JP2013006531A - 可変ピッチプロペラ制御方法および可変プロペラ制御装置ならびに可変ピッチプロペラ制御装置を搭載した船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の方法よりも、高い水準の省エネルギー化を実現することができる、可変ピッチプロペラ制御方法および可変プロペラ制御装置ならびに可変ピッチプロペラ制御装置を搭載した船舶を提供する。
【解決手段】主機燃料消費率特性記憶部４１に記憶されている主機燃料消費率特性とプロペラ効率特性記憶部４２に記憶されている可変ピッチプロペラ６０のプロペラ効率特性とを考慮して、燃料消費量特性制御部４３により求められた燃料消費量特性に基づいて、主機５０と主機５０により駆動される可変ピッチプロペラ６０を制御する制御手段４０を備えている。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料消費量の最適化による省エネルギー化に有効な可変ピッチプロペラ（Controllable Pitch Propeller 以下適宜「ＣＰＰ」と記す。）制御方法および可変ピッチプロペラ制御装置ならびに可変ピッチプロペラ制御装置を搭載した船舶に関する。

従来、燃料消費量を最適化するため、プロペラ効率を最大にする方法が用いられている（例えば特許文献１〜５）。この方法は、プロペラ効率が最大となるように可変ピッチプロペラを制御し、プロペラ効率が最大であるが故に燃料消費量の面でも良くなるという考え方に基づいている。

特許文献１には、可変ピッチプロペラの自動負荷制御装置において、運航時と試運転時とで燃料の性状が異なる場合や主機の運転条件の異なる場合に、主機の実際の負荷と試運転により設定された負荷との間に生じる差を修正するために、燃料性状等に応じて主機燃料投入量を補正する補正計算手段を設ける構成が開示されている。
しかし、同文献に開示されているのは、設定した負荷で主機を運転するための補正計算手段を設けることのみであり、適切な回転数と出力の関係をどのようにして求めるかについては記載されていない。

特許文献２には、ブースト・ディーゼル・エンジンの非定常運転条件を伴う可変ピッチ・プロペラの制御方法において、エンジン負荷またはエンジン出力を増加させる際に不完全燃焼による煙の発生量を減少させるために、最初に一定出力のもとでプロペラのピッチを減少させ回転速度を増加させ、次いで、プロペラのピッチを増加させる構成が開示されている。
しかし、この構成は大量の燃料を供給した場合、主機の運転がトルクリッチゾーン（サージングゾーン）に入って不完全燃焼による煙（黒煙）を上げることを避けるためのものである。これは、いわゆるオーバーロードコントロールの一部であり、煙を生じる過負荷条件以外の状況において燃料消費量を最適化することについては何ら考慮されていない。

特許文献３には、船舶推進装置において、主機の燃料消費効率を最適に保つことができるように、ガバナ制御とプロペラピッチ制御手段とを総合的に制御する構成が開示されている。
しかし、同文献に記載の発明は、ハンドルを通常航行状態と微速航行状態とで切換える操作が煩雑であるという問題の解消を課題とするものであり、上記開示は、主機の燃料消費効率を最適に保つことに関する一般的な説明にすぎない。このため、燃料消費量を最適に保つための具体的な構成は何ら記載されていない。

特許文献４には、可変ピッチプロペラ装置におけるピッチ角制御方法において、エンジン回転数によってプロペラのピッチ角を自動制御する構成が開示されている。
しかし、この構成は、特許文献２同様、不完全燃焼による極端に燃費の悪い状態を避けることを目的として、プロペラのピッチ角を制御することにより、エンジンの出力が最高となる回転数域（パワーバンド）内となるようにエンジンの回転数を維持するものである。また、不完全燃焼の生じる過負荷条件以外の通常の運転状態において更に燃費を良くするための構成は記載されていない。

特許文献５には、船舶の推進装置において、据付け工数が少なくスペースも小さくてすむ定速回転型主機を主機関の代わりに使用するため、プロペラの回転数調整を可変ピッチプロペラにより行う構成が開示されている。
しかし、この構成は、可変ピッチプロペラを用いて船速を変えることにより周波数を一定（定回転）として、効率の悪いインバータ（周波数調整）を使用しないことにより、電力ロスを少なくして燃料費を節約するものであり、同文献には、燃費を良くするためのＣＰＰの制御方法については何ら記載されていない。

実公平３−９５１７号公報 特開平７−１４９２８７号公報 特開平８−２３９０９３号公報 特開平８−２９５２８９号公報 特開２０００−１０８９９２号公報

上述したとおり、燃料消費量を最適化するために用いられている従来の方法としては、プロペラ効率を最大にする方法、および主機の不完全燃焼による極端な燃費の悪化を避ける方法がある。しかし、これら従来の方法はいずれも、省エネルギー化を実現するための方法として、十分なものではない。
そこで、本発明は、従来の方法より高い水準の省エネルギー化を実現することができる、可変ピッチプロペラ制御方法および可変プロペラ制御装置ならびに可変ピッチプロペラ制御装置を搭載した船舶を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の可変ピッチプロペラ制御方法は、主機と前記主機により駆動される可変ピッチプロペラを、前記主機の主機燃料消費率特性と前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて制御したことを特徴とする。
この構成により、プロペラ効率特性に加えて主機燃料消費率特性をも考慮して可変ピッチプロペラを制御することができる。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記燃料消費量特性は、船体に搭載する主機の出力と回転数により決まる燃料消費量最少特性であることを特徴とする。
この構成により、燃料消費量最少特性に基づく制御を主機の出力あるいは回転数を基に行うことができる。
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記燃料消費量最少特性は、船速を考慮して求めた特性であることを特徴とする。
この構成により、船速に応じて変化する燃料消費量最少特性に対応させて、可変ピッチプロペラを制御することができる。
請求項４に記載の本発明は、請求項２または請求項３に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記プロペラ効率特性は、前記可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、前記船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたことを特徴とする。
この構成により、可変ピッチプロペラ制御方法において、船体に備えられた可変ピッチプロペラの状態を反映させたプロペラ効率特性を用いることができる。
請求項５に記載の本発明は、請求項２から請求項４のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記プロペラ効率特性に対し、前記船体への海象の影響に基づく補正を行ったことを特徴とする。
この構成により、海象による船体への影響を可変ピッチプロペラ制御方法に反映させることができる。
請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、船速と前記主機の出力の関係から、海象の影響としての波浪による抵抗増加量の程度を推定して、使用する前記燃料消費量特性を決めたことを特徴とする。
この構成により、直接評価することが困難な波浪の影響を取得の容易な情報に基づいて推定することができる。

請求項７に記載の本発明の可変ピッチプロペラ制御装置は、船体を推進する原動機としての主機と、前記主機により駆動される可変ピッチプロペラと、前記主機の出力を設定する出力設定手段と、前記出力設定手段の設定と前記主機の主機燃料消費率特性と前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて前記主機と前記可変ピッチプロペラを制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
この構成により、プロペラ効率特性に加えて主機燃料消費率特性をも考慮して可変ピッチプロペラを制御することができる。
請求項８に記載の本発明は、請求項７に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記燃料消費量特性は、前記船体に搭載する前記主機の出力と回転数により決まる燃料消費量最少特性であることを特徴とする。
この構成により、燃料消費量最少特性に対応して、可変ピッチプロペラを制御することができる。
請求項９に記載の本発明は、請求項８に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記燃料消費量最少特性は、船速を考慮して求めた特性であることを特徴とする。
この構成により、船速に応じて変化する燃料消費量最少特性を考慮して可変ピッチプロペラを制御することができる。
請求項１０に記載の本発明は、請求項７から請求項９のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記可変ピッチプロペラの回転数とピッチ角の関係を示す可変ピッチプロペラ特性データに基づき制御を行ったことを特徴とする。
この構成により、ピッチ角の制御を可変ピッチプロペラ特性データに基づいて行うことができる。
請求項１１に記載の本発明は、請求項７から請求項１０のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記プロペラ効率特性は、前記可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、前記船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたことを特徴とする。
この構成により、可変ピッチプロペラ制御において考慮されるプロペラ効率特性に、船体に備えられたプロペラの状態を反映させることができる。
請求項１２に記載の本発明は、請求項７から請求項１１のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラの制御装置において、前記プロペラ効率特性に対し、前記船体への海象の影響に基づく補正を行ったことを特徴とする。
この構成により、海象による船体への影響を可変ピッチプロペラ制御に反映させることができる。
請求項１３に記載の本発明は、請求項１２に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記燃料消費量最少特性を船体抵抗別に複数有しており、前記制御手段が船速と前記主機の出力の関係から波浪による抵抗増加量の程度を推定して、使用する前記燃料消費量最少特性を決めたことを特徴とする。
この構成により、直接評価することが困難な波浪の影響を取得の容易な情報に基づいて推定し、推定に基づいて使用する前記プロペラ効率特性を決めることができる。

請求項１４に記載の本発明の船舶は、請求項７から請求項１３のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置を搭載したことを特徴とする。
この構成により、主機燃料消費率特性と可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて制御される可変ピッチプロペラにより、船舶を推進できる。

本発明によれば、プロペラ効率特性に加えて主機燃料消費率特性をも考慮して可変ピッチプロペラを制御することにより、プロペラ性能や駆動源である主機の運転限界だけでなく、主機の主機燃料消費率特性も考慮した制御を行うことができるから、従来よりも高い水準の省エネルギー運行が可能となる。
特に、主機の出力と回転数により決まる燃料消費量最少特性を用いることにより、出力あるいは回転数、あるいはその近似値を使用して燃料消費量が最少となる運転条件を得ることができる。
また、燃料消費量最少特性として船速を考慮して求めた特性を用いることにより、船速の維持を燃料消費量最少特性に対応させて制御することができる。
また、プロペラ効率特性として、可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたものを用いることにより、主機燃料消費率特性との関連付けが容易にできる。
また、海象による船体への影響などを考慮して制御に反映させることにより、風や波のある実際の海面を航行する状況においても、平水中同様、高い水準の省エネルギー運行が可能となる。
また、主機の出力の関係から、海象の影響としての波浪による抵抗増加量の程度を推定して制御をおこなった場合は、直接評価することが困難な波浪の影響を取得の容易な情報に基づいて推定することができ、波浪の程度に応じて複数の燃料消費量最少特性を選択し得る。
さらに、船舶に本発明の可変ピッチプロペラ装置を搭載した場合は、主機燃料消費率特性と可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて制御される可変ピッチプロペラにより船舶を推進でき、従来よりも高い水準の省エネルギー運行が可能となる。

ＣＰＰの性能特性曲線および等船速線を示したグラフ 主機の主機燃料消率特性曲線を示したグラフ 回転数Ｎと燃料消費量Ｆとの関係を船速毎に示したグラフ 図２の主機の燃料消費率特性曲線を示したグラフにＣＣＰ推進効率極大曲線および燃料消費量最少曲線を書き加えたグラフ 可変ピッチプロペラ制御装置ならびに同制御装置を搭載した船舶の概略を示すブロック図 従来の自動負荷制御方法を説明するグラフ 従来の過負荷保護方法を説明するグラフ 従来の自動船速制御方法を説明するグラフ

まず、従来技術について説明する。現在、可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ）装備船に採用されている制御方法には、自動負荷制御方法、過負荷保護方法、自動船速制御方法などがある。それぞれの制御方法は、次のようなものである。図６〜図８は従来の自動負荷制御方法を説明するグラフである。

図６は自動負荷制御方法を説明するグラフである。同図では、横軸が主機により回転するプロペラの回転数（Ｎ）を示し、縦軸がプロペラの出力（Ｐ）を示している。
同図に示すように、自動負荷制御方法は、（Ｎ，Ｐ）の組み合わせをプロペラ回転数の３乗に所定の係数を乗じた式により表される曲線に乗せるように主機（原動機）の出力を制御するものである。この方法は、同図に示す３乗曲線（Ｐ＝ａ×Ｎ^３）とプロペラ効率が最高の点を結んだ曲線とが近似していることから、プロペラ効率に着目して推進効率が良くなるように制御する方法である。なお、上記所定の係数ａとしては、船の形状や使用される状況に応じた値が適宜用いられる。

図７は過負荷保護方法を説明するグラフである。同図では、横軸が主機の回転数（Ｎ）を示し、縦軸が主機の出力（Ｐ）を示している。
主機は、同図に縦方向の直線（実線）を用いて示すように主機許容回転数以下で用いられる。また、ある回転数において、出力を所定値以上に上げると不完全燃焼による煙（黒煙）をあげ、ひいては燃料を供給することができなくなる。このような現象は、図７に実線を用いて示した主機過負荷曲線の左側の領域において生じる。この主機過負荷曲線の左側の領域を過負荷領域（サージングゾーン）という。過負荷保護方法は、主機の出力とプロペラの回転数の関係を示す折れ線として記憶し、主機の運転状態が過負荷領域に入らないよう制御する方法である（特許文献２、特許文献４参照）。この制御方法は、不完全燃焼が生じる条件における運転を避けるためのものであり、主機が通常運転される過負荷領域ではない領域における燃費特性について何ら考慮するものではない。

図８は自動船速制御方法を説明するグラフである。同図では、横軸が主機により回転するプロペラの回転数（Ｎ）を示し、縦軸が主機の出力（Ｐ）を示している。主機の出力（Ｐ）はプロペラの入力（Ｐ）にほぼ等しい。同図に示すように、自動船速制御方法は、操船者が入力した船速から外れた場合に、主機の回転数あるいは可変ピッチプロペラのピッチ角、または回転数とピッチ角の両方を制御して、希望の船速を保持するよう制御する方法である。例えば、ピッチ角がｐ_０＋ｄｐの場合、船速が目標船速Ｖ_０よりもｄｖほど低いとき（Ｖ_０−ｄｖ）、ピッチ角を維持しつつ回転数Ｎを上げることにより図中に矢印Ａで示すように可変ピッチプロペラの特性を示す曲線（点線）に沿って船速が増大し、回転数を維持しつつピッチ角を上げることにより図中に矢印Ｂで示すように船速が増大する。
上述した方法の機能以外の機能を持つ制御が行われる場合もあるが、従来の自動負荷制御方法において、主機の主機燃料消費率特性（より具体的には、図７における主機過負荷曲線と主機許容回転数を示す直線により挟まれる領域における主機の主機燃料消費率特性、図２参照）を考慮したものはない。

近年、船舶などに対する省エネルギー化の要請が高くなっている。このため、省エネルギー化のために、燃費の良好な低い出力領域において主機を用いた航行がなされる。従来、このような低い出力による航行においても、プロペラの推進効率のみを考慮して可変ピッチプロペラのピッチ角の制御がなされていた。しかし、低い出力を用いる場合、高い出力を用いた航行と比較して、推進効率が良好となるプロペラの回転数と主機の燃費効率が良好となるプロペラの回転数との間の差が大きい。このため、従来の自動負荷制御方法は、省エネルギー化に有効なものとはいえない。
そこで、本発明は、プロペラの推進器性能のみならず主機の主機燃料消費率特性をも考慮し、両者のかけ算である燃料消費量の最低点を狙った制御を行う。このように主機の主機燃料消費率特性をも考慮して可変ピッチプロペラのピッチ角を制御することにより、従来の方法よりも高い水準の省エネルギー化を実現することができる。このことは、究極的な省エネルギー化につながるものである。

本発明の可変ピッチプロペラ制御方法および制御装置に共通する構成について、図１および図２を参照して説明する。
図１はＣＰＰの性能特性曲線を示したグラフであり、横軸が可変ピッチプロペラの回転数（Ｎ）を示し、縦軸が主機の出力（Ｐ）を示している。なお、可変ピッチプロペラと主機の回転数は、主機直結の場合には等しく、減速機を装備している場合には、その減速比に比例する。また、主機の出力は可変ピッチプロペラとほぼ等しい。同グラフは、破線で示す曲線が基準ピッチ角ｐ_０である可変ピッチプロペラの特性を示す性能曲線であり、点線で示す曲線が基準ピッチ角とは異なるピッチ角（ｐ_０−ｄｐ、ｐ_０＋ｄｐ、ｐ_０＋２ｄｐ）である可変ピッチプロペラの特性を示す性能曲線である。図１のグラフから、可変ピッチプロペラのピッチ角を変えることにより回転数と出力との関係が変わることが分かる。
また、図１には、実線により等船速線（所定の速度となる回転数と出力の組み合わせを示す線）も記入している。この等船速線により、可変ピッチプロペラのピッチ角を変えると同じ船速を実現するために必要な出力（必要出力）が変化することが分かる。

図１に実線で示す等船速線の底となる点（特定の船速を得るために必要な出力が最も低くなる点）は、推進効率が最良であり必要出力が最少となる点である。同図によれば、必要出力が最少となる点が、破線で示した基準ピッチ角の性能曲線付近にあることが分かる。同図に破線で示した基準ピッチ角（ｐ_０）の性能曲線を以下ではＣＣＰ推進効率極大曲線と呼ぶことにする。
なお、等ピッチ角での回転数と出力の関係を示す性能曲線は、Ｐ＝ａ×Ｎ^３により表される曲線（カーブ）に近い。ここでaは定数であり、プロペラの形状やピッチ角によって異なる値をとる。

図２は主機の主機燃料消費率特性曲線を示したグラフであり、横軸が主機の回転数（Ｎ）を示し、縦軸が主機の出力（Ｐ）を表している。同図に示す等高線のような曲線群は、等燃料消費率曲線である。そして、各等燃料消費率曲線は、単位出力・単位時間当たりの燃料消費量を示しており、燃料消費量が同じになる回転数Ｎと出力Ｐとの組み合わせとなる点を結んだものである。この燃料消費率の一般的な単位は（ｇ／ｋＷ／Ｈ）で、１ｋＷ・１時間当たりに消費する燃料の質量（ｇ）で示される。なお、同図の等高線の中心に近いほど燃料消費率が低い（燃費がよい）。

図２の等燃料消費率曲線から同一馬力の燃料消費率の最良点を探し、それを結んだ線を図中に一点鎖線で示す。この一点鎖線で示す線を以下では燃料消費率極小曲線と呼ぶことにする。

本発明によるＣＰＰ制御の概要を説明すると、以下の通りである。
ある船速（Ｖ_０）で運航する場合、プロペラの回転数と主機の出力との間には図１に実線で示した関係がある。このため、回転数Ｎ（Ｑ）を決めると、図１のグラフから回転数Ｎ（Ｑ）に対応する必要出力Ｐ（Ｑ）（ｋｗ）を読み取ることができる。そして、回転数Ｎ（Ｑ）、必要出力Ｐ（Ｑ）における燃料消費率Ｆｒ（Ｑ）（ｇ／ｋＷ／Ｈ）を図２から読み取ることができる。この結果として、１時間当たりの燃料消費量Ｆ（ｇ／Ｈ）が必要出力Ｐ（Ｑ）と燃料消費率Ｅ（Ｑ）の積として得られる。

図３は、上述のようにして求められる回転数Ｎと燃料消費量Ｆとの関係を船速毎に示したグラフであり、横軸が主機の回転数Ｎを示し、縦軸が燃料消費量Ｆを示している。図３のグラフは、ある船速を実現する回転数と出力の組み合わせについて燃料消費量を求めた結果について、船速毎に回転数と燃料消費量とをプロットすることにより得られるものである。同グラフにより、船速ごとに燃料消費量が最少となる回転数Ｎ_ｍｉｎを求めることができる。図３のグラフに示すＮ_ｍｉｎ（Ｖ_０）は、船速Ｖ_０において燃料消費量が最少となる回転数を示している。ただし、図３に示したように、船速別に計算する方法は一例であり、船速維持のために燃料消費量最少曲線を辿って制御する上で有用ではあるが、特にこのような目的を有さない場合は、燃料消費量の計算を船速別になす必要は無い。

図４は、図２の主機の主機燃料消費率特性曲線を示したグラフにＣＣＰ推進効率極大曲線および燃料消費量最少曲線を書き加えたグラフである。横軸が主機の回転数Ｎを示し、縦軸が主機の出力Ｐを示している。この図４には図１に破線で示したＣＣＰ推進効率極大曲線も書き込んである。すなわち、図４に破線で示したＣＰＰ推進効率極大曲線は、図１に示した基準ピッチ（ＣＣＰ推進効率極大曲線）と同じである。

図４に示すように、破線で示したＣＰＰ推進効率極大曲線と一点鎖線で示した燃料消費量最少曲線とは一致しない。また、同一出力における両曲線の距離（回転数の違い）は、最大出力付近では小さいものの出力が小さくなるにしたがって大きくなる。このため、低い出力で航行する場合において、ＣＰＰ推進効率が最大となるようにＣＰＰ推進効率極大曲線のみに基づいて制御を行う従来の方法は、省エネルギー化に有効なものではない。そこで、本発明は、ＣＰＰのピッチ角制御において、ＣＰＰ推進効率極大曲線に加えて主機燃料消費率特性である燃料消費率極小曲線を考慮した燃料消費量最少曲線を用いる。これにより、従来よりも高い水準の省エネルギー化、特に、低い出力で航行する場合において、従来の方法に比して、顕著な省エネルギー化を実現することができる。本発明による省エネルギー化は、主機の最大出力の７０％以下の出力で航行する場合に、特に顕著な効果を発揮する。

ここで、燃料消費量最少曲線とは、各船速において１時間当たりの燃料消費量（ｇ／Ｈ）が最少になる回転数Ｎ_ｍｉｎとその回転数を得るために必要な出力を示す点を結ぶことにより得られる線をいう。燃料消費量最少曲線が示す回転数と出力の点をねらってＣＰＰのピッチ角を制御することによって、同じ船速における燃料消費量を最少化することができる。なお、燃料消費量特性は、本実施の形態のように燃料消費量の計算を船速別に行って求めることの他、また船速以外の例えば抵抗別に行うなど各種の方法によって求めることができる。また、燃料消費量最少曲線を主機の最大出力の７０％以下の出力で航行する場合に用いるなど、燃料消費量最少曲線に基づいた制御方法としては各種の方法が考えられる。

以上のとおり、主機の出力設定手段（ガバナー）の設定に基づいて出力Ｐが決まり、図４に基づいて、同図上において燃料消費量最少曲線とぶつかる点から回転数(主機＝プロペラ)が決まる。すなわち、燃料消費量最少曲線上の主機の出力Ｐに対応する回転数Ｎにより回転数が決まる。主機とプロペラが直結されている場合、主機の回転数Ｎはプロペラの回転数に等しい。次に、図１において、上記のように、図４に基づいて決まった出力Ｐと回転数Ｎを得るように、プロペラのピッチ角を合わせ込む。このようにプロペラのピッチ角を制御することにより、燃料消費量が最少となるようにすることができる。なお、減速機を装備している場合には、その減速比に応じて、プロペラへの入力と回転数を補正し、図１に適用する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、本発明を船舶の可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ）制御方法として実施する場合について説明する。本実施形態の可変ピッチプロペラ制御方法は、主機と主機により駆動される可変ピッチプロペラを、主機の主機燃料消費率特性と可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて制御するものである。主機の主機燃料消費率特性を考慮することで、プロペラの性能のみを考慮した場合に比して、燃料消費効率を向上させることができる。

可変ピッチプロペラのピッチ角変更は、プロペラの角度を変更することにより行う。そして、また、燃料消費量特性として、主機の出力と回転数により決まる特性を考慮する。ここで「特性を考慮する」とは、制御対象物に特有の性質を反映する数値などのデータを指標として用いることをいう。

本実施形態では、燃料消費量特性として、船速別の特性を用いる。図１に示すように、プロペラ効率だけを考慮した場合、最も効率の良いピッチ角は、船速が変化しても、ほとんど変らない。しかしながら、図２、図３に示すように、燃料消費量が最少となる回転数は、船速によって異なる。そこで、本実施形態では、船速を考慮して、燃料消費量特性としての燃料消費量最少特性を求める。このように、燃料消費量特性として船速別の特性を用いることにより、船速によって変化する燃料消費量が最少となる回転数に対応したＣＣＰ制御を行うことができる。

プロペラ効率特性として、可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたものを用いる。このように、燃料消費量特性を導出する際、船舶に搭載された状態を反映したプロペラ効率特性を考慮することにより、より実際の航行状態に対応したＣＰＰ制御を実現することができる。
ここで「自航要素」としては、プロペラが船体の後ろに設けられることによる影響を反映する伴流係数や、プロペラの働きが船体におよぼす影響の程度を示す指数であるスラスト減少係数が挙げられる。
プロペラ効率特性として、可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたものを用いることにより、プロペラへの必要入力と主機出力が対応させることができるので、主機燃料消費率特性との関連付けが容易にできる。

プロペラ効率特性としては、船体への海象の影響に基づく補正を行ったものを用いることとしてもよい。ここで「海象の影響」とは、船舶が海上を航海する場合における波浪や風といった気象の影響をいう。海象の影響により、船舶の抵抗増加量の程度は、平水中における抵抗を基準として、＋１０％、＋２０％、＋３０％といった具合に、単純な計算により求めることができる。
また、船体に対する海象の影響を特定する方法としては、「船速と前記主機の出力」の関係から海象の影響としての「波浪による抵抗増加量の程度を推定」して、使用するプロペラ効率特性を特定する方法を用いることができる。

本実施形態の方法を適用した船舶の運転方法は、以下のようになる。
（１）船員が主機出力Ｐを設定する。(主機の燃料噴射量を調節するガバナーを調節する。)
（２）制御手段で主機の出力Ｐを図４に適用し、燃料消費量最少曲線にぶつけ主機の回転数Ｎを得る。(主機とプロペラが直結されている場合、主機の回転数Ｎはプロペラの回転数Ｎと等しい。)
（３）次に制御手段で、図１に上記の出力Ｐと回転数Ｎを適用する。(図１の線図は、プロペラ単体効率に自航要素、伝達効率を加味した状態、要するに船体に実装された状態を想定して模型試験から得る。また、実績データ等より推定することも可能である。)
（４）現在の運転状況に対応する出力Ｐ’と回転数Ｎ’のＰ’に基づいて、図４にＰ＝Ｐ’の直線を引き、この直線と燃料消費量最少曲線の交点からＮを求め、このＮに近づくようにＣＰＰのピッチ角を制御する。次に運転状況をサンプリングする時間には、その時点における運転状況は変化しＰ”とＮ”になるので、更にＰ＝Ｐ”の直線と燃料消費量最少曲線の交点からＮを求める。時間の経過に伴い刻々と変化する運転状況に対応して、上述した制御と同様の制御を繰り返す。

本実施形態の方法を適用した波浪中を航行する船舶の運転方法は、以下のようになる。
（５）波浪中を航行している場合は、船体抵抗が増加するので出力Ｐと回転数Ｎを図１に相当する線図として複数用意する。また、同様な理由から図４の燃料消費量最少曲線も複数本用意する。
（６）船速と出力の関係から波浪による船体抵抗増加量を推定し、図１に相当する線図を複数本のうちから選択し、図４の燃料消費量最少曲線も複数本のうちから選択して適用する。
これにより、直接評価することが困難な波浪の影響を取得の容易な情報に基づいて推定することができ、波浪の程度に応じて複数の燃料消費量最少特性を選択し得る。

（第２の実施形態）
本実施形態では、可変ピッチプロペラ制御装置を備えた船舶として本発明を実施する場合について、図５を参酌して説明する。
図５は、可変ピッチプロペラ制御装置ならびに同制御装置を搭載した船舶の概略を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態の船舶１は、出力設定手段３０、制御手段４０、主機５０および可変ピッチプロペラ６０を有する可変ピッチプロペラ制御装置２を備えている。船舶１は、実際の速度を測定する船速計７０を備えている。船速計７０により測定された船速は、海象により船舶１が受けている抵抗を評価するためにも用いられる。

出力設定手段３０は、船舶１の主機の出力を設定するものである。出力設定手段３０の設定は、船員が主機の燃料噴射量を調節するガバナーを調節することにより行われる。船員は経験から、ガバナーの調節レベルと海象を配慮した船速の関係を体得しており、結果的に海象を配慮した船速を設定することにもなっている。逆に、船速を直接設定する船速設定手段として、出力設定手段３０を構成することも可能である。
出力設定手段３０の設定に基づいて、制御手段４０が主機５０および可変ピッチプロペラ６０を制御する。出力設定手段３０は、たとえば、主機５０に燃料を供給するためのスロットル開閉に用いられる手段や、可変ピッチプロペラ６０のピッチ角を設定するための手段などであってもよい。

制御手段４０は、出力設定手段３０から入力された出力と、主機５０の主機燃料消費率特性と可変ピッチプロペラ６０のプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性、すなわち主機燃料消費率特性とプロペラ効率特性とを用いて導出した燃料消費量特性に基づいて、主機５０と可変ピッチプロペラ６０を制御するものである。
制御手段４０は、出力設定手段３０から入力された出力を目標出力として、主機５０および可変ピッチプロペラ６０の制御を行うものである。ただし、上述したとおり、出力設定手段３０は、直接、出力を設定するものに限られない。このため、出力設定手段３０により設定された出力ではなく、船速を設定し船速計７０により測定された実際の船速を制御手段４０による制御に用いることとしてもよい。

制御手段４０は、主機燃料消費率特性記憶部４１、プロペラ効率特性記憶部４２、燃料消費量特性制御部４３、主機制御部４４、可変ピッチプロペラ特性データ記憶部４５および可変ピッチプロペラ制御部４６を備えている。

主機燃料消費率特性記憶部４１、プロペラ効率特性記憶部４２および可変ピッチプロペラ特性データ記憶部４５はいずれも、データを記憶するものであり、一般に用いられる記憶装置を用いて構成することができる。また、これらは別体として構成しても、一体として構成してもよい。
主機燃料消費率特性記憶部４１は、主機５０の主機燃料消費率特性に関する情報（図２）を記憶するものである。

プロペラ効率特性記憶部４２は、可変ピッチプロペラ６０のプロペラ効率特性に関する情報を記憶するものである。プロペラ効率特性に関する情報としては、例えば、図１に示すグラフの情報が挙げられる。同図に示すように、プロペラ効率特性記憶部４２には、プロペラ効率特性として、海象により変わりうる船速別の特性（回転数、ピッチ角、出力の関係）が記録されている。

燃料消費量特性制御部４３は、主機燃料消費率特性（図２）とプロペラ効率特性（図１）を考慮して燃料消費量特性（図４）を導出し、燃料消費量特性に基づいて、出力設定手段３０から入力された目標出力において、燃料消費量を抑制するために適した回転数を出力するものである。燃料消費量特性として燃料消費量最少特性（燃料消費量最少曲線）の燃料消費量最少データを導出した場合、燃料消費量が最少となる回転数となるように、主機制御部４４が主機５０を制御する。

なお、燃料消費量最少データは、主機燃料消費率特性と可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮し予め求めたものを利用してもよい。またこの場合、燃料消費量最少特性を船体抵抗別に複数有したものであってもよい。
また、燃料消費量特性制御部４３から出力された回転数および船速の情報および可変ピッチプロペラ特性データ記憶部４５に記憶されている情報に基づいて、可変ピッチプロペラ制御部４６が可変ピッチプロペラ６０を制御する。また、燃料消費量特性制御部４３は、主機５０の出力を直接計測する出力計５１から入力された出力、または船速計７０により計測され入力された船速のいずれを上述した制御に用いてもよい。

可変ピッチプロペラ特性データ記憶部４５には、可変ピッチプロペラ６０の回転数とそのピッチ角との関係に関するデータが記憶されている。このため、可変ピッチプロペラ制御部４６による制御において、当該データを参照することにより、燃料消費量特性制御部４３から出力された回転数と出力に基づく可変ピッチプロペラ６０のピッチ制御の精度を良好にすることができる。

プロペラ効率特性記憶部４２の記憶するプロペラ効率特性に関する情報には、可変ピッチプロペラ６０のピッチ角を変えた性能を基に、船舶１の船体の船体抵抗と出力の関係、船体の船体抵抗と船速との関係、自航要素および伝達効率を考慮して求められた情報が含まれている。このため、可変ピッチプロペラ６０が船舶１に設けられた実際の状態を反映した条件の下で、主機５０および可変ピッチプロペラ６０の制御を行うことができる。

また、プロペラ効率特性記憶部４２には、平水中におけるプロペラ効率特性のみならず、海象により船舶１の抵抗が増大した状態に対応して複数のプロペラ効率特性に関する情報が記憶されている。このため、船舶１の船体への海象の影響を考慮して、より適切なプロペラ効率特性を用いること、すなわち、海象を考慮して平水中におけるプロペラ効率特性を補正することが可能となる。本実施形態では、海象の船体抵抗への影響は、船速計７０により測定された船速と、出力計５１により測定された主機５０の出力、に基づいて、評価する構成を採用している。この構成により、直接測定することが困難な波浪の影響を評価して、補正する際に考慮することができる。

主機５０は、船舶１を推進する原動機であり、シャフトを介して可変ピッチプロペラ６０を駆動回転するものであり、その出力が制御手段４０の主機制御部４４により制御される。主機制御部４４が燃料消費量特性（図４）に基づいた制御をなすことにより自動的に、回転数と出力の組み合わせが、図２に示す過負荷曲線よりも右に位置し、かつ許容回転数以下となる範囲となるように主機５０が制御される。この結果、不完全燃焼により極端に燃費が低下することが防止される。

可変ピッチプロペラ６０は、主機５０の出力を推進力に変換する装置であり、複数枚の羽根を支持するハブを備えており、ハブが主機５０とシャフトによって連結されている。そして、ハブに対する羽根の傾き（角度）を変えることにより、ピッチ角を変更することが可能なものである。

上述した実施形態においては、本発明を船舶用の可変ピッチプロペラに適用する場合について説明した。しかし、船舶への適用は本発明の一つの実施形態に過ぎず、本発明は船舶以外の用途に用いられる可変ピッチプロペラの制御方法としても実施することができる。船舶以外の用途としては、例えば、航空機を挙げることができる。

（実施例１）
本発明の可変ピッチプロペラ制御方法を実施する際に用いられる燃料消費量特性の一例である燃料消費量最少曲線を求める方法の具体例について以下に説明する。ただし、本実施例の方法は一例であり、本発明は本実施例の方法により実施されるものに限られない。

（１）図２に示す主機燃料消費率特性曲線を特定する。主機燃料消費率特性曲線の特定は、例えば、主機の製造メーカから提供された情報に基づいて行う。
（２）可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ）のピッチ角を変えた場合における回転数Ｎと出力Ｐとの関係を示す性能曲線を特定する。性能曲線の特定は、例えば、ＣＰＰのプロペラメーカから提供された情報に基づいて行う。
（３）（２）で性能曲線を特定したＣＰＰを実際に船体に設置した場合に問題となる船体の抵抗と船速の関係、自航要素と通称される数値および伝達効率などは、一般に用いられる通常の推定法あるいは水槽試験により得る。
（４）上記（２）および（３）により、図１のＣＰＰの性能特性曲線を示したグラフを描く。
（５）図１のグラフにおいて実線で示す同一船速線上における点を何点か選び、当該選んだ点の回転数Ｎと出力Ｐを読み取る。
（６）上記（５）の各点に対応する燃料消費率Ｆｒを図２上で読み取る（図１で選んだ点と同じ点（Ｎ、Ｐ）における燃料消費率を読み取る。）。
（７）各点（Ｎ、Ｐ）における燃料消費量Ｆは、下記の式に示すように、燃料消費率Ｆｒと出力Ｐの積として得られる。
Ｆ＝ＦｒｘＰ
そして、図３に示すように、燃料消費量Ｆは各船速毎に回転数Ｎの関数となる。
（８）船速Ｖを変えて上記（５）から（７）の手順を繰り返し、各船速において燃料消費量Ｆが最少となる点を求め、当該求めた点を結ぶことにより図３に示す燃料消費量最少曲線が得られる。
（９）燃料消費量Ｆが最少となる回転数Ｎ_ｍｉｎは、図３の燃料消費量最少曲線から各船速Ｖごとに読み取ることができる。そこで、各船速Ｖにおける回転数Ｎ_ｍｉｎに対応するＣＰＰの出力Ｐを図１から読み取る。このようにして得られた、図３の燃料消費量最少点に対応する回転数Ｎ_ｍｉｎと出力Ｐとの組み合わせにより特定される点を結んで得られる燃料消費量最少曲線を図２に追記したものが図４である。
以上により平穏な海面（平水）での燃料消費量最少曲線を描くことができる。

（実施例２）
実施例１は平水すなわち風や波のない水面を想定している。しかしながら、風や波浪のある実際の海面を航行する状況では上記（３）における船体の抵抗が変わる。そこで、本実施例では、風や波浪などの海象の影響を考慮した燃料消費量最少曲線を作成する場合について説明する。すなわち、実施例１の（３）のプロセスに下記（１０）（１１）を追加することにより、船体の抵抗をも考慮した可変ピッチプロペラ制御方法を実施することができる。
（１０）図１のＣＰＰの性能特性曲線を得るために、例えば抵抗１０％増し、２０％増しなどの複数の条件において通常の推定法あるいは水槽試験を実施し、抵抗増加がある場合の燃料消費量最少曲線を作成する。
なお（３）に記載した自航要素や伝達効率などは海象による変化が少ないというのが定説なので、抵抗増加だけを考えておけば実用上は十分である。
（１１）海上を航行しているときにおいて、船体の抵抗が平水中と比べてどの程度増加しているかを正確に判断することは困難である。しかし、図１から分かるとおり、必要出力に対する海象（抵抗増加）の影響は、プロペラピッチ（回転数）よりも船速の方に大きく現れる。また抵抗増加量が多少変っても燃料消費量最少曲線の変化は大きくないことが分かっているので、抵抗増加量を正確に特定する必要性は小さい。そこで、回転数と出力の組み合わせから、複数の燃料消費量最少曲線のうちのどの曲線上に位置するかを判断し、上記（１０）の異なる抵抗増加量における燃料消費量最少曲線のうちどの曲線を使うかを決めればよい。

また、特定の燃料消費量最少曲線を用いるのではなく、複数の燃料消費量最少曲線を使いその間に内挿することとしてもよい。たとえば、抵抗増加が１５％程度と判断される場合、抵抗増加が１０％と２０％の２つの燃料消費量最少曲線の間の値を用いればよい。

なお、試計算を行った船においては、抵抗が３０％程度増加しても燃料消費量最少曲線はほとんど変化しない結果となった。このような船においては、波浪中であっても（９）までで得られた回転数Ｎと燃料消費量Ｆとの関係を船速毎に示したグラフ（図３参照）を使えばよい。

以上の方法で得られた燃料消費量最少曲線を使い、航行中の出力に合った回転数になるようＣＰＰのピッチ角を制御することにより、海象にかかわらず燃料消費量が最少となる運航が可能となる。

上記試算とは別の船の実航海中に記録されたデータによれば、波浪中を航行中のデータには、同一馬力で見た回転数には８％程度のばらつきがあり、同一データを同一回転数で見た馬力では２５％程度のばらつきがある。すなわち、波浪のある海上を航海していると、主機が燃費効率最適点（燃焼効率が最適となる出力Ｐと回転数Ｎの組み合わせ）から外れて運転されている時間が長いことを示しており、本発明の方法でＣＰＰを制御することにより燃費の改善が可能であることが分かる。

本発明は、コンテナ船をはじめ、油タンカー、ＬＮＧ船、又はＬＰＧ船などの船舶、および航空機など可変ピッチプロペラを備えたものの制御に広く適用できるものである。

１ 船舶
２ 可変ピッチプロペラ制御装置
３０ 出力設定手段
４０ 制御手段
４１ 主機燃料消費率特性記憶部
４２ プロペラ効率特性記憶部
４３ 燃料消費量特性制御部
４４ 主機制御部
４５ 可変ピッチプロペラ特性データ記憶部
４６ 可変ピッチプロペラ制御部
５０ 主機
５１ 出力計
６０ 可変ピッチプロペラ
７０ 船速計

Claims (14)

1. 主機と前記主機により駆動される可変ピッチプロペラを、前記主機の主機燃料消費率特性と前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて制御したことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御方法。
2. 前記燃料消費量特性は、船体に搭載する主機の出力と回転数により決まる燃料消費量最少特性であることを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。
3. 前記燃料消費量最少特性は、船速を考慮して求めた特性であることを特徴とする請求項２に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。
4. 前記プロペラ効率特性は、前記可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、前記船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。
5. 前記プロペラ効率特性に対し、前記船体への海象の影響に基づく補正を行ったことを特徴とする請求項２から請求項４のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。
6. 船速と前記主機の出力の関係から、海象の影響としての波浪による抵抗増加量の程度を推定して、使用する前記燃料消費量特性を決めたことを特徴とする請求項５に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。
7. 船体を推進する原動機としての主機と、
   前記主機により駆動される可変ピッチプロペラと、
   前記主機の出力を設定する出力設定手段と、
   前記出力設定手段の設定と前記主機の主機燃料消費率特性と前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率特性とを考慮した燃料消費量特性に基づいて前記主機と前記可変ピッチプロペラを制御する制御手段を備えたことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御装置。
8. 前記燃料消費量特性は、前記船体に搭載する前記主機の出力と回転数により決まる燃料消費量最少特性であることを特徴とする請求項７に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。
9. 前記燃料消費量最少特性は、船速を考慮して求めた特性であることを特徴とする請求項８に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。
10. 前記制御手段は、前記可変ピッチプロペラの回転数とピッチ角の関係を示す可変ピッチプロペラ特性データに基づき制御を行ったことを特徴とする請求項７から請求項９のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。
11. 前記プロペラ効率特性は、前記可変ピッチプロペラのピッチ角を変えた性能を基に、前記船体の船体抵抗と船速の関係、自航要素および伝達効率を考慮して求めたことを特徴とする請求項７から請求項１０のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。
12. 前記プロペラ効率特性に対し、前記船体への海象の影響に基づく補正を行ったことを特徴とする請求項７から請求項１１のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラの制御装置。
13. 前記燃料消費量最少特性を船体抵抗別に複数有しており、前記制御手段が船速と前記主機の出力の関係から波浪による抵抗増加量の程度を推定して、使用する前記燃料消費量最少特性を決めたことを特徴とする請求項１２に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。
14. 請求項７から請求項１３のうちの１項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置を搭載したことを特徴とする船舶。