JP2013052704A

JP2013052704A - 船舶の推進装置

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Publication number: JP2013052704A
Application number: JP2011190380A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Yanagida; 徹郎柳田
Original assignee: Nippon Yusen KK
Current assignee: Nippon Yusen KK
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-21
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Abstract

【課題】船舶を推進する内燃機関の出力トルクを一定に保持して燃費を向上する。
【解決手段】負荷トルク検出器２２ａからの検出信号に基づいて演算された負荷トルクＱａと、動力伝達経路１２に加わる負荷トルクの変動基準値Ｑｓとを比較し、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも大きい場合にはジェネレータモータ１４による発電量を減少させ、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも小さい場合には発電量を増加させる。また、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも大きい場合にはジェネレータモータ１４のアシスト出力を増加させ、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも小さい場合にはアシスト出力を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶航行時に水面の波等の外乱により内燃機関に負荷変動が加わらないようにした船舶の推進装置に関する。

プロペラの推力により水上を航行する船舶の動力源としては、通常、ディーゼルエンジンなどの内燃機関が使用されており、内燃機関に加えて動力源として電動モータを有するハイブリッド式の推進装置が特許文献１，２に記載されている。このハイブリッド式推進装置は、内燃機関により駆動されて発電するジェネレータを有し、船舶の航行時に内燃機関によってプロペラを駆動しながらジェネレータを駆動することによりバッテリに電力を充電し、電動モータが駆動されるときにはバッテリから電動モータに電力を供給する。推進装置の小型化を図るために、電動モータの機能とジェネレータの機能とを有するジェネレータモータが用いられている。

上述したハイブリッド式の推進装置においては、船舶の定常航行時には内燃機関によりプロペラを駆動し、低速ないし微速航行時および使用頻度が少ない後進航行時には電動モータによりプロペラを駆動するようにしている。微速航行時や後進航行時に電動モータによりプロペラを駆動することにより、内燃機関の騒音の発生を解消し、停船時および係留時にもバッテリの電力を電気機器に供給するようにしている。

一方、特許文献３には、プロペラに加わる負荷トルクが内燃機関の出力トルクを上回る場合には、ジェネレータモータをアシストモードで作動させることによりプロペラにモータトルクをアシストし、プロペラに加わる負荷トルクが内燃機関の出力トルクを下回る場合にはジェネレータモータを発電モードで作動させるようにした船舶の推進装置が記載されている。このように、負荷トルクと出力トルクとの大小関係によりジェネレータモータの作動モードを、発電モードとアシストモードのいずれかに切り換えるようにすると、内燃機関の負荷を一定にすることができる。

特開２００１−２７０４９５号公報特開２００１−３０１６９２号公報特開２０１０−２４１１６０号公報

しかしながら、負荷トルクと出力トルクの大小関係により、ジェネレータモータの作動モードを切り換えて内燃機関の負荷を一定にするには、負荷トルクを精度良く計測する必要がある。負荷トルクの計測には、例えば、プロペラ軸の捩れを計測する歪みゲージが使用されているが、内燃機関停止時の無負荷状態でのゼロ点調整を行う際にプロペラ軸の残留応力を確認することができないため、負荷トルクの計測結果は誤差を含んでおり、負荷トルクを精度よく計測することができない。

負荷トルクと出力トルクの大小関係によりジェネレータモータの作動モードを切り換えるようにすると、負荷トルクと出力トルクの値には、ジェネレータモータの発電出力とモータ出力にも変動が含まれることになり、負荷トルクと出力トルクとの大小関係によっては内燃機関の出力トルクを一定に制御することができず、燃費を確実に向上することができない。

さらに、負荷トルクと出力トルクの大小関係が長く入れ替わらない場合には、発電モードとアシストモードの一方を長く継続することになる。しかし、船舶に搭載されるバッテリからジェネレータモータに長い間に渡って電気エネルギーを供給したり、長い間に渡ってジェネレータモータからバッテリに充電したりするには、バッテリ容量や切換制御時間などに限界がある。

本発明の目的は、船舶を推進する内燃機関の出力トルクを一定に保持し得るようにして内燃機関の燃費を向上することにある。

本発明の船舶の推進装置は、船舶に推力を加えるプロペラと内燃機関の主軸とを連結する動力伝達経路を有する船舶の推進装置であって、前記動力伝達経路に設けられ、前記内燃機関により駆動されて電力を発生するジェネレータと、前記ジェネレータにより発生された電力が供給される電力被供給部と、前記動力伝達経路に加わる負荷トルクを演算する負荷トルク演算手段と、前記負荷トルク演算手段により演算された負荷トルクと前記動力伝達経路に加わる負荷トルクの変動基準値とを比較し、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも大きい場合には前記ジェネレータによる発電量を減少させ、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも小さい場合には前記ジェネレータによる発電量を増加させる制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の船舶の推進装置は、船舶に推力を加えるプロペラと内燃機関の主軸とを連結する動力伝達経路を有する船舶の推進装置であって、前記動力伝達経路に設けられ、前記プロペラに動力をアシストする電動モータと、前記電動モータに電力を供給する電力源と、前記動力伝達経路に加わる負荷トルクを演算する負荷トルク演算手段と、前記負荷トルク演算手段により演算された負荷トルクと前記動力伝達経路に加わる負荷トルクの変動基準値とを比較し、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも大きい場合には前記電動モータのアシスト出力を増加させ、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも小さい場合には前記電動モータのアシスト出力を減少させる制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の船舶の推進装置は、船舶に推力を加えるプロペラと内燃機関の主軸とを連結する動力伝達経路を有する船舶の推進装置であって、前記動力伝達経路に設けられ、前記内燃機関により駆動されて電力を発生する一方、前記プロペラに動力をアシストするジェネレータモータと、前記ジェネレータモータにより発生された電力が供給される電力被供給部と、前記ジェネレータモータに電力を供給する電力源と、前記動力伝達経路に加わる負荷トルクを演算する負荷トルク演算手段と、前記負荷トルク演算手段により演算された負荷トルクと前記動力伝達経路に加わる負荷トルクの変動基準値とを比較し、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも大きい場合には前記電力源からの電力により前記ジェネレータモータを稼働させて前記プロペラに動力をアシストし、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも小さい場合には前記ジェネレータモータを前記内燃機関により稼働させて前記電力被供給部に電力を供給する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の船舶の推進装置は、負荷トルクの前記算出値を動力伝達経路の歪み量に基づいて演算するか、または動力伝達経路の回転数に基づいて演算することを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関への負荷変動の伝達が防止されるので、船舶に外乱が加わっても内燃機関の出力トルクを常に一定に保持することができ、内燃機関の燃費を向上させることができる。

航行時にプロペラに加わる負荷トルクを変動基準値と比較することによって負荷トルクの変化量に基づいて発電量を制御したり、アシスト出力を制御したりすることにより、高精度に発電量やアシスト出力を制御することができ、内燃機関に加わる負荷トルクの影響を少なくすることができ、内燃機関の燃費を向上させることができる。

負荷トルクと変動基準値とを比較することにより、ジェネレータモータの作動モードをアシスト制御モードと、発電制御モードに切り換えることにより、内燃機関に加わる負荷トルクの影響を少なくすることができ、内燃機関の燃費を向上させることができる。

本発明の一実施の形態である船舶の推進装置を示すブロック図である。波が発生している水面を船舶が航行している状態を示す模式図である。（Ａ）は波の発生により標準水位に対して水面が変化している状態を示す模式図であり、（Ｂ）は波による船速の変化を示す模式図であり、（Ｃ）は波によりプロペラに加わる負荷トルクの変化を示す模式図であり、（Ｄ）は波により負荷トルクが変動した場合における内燃機関の回転数を従来技術と比較して示す模式図である。船舶の推進装置における発電制御モードを示すタイムチャートである。船舶の推進装置におけるアシスト制御モードを示すタイムチャートである。船舶の推進装置における自動切換制御モードを示すタイムチャートである。エンジンに対する燃料供給量を一定とした状態のもとでエンジンの出力トルクと主軸の回転数との関係を示す特性線図である。本発明の他の実施の形態である推進装置を示すブロック図である。本発明のさらに他の実施の形態である推進装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるように、船舶に推力を加えるプロペラ１１が設けられたプロペラ軸１２ａは、エンジンつまり内燃機関１３の主軸１２ｂに連結されている。プロペラ軸１２ａと主軸１２ｂは動力伝達経路１２を構成しており、エンジンの正味出力つまり出力トルクは動力伝達経路１２を介してプロペラ１１に伝達される。動力伝達経路１２にはジェネレータモータ１４が設けられており、ジェネレータモータ１４はプロペラ１１に対して動力を加える電動モータとしての機能と、内燃機関１３により駆動されて発電するジェネレータとしての機能とを有している。

船舶内に設けられた種々の船内電気機器１５の電力需要を満たすために、船舶内には発電機１６が設けられており、発電機１６により発電された電力は船内電気機器１５に電力線１７により送られる。船内電気機器１５は電力が供給されて機能を発揮する電力被供給部となっており、発電機１６は電力を電力被供給部に供給する電力源となっている。

ジェネレータモータ１４は周波数と電圧変換機能を有する電力変換装置１８を介して船内電気機器１５および発電機１６に接続されており、ジェネレータモータ１４を発電機として稼働させることにより発生した電力を、船内電気機器１５の電力需要に供給することができる。一方、ジェネレータモータ１４を電動モータとして稼働させてプロペラ１１に対して動力をアシストする場合には、ジェネレータモータ１４には発電機１６から電力を供給することができる。さらに、船舶内にはキャパシタ１９ａが搭載されており、キャパシタ１９ａは充放電盤１９ｂを介して電力線１７に接続されている。キャパシタ１９ａは充電された電力をジェネレータモータ１４に供給してジェネレータモータ１４を電動モータとして稼働させることができるとともに、ジェネレータモータ１４により発電された電力を充電することができる。このように、推進装置にキャパシタ１９ａを設けることにより、キャパシタ１９ａは電力源および電力被供給部を構成することになる。

ジェネレータモータ１４，キャパシタ１９ａは、制御手段としてのコントローラ２０により制御される。図１に示す推進装置は、コントローラ２０により制御されて、ジェネレータモータ１４に対して発電機１６とキャパシタ１９ａのいずれからも電力を供給し得るとともに、ジェネレータモータ１４による発電電力を船内電気機器１５とキャパシタ１９ａとのいずれにも供給し得る形態となっている。コントローラ２０には内燃機関１３の回転数、燃料供給量等の機関駆動状況の検出信号が送られるとともに、内燃機関１３の駆動を制御する。

このように、図１に示す推進装置は、ジェネレータモータ１４に発電機１６とキャパシタ１９ａのいずれからも電力を供給し得るとともに、ジェネレータモータ１４により発電した電力を船内電気機器１５とキャパシタ１９ａとのいずれにも供給し得るようにした形態となっている。このような形態に加えて、ジェネレータモータ１４に発電機１６のみから電力を供給する形態と、ジェネレータモータ１４にキャパシタ１９ａのみから電力を供給する形態がある。同様に、ジェネレータモータ１４により発生した電力を船内電気機器１５のみに供給する形態と、キャパシタ１９ａのみに供給する形態がある。

プロペラ軸１２ａには歪みゲージ２１ａが設けられており、この歪みゲージ２１ａからは無線信号により負荷トルク検出器２２ａに検出信号が送信されるようになっている。この歪みゲージ２１ａは、プロペラ軸１２ａに加わるねじれ応力に応じた検出信号を、例えば５００Hzの周期で負荷トルク検出器２２ａに送信する。主軸１２ｂには歪みゲージ２１ｂが設けられており、この歪みゲージ２１ｂからは無線信号により負荷トルク検出器２２ｂに検出信号が送信されるようになっている。この歪みゲージ２１ｂは、主軸１２ｂに加わるねじれ応力に応じた検出信号を、歪みゲージ２１ａと同様の周期で負荷トルク検出器２２ｂに送信する。

それぞれの負荷トルク検出器２２ａ，２２ｂの検出信号は信号線によりコントローラ２０に送られるようになっており、検出信号に基づいてプロペラ軸１２ａと主軸１２ｂの負荷トルクを演算することができる。図１に示すように、動力伝達経路１２には２つの歪みゲージ２１ａ，２１ｂが設けられているが、いずれか一方の歪みゲージにより船舶の航行時にプロペラ１１に加わる負荷トルクを演算することができる。また、２つの歪みゲージ２１ａ，２１ｂの検出信号に基づいて得られた２つの負荷トルクの値の中間値を負荷トルクとすることもできる。

プロペラ１１がほぼ一定の回転数で回転していた状態のもとで、水面の波やうねり等の外乱がプロペラ１１に加わって動力伝達経路１２の負荷トルクが変動すると、プロペラ軸１２ａ、主軸１２ｂのねじれ応力が変化するので、歪みゲージ２１ａ，２１ｂからの信号によりプロペラ１１に加わる負荷トルクを演算することができる。ただし、負荷トルクを検出するために、歪みゲージ２１ａ，２１ｂに代えて光学式の軸トルク計を用いるようにしても良い。

コントローラ２０は、制御信号を演算するマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）と、制御プログラム、演算式、マップデータ等が格納されるＲＯＭと、一時的にデータを格納するＲＡＭとを具備しており、演算手段としての機能を有している。コントローラ２０は、それぞれの歪みゲージ２１ａ，２１ｂからの検出信号に基づいてＲＯＭに格納されたデータや演算式により負荷トルクを演算する。

コントローラ２０には、主軸１２ｂの実際の回転数に対応した回転数信号と、内燃機関１３に実際に供給される燃料供給量に対応した供給量信号とが送られるようになっており、コントローラ２０に送られるこれらの信号に基づいて、コントローラ２０により内燃機関１３の正味の出力トルクＴａが演算される。したがって、コントローラ２０は内燃機関１３の出力トルクＴａを演算する機能を有しているが、内燃機関１３を制御する図示しないエンジンコントローラから出力トルクの信号をコントローラ２０に送るようにしても良い。正味の出力トルクＴａは、シリンダ内の摩擦損失等を差し引いて内燃機関１３の主軸１２ｂから出力されるトルクであり、制動トルクとも言われる。内燃機関１３の出力トルクＴａの演算方式としては、軸トルク計により主軸１２ｂの出力トルクを求めるようにしても良い。

図２は波が発生している水面を船舶が航行している状態を示す模式図である。図２に示されるように、水面上を矢印で示す方向に船舶が航行しているとすると、船舶は波を上る状態Ｓ１から、波の頂点を航行する状態Ｓ２と、波を下る状態Ｓ３とを経て波の最下点状態Ｓ４に至ることになる。周期的な波が発生している状態のもとで船舶が航行するときには、このような航行状態が周期的に繰り返されることになる。

図３（Ａ）は波の発生により標準水位に対して水面が変化している状態を示す模式図であり、図３（Ｂ）は波による船速の変化を示す模式図であり、図３（Ｃ）は波によりプロペラ１１に加わる負荷トルクＱａの変化を示す模式図であり、図３（Ｄ）は波により負荷トルクＱａが変動した場合における内燃機関の回転数を従来と比較して示す模式図である。

船舶が波に差し掛かって波を上る状態Ｓ１のときには、船体に加わる航行抵抗は波により増加し船速は低下する。船速の低下によりプロペラ１１に向けて流れる水の流入速度も低下するので、プロペラ１１に加わる負荷トルクＱａが増加することになる。負荷トルクＱａは船速が最低となる波の頂点を航行する状態Ｓ２付近において最大となる。一方、波の頂点を過ぎると、波を原因とする航行抵抗は一気に低下し、重力加速度も加勢するために船速は急速に増大し、負荷トルクＱａは低下することになる。したがって、船舶が航行する際に水面に波が発生すると、船速と負荷トルクＱａは図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように変化することになる。ただし、船速と負荷トルクＱａの変化は、図３（Ｂ），（Ｃ）においては単純化して概略的に示されており、実際の波の変化に対する船速と負荷トルクＱａの位相は図示する場合よりも複雑な位相差となる。

図３（Ｃ）に示すように船舶に加わる波などの外乱によってプロペラ１１に加わる負荷トルクＱａは変動することになる。プロペラ１１に加わる負荷トルクＱａは、上述した周期で歪みゲージ２１ａ，２１ｂからの検出信号に基づいてコントローラ２０により演算される。コントローラ２０は、単位時間当たりにおける負荷トルクＱａの平均値を変動基準値Ｑｓとして演算してＲＯＭに記憶する。この変動基準値Ｑｓは、過去数秒から数分の間における負荷トルクＱａの平均値により演算され、時々刻々と更新される。

変動基準値Ｑｓを用いた船舶の推進制御形態としては、発電制御モードとアシスト制御モードとがある。

図４は船舶の推進装置における発電制御モードを示すタイムチャートである。この発電制御モードにおいては、内燃機関１３の出力トルクＴａは、プロペラ１１を駆動するためのトルクと、ジェネレータモータ１４により発電するためのトルクとの合計のトルクに設定される。船舶に加わる波などの外乱によってプロペラ１１に加わる負荷トルクＱａの変動に対応させてジェネレータモータ１４の発電量Ｇを変化させることにより、内燃機関１３の出力トルクＴａは一定に設定される。このように、負荷トルクＱａの変動をジェネレータモータ１４の発電量Ｇにより相殺することによって、内燃機関１３の出力トルクＴａを常に一定に保持することができる。

負荷トルクＱａの変動をジェネレータモータ１４の発電量Ｇにより相殺するために、負荷トルク検出器２２ａからの検出信号に基づいて演算される負荷トルクＱａと、負荷トルクの変動基準値Ｑｓとを比較する。その結果、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも大きい場合にはジェネレータモータ１４による発電量Ｇを変動基準値Ｑｓのときの発電量よりも減少させる。これに対して、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも小さい場合にはジェネレータモータ１４による発電量Ｇを変動基準値Ｑｓのときの発電量よりも増大させる。

つまり、算出された負荷トルクＱａと変動基準値Ｑｓとの差つまり変化量をΔＱ（Ｑａ−Ｑｓ）とすると、変化量ΔＱが＋ならば、増大した負荷トルクに対応させて、発電量を減少させる。これに対し、変化量ΔＱが−ならば、減少した負荷トルクに対応させて発電量を増大させることになる。

変動基準値Ｑｓは、上述のように、過去数秒から数分の間における負荷トルクＱａの平均値により演算され、船舶の航行時に時々刻々と更新されるので、海象に応じた最適な変動基準値Ｑｓに対して負荷トルクＱａを比較することができる。このように、ジェネレータモータ１４の発電量により負荷トルクＱａの変動が吸収されるので、内燃機関１３を常に一定の出力トルクＴａで駆動させることができる。

図５は船舶の推進装置におけるアシスト制御モードを示すタイムチャートである。このアシスト制御モードにおいては、プロペラ１１には内燃機関１３の出力トルクＴａと、電動モータとして機能するジェネレータモータ１４のアシスト出力Ｍとが伝達される。内燃機関１３の出力トルクＴａは、プロペラ１１を駆動するために必要なトルクよりも少ない一定の値に設定されている。船舶に加わる波などの外乱によってプロペラ１１に加わる負荷トルクＱａが変動すると、その変動に対応させてジェネレータモータ１４のアシスト出力Ｍを変化させることにより、内燃機関１３の出力トルクＴａは一定に設定される。このように、負荷トルクＱａの変動をジェネレータモータ１４のアシスト出力Ｍにより相殺することによって、内燃機関１３の出力トルクＴａを常に一定に保持することができる。

負荷トルクＱａの変動をジェネレータモータ１４のアシスト出力Ｍにより相殺するために、負荷トルク検出器２２ａからの検出信号に基づいて演算される負荷トルクＱａと、負荷トルクの変動基準値Ｑｓとを比較する。その結果、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも大きい場合にはジェネレータモータ１４によるアシスト出力Ｍを変動基準値Ｑｓのときのアシスト出力Ｍよりも増大させる。これに対して、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも小さい場合にはジェネレータモータ１４によるアシスト出力Ｍを変動基準値Ｑｓのときのアシスト出力よりも減少させる。

つまり、算出された負荷トルクＱａと変動基準値Ｑｓとの差である変化量をΔＱ（Ｑａ−Ｑｓ）とすると、ΔＱが＋ならば、増大した負荷トルクに対応させて、アシスト出力を増大させる。これに対し、ΔＱが−ならば、減少した負荷トルクに対応させてアシスト出力を減少させることになる。このように、ジェネレータモータ１４のアシスト出力により負荷トルクＱａの変動が吸収されるので、内燃機関１３を常に一定の出力トルクＴａで駆動させることができる。

図１に示すようにジェネレータモータ１４を有する推進装置においては、変動基準値Ｑｓに対する負荷トルクＱａの変化量に応じた制御形態として、発電制御モードとアシスト制御モードのいずれかに、航行状況に応じて自動的に切り換えるようにする自動変動制御モードがある。その場合には、例えば、設定船速を得るための必要推進力と主機出力つまり内燃機関出力との関係、または船内の電力需要と供給との関係、あるいはキャパシタ１９ａの充電容量つまり残存容量の関係に応じて図４に示す発電制御モードと、図５に示すアシスト制御モードのいずれかに自動的に切り換えられる。さらに他の制御形態としては、乗員の操作によって発電制御モードとアシスト制御モードのいずれかに切り換えられるようにする方式がある。その場合には、コントローラ２０には制御モードを入力する手動操作スイッチが接続され、手動操作スイッチの操作信号がコントローラ２０に送られる。

上述のように、航行時の負荷トルクＱａを求めて、それよりも前の負荷トルクＱａにより求められる変動基準値Ｑｓと負荷トルクＱａとを比較すると、負荷トルクＱａの変化量を求めることかできる。変化量は相対的な値であって誤差を含まないので、変化量ΔＱに基づいて推進装置を制御すると、負荷トルクＱａに基づいて制御を高精度で行うことができる。

図６は船舶の推進装置におけるさらに他の制御形態としての自動切換制御モードを示すタイムチャートである。

この自動切換制御モードにおいては、負荷トルクＱａと変動基準値Ｑｓとを比較して負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも大きい場合には電力源としてのキャパシタ１９ａからの電力によりジェネレータモータ１４を稼働させてプロペラ１１に動力をアシストし、負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも小さい場合にはジェネレータモータ１４を内燃機関１３により稼働させて電力被供給部としてのキャパシタ１９ａに電力を供給する。図６においては、アシストされたモータトルクはハッチングを付して示されており、発電のために内燃機関１３によりジェネレータモータ１４に加えられた発電トルクは点を付して示されている。

この自動切換制御モードにおいては、内燃機関１３の出力トルクＴａが変動基準値Ｑｓに基づいてそれに近い値に設定される。変動基準値Ｑｓは上述のように過去数秒から数分の間における負荷トルクＱａの平均値により演算され、出力トルクＴａはそれに概ね近い値に設定されることになる。波や潮流等の船舶に加わる外乱によって変動基準値Ｑｓと出力トルクＴａとの差が限界値よりも大きくなったときには、変動基準値Ｑｓに近い値に出力トルクＴａが調整される。限界値の算出周期を変動基準値Ｑｓの算出周期よりも長くすることにより、出力トルクＴａを頻繁に変化させることが防止される。このように、出力トルクＴａを変動基準値Ｑｓに近づけるように制御すると、充電と放電との偏りに起因してキャパシタ容量が不足することを防止できる。

したがって、短期的な周期で変動する波やうねり等の外乱が発生している水面上を船舶が航行するときに、プロペラ１１に加わる負荷トルクＱａが変動基準値Ｑｓよりも増加すると、ジェネレータモータ１４によりプロペラ軸１２ａには駆動トルクがアシストされるので、内燃機関１３に対して供給される燃料を増加させることなく、つまり内燃機関１３の出力トルクＴａを増加させることなく、船舶を航行させることができる。一方、プロペラ１１に加わる負荷トルクが変動基準値Ｑｓよりも減少すると、ジェネレータモータ１４が内燃機関１３により駆動されて内燃機関１３の出力トルクは発電エネルギーとして使用されるので、内燃機関１３に対して供給される燃料を減少させて内燃機関１３の目標出力トルクを低下させることなく船舶を航行させることができる。

上述したそれぞれの制御モードにより推進装置を制御すると、波やうねりが発生している水面上においても、内燃機関１３に対して一定量の燃料を供給した状態とし、図３（Ｄ）に示すように内燃機関１３の回転数を変化させることなく、内燃機関の出力トルクを一定に保持して船舶を航行させることができる。つまり、出力トルクを一定とする航行が可能となる。このように、周期的に負荷トルクが加わっても、内燃機関１３の出力トルクを一定に保持することができるので、内燃機関１３の回転数を周期的に変化させるように駆動する場合に比して燃費を向上させることができる。

図７は内燃機関１３に対する燃料供給量を一定とした状態のもとで内燃機関１３の出力トルクと主軸１２ｂの回転数との関係を示す特性線図である。この特性線図は内燃機関１３として使用されるディーゼルエンジンの特性を示しており、内燃機関１３は、供給燃料一定のもとでは、出力トルクと回転数との関係は、図５に示すような特性を有している。図７において、符号ａから符号ｅは、それぞれ燃料供給量を示しており、符号ａから符号ｅに向かうに従って燃料供給量は少ない状態を示す。ディーゼルエンジンは、回転数が高くなると出力トルクが増加し、最大出力トルクつまり最大馬力となる所定の回転数Ｐよりも回転数が高くなると、出力トルクは右下がりとなる出力特性を有している。船舶の定常航行時には、主軸１２ｂは回転数が右下がりの領域で駆動される。

例えば、図７においてＡ点の状態で船舶が航行しているときに、従来では、波やうねりによりプロペラ１１に加わる負荷トルクが増加すると、主軸１２ｂの回転数が低下することになるので、内燃機関１３への燃料供給量が高められて、負荷トルクの増加に見合うように出力トルクが高められる。一方、負荷トルクが減少すると、回転数が増加することになるので、燃料供給量が低下されて、負荷トルクの減少に見合うように出力トルクが低下される。

したがって、従来技術のように短期的な外乱に対して燃料供給量を制御するようにすると、図３（Ｄ）に示すように、エンジン回転数が頻繁に変化することになり、燃費を悪化させることになる。しかも、燃料供給量を制御すると、制御が完了するまでに、図３（Ｄ）に示すようにタイムラグＴがあるので、短期的な外乱に対応させて安定的に主軸１２ｂの回転数を制御することができない。これに対し、本発明においては、短期的な外乱に対して、ジェネレータモータ１４を稼働させることによって主軸１２ｂの回転数を外乱のもとでも、図３（Ｄ）に示すように、一定に維持することができる。

図１に示すように、動力伝達経路１２には電動モータの機能とジェネレータの機能とを有するジェネレータモータ１４を設けているが、電動モータとジェネレータとを動力伝達経路にそれぞれ設けるようにしても良い。ただし、図１に示すように、ジェネレータモータ１４を動力伝達経路１２に配置するようにすると、推進装置を小型化することができる。動力伝達経路１２に電動モータのみを設けるようにすると、負荷トルクが増加した場合にはプロペラ軸１２ａにはモータ動力がアシストされることになる。この場合には図５に示すアシスト制御モードで電動モータのアシスト出力Ｍが制御される。一方、動力伝達経路１２にジェネレータのみを設けるようにすると、負荷トルクが低下した場合にはジェネレータにより発電が行われる。この場合には図４に示す発電制御モードでジェネレータの発電量Ｇが制御される。

図８は本発明の他の実施の形態である船舶の推進装置を示すブロック図である。この推進装置は、図１に示した推進装置の動力伝達経路１２が一列となった一軸タイプであるのに対し、動力伝達経路１２にギヤボックス２５が設けられたギヤボックスタイプとなっている。内燃機関１３の主軸１２ｂは、ギヤボックス２５を介してプロペラ軸１２ａに連結され、ジェネレータモータ１４の主軸１４ａもギヤボックス２５を介してプロペラ軸１２ａに連結されている。この場合には、ギヤボックス２５内に逆転機構を組み込むことにより、内燃機関１３の主軸１２ｂとジェネレータモータ１４の主軸１４ａの回転を逆転させてプロペラ軸１２ａに伝達することができる。ギヤボックス２５には遊星歯車機構が組み込まれており、入力側となる１つの入力動力を出力側となる他方の２つの軸に分力して出力したり、入力側となる２つの入力動力を１つの出力側の軸に合力して出力する機能を有している。

図９は本発明のさらに他の実施の形態である船舶の推進装置を示すブロック図である。この推進装置は、図１に示した推進装置における発電機１６に加えて廃熱回収装置２６が電力供給源として設けられている。廃熱回収装置２６は内燃機関１３から排出される排ガスのエネルギーを利用して電力を発生する機能を有しており、廃熱回収装置２６により利用されて低圧低温となった排ガスは外部に排出される。

廃熱回収装置２６としては、排ガスの流速、圧力エネルギーによりタービンを回転して発電するタイプと、排ガスの熱エネルギーによりボイラーを加熱し、ボイラーにより得られた蒸気により蒸気タービンを駆動して発電するタイプとがある。このように、内燃機関１３の排ガスのエネルギーを電力供給源として利用することにより、内燃機関の燃費をより向上させることができる。

図９に示す推進装置は、プロペラ軸１２ａの回転数Ｎａを検出するための回転数検出器２７ａと、主軸１２ｂの回転数Ｎｂを検出するための回転数検出器２７ｂとを有している。図７に示すように、内燃機関１３の出力トルクＴａは動力伝達経路１２の回転数と対応関係があり、動力伝達経路１２の回転数の変化量を検出することよってプロペラ１１に加わる負荷トルクの変化量を求めることができる。このように、動力伝達経路１２の回転数の変化量を求めることは、動力伝達経路１２の負荷トルクの変化量を求めることを意味することになる。したがって、回転数に基づいて推進制御を行う場合には、プロペラ軸１２ａの回転数が下がれば、発電量を低減するか、ジェネレータモータ１４のアシストトルクを増加させるか、モータモードに切り換えるかのいずれかが設定される。一方、回転数が上がれば、発電量を増加させるか、ジェネレータモータ１４のアシストトルクを低減するか、発電モードに切り換えるかのいずれが設定される。ただし、負荷トルクに対応した燃料供給量とプロペラ１１の回転数のマップデータをＲＯＭに格納するようにし、コントローラ２０に送られる回転数検出器２７ａ，２７ｂからの検出信号により、負荷トルクＱａ，Ｑｂに対応したプロペラ軸１２ａと主軸１２ｂの回転数の変動値に基づいて、回転数が変動基準値Ｑｓとなるように、発電制御モードとアシスト制御モードの制御を行うようにしても良い。

図１および図８に示す推進装置においても、負荷トルク検出器２２ａ，２２ｂに代えて回転数検出器２７ａ，２７ｂを使用するようにしても良い。図９は、図１と同様の一軸タイプの推進装置を示すが、図８と同様のギヤボックスを有するタイプとしても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１１プロペラ
１２動力伝達経路
１２ａプロペラ軸
１２ｂ主軸
１３内燃機関
１４ジェネレータモータ
１５船内電気機器
１６発電機
１７電力線
１８電力変換装置
１９ａキャパシタ
１９ｂ充放電盤
２０コントローラ（制御手段、演算手段）
２１ａ，２１ｂ歪みゲージ
２２ａ，２２ｂ負荷トルク検出器
２５ギヤボックス
２６廃熱回収装置
２７ａ，２７b 回転数検出器

Claims

船舶に推力を加えるプロペラと内燃機関の主軸とを連結する動力伝達経路を有する船舶の推進装置であって、
前記動力伝達経路に設けられ、前記内燃機関により駆動されて電力を発生するジェネレータと、
前記ジェネレータにより発生された電力が供給される電力被供給部と、
前記動力伝達経路に加わる負荷トルクを演算する負荷トルク演算手段と、
前記負荷トルク演算手段により演算された負荷トルクと前記動力伝達経路に加わる負荷トルクの変動基準値とを比較し、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも大きい場合には前記ジェネレータによる発電量を減少させ、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも小さい場合には前記ジェネレータによる発電量を増加させる制御手段とを有することを特徴とする船舶の推進装置。
船舶に推力を加えるプロペラと内燃機関の主軸とを連結する動力伝達経路を有する船舶の推進装置であって、
前記動力伝達経路に設けられ、前記プロペラに動力をアシストする電動モータと、
前記電動モータに電力を供給する電力源と、
前記動力伝達経路に加わる負荷トルクを演算する負荷トルク演算手段と、
前記負荷トルク演算手段により演算された負荷トルクと前記動力伝達経路に加わる負荷トルクの変動基準値とを比較し、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも大きい場合には前記電動モータのアシスト出力を増加させ、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも小さい場合には前記電動モータのアシスト出力を減少させる制御手段とを有することを特徴とする船舶の推進装置。
船舶に推力を加えるプロペラと内燃機関の主軸とを連結する動力伝達経路を有する船舶の推進装置であって、
前記動力伝達経路に設けられ、前記内燃機関により駆動されて電力を発生する一方、前記プロペラに動力をアシストするジェネレータモータと、
前記ジェネレータモータにより発生された電力が供給される電力被供給部と、
前記ジェネレータモータに電力を供給する電力源と、
前記動力伝達経路に加わる負荷トルクを演算する負荷トルク演算手段と、
前記負荷トルク演算手段により演算された負荷トルクと前記動力伝達経路に加わる負荷トルクの変動基準値とを比較し、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも大きい場合には前記電力源からの電力により前記ジェネレータモータを稼働させて前記プロペラに動力をアシストし、前記負荷トルクが前記変動基準値よりも小さい場合には前記ジェネレータモータを前記内燃機関により稼働させて前記電力被供給部に電力を供給する制御手段とを有することを特徴とする船舶の推進装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶の推進装置において、負荷トルクの前記算出値を動力伝達経路の歪み量に基づいて演算するか、または動力伝達経路の回転数に基づいて演算することを特徴とする船舶の推進装置。