JPS6040730A - 過給機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、可変ピッチノズル付過給機を装備した内燃機
関の過給機の制御装置に関し、内燃機関の加速時のター
ビンノズルピッチを制御するための装置に関する。

過給機を装備した内燃機関においで、負荷の追従性は、
主として過給機系の応答性により支配される。つまり内
燃機関の加速時（負荷の増加時）において、内燃機関の
回転系の時定数は、過給系の時定数に比べはるかに小さ
く、そしてこの傾向は内燃機関が大形化するにつれ顕著
になる。たとえば、ある種の大形舶用内燃機関において
、内燃機関回転系の時定数が０．８秒に対し、過給機系
の時定数は２０秒ある。１７、 加速指令により燃料投入量が増加しても、過給機系の時
定数が大きいので内燃機関に供給される空気量が追従せ
ず、投入された燃料の一部だけがばかりでなく、撚費も
悪くなる。さらＬ′こ加速指令が大きいときは、空燃比
が過＠（オーバリッチ）となり黒煙ｔｑ生し、公害上の
間順も生じる。

過給機系の遅れを大別すると、ｊ尚給機回転系の遅れと
、給気系の遅れと、排気系の遅れとになる。

そしてこれらのうち、過給機回転系の遅れか大きなりエ
イトを占めるので、過給機の回転部分を軽量化するなど
して、慣性モーメントを小さくすれば、過給機系の遅れ
は大幅に改善できる。しかし、過給機の回転部分を軽量
化するためには特殊鋼を必要とし、また加工手間も増え
るので高価になる。

可変ビツチノス“ルは過給機において、内燃機関負荷を
一定に保ったまま、ノにルビッチを絞る（すなわち流路
断面積を小さくする）と、過給機の回転数は増加する。

これは、ノズルピッチを絞れば、排気圧力が増え、膨張
比が増えて、タービンの仕事量が増加するので、回転数
が上昇するからである。したがって、内燃機関を加速す
る場合、ノス”ルビツチを一旦絞れば、過給機の回転数
が早く上昇するので、過給機系の遅れは小さくなり、そ
の分だけ内燃機関の負荷追従性は同上する。また、ノス
°ルビツチを絞れば相気王力が上昇し、気筒内に充填さ
れる空気量が増えるので、加速時において余分１ｃ投入
された燃料で有効に燃焼する割合が増える。そしてこれ
によって内燃機関のト・レフはより早い割合で増加し、
内燃機関の負荷はより早く上昇する。

本発明の目的１は、内燃機関の負？ｌ’１７追従性の向
上を図り、燃料の無駄をなくシ、また黒煙を発生するこ
となく達成される過給機の制ｍＬＪ装置を提供すること
である。

以下、図面によって本発明の詳細な説明する◎第１図は
本発明の一実施例を示す構成図である。

過給機ｌは、タービン５とプロワ４とか同軸に連結され
ており、大気から吸込んだ空気はプロワ４で圧縮され、
碧気出口２から内燃機関（図示せず）に送られる。内燃
機関で燃焼法の排気ガスはθ゛ス入ロ８に送られ、ター
ビン５を駆動する。タービン５の外周には羽根６が敗付
けられており、排気ガスのエネルギをタービン５の回転
エネルギに質換する。羽根６の上流側には可変ビツチノ
ス°ルアか設けられており、リンク８全介し゛ＣＣ排気
力スス流路断面積を変更できるように構成され°〔いる
。

制御回路１０には除ｎ器１３が内蔵されており、この除
算器１８には、給気圧力検出器１４からライン１５を介
して給気圧力信号が入力され、また負荷検出器２８から
ライン１９全介して負荷信号が入力される。除算器１８
では給気圧力信号と負荷信号との比を演算する。除算器
１Ｂからの出力信号は、減算器２２で定数設定器２１か
ら出力される目標値ＲＯ力り或ぜられ、そのｆＭ差信号
が増幅器１２で増幅され、ノズルピッチの基本開度信号
として減算器８８に出力される。

一方、給気圧力検出ｋま１４は、内燃機関の吸入空気集
合管（図示せず）内に収付けられ、集合管内の圧力ｐｌ
ｉを検出する。負荷検出器２８は、図示しない気筒内の
圧力を検出するインジケータ１６を内蔵する。インジケ
ータ１６とビヌトン速度計１７とからの信号は演算回路
１８に入力され、そこで平均有効圧力ｐｍｉ　が計算さ
れる。

計算方法は、たとえば ｐ＋ｎｉ　＝ｒｆ　ｐ−ｃ　ｄ　ｔ　・・・１１）ここ
に　Ｓ；ビストンストローク（ｃｍ）ｐ；インジケータ
出力（ｋｇ／ｃｍ　）Ｃ；ピストン速度（ｃｍ／ｓ） であり、積分器と適当な係数器とにより一行程毎の平均
有効圧力ｐｍｉ　が演算される。ｐｍｉ　の演神方法は
池の間知の方法を利用してもよい。本実施例では、平均
有効圧力ｐｍｌ　が負荷信号としてライン１９を介して
制御回路１０に出力される。

回転数制御回路２４は、操作レバー２６からライン２７
を介して送出される回転数指令信号に応じて、内燃機関
の回転数を制御する役割を果す。

次に回転数指令信号と回転数検出器２５からライン２８
を介して送出される回転数信号との偏差を減算器４８で
演算する。ＰＩコントａ−−ｐｓｏでは、ライン２９を
介する制ｍｌ偏差信号を零にするように燃料調節器８１
を駆動させる。燃料調節器８１は、内燃機関に投入する
燃料Ｎを調節する。

このような公知の回転数制御回路２４において、内燃機
関が加速（または減速）かどうかは偏差信号によって知
ることができ、減算器４Ｂはその手段を与える。

制御偏差信号はライン２９ａ′ｆ：介して制御回路１０
に送出され、係数器８２を介して減訃器３３に接続され
る。増幅器１２の出力の基本開城偽りは、この減算器３
８で係数器３２の出力により減算補正される。係数器３
２は制御Ｉ　Ｃ１１ｄ差信号１・こ予め定められた係数
を乗する役割をするが、（ｌ器の代りに関数発生器を用
いて、制御（Ｉｎｉ差信号の非線形関係で基本開城偽＠
を補正してもよい。

補正された開度信号は、リミッタＩＩＫ送出される。リ
ミッタ１１は、ノズルピッチの可変範囲に１５じて、上
下１’ｌｔを設定する。制御回路１　（ｌ力）らのピッ
チ制御信号はライン２０を介してＩＵ　Ｉｔｌｌ　部９
に入力され、パワー増幅されてリンク８を介し“Ｃ５可
変ピッチノズル７を駆動する。

発電ａを駆動する内燃機関の場合は、回転数指令信号の
代りに箪カデマンド（３号とし、また回転数信号の代り
に電力計信号を用い、その差で加速を検知１、係数器８
２に対する人力とすることもできる。さらに、複数台の
発電機全並列運転する場合は、第１図の実施例において
、ＰＩコントローラ８０の代りにＰコントａ−ラを用い
て調定率を利用した間知の方法で負荷分担してもよい。

また多気筒から成る内燃機関の場合は、代表的な気筒を
選んで、その気筒の負荷を第１図のように検出してもよ
い。全気筒のｐｍｌ　を計りその平均をとれば、より正
確な内燃機関負荷がわかり、正確な制御が可能となるが
、高価になる。

負荷検出器の池の実施例として、内燃機関の出力軸にト
ルク計を設け、このトルク計の出力全負荷信号としても
よいが、トルク計は高価である。

負荷検出器のさらに他の実施例として、ピストンの一行
程当りの燃料量を検知する手段を利用してもよい。たと
えば、ディーゼル機関の場合は、燃料噴射ポンプのラッ
ク位置をたとえば差動トランス式変位計により検出すれ
ば、−行程当りの噴射量が検出できる。ま友蓄圧式噴射
においては、燃料圧力と噴射時間とにより噴射量が計算
でへる。

本実施例によれば、他の実施例に比べ比較的安価に負荷
検出器が実現できる。

このような実施例において、その動作を説明する。内燃
機関が操縦レバー２６の指令通りの回転数で運転されて
いる場合は、制御偏差信号は零であり、制御回路ｌＯか
らライン２０を介して送出されるピッチ制御信号は、増
幅器１２の出力の基本開度信号と同じであり、可変ピッ
チノズル７は定数設定器２１で設定された基本開度を保
つＣいる。操作レバー２６が加速側に操作され、回転数
指令信号が大きくなると、制御偏差信号か生じ、燃料調
節器８１が増加の方に動かされ、投入される燃料量は増
える。

一方、制御偏差信号には、係数器３２で予め定められた
係数が乗じられ、減算器３８で基本開度信号を減算補正
する。したかつてライン２０を介するピッチ制御信号は
小さくなり、可変ピッチノズル７は絞られる。

ノペ°ルヒツチが絞られると、過給機の回転数が増加す
るとともに給気圧力が上昇し、気筒内に充填される空気
量が増加し、有効に燃焼する燃料量も増えるので、内燃
機関の回転数はより早く上昇する。すなわち、加速時に
ノス°ルビツチを絞れば、過給機の回転数がいち早く上
昇し、遅れの大きい過給機の応答を改善する効果と、充
填する空気量の増加から内燃機関のトルクの応答性が改
善される効果との両方の効果により、内燃機関の負荷追
従性は大幅に改善される。また有効に燃焼する燃料が増
えることにより黒煙の発生か抑制され、燃費も低下する
。内燃機関の回転数が上昇し、指令された回転数に近づ
くとライン２９ａを介する偏差信号も小さくなり、減算
器８Ｂによって補正される量も減り、ついには増幅器１
２の出力の基本開度でノズルピッチが制御される。

つまり内燃機関の負荷か上昇すると給気温度も上昇し空
気の密度か増加するので、気筒内への空気の充填の効率
が悪くなり、最適なｐ８／ｐｒｆｌｉ。

値か上昇する。しかし、負荷のと昇よりも給気圧御偏差
は正の方向に大きくなるので、制御回路１０からの制御
信号は大きくなり、タービン５のノズルピッチは広げら
れる。タービンのノズルピッチが広げられると給気圧力
ｐ８は下降するので、ｐ８／ｐＩＴ、ｉは基本開度（目
標値）ＲＯに保持される。目標値ＲＯＯ値は、内燃機関
型式により若干異なるが、たとえば舶用大型２サイクル
内燃機関の場合、０．２程度となる。

第２図は係′＃、器８２０種々の実施例の入出力特性を
示すグラフである。第２図ｉｔｌに示されるように、内
燃機関の回転数が指令信号に追従し、制御ｍｌ差信号か
小さくなれば、それｖｃｌ・Ｓじて係数器３２の出力も
小さくなり、ピッチ制御信号は、基本開度信号に近づき
、遂には等しくなる。本実施例では、内燃機関の減速時
には司変ビツチノ（ルアが広がり、過給機の回転数が低
下するので、内燃機関の回転数は速やかに低下する。舶
用主機のように慣性の大きな負荷につながれた内燃機関
の場合は、回転数の低下は負荷の慣性に依存し、燃料の
燃焼特性に依存しないので第２図（２）に示されるよう
に制御偏差信号か負のとき係数器３２の出力が零になる
ようにして、加速時のみ基本開度信号を補正するようＣ
Ｃシてもよい。また第２図（３）に示されるように、制
御偏差信号が大きいとき、係数器８２の係数の増加を小
さくして飽和特性をもたせ、大きな負荷変化（大きな加
速）に対して補正Ｍを制限してもよい。このようにすれ
ば加速か大幅である補正がききすぎるのを防げる。また
第２図（２）の蘭形として第２図１４）に示されるよう
に、制御偏差信号が正のときと負のときとで係数の値を
変ｊ（もよい。さらにこれらの適当な組合せでもよい。

第２図（６）および第２図（６）に示されるように不感
帯を設けるき、微少な負Ｑ変動にノス°ルビツチが応答
せず負荷追従性は若干悪くなるが安定になる。

第３図は本発明の池の実施例を示す構成図である。操作
レバー２６からライン２７を介して送出される回転数指
令信号（負荷指令）は微分器８４で増加率が計算され、
ライン８６を介して増加率信号が演算器８６に入力され
、ここでノス゛ルビッチの減産分か計算され、減３１．
器８８で基本量ｇ：信号が減算補正される。微分器３４
は箇知のものを使ってもよく、たとえば第４図の微分器
を使ってもよい。操作レバー２６が操作されると、−微
分器３４はこれを検出し、演算器８６を介して減神−ｋ
ｇ８８で基本開度信号に減算補正（加速時）または加算
補正（減算時）を行なう。

演算器８６としては、たとえば第５図に示すような一次
遅れを使ってもよい。ｆたたとｔば比較器とタイマを組
合せて、増加率（：１号かある一定値を＠えた場合に、
一定期間、一定の減産分を減算器８８に入力するように
ｔｍ成してもよい。

さらに、微分器８４０入力として回転数指令信号の代り
にＰｌコントローラ８ｏの出方を採用してもよい。これ
によれば、ノス“ルピッチの減産分の計算は、操作レバ
−２６？操作する速さ１Ｃ影響を受けない。

制御回路１０や回転数制御回路２４の能の実施例として
、第６図に図示の回路５７のようにマイクロコンピユー
タ５０．’ｅ使用してもよい。マイクロコンピュータ５
０を使用すれば、制御回路１゜や回転数制御回路２４の
構成要素はプログラムに置換えられる。マイクロコンピ
ュータ５０１Ｃは７’ａグラムや定数を格納するメモリ
５１や、外部の検出器からの信号を読込むためのアナロ
グ／デジタル変換器５２や、制御信号を出力するための
デジタル／アナログ変換器５３が別途必要となる。

第７南は回路５７をマイクロコンピユーＪ５０・により
実現しｆｃ場合のプログラムのフローチャートである。

電源が投入されるとステップＩ００’ｉ実行し、各種レ
ジスタやフラグの初期ヤットｔｌｉない、制御系の初期
化全行なう。次にステップ１０８．１０９でそれぞれ回
転数指金信号と回転数信号とをアナログ／デジタル変換
１１５２を介してマイクロコンピュータ５０に読込む。

ステップ１１０では両者の差をとり回転数制飢面差−−
Ｎをめる。ステップ１１１でゲインＡＮｋ乗じ、ステッ
プ１１２でデジタル／アナログ変換の後、燃料調節器３
１ＶｃｉｌｉＩＪ＆ｌ出力（ＡＮ・ΔＮ）ｅ送出する。

次に、ステップ１０１，１０２に移り、それぞれ負荷信
号と給気圧力信号とをアナログ／デジタル変換器５２を
介して、マイクロコンピュータ５０に読込む。ステップ
１０８では、給気圧力信号と負荷信号との比ｒ　（＝　
ｐ、／ｐ、ｎＨ）が計算され、ステップ１０４では制御
ｍｌ差ε（＝ｒ　−ＲＱ）が計算される。ステップ１０
５では、ゲインＡが乗算され（Ｆ＝Ａ・ε）、基本開穫
が計算さｆＬる。

ステップ１０５ａでステップ１１０でめた回転数制御回
路ΔＮに定数を乗じ（Ａｘ・ΔＮ）、ステップ１０５ｂ
で基本開度信号Ｙ　Ｉｃ　？ｉｌｔ正を行なう（’ｙ＝
ｙ−ＡＩＣ・ΔＮ）。ステップ１に６ではリミッタ１１
Ｖｃより制限される（ｙｍｉｎ≦ｙ≦ｙｍａｘ）。次に
ステップ１０７に移り、デジタル／アナログ変換器５８
でアナログ槍に変換され、制御信号として躯勧部９に出
力される。次に再びステップ１０８に戻り、以下のステ
ップを逐次繰返す。

以上の説明において、舶用内燃機関のような回転数の上
昇が負荷の上昇を招く場合全想定したが、発電機のよう
に回転数が一定でトルクの上昇が負荷の上昇を招く場合
も同様に説明できる。ただしこの場合は加速または減速
というｎ葉は、トルクの増大または減少と絖替える必要
がある。

第１Ｍおよび第８図に示された実施例において、係数器
８２の係数の値が大き過ぎたり、または操縦レバー２６
の操作速度か大き過ぎて、ノズルピッチを絞り過ぎると
給気圧力か異常に高くなり、過給機かサージングを起す
おそれがある。第６図示の実施例は、上記の欠点を改善
するために考えられたものである。この実施例で注目す
べき点は、内燃機関の吸込＠量を計る風か計８７が制御
回路１０に内蔵の最小開度設定器８９に接続されている
。風量計８７からはライン８８ｆｃ介して鳳凰信号が最
小開度設定器８９＆Ｃ送出され、ライン４０を介して最
小開度信号として高位信号選Ｕぐ器４１に入力される。

ｆＲ量計８７として、たとえば熱線式の風量計やカルマ
ン渦を利用した風量計の龍、伸１転羽根の速度により風
量を計るタービン式風量計が考えられる。

過給機ｌのサージング限界は第７図に示されるように、
内燃機関への吸込風垣と圧力比（プロワ前圧力と相気圧
力七の比）により定まる特性曲線によって与ｔられる。

吸込風敏はほぼ内燃機関負荷に比例し、プロワ前圧力（
大気圧力）はほぼ一定で、圧力比は給気圧力で決まるの
で、＠７図の特性曲線は内燃機関負荷と給気圧力との関
係で与えることもでき、第９四の曲線は第１０図の曲線
Ｃとなる。

第１図示の実施例に２いて、負萌か整定時の過給機の特
性は第１０図の曲線ａで表わされる。柚ｔ″４すれば、
曲線ａとなるようにノス゛ルビッチが制御される。加速
時にノス゛ルビッチを紋れば、給気圧力が上昇し、過給
機の特性は過渡的１ｃ曲線Ｃの−ｔ−ジングラインに近
づき、絞り岨が大きければサージングを起す。第１′１
）南の曲線すはツ°−ジングラインより若干の余裕を見
込んだ曲線でｔｊり、加速時において曲線すより下側に
あれば、サージングを起すおそれはない。

第８図示の実施例において、第１０図の曲線ｂに相当す
るノズルピッチの大きさが制御回路ｌ。

内の最小開度で設定器８９に予め記憶されている。

つまり内燃機関負荷または吸込風量に対し、曲線すで示
す給侭圧力を実現するノズルピッチの大きさく開度）が
最小開度設定器８９１Ｃ格納されている。加速時におけ
る減算器の補正をうけた減算器３３の出力は、高位信号
選択器４１において最小開度設定器３９からライン４０
を介して入力される最小開度信号と比較選択され、大き
い方の信号が制御回路１０からライン２０を介してピッ
チ制御信りとして出力される。

上述のごとく、掃作レバー２６が素早く操作されたり、
また大きく操作されたりし−Ｃ，ノズルピッチの減母分
が過変に大きくなり、ノズルピッチが小さくなり過ぎる
ことを防止できる。

なお、回転数検出器２５や負６ｆ検出器２８や操縦レバ
ー２６からの回転数指令信号を風量計８７の代りに利用
してもよい。この実施例によると、制御性能か悪くなる
が、風量計が省略できるので安価となる。

第１１図は本発明のさらに他の実施例を示す構成図であ
る。本実施例では、最小開度信号と係数器８２の出力と
が低位信号選択器４２で比較選択され、小さい方の信号
が減算器８８の入力となる□最小開度設定器８９には、
補正分の最大哨が設定されている。具体的には第１０図
の曲線ａに相当したノズルピッチと、曲線ｂＶｃ柑当し
たノズルピッチとの差が記憶されている。係数器８２の
出力が過度に大きくても、１氏位信号選択器４゛２でブ
ロックされるので、可変ピッチノズルを絞り過ぎ、過給
機がサージングを起すことが防止される。

以上のように本発明によれば、内燃機関の加速時におい
て、過給機の可変ビッチノス゛ルを絞るようにしたので
、負性追従性が同上し、また過＠機の回転を上げ、過給
機系の応答遅れを小さくし、さらに給気圧力を高め、気
筒に充填される空気桓を増やし、投入燃料を有効に燃焼
させることができ、黒煙の発生も防がれる。また、ノス
゛ルビッチの絞り量全制限することにより、プロワがサ
ージングを起こすのを防ぎ、内燃機関が運転不能となる
ので未然に防ぐことができる口

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すＩ＃構成図第２図は係
数器３２０種々の実施例の入出力特性を示すグラフ、第
３図は本発明の能の実施例を゛示す構成図、第４図は微
分器３４の一実施例を示すブロック図、第５図は演算器
８６の一実施例を示すブロック図、第６図は制御回路１
０や回転数制御回路２４に係る能の実施例を示すブロッ
ク図、第７図は第６１來１示の実施例の動作を説明する
ためのフローチャート、第８図は本発明の他の実施例を
示す構成図、第９図は圧力比と吸込風量との特性曲線を
示すグラフ、第１０図は給気圧力と内燃機関負荷との特
性曲線を示すグラフ、第１１図は本発明のさらに他の実
施例を示すブロック図である◎１・・・過給機、７・・
・可変ピッチノズル、９・・・駆動部、１０・・・制御
回路、２４・・・回転数制御回路、２５・・・回転数検
出器、２６川操作レバー、８８．４８−・・減算ｉ４Ｗ
、８４・・・微分器、８６・・・演算器、８７・・・ｆ
［ｌｉＬ量計、３９・・・最小開度設定器、４１・・・
高位信号選択器、４２・・・匠位信号選択器 代理人　弁理士　西教圭一部 第２ （１）　よヵ （６） 第３図 第４図 ４ す 第５図 ６ ノ 第８図 第９図 第１０図 内ス然櫓ｎ０西荷

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｉｉ１内燃機関の運転状態に基づき、可変ピッチノベル
   付過給機のノズルピッチの基本開度を計算する装置と、
   この基本開度にノズルピッチを調節する装置とを有する
   過給機の制御装置において、加速時であることを検出す
   る手段と、その加速時検出手段からの出力ＫＩ５答して
   加速時のノズルピッチのｌｖ量分を計算する装置と、こ
   の減員分に応じて前記基本開度を補正する装置位とを備
   えることを特徴とする過給機の制御装置。 （２）前記ノズルピッチの減員分を計算する装置は、指
   令負荷と実負荷との偏差を計算する装置からの面差信号
   Ｉ７Ｉ：応答して制御することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の過給機の制御装置。 （３）前記ノズルピッチの減員分を計算する装置は、負
   傭指令の増加率を計算する装置からの増加率に１５答し
   て制御することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の過給機の制御装置。 （４）内燃機関の運転状態に基づき、可変ピッチノズル
   付過給機のノズルピッチの基本開度を計算する装置と、
   この基本開度にノズルピッチを調節する装置とを有する
   過給機の制御装置において、前記内燃機関の運転状態か
   らノズルピッチの最小開度を計算する装置と、加速時で
   あることを検出する手段と、その加速時検出手段からの
   出力に応答して加速時のノズルピッチの減員分を計算す
   る装置と、この減員分に応じて前記基本開度を補正する
   装置と、減員分による補正ケ受けた前記基本開度と前記
   最小開度のうち大きい方の開度を選択する装置とを備え
   たことを特徴とする過給機の制御装置。 （５）内燃機関の運転状部に基づき、可変（ｙチノズル
   付過給機のノズルピッチの基本開度を計算する装置と、
   この基本開度にノズルピッチを調節する装置とを有する
   過給機の制御装置において、前記内燃機関の運転状態か
   らノズルピッチの最大減址分を計算する装置と、加速時
   の減員分と００記最大減量分のうち小さい方の減量分を
   選択する装置とを備えたことを特徴とする過給機の制御
   装置。