gòu)成為當(dāng)曲柄的一次旋轉(zhuǎn)花費的時間是一定時，所述多個信號也可以對應(yīng)于慣性變動而以一定的時間間隔生成。此時，所述多個信號通過利用傳感器來檢測沿著與曲柄一體旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體的周向而設(shè)置的多個被檢測部，從而生成，被檢測部以對應(yīng)于慣性變動的不等間隔的齒距配列，使得當(dāng)曲柄的一次旋轉(zhuǎn)花費的時間一定時，多個信號以一定的時間間隔生成。本發(fā)明的往復(fù)式發(fā)動機控制裝置的特征在于，包括上述轉(zhuǎn)速算出裝置的任一個。本發(fā)明的船舶的特征在于，包括上述往復(fù)式發(fā)動機控制裝置。本發(fā)明的往復(fù)式發(fā)動機的轉(zhuǎn)速算出方法為一種隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速算出方法，其特征在于，在算出實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角、轉(zhuǎn)速、以及燃料噴射量，而消除包含在所述多個信號中的往復(fù)式發(fā)動機的爆發(fā)變動成分。(發(fā)明的效果)根據(jù)本發(fā)明，能夠以高精度算出消除往復(fù)式發(fā)動機所產(chǎn)生的脈動影響的轉(zhuǎn)速。


圖1是作為本發(fā)明的一實施方式的低速往復(fù)式發(fā)動機的控制框圖。圖2是以7汽缸發(fā)動機中的曲柄軸的角速度變動的時間序列變化示出的曲線圖， 橫軸對應(yīng)于時間，縱軸對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化角速度。圖3是在曲柄相位角360°中示出包含起因于7汽缸2沖程發(fā)動機中的慣性變動以及爆發(fā)變動的脈動的標(biāo)準(zhǔn)化角速度的變化、及其倒數(shù)的變化的曲線圖。圖4是示出將補正系數(shù)f( θ )以上述正弦波進行近似時的一例的曲線圖。圖5是示出使用以現(xiàn)有的方法算出的轉(zhuǎn)速(虛線)、以及補正系數(shù)f ( θ )算出的轉(zhuǎn)速(實線)的時間性的變化的曲線圖。圖6是示出為了消除慣性變動、爆發(fā)變動的脈動而使用本實施方式的補正系數(shù) f ( θ )的情況、以及使用移動平均的情況的應(yīng)答性不同的曲線圖。圖7是示出在1汽缸2沖程發(fā)動機中將曲柄一次旋轉(zhuǎn)5等分并在各區(qū)間將補正系數(shù)以η次式進行近似時、以及未進行補正情況的轉(zhuǎn)速的曲線圖。圖8是示出作為第二實施方式的低速往復(fù)式發(fā)動機的控制系統(tǒng)的構(gòu)成的框圖。符號說明10控制系統(tǒng)11往復(fù)式發(fā)動機12曲柄軸
13 曲柄14 連桿15 滑塊16活塞棒17 活塞18燃料噴嘴19燃燒室20 缸筒(，4 于)21排氣閥22 排氣口23 換氣口24、33 飛輪25、34 齒部26曲柄角度傳感器27、32控制裝置28、35轉(zhuǎn)速計算部29操作量計算部30燃料泵31儲存部
具體實施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。圖1是示出作為本發(fā)明的一實施方式的低速往復(fù)式發(fā)動機的控制系統(tǒng)的構(gòu)成的框圖。并且，在圖1中，僅示出1個汽缸，但是一般為多個汽缸(例如10個汽缸以下)，對于汽缸數(shù)以及常用轉(zhuǎn)速的詳細(xì)情況在后面敘述。控制系統(tǒng)10調(diào)整向往復(fù)式發(fā)動機11的燃料供應(yīng)量，控制其速度，并且進行PID控制，以便維持所設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。往復(fù)式發(fā)動機11為現(xiàn)有已知的柴油發(fā)動機，曲柄軸12經(jīng)由曲柄13、連桿14、滑塊15、活塞棒16而連接于活塞17，活塞17通過從燃料噴嘴18供應(yīng)至燃燒室19內(nèi)的燃料的爆發(fā)，從而在缸筒20內(nèi)進行往復(fù)運動，并且對曲柄軸12提供旋轉(zhuǎn)力。并且，燃燒氣體在排氣閥21打開時從排氣口 22排出，并從換氣口 23供應(yīng)新空氣。在曲柄軸12上設(shè)有飛輪24，在飛輪24的周緣部上設(shè)有以規(guī)定齒距形成齒的齒部 25。并且，在接近齒部25的位置上配置有曲柄角度傳感器26。曲柄角度傳感器26具有非接觸式開關(guān)或編碼器等，例如，每通過齒部25的一個齒就產(chǎn)生脈沖信號。并且，齒部25、曲柄角度傳感器26也可以具有用于檢測旋轉(zhuǎn)中的基準(zhǔn)位置的機構(gòu)。例如，當(dāng)使用非接觸式開關(guān)時，可以考慮將一個齒的寬度設(shè)置成比其他齒的寬度大。此外，當(dāng)使用編碼器時，例如，也可以與齒部25分別，在飛輪24的周緣部設(shè)置一個突起，并設(shè)置檢測該突起的機構(gòu)。在曲柄角度傳感器26生成的脈沖信號被輸入至設(shè)置于控制裝置27的轉(zhuǎn)速計算部 28。在轉(zhuǎn)速計算部28中，從所輸入的脈沖信號算出曲柄軸12的角速度和相位角，進而，利用后述的方法算出曲柄軸12的轉(zhuǎn)速，而向操作量計算部29輸出。在操作量計算部29中，基于所輸入的轉(zhuǎn)速而算出燃料泵30的操作量(燃料供應(yīng)量)，燃料泵30根據(jù)操作量來驅(qū)動泵而供應(yīng)至燃料噴嘴18，并且在規(guī)定的時刻向燃燒室19噴射燃料。并且，在操作量算出部29中算出的操作量也向轉(zhuǎn)速計算部28發(fā)送。S卩，在轉(zhuǎn)速計算部28中，基于角速度、相位角、轉(zhuǎn)速、操作量(燃料供應(yīng)量)、以及對應(yīng)于這些值而記錄于儲存部31的數(shù)據(jù)，而實施本實施方式中的轉(zhuǎn)速算出處理(詳細(xì)情況在后面敘述)。并且，在圖1的實例中，作為燃料供應(yīng)量而將操作量反饋至轉(zhuǎn)速計算部28，但是為了反饋更加正確的燃料供應(yīng)量，也可以形成在燃料泵30等中設(shè)置傳感器來實測燃料供應(yīng)量，并反饋實測的燃料供應(yīng)量的構(gòu)成。接著，對本實施方式中有必要進行轉(zhuǎn)速算出處理的條件(汽缸數(shù)和轉(zhuǎn)速)進行概述。如背景技術(shù)中的說明，往復(fù)式發(fā)動機11的曲柄軸12的旋轉(zhuǎn)中的角速度變動起因于活塞17等的往復(fù)運動中的慣性矩的變動(以下稱為慣性變動)、以及起因于燃燒循環(huán)中的壓縮(減速)、爆發(fā)(加速)行程中的汽缸內(nèi)壓力的變動(以下稱為爆發(fā)變動)。其中， 慣性變動產(chǎn)生的影響比爆發(fā)變動產(chǎn)生的影響小，因此，在以下對基于爆發(fā)變動的條件進行說明。當(dāng)關(guān)注一個汽缸時，在2沖程發(fā)動機中，爆發(fā)變動在一次旋轉(zhuǎn)(360° )中產(chǎn)生具有一個極大值的變動，在4沖程發(fā)動機中，爆發(fā)變動在兩次旋轉(zhuǎn)(720° )中產(chǎn)生具有一次極大值的變動。因此，在η個汽缸的2沖程發(fā)動機中，每360/n(度)產(chǎn)生變動，在4沖程發(fā)動機中，每720/n(度)產(chǎn)生變動。一般來說，一個汽缸中的爆發(fā)變動引起的角速度變化主要在上死點前后的規(guī)定角度范圍(角速度變動區(qū)域)產(chǎn)生。該角速度變動區(qū)域的角寬度Φ根據(jù)曲柄軸的偏置和連桿的大端/小端的軸間距離、以及壓縮比而變化，但是一般來說，為上死點前后60°的約 120°。當(dāng)汽缸數(shù)增加時，爆發(fā)前后的汽缸間的角速度變動區(qū)域重合，各汽缸中的變動被抵消且被抑制。當(dāng)將與該角速度變動區(qū)域Φ的重合程度逆相關(guān)的爆發(fā)變動的影響度設(shè)為α 時，影響度α能夠表示為用角速度變動區(qū)域角度Φ除汽缸間的爆發(fā)時刻的偏移角(2沖程360/η，4沖程720/η)。即，在2沖程發(fā)動機中α = 360/η/Φ，在4沖程發(fā)動機中α = 720/η/Φ。在經(jīng)驗上，多汽缸化產(chǎn)生的爆發(fā)變動成分的抑制在α <0.33中較高，本實施方式中的轉(zhuǎn)速算出處理是不需要的。但是，在α >0.33中，爆發(fā)變動成分的影響在角速度中出現(xiàn)，本實施方式的轉(zhuǎn)速算出處理成為有效的。特別是在α >0.35中，本實施方式的轉(zhuǎn)速算出處理是有效的。例如，當(dāng)Φ = 120°時，在2沖程發(fā)動機中，在9汽缸以下為α彡0.33，在4沖程發(fā)動機中，在18汽缸以下為α >0.33，本實施方式的轉(zhuǎn)速算出處理是有效的。并且，在數(shù)字控制中，計測中的取樣間隔Ts必須充分小于A/D變換的間隔Ta(這里D/A變換的間隔也同樣設(shè)定)，一般來說必須是Ta > 5 · Ts,優(yōu)選是Ta > 10 · Ts。此夕卜，A/D(D/A)變換的間隔Ta與作為被控制量的轉(zhuǎn)速的應(yīng)答延遲和作為操作量的燃料噴射量(燃料供應(yīng)量)的應(yīng)答延遲具有密切的關(guān)系，間隔Ta相對于這些延遲必須是充分短的時間間隔。當(dāng)將被控制量以及操作量的延遲以一次延遲的時間常數(shù)TcUTm代表時，必須是Td > 10 · Ta 且 Tm > Ta,優(yōu)選是 Td > 50 · Ta 且 Tm > 5 · Ta。
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因此，在數(shù)字控制中，取樣間隔Ts必須滿足Td > 50-Ts且Tm > 5 *Ts，優(yōu)選是滿足 Td > 500 · Ts 且 Tm > 50 · Ts0并且，在取樣間隔(脈沖間隔)Ts與被控制量(角速度)的變動周期一致的情況下或者在其以上的情況下，具有與使用濾波器相同的效果，變動在被控制量的計測結(jié)果中不出現(xiàn)。這里，在η汽缸2沖程發(fā)動機中，爆發(fā)的間隔為每360/η (度)，在4沖程發(fā)動機中，爆發(fā)的間隔為每720/η度。并且，當(dāng)轉(zhuǎn)速為R(rpm)時，由于曲柄軸進行每秒360 · R/60 (度) 旋轉(zhuǎn)，因此，爆發(fā)產(chǎn)生的角速度的變動周期在2沖程發(fā)動機中為60/n/R(秒)，在4沖程發(fā)動機中為120/n/R(秒)。S卩，在2沖程發(fā)動機中，當(dāng)利用數(shù)字控制所求出的取樣間隔Ts的值在60/n/R (秒) 以下時，本實施方式的轉(zhuǎn)速算出處理是有效的，在4沖程發(fā)動機中，在120/n/R(秒)以下時是有效的。即，成為本實施方式的轉(zhuǎn)速算出處理的適用對象的往復(fù)式發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速R 在2沖程發(fā)動機中在60/n/Ts(rpm)以下，在4沖程發(fā)動機中在120/n/Ts (rpm)以下。例如，在2沖程6汽缸發(fā)動機中，當(dāng)Td = 10秒、Tm = 1秒時，數(shù)字控制的制約為 Ts < 1/5，優(yōu)選是Ts < 1/50，這里，當(dāng)Ts—1/5時，R為約50rpm以下，當(dāng)Ts—1/50時，R為 500rpm 以下。接著，參照圖2至圖7對本實施方式的轉(zhuǎn)速算出處理的具體例進行說明。圖2是示出7汽缸發(fā)動機中的曲柄軸在一定的轉(zhuǎn)速情況下的角速度變動的時間序列變化的曲線圖， 橫軸對應(yīng)于時間，縱軸對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化的角速度。并且，角速度的平均值被標(biāo)準(zhǔn)化為1。如圖2所示，即使發(fā)動機轉(zhuǎn)速為一定并且角速度的平均值為一定，角速度也會受到慣性變動、爆發(fā)變動的影響而以一定的周期變動。現(xiàn)有技術(shù)中，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過在角速度中乘以規(guī)定的系數(shù)而求出，因此，如圖2所示，當(dāng)角速度由于慣性變動、爆發(fā)變動的影響而進行脈動時，本來應(yīng)該是一定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速以與角速度變動相同的周期進行變動的結(jié)果而被算出。一般來說，如果決定了汽缸數(shù)，起因于慣性變動以及爆發(fā)變動的角速度ω的變動基本上僅依賴于曲柄的相位角θ、轉(zhuǎn)速N、燃料供應(yīng)量Q。因此，從曲柄的相位角Θ、轉(zhuǎn)速N、 燃料供應(yīng)量Q推算包含起因于慣性變動以及爆發(fā)變動的變動的角速度，而如果從實測的角速度ω消除該變動成分，就能夠從角速度ω求出大致消除了慣性變動以及爆發(fā)變動所產(chǎn)生的脈動的轉(zhuǎn)速。并且，這里，在推算角速度時使用的轉(zhuǎn)速N中，例如使用實測的角速度ω 的移動平均或利用一次延遲濾波器進行了平滑化的值、或者在前一個處理中所求出的轉(zhuǎn)速的值。并且，在燃料供應(yīng)量Q中，例如使用最后的燃料供應(yīng)量的值。并且，優(yōu)選利用一次延遲濾波器進行平滑化時的時間常數(shù)被設(shè)定為充分小于曲柄轉(zhuǎn)速的應(yīng)答的時間常數(shù)(數(shù)十秒)的值(例如曲柄轉(zhuǎn)速的應(yīng)答時間常數(shù)的10%以下)。但是，一次延遲濾波器的時間常數(shù)也可以簡單地設(shè)定為2秒左右的時間常數(shù)?，F(xiàn)在，當(dāng)轉(zhuǎn)速N、燃料供應(yīng)量Q中的角速度的推算值為Ω(θ ；N，Q)、其平均值為 Ωω( = 2πΝ)、并且相位θ中的實測角速度為ω(θ)時，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，相位θ中示出ω (Θ)值的角速度的平均值com(e)表示為ωηι(θ) = ω (Θ) · Qm(N)/Q (θ ；N, Q) (依據(jù)ω m= Ω Ω》。因此，如果求出f(e) = Qm(N)/Q (θ ;N，Q)，就能對于實測的角速度ω (Θ)求出脈動成分被大致消除的有效的轉(zhuǎn)速Ne(e)(以下稱為有效轉(zhuǎn)速)為 Ne ( θ ) = m(0)/(2Ji) = ω (θ) · f ( θ ) / (2 π ) [rad/秒]。
圖3是在曲柄相位角360°中示出包含起因于7汽缸2沖程發(fā)動機中的慣性變動以及爆發(fā)變動的脈動的、相對于某個轉(zhuǎn)速N和燃料供應(yīng)量Q推算的標(biāo)準(zhǔn)化角速度Ω ( θ ) / Ωω的變化、及其倒數(shù)f(9)的變化的曲線圖。并且，橫軸以一個汽缸的TDC為中心(0)，而被標(biāo)準(zhǔn)化為TDC-BDC間的相位角(180° )為1。并且，在圖3中，標(biāo)準(zhǔn)化角速度Ω ( θ )/Ωω 用實線表示，作為其倒數(shù)，在本實施方式中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出時的補正系數(shù)f( θ )用虛線表在7汽缸2沖程發(fā)動機中，在曲柄進行一次旋轉(zhuǎn)期間，具有7個周期性的角速度變動，補正系數(shù)(倒數(shù))以與角速度反相位進行變化。在圖3的實例中，補正系數(shù)以接近正弦波的形狀進行變化。在圖3的實例中，當(dāng)將補正系數(shù)(倒數(shù))f ( θ )以正弦波進行近似時，曲柄的相位角θ中的補正系數(shù)的值f( θ)用下式表示。f ( θ ) A · sin (B · θ +C) +D這里，B為由汽缸數(shù)以及2沖程或4沖程決定的系數(shù)，在圖3的實例中，B = 7。振幅A以及相位差C基于模擬或?qū)嶒灦鴽Q定，振幅A主要依賴于燃料供應(yīng)量(操作量)Q和轉(zhuǎn)速N。振幅A例如作為預(yù)先求出的函數(shù)g(Q)、h(N)的乘積以A = g(Q) -h(N)求出。并且， 也可以儲存于儲存部31 (圖1)等中作為對于各Q、N的值的一覽表。相位差C也依賴于燃料供應(yīng)量(操作量)Q和轉(zhuǎn)速N，但是相位差C的變動量微小，能夠利用與振幅A大致相同的方法求出。并且，偏移量D對應(yīng)于平均值Ωω，為D= 1。并且，由于振幅A和相位差C之間的相關(guān)性較低，因此，能夠從利用模擬或?qū)嶒炈蟪龅难a正系數(shù)的波形容易地決定。圖4是示出將補正系數(shù)f( θ )以上述正弦波進行近似時的一例的曲線圖，橫軸、縱軸與圖3的曲線圖相同。在圖4中，補正系數(shù)f( θ )用實線表示，以正弦波被近似的值用虛線表示。如圖所示，在7汽缸發(fā)動機中，補正系數(shù)f( θ )以正弦波進行精度極其良好的近似。圖5是示出從圖1的標(biāo)準(zhǔn)化角速度沒有使用本實施方式的補正系數(shù)f( θ )，而是使用以現(xiàn)有的方法算出的轉(zhuǎn)速(虛線)、以及利用圖4中示出的本實施方式的近似式的補正系數(shù)f(9)而算出的轉(zhuǎn)速(實線)的時間性的變化的曲線圖。即，虛線的轉(zhuǎn)速(利用現(xiàn)有的方法的轉(zhuǎn)速)在相位角θ中所檢測的角速度為ω ( θ ) [rad/秒]時，由60X ω ( θ ) / (2 π ) [rpm]算出。另一方面，在本實施方式所算出的有效轉(zhuǎn)速Ne作為60X ω ( θ ) X f ( θ ) / (2π) [rpm]算出。并且，角速度為ω (Θ)從曲柄角度傳感器26中根據(jù)齒的檢測而生成的脈沖信號的時間間隔和齒距(角度)而計算，相位角從由基準(zhǔn)脈沖所計數(shù)的脈沖數(shù)和齒距而計算。并且，在圖5中，橫軸表示時間(秒)，縱軸表示由平均角速度求出的轉(zhuǎn)速被標(biāo)準(zhǔn)化為1的轉(zhuǎn)速。如圖5所明示，在使用補正系數(shù)f( θ )的轉(zhuǎn)速算出方法中，與沒有使用補正系數(shù) f ( θ )的現(xiàn)有的方法相比，轉(zhuǎn)速的變動幅度顯著變小，其值大致等于角速度的平均值中的轉(zhuǎn)速。由此，從轉(zhuǎn)速中大致消除起因于慣性變動以及爆發(fā)變動的脈動。并且，圖6中示出了為了消除慣性變動、爆發(fā)變動的脈動而使用本實施方式的補正系數(shù)f(9)的情況、以及使用移動平均的情況的不同。圖6是示出轉(zhuǎn)速從7011)111經(jīng)過3.5 秒降低到66. 5rpm情況的包含慣性變動和爆發(fā)變動的脈動的角速度co(t)、使用ω (t)的移動平均的轉(zhuǎn)速、以及使用本實施方式的補正系數(shù)f( θ)的有效轉(zhuǎn)速Ne隨時間變化的曲線圖，橫軸表示時間，縱軸表示轉(zhuǎn)速[rpm]。在圖6中，ω (t)用虛線Sl表示，使用ω (t)的移動平均而求出的轉(zhuǎn)速用曲線S2 表示。并且，利用本實施方式算出的有效轉(zhuǎn)速Ne用曲線S3表示，如圖6所示，在使用移動平均的情況下，雖然從所求出的轉(zhuǎn)速消除了脈動成分，但是對于角速度《(t)的變化產(chǎn)生了延遲。因此，當(dāng)將該轉(zhuǎn)速使用于反饋控制時，在調(diào)速器控制中產(chǎn)生應(yīng)答延遲。與此對比， 可知利用使用補正系數(shù)f( θ )的本實施方式的有效轉(zhuǎn)速Ne在消除脈動成分的同時，迅速追隨角速度ω (t)的平均值的變化，并且不會產(chǎn)生延遲。并且，當(dāng)7汽缸等汽缸數(shù)大到某種程度時，補正系數(shù)f( θ )能夠以正弦波進行近似，但是在汽缸數(shù)較少的情況下，不能夠以正弦波進行近似。在這樣的情況下，可以考慮將相位角θ在規(guī)定的范圍內(nèi)劃分，并分別在每個區(qū)間I分別使用多項式等將作為角速度的倒數(shù)的補正系數(shù)fi(9)進行近似。并且，圖7與圖5同樣示出了在1汽缸2沖程發(fā)動機中，將曲柄一次旋轉(zhuǎn)5等分， 并在各區(qū)間內(nèi)將補正系數(shù)以η次式進行近似時的結(jié)果。即，虛線為未進行補正情況下的轉(zhuǎn)速的值，實線為進行了補正情況下的轉(zhuǎn)速。如圖7所示，當(dāng)使用補正系數(shù)時，所算出的轉(zhuǎn)速的變動大幅降低。并且，在該情況下，近似式的各參數(shù)對應(yīng)于相位角、轉(zhuǎn)速、燃料供應(yīng)量而儲存于儲存部31，在轉(zhuǎn)速計算部28 中，基于這些值選擇公式而算出轉(zhuǎn)速。如上所述，根據(jù)第一實施方式的低速往復(fù)式發(fā)動機的控制系統(tǒng)，在基于隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的多個脈沖信號而算出轉(zhuǎn)速的情況下，能夠?qū)T性變動以及爆發(fā)變動產(chǎn)生的影響從所算出的轉(zhuǎn)速中消除。由此，在將轉(zhuǎn)速維持在設(shè)定值并且以低速運轉(zhuǎn)的大型發(fā)動機中，能夠一邊維持較高的控制應(yīng)答性，一邊實現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制。并且，取代使用補正系數(shù)的近似式，也可以對于每個相位角、轉(zhuǎn)速、燃料供應(yīng)量的值(規(guī)定區(qū)間)，將補正系數(shù)的值儲存于儲存部31作為一覽表。并且，在變動近似于正弦波的情況下，通過求出與轉(zhuǎn)速N、燃料供應(yīng)量Q時的Ω近似式(正弦波)反相位 (余弦波)的F( θ )，并且將F( θ )加入ω ( θ )中合計，能夠?qū)⒔撬俣茸儎拥窒?。在該情況下作為 Ne = 60X (ω ( θ )+F( θ ))/(2 π ) [rpm]被求出。并且，在第一實施方式中，參照曲柄的相位角、轉(zhuǎn)速、燃料供應(yīng)量，從轉(zhuǎn)速中消除慣性變動以及爆發(fā)變動的影響。但是，當(dāng)不需要基于燃料供應(yīng)量的補正時，即當(dāng)爆發(fā)變動的影響較小時，也可以僅基于曲柄的相位角進行補正并算出轉(zhuǎn)速。在該情況下，由于在轉(zhuǎn)速的算出中不需要燃料供應(yīng)量，因此，操作量(燃料供應(yīng)量)不會從操作量計算部29反饋至轉(zhuǎn)速計算部28。相反，當(dāng)慣性變動的影響與爆發(fā)變動相比為較小時，也可以僅考慮爆發(fā)變動并進行將其抵消的補正。接著，參照圖8對第二實施方式進行說明。第二實施方式與在不需要基于燃料供應(yīng)量的補正時，即以低負(fù)載常用運轉(zhuǎn)等爆發(fā)變動的影響較小時相對應(yīng)。如上所述，在該情況下，能夠通過僅基于曲柄的相位角的補正而算出轉(zhuǎn)速。在第二實施方式中，不是在每個一定的曲柄角度產(chǎn)生脈沖，而是當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，即使存在慣性變動等，也會構(gòu)成為在一定的間隔產(chǎn)生脈沖，并且在控制部中與現(xiàn)有技術(shù)相同在角速度中乘以固定系數(shù)而算出轉(zhuǎn)速。圖8是示出作為第二實施方式的低速往復(fù)式發(fā)動機的控制系統(tǒng)的構(gòu)成的框圖，與圖1相同，僅示出1汽缸，但是一般來說為多汽缸(例如10汽缸以下)。并且，對于與第一實施方式相同的構(gòu)成使用相同的參考符號，并省略其說明。在第一實施方式中，在設(shè)置于飛輪24的周緣部的齒部25上以規(guī)定齒距形成齒，但是第二實施方式的飛輪33的齒部34以不等的間隔形成齒。齒的間隔主要對應(yīng)于慣性變動而設(shè)定，例如對應(yīng)于曲柄角度以不同的齒距形成，使得即使曲柄軸12(飛輪33)的角速度由于慣性變動而變動，在曲柄角度傳感器26中產(chǎn)生的脈沖信號也以一定的時間間隔生成。在曲柄角度傳感器26所生成的脈沖信號向控制裝置32的轉(zhuǎn)速計算部35輸入。在轉(zhuǎn)速計算部35中，從脈沖信號算出角速度，通過將固定系數(shù)乘以角速度而算出轉(zhuǎn)速，并向操作量計算部29輸出。在操作量計算部29中，基于所算出的轉(zhuǎn)速來計算燃料泵30的操作量，并向燃料泵30輸出。如上所述，在第二實施方式中，慣性變動等、不依賴于燃料供應(yīng)量的發(fā)動機固有的脈動在沒有對控制裝置施加變更的情況下從轉(zhuǎn)速中被消除。并且，作為消除對象的不僅限于慣性變動，如果為單一對應(yīng)于曲柄角度的變動，也能夠利用第二實施方式的方法消除。并且，在本實施方式中，使齒的齒距適應(yīng)被消除的變動的周期而設(shè)為不等間隔，但是，例如也可以在飛輪周緣部設(shè)置對應(yīng)于這樣的齒距的條形碼的圖案(例如，將描繪的圖案粘貼在貼條上)，通過利用傳感器對其進行讀取，對每個轉(zhuǎn)速生成一定間隔的脈沖信號。另外，也可以將這些構(gòu)成不設(shè)置于飛輪，而是設(shè)置在編碼器內(nèi)。并且，慣性變動的影響利用第二實施方式的方法消除，并且對于爆發(fā)變動，也可以構(gòu)成為與第一實施方式相同，基于曲柄相位、轉(zhuǎn)速、燃料供應(yīng)量進行補正。并且，本發(fā)明適合于船舶用發(fā)動機或者在工廠等用作原動機或發(fā)動機的陸用發(fā)動機等，特別在柴油發(fā)動機等大型低速運轉(zhuǎn)的往復(fù)式發(fā)動機中有用。并且，在汽缸數(shù)為10汽缸以下，優(yōu)選為7-8汽缸以下，并且常用轉(zhuǎn)速在數(shù)百RPM以下，優(yōu)選在100RPM以下運轉(zhuǎn)的往復(fù)式發(fā)動機中是有效的。并且，作為反饋控制，將PID控制列為實例，但是控制方法不僅限于此，也可以適用于現(xiàn)代控制理論、適用控制、學(xué)習(xí)控制等。并且，在第一實施方式和第二實施方式中說明的各構(gòu)成在整合的范圍內(nèi)能夠進行各種組合。
10
權(quán)利要求
1.一種往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于所述多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速，所述往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置的特征在于，包括變動成分消除機構(gòu)，該變動成分消除機構(gòu)在算出所述實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角、轉(zhuǎn)速、以及燃料噴射量，消除包含在所述多個信號中的所述往復(fù)式發(fā)動機的爆發(fā)變動成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，所述多個信號在每個一定曲柄角度被生成，通過在基于所述多個信號所算出的角速度中運算對應(yīng)于所述曲柄相位角的補正系數(shù)，從而消除所述爆發(fā)變動成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，所述變動成分消除機構(gòu)從所算出的所述轉(zhuǎn)速中進一步對應(yīng)于曲柄相位角而消除慣性變動成分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，所述補正系數(shù)被設(shè)定為除了所述爆發(fā)變動成分以外，還消除所述慣性變動成分的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，從所述相位角、所述轉(zhuǎn)速、所述燃料噴射量推算角速度，所述補正系數(shù)基于推算的所述角速度而求出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，所述補正系數(shù)為將推算的所述角速度以其平均值為1的方式進行標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn)化推算角速度的倒數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，用于所述角速度推算的轉(zhuǎn)速使用基于所述多個信號所算出的角速度的移動平均值、或者利用一次延遲濾波器的值的任一個而求出。
8.一種往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于所述多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速，所述往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置的特征在于，包括變動成分消除機構(gòu)，該變動成分消除機構(gòu)在算出所述實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角，消除包含在所述多個信號中的所述往復(fù)式發(fā)動機的慣性變動成分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，構(gòu)成為當(dāng)所述曲柄的一次旋轉(zhuǎn)花費的時間是一定時，所述多個信號對應(yīng)于所述慣性變動而以一定的時間間隔生成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其特征在于，所述多個信號通過利用傳感器來檢測沿著與所述曲柄一體旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體的周向而設(shè)置的多個被檢測部，從而生成，所述被檢測部以對應(yīng)于所述慣性變動的不等間隔的齒距配列，使得當(dāng)所述曲柄的一次旋轉(zhuǎn)花費的時間一定時，所述多個信號以一定的時間間隔生成。
11.一種往復(fù)式發(fā)動機控制裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求1至10中任一項所述的轉(zhuǎn)速算出裝置。
12.一種船舶，其特征在于，包括權(quán)利要求11所述的往復(fù)式發(fā)動機控制裝置。
13.一種往復(fù)式發(fā)動機的轉(zhuǎn)速算出方法，隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于所述多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速，所述往復(fù)式發(fā)動機的轉(zhuǎn)速算出方法的特征在于，在算出所述實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角、轉(zhuǎn)速、以及燃料噴射量，而消除包含在所述多個信號中的所述往復(fù)式發(fā)動機的爆發(fā)變動成分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種往復(fù)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速算出裝置，其中，隨曲柄一次旋轉(zhuǎn)生成多個信號，并且基于多個信號而算出往復(fù)式發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速。其中設(shè)有變動成分消除機構(gòu)，該變動成分消除機構(gòu)在算出實際轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)于曲柄相位角、轉(zhuǎn)速、以及燃料噴射量，消除包含在多個信號中的往復(fù)式發(fā)動機的爆發(fā)變動成分。
文檔編號F02D45/00GK102472198SQ20108003418
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者辻康之 申請人:三井造船株式會社