FADEC

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/09/16 06:54 UTC 版)

レシプロエンジン用のFADEC

FADECは、Full Authority Digital Engine Control の略であるが、当初は Full Authority Digital Electronics Control の略とされていた^[1]。日本語では「全デジタル電子式エンジン制御装置」^[4]、「全デジタル式電子制御器」^[2]、「デジタル電子制御装置」^[3]などと訳されている。

FADECは、制御用デジタルコンピュータ^{[注釈 1]}を中心に、アクチュエータ、センサ、電源回路などからなるシステムである^[5]。FADECは、従来の油圧機械式と比べて高い制御精度を持つことから、燃費を含むエンジン性能の最適化につながるほか、故障診断機能を備えたり、制御機能の追加・変更を行いやすいため、エンジン全体の開発や改良の点でも有利である^[1]^[3]^[5]。

FADECが最初に導入されたのはタービンエンジンの制御で、後に技術が洗練されたことでレシプロエンジンにも用いられるようになった^[1]。21世紀現在では軍用・民間用を問わず新たに製造される航空機のFADECは、安全性確保のために冗長性を持った2重系となっている^[6]。

歴史

航空機用のエンジン制御装置は長い間、油圧機械式のもの^{[注釈 2]}が使用されていた。これは電気回路の部品の信頼性が十分ではなく、エンジン制御装置の故障が航空機の墜落の危険をはらんでいたために、確実な動作が期待できる油圧機械式が選ばれたためである。油圧機械式では単純な制御しか行えず^{[注釈 3]}、航空機の飛行に合わせてエンジンの動力性能を最適化するには航空機関士のような専門の乗員や操縦士自身がエンジン制御を行う必要があり、これらは運用上の負担となっていた。また、エンジン技術そのものが高性能化へと進むに伴って物理的強度や動作温度の実用限界近くで動作させることが求められたが、油圧機械式ではその要求に応えられなかった。

レシプロエンジンでは航空機関士か操縦士が高度に合わせてチョークレバーを操作し混合気を調整していたが、単座戦闘機の性能が向上し飛行高度が頻繁に変わるようになると負担になっていた。1939年にドイツで開発されたBMW 801には「コマンドゲレート」と呼ばれる機械式アナログコンピュータが付属していた。これはパイロットがスロットルレバーを操作するだけで、プロペラピッチ、2段スーパーチャージャーの切り替え、点火時期調整、混合気濃度などが自動調整されるシステムであった。英米にも強い影響を与え、プラット・アンド・ホイットニーは同様の「自動動力制御装置」(Automatic Power Control)/「自動発動機制御装置」(Automatic Engine Control)を開発した。

アナログ式制御装置は、日本でも第二次世界大戦末期に海軍航空技術廠で気化器に代わり試験的に電気的な制御が研究された事がある。当初は操縦士によるスロットルレバーによる機械的な連動機構を介した制御であったが、燃料流量、出力他多くの要素を制御する必要があった。

その後、電子部品の信頼性が向上するとアナログ電気式の制御装置の採用が始まった。1960年代、ロールスロイス 593エンジンにアナログ電気式制御装置が搭載された。

アナログ電気式の制御装置では従来型の油圧機械式に電気回路を付加した構成を採り、まだ信頼性が不足していた電子部品の動作不良時にも従来型の油圧機械式制御装置が基本的なエンジン制御を担えるように考慮され、電気式の制御によって油圧機械式では果たせなかった細かな調整が行えるようになった^{[注釈 4]}。

アナログ式からデジタル式に変更されたFADECの登場時には安全性確保のために、従来型でバックアップ用の油圧機械式エンジン制御装置（Backup Control Unit, BCU）も残して置かれた^[6]。

1970年代末にはアナログ式制御装置はデジタル式に取って代わられた。NASAとプラット・アンド・ホイットニー社はFADECの実験をF111に追加搭載したTF30エンジンで行い、その結果はF100とPW2000に反映された。PW4000は最初の商用"Dual FADEC"ジェットエンジンである。

構成

ECU（Electronic Control Unit）
電気系統（センサー、アクチュエーター、配線類）
油圧系統（ポンプ、アクチュエーター、配管類）

21世紀の航空機では、上記の内のECUと電気系統を2重に持つ2重冗長構成になっている^{[注釈 5]}が、油圧系統を2重に持つものは少ない^[6]。

脚注

注釈

^ 制御用デジタルコンピュータ部は、Electronic Control Unit (ECU)、または Electronic Engine Control (EEC)と呼ばれる。^[5]
^ 油圧機械式のエンジン制御装置は油圧機械式制御装置（Hydro-Mechanical Control Unit, HMU）と呼ばれる。
^ HMUによるエンジン制御装置では、機械的な回転や空気や燃料の圧力がHMUに伝えられ、こういった少ない入力に基づいて適切な燃料供給を行えるように弁を制御し、可変静翼を調整していた。HMUでは単純な制御しか行えず、定常運転時での良好な燃費に対応して、始動・停止時や加速・減速状態での細かな調整は行えず、ただ安全に運転できるような最低限度の制限制御が備わっていた。例えばジェットエンジンの制御では低圧軸と高圧軸の2軸の回転数制御でも強度的な制限によって高圧軸回転数のみを制限した。
^ 油圧機械式にアナログ電気式、またはデジタル電気式の電子制御を加えたエンジン制御は電子油圧機械式制御（Electro-Hydro-Mechanical Control）と呼ばれる。日本の自衛隊で2009年現在も使用されているT4 練習機のF3 エンジンも電子油圧機械式制御である。
^ 電子部品としてのECUは2系統であっても、それらを収めるECUの筐体は1つにまとめられている場合が多く、ECUは1つという表現も成り立つ。通常、コントロール・プログラムは2つのECUともに同一であるため、その不良は大きな危険を招く。コントロール・プログラムのプログラミングは正確性・確実性が求められる。
^ 2009年現在の一般的なジェットヘリコプターでは、機体運動そのものに関係なくターボシャフトエンジンの回転数を一定値に収めるようにFADECが制御しているため、上昇や加速に伴ってエンジン負荷が増し回転数が低下し始めてからそれを補うために燃料供給が増やされる。このフィードバック制御に代わってフィードフォワード制御を行えば機体の運動性能が向上すると考えられる。