JP2023160651A - 船外機、エンジン始動システムおよび船舶推進機 - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウムイオンキャパシタをエンジン始動用の電源として用い、かつその過放電を抑止することができる船外機、エンジン始動システムおよび船舶推進機を提供する。【解決手段】船外機のエンジン始動システムは、リチウムイオンキャパシタ65と、リチウムイオンキャパシタから給電されて作動し、エンジンをクランキングするスタータモータ61と、リチウムイオンキャパシタとスタータモータとの間の始動給電線66に介装されたスタータリレー67と、リチウムイオンキャパシタからスタータリレーのコイル68に通電してスタータリレーを導通させるスタートスイッチ11と、エンジンの運転中に、リチウムイオンキャパシタを交流発電機62に接続して、リチウムイオンキャパシタを充電し、エンジンが運転を停止するとリチウムイオンキャパシタを交流発電機62から切り離すスイッチ素子78を含む充電制御ユニット76と、を含む。【選択図】図3A
Description
この発明は、船外機、エンジン始動システムおよび船舶推進機に関する。
船外機は船舶推進機の一例であり、船体に船外機を取り付けた船舶は船外機艇と呼ばれる。特許文献1に記載されているようなエンジン駆動型の船外機は、エンジンの始動のために鉛蓄電池等のバッテリを必要とする。バッテリは、船体に配置され、バッテリと船外機との間が電源ケーブルによって接続される。複数の船外機が船体に取り付けられるときには、船外機と同数のバッテリが船体に搭載されるのが通常である。
鉛蓄電池等のバッテリは重量物であり、かつ比較的大きな体積を有する。そのため、船体の内部の居住スペースを狭める。加えて、とくに小型の船舶においては、加速性能および旋回性等の運動性能や燃費性能に対する影響もある。
発明者は、エンジン始動用の電源として、リチウムイオンキャパシタを用いることを考えている。リチウムイオンキャパシタは、小型および軽量であり、船外機等の船舶推進機に内蔵することも可能である。したがって、船体に搭載するバッテリを、なくしたり、小型化したり、少なくしたりすることができる。それにより、船体内の居住スペースを大きくすることができ、加えて、船舶の運動性能および燃費性能に寄与することができる。
その一方で、リチウムイオンキャパシタはエネルギー密度が小さいので、船舶推進機内の電装品との接続状態によっては、待機電流や漏れ電流によって、エンジンの始動が困難なレベルまで放電してしまう可能性がある。
そこで、この発明の一実施形態は、リチウムイオンキャパシタをエンジン始動用の電源として用い、かつその過放電を抑止することができる船外機、エンジン始動システムおよび船舶推進機を提供する。
この発明の一実施形態は、船体に取り付けられて推進力を発生する船外機を提供する。船外機は、エンジンと、前記エンジンの駆動力により推進力を発生するプロペラと、リチウムイオンキャパシタと、前記リチウムイオンキャパシタから給電されて作動し、前記エンジンをクランキングするスタータモータと、前記リチウムイオンキャパシタと前記スタータモータとの間の始動給電線に介装されたスタータリレーと、前記エンジンを始動するための使用者の操作によって導通し、前記リチウムイオンキャパシタから前記スタータリレーのコイルに通電して前記スタータリレーを導通させるスタートスイッチと、前記エンジンの運転中に、前記リチウムイオンキャパシタを充電電力源に接続して、前記リチウムイオンキャパシタを充電し、前記エンジンが運転を停止すると前記リチウムイオンキャパシタを前記充電電力源から切り離すスイッチ素子を含む充電制御ユニットと、を含む。
この構成によれば、使用者がスタートスイッチを操作して導通させると、リチウムイオンキャパシタからスタータリレーのコイルに通電され、それによって、スタータリレーが導通する。すると、リチウムイオンキャパシタから始動給電線を介してスタータモータに電力が供給されるので、エンジンのクランキングが始まる。こうして、エンジンを始動することができる。エンジンの始動が完了すれば、使用者は、スタートスイッチの操作をやめるので、スタータリレーのコイルへの通電がなくなる。一方、エンジンの運転中には、スイッチ素子が、リチウムイオンキャパシタを充電電力源に接続する。これにより、リチウムイオンキャパシタが充電される。エンジンが運転を停止すると、スイッチ素子は、リチウムイオンキャパシタを充電電力源からから切り離す。したがって、エンジン停止状態では、リチウムイオンキャパシタは、電気的に開放状態となるので、待機電流や漏れ電流に起因する過放電を回避できる。
こうして、スタータモータを駆動するための始動用電源としてリチウムイオンキャパシタを使用し、かつその過放電を回避することができる。
前述のとおり、リチウムイオンキャパシタは、重量および体積がバッテリほど大きくないので、船外機に内蔵することも可能である。たとえリチウムイオンキャパシタを船外機外、すなわち、船外機が搭載される船舶の船体内に配置するとしても、船体の内部の居住スペースを大きく圧迫するおそれはない。また、リチウムイオンキャパシタはバッテリに比較して格段に軽量であるので、リチウムイオンキャパシタの使用により、船舶の優れた運動性能(具体的には加速性能および旋回性等)に寄与できる。また、船舶の重量が軽くなることにより、燃料消費量の削減も併せて実現できる。
前記スイッチ素子は、スイッチングダイオード、電界効果型トランジスタ(MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等)、機械式リレー等であってもよい。スイッチ素子は、前記エンジンの運転中に導通し、前記エンジンの運転が停止すると遮断するように作動する。
この発明の一実施形態では、前記船外機は、少なくとも前記エンジンおよび前記リチウムイオンキャパシタを収容するエンジンカバーをさらに含む。この構成によれば、エンジンカバー内にリチウムイオンキャパシタが収容されるので、船外機が搭載される船体内の居住スペースを広くすることができる。リチウムイオンキャパシタは、重量および体積がバッテリほど大きくないので、船外機のエンジンカバー内に収容可能であり、かつ船外機の重量をさほど増加させるおそれもない。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記エンジンによって駆動される発電機を含む。前記船外機は前記発電機をさらに含む。この構成により、エンジンの運転中は船外機に備えられる発電機によって、リチウムイオンキャパシタを充電することができる。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記発電機によって充電されるバッテリを含む。この構成により、エンジンの運転中は、船外機に備えられる発電機によってバッテリが充電され、かつ発電機および/またはバッテリからの電力によってリチウムイオンキャパシタを充電することができる。スタータモータへの電力供給はリチウムイオンキャパシタから行えるので、バッテリは小容量のものでよく、それに応じて小型および軽量のものを用いることができる。したがって、バッテリを備える場合であっても、船舶は良好な運動性能を有することができる。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されている。前記船外機は、使用者の電源投入操作によって導通するメインスイッチをさらに含む。前記充電制御ユニットは、前記メインスイッチが導通されると、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す。
この構成によれば、使用者がメインスイッチを操作して電源を投入すると、給電線にリチウムイオンキャパシタが接続され、リチウムイオンキャパシタから燃料供給システムに電力が供給される。次に、使用者がスタートスイッチを操作すると、リチウムイオンキャパシタにスタータモータが接続され、スタータモータが駆動して、エンジンのクランキングが行われる。それにより、エンジンが始動する。エンジンの始動が完了すると、使用者はスタートスイッチの操作をやめるので、スタータモータは、リチウムイオンキャパシタから切り離される。エンジン運転中は、充電制御ユニットにより、リチウムイオンキャパシタが給電線を介して充電電力源に接続されるので、リチウムイオンキャパシタの充電が行われる。エンジンの運転が停止すると、充電制御ユニットの働きによって、リチウムイオンキャパシタは給電線から切り離される。それにより、リチウムイオンキャパシタから給電線への漏れ電流を防ぐことができる。
エンジンのクランキングの際にリチウムイオンキャパシタから燃料供給システムに電力が供給されるので、たとえば充電電力源がエンジンによって駆動される発電機であっても、クランキング時のエンジン回転速度で電力を発生する必要がない。したがって、発電機はエンジンが始動完了した後のエンジン回転速度で発電することができる仕様であってもよい。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されている。前記充電制御ユニットは、前記エンジンの始動完了後に、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す。
この構成によれば、燃料供給システムへの電力の供給は、充電電力源から行われる、したがって、エンジンを始動するとき、リチウムイオンキャパシタからの電力によってスタータモータが駆動される一方で、充電電力源からの電力によって燃料供給システムが駆動される。それによって、エンジンが始動する。充電電力源はエンジン始動後も燃料供給システムに電力を供給し、それによってエンジンの運転が継続する。リチウムイオンキャパシタはエンジンの始動完了後に給電線に接続されてその充電が開始される。そして、エンジンの運転が停止するとリチウムイオンキャパシタは給電線から切り離され、それによって、給電線を介するリチウムイオンキャパシタの放電を回避することができる。
前記充電電力源が、エンジンによって駆動される発電機である場合、この発電機は、スタータモータによってエンジンがクランキングされるときの回転速度で電力を発生できるように構成されることが好ましい。
エンジンの始動が完了してエンジンが高速で回転され始めると発電機の発生電圧が高くなる。したがって、前記スイッチ素子は、前記給電線に導出される電圧に応答して導通するように構成することができる。たとえば、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタに向かう方向を順方向としたスイッチングダイオードで前記スイッチ素子を構成することができる。
この発明の一実施形態は、エンジンを始動するエンジン始動システムを提供する。エンジン始動システムは、リチウムイオンキャパシタと、前記リチウムイオンキャパシタから給電されて作動し、前記エンジンをクランキングするスタータモータと、前記リチウムイオンキャパシタと前記スタータモータとの間の始動給電線に介装されたスタータリレーと、前記エンジンを始動するための使用者の操作によって導通し、前記リチウムイオンキャパシタから前記スタータリレーのコイルに通電して前記スタータリレーを導通させるスタートスイッチと、前記エンジンの運転中に、前記リチウムイオンキャパシタを充電電力源に接続して、前記リチウムイオンキャパシタを充電し、前記エンジンが運転を停止すると前記リチウムイオンキャパシタを前記充電電力源から切り離すスイッチ素子を含む充電制御ユニットと、を含む。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記エンジンによって駆動される発電機を含む。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記発電機によって充電されるバッテリを含む。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されている。前記エンジン始動システムは、使用者の電源投入操作によって導通するメインスイッチをさらに含む。前記充電制御ユニットは、前記メインスイッチが導通されると、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す。
この発明の一実施形態では、前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されている。前記充電制御ユニットは、前記エンジンの始動完了後に、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す。
この発明の一実施形態では、前記エンジンが、船舶推進機の駆動源である。
この発明の一実施形態では、前記リチウムイオンキャパシタが前記船舶推進機に内蔵される。
この発明の一実施形態は、エンジンと、前記エンジンの駆動力によって推進力を発生するプロペラと、前述のような構成のエンジン始動システムと、を含む、船舶推進機を提供する。
この発明によれば、リチウムイオンキャパシタをエンジン始動用の電源として用い、かつその過放電を抑止することができる船外機、エンジン始動システムおよび船舶推進機を提供できる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る船外機を備えた船舶(船外機艇)の構成例を説明するための図解的な側面図である。船舶100は、船体1と、船体1に装備された船舶推進機の一例としての船外機2とを含む。この例では、2機の船外機2が、船体1の船尾に取り付けられており、船体1の左右方向に並んでいる。
船体1は、外殻によって区画された居住空間を提供する船室4と、船室4の後方に配置され、開放された居住スペースを提供するデッキ5とを有している。船室4内には、操船ステーション6が設けられている。操船ステーション6には、この実施形態では、ステアリングホイール7およびアクセルレバー8が備えられている。ステアリングホイール7は、操舵のための操作子である。ステアリングホイール7の操作に連動して、船外機2が左右に回動し、船体1に与える推進力の方向が左右に変化する。アクセルレバー8は、推進力を調節するための操作子である。アクセルレバー8を操作することによって、船外機2のシフト位置を、前進位置、中立位置および後進位置に切り替えることができ、かつ船外機2が発生する推進力の大きさを調節することができる。船外機2は、この実施形態では、エンジン21の駆動力によって推進力を発生するエンジン船外機である。アクセルレバー8によって、エンジン21のスロットル開度が変動し、それに応じて、エンジン回転速度が変動する。
操船ステーション6には、船外機2の電源投入のために使用者によって操作されるメインスイッチ10が船外機2ごとに備えられている。また、操船ステーション6には、さらに、個々の船外機2のエンジン21を始動するときに使用者によって操作されるスタートスイッチ11が船外機2ごとに備えられている。メインスイッチ10およびスタートスイッチ11は、たとえば回動位置によってメインスイッチのオン/オフおよびスタートスイッチのオン/オフを行える回動型の操作子を備えていてもよい。
船体1内には、必要に応じて、一つ以上のバッテリ12が備えられてもよい。バッテリ12は、主として、船体1内に備えられる電気機器13(電気負荷)への電力を供給するために備えられる。電気機器13は、ナビゲーションシステムや魚群探知機に代表される航海機器を含んでいてもよい。また、電気機器13は、冷蔵庫、電子レンジ、エアコン等の生活家電設備を含んでいてもよい。
船外機2の燃料は、典型的には、船体1に装備される燃料タンク14に貯留され、燃料タンク14から船外機2へと供給される。
図2は、船外機2の構成例を説明するための図解的な側面図である。船外機2は、エンジン21(内燃機関)を駆動源とするエンジン船外機である。船外機2は、船外機本体20と、取付機構28とを含む。船外機本体20は、取付機構28によって船体1の後部に取り付けられている。取付機構28は、スイベルブラケット54と、一対のクランプブラケット55と、ステアリング軸56と、チルト軸57とを含む。ステアリング軸56は、上下方向に延びて配置されている。チルト軸57は、左右方向に延びてほぼ水平に配置されている。スイベルブラケット54は、ステアリング軸56を介して船外機本体20に連結されている。一対のクランプブラケット55は、左右方向に間隔を空けて配置されている。クランプブラケット55は、船体1の後尾に設けられた取付板3をクランプし、それによって、船外機本体20を船体1に固定する固定部材である。
船外機本体20は、取付機構28によって、ほぼ垂直な姿勢で船体1に取り付けられている。船外機本体20およびスイベルブラケット54は、クランプブラケット55に対してチルト軸57まわりに上下に回動可能である。船外機本体20およびスイベルブラケット54は、チルト・トリム機構58によって、チルト軸57まわりに上下に回動される。また、船外機本体20は、スイベルブラケット54に対してステアリング軸56まわりに左右に回動可能である。ステアリングホイール7の操作に応じて、ステアリング軸56まわりに船外機本体20が回動し、それにより、船舶100を操舵できる。
船外機本体20は、エンジン21と、ドライブ軸41と、プロペラ軸42と、プロペラ43と、前後進切替機構44と、ECU(電子制御ユニット)60とを含む。船外機本体20は、さらに、ISG(Integrated Starter Generator。モータ付発電機)63と、リチウムイオンキャパシタ65とを含む。船外機本体20は、エンジンカバー37およびケーシング38を含む。エンジン21、ECU60およびISG63は、エンジンカバー37内に収容されている。さらに、この実施形態では、リチウムイオンキャパシタ65もエンジンカバー37内に収容されている。
エンジン21は、クランク軸22が垂直方向に沿うように配置されている。クランク軸22にドライブ軸41が結合されている。ドライブ軸41は、エンジンカバー37およびケーシング38内で垂直方向(上下方向)に沿って延びて配置されている。プロペラ軸42は、ケーシング38内で水平方向(前後方向)に延びて配置されている。ドライブ軸41は、その上端部がクランク軸22に結合されており、その下端部は、前後進切替機構44を介して、プロペラ軸42に動力伝達可能に結合されている。前後進切替機構44は、ドライブ軸41の回転をプロペラ軸42に伝達する伝達機構である。プロペラ軸42の後端部にプロペラ43が結合されており、したがって、プロペラ43はプロペラ軸42とともに回転する。エンジン21の動力は、ドライブ軸41、前後進切替機構44およびプロペラ軸42を介してプロペラ43に伝達され、プロペラ43を回転させる。
前後進切替機構44は、駆動ギヤ45、前進ギヤ46、後進ギヤ47、ドッグクラッチ48、およびシフト機構50を含む。駆動ギヤ45、前進ギヤ46および後進ギヤ47は、傘歯車である。駆動ギヤ45は、ドライブ軸41の下端部に固定されている。前進ギヤ46および後進ギヤ47は、プロペラ軸42の前端部に配置されており、それらをプロペラ軸42が挿通している。前進ギヤ46および後進ギヤ47は、プロペラ軸42に対して回転自在である。前進ギヤ46および後進ギヤ47は、駆動ギヤ45と常時噛み合い状態となるように配置されている。駆動ギヤ45が回転することにより、前進ギヤ46および後進ギヤ47は、プロペラ軸42上で互いに反対方向に回転する。
前進ギヤ46および後進ギヤ47は、プロペラ軸42の軸方向に互いに間隔を空けて配置されており、それらの間にドッグクラッチ48が配置されている。ドッグクラッチ48は、プロペラ軸42にスプライン結合しており、プロペラ軸42とともに回転するとともに、プロペラ軸42に対して軸方向(前後方向)にスライド可能なスライダである。ドッグクラッチ48は、シフト機構50によって、プロペラ軸42上をその軸方向(前後方向)に移動される。シフト機構50は、たとえば、上下方向に延びるシフトロッド51と、シフトロッド51の上端部に連結されたシフトアクチュエータ52と、ドッグクラッチ48の位置をシフト位置として検出するシフト位置センサ53とを含む。アクセルレバー8(図1参照)の操作に応じてシフトアクチュエータ52が作動する。シフトロッド51がシフトアクチュエータ52によって回動されることにより、ドッグクラッチ48は、プロペラ軸42上で軸方向に移動する。それにより、ドッグクラッチ48は、前進位置、後進位置および中立位置のいずれかのシフト位置に配置される。前進位置ではドッグクラッチ48は前進ギヤ46と噛み合い、それに応じて、プロペラ軸42およびプロペラ43は前進方向に回転する。後進位置ではドッグクラッチ48は後進ギヤ47と噛み合い、それに応じて、プロペラ軸42およびプロペラ43は後進方向に回転する。中立位置では、ドッグクラッチ48は前進ギヤ46および後進ギヤ47のいずれとも噛み合わないので、ドライブ軸41とプロペラ軸42との間の動力伝達が遮断される。
エンジン21は、燃料を燃焼させて動力を発生する内燃機関である。エンジン21は、クランク軸22と、複数(たとえば4つ)の気筒23と、これらを収容するシリンダブロック24とを含む。シリンダブロック24は、シリンダヘッド25、シリンダボディ26、およびクランクケース27を含む。クランク軸22は、各気筒23での燃焼によって、鉛直軸線まわりに回転駆動される。クランク軸22の回転速度(エンジン回転速度)は、エンジン回転速度センサ59によって検出される。エンジン回転速度センサ59は、クランク軸22の回転に同期した検出信号(クランクパルス)を出力するクランク角センサであってもよく、その出力信号をECU60で処理することによってエンジン回転速度が検出されてもよい。
エンジン21は、複数の気筒23にそれぞれ対応して設けられた点火プラグ35と、複数の点火プラグ35にそれぞれ接続された複数の点火コイル(図示せず)とを含む。又、エンジン21は、複数の気筒23にそれぞれ対応して設けられた燃料噴射器31を含む。エンジン21は、さらに燃料噴射器31に燃料を供給する燃料ポンプ32を含み、燃料噴射器31および燃料ポンプ32は燃料供給システム30を構成している。燃料ポンプ32は、船体1に配置される燃料タンク14から燃料を汲み出して燃料噴射器31へと供給する。ECU60は、点火プラグ35を適切なタイミングで火花放電させる点火制御と、燃料噴射器31から適切なタイミングで適切な量の燃料を噴射させる燃料噴射制御とを実行する。
図3A~図3Cは、船外機2のエンジン21を始動するエンジン始動システムの電気的構成を示す。ISG63は、エンジン21のクランク軸22(図2参照)に結合されており、エンジン21をクランキングするスタータモータ61と、エンジン21の回転(より正確にはクランク軸22の回転)によって発電する交流発電機62(発電機の一例)との機能を備えている。
スタータモータ61は、始動給電線66を介してリチウムイオンキャパシタ65(図中「LiC」と表記する。)に接続されている。始動給電線66には、スタータモータ61とリチウムイオンキャパシタ65との間にスタータリレー67が介装されている。スタータリレー67のコイル68は、スタートスイッチ11を介してリチウムイオンキャパシタ65に接続されている。したがって、使用者がスタートスイッチ11を操作して導通させると、スタータリレー67のコイル68が励磁され、その接点69が閉じられる。すると、リチウムイオンキャパシタ65からスタータモータ61に電力が供給され、スタータモータ61が作動し、エンジン21のクランキングが始まる。スタートスイッチ11は、使用者が操作すると閉じ、使用者の操作がなくなると開く、モーメンタリスイッチである。したがって、エンジン21が始動完了して使用者がスタートスイッチ11から手を離すと、スタートスイッチ11が開き、スタータリレー67のコイル68が消磁される。それにより、スタータリレー67の接点69が開かれるので、スタータリレー67はリチウムイオンキャパシタ65から切り離される。
交流発電機62は、給電線71を介してECU60および燃料供給システム30に接続されている。ECU60は、船外機2の各部を制御する制御装置である。燃料供給システム30は、前述のとおり、燃料ポンプ32および燃料噴射器31を含む(図2参照)。給電線71の途中には、メインリレー72が介装されている。一方、ECU60は、電源線75を介してリチウムイオンキャパシタ65に接続されている。電源線75の途中にメインスイッチ10が介装されている。メインスイッチ10は、使用者が電源投入/電源遮断のために操作するスイッチであり、オン位置およびオフ位置でそれぞれ保持されるように構成されている。
交流発電機62が発生する電力によるリチウムイオンキャパシタ65の充電を制御するために、充電制御ユニット76が備えられている。充電制御ユニット76は、給電線71とリチウムイオンキャパシタ65とを接続する充電線77と、充電線77に介装されたスイッチ素子78と、スイッチ素子78をオン/オフする配電制御部79とを備えている。充電線77の一端は、交流発電機62とメインリレー72との間で給電線71に接続されており、その他端は、リチウムイオンキャパシタ65に接続されている。スイッチ素子78は、電界効果型トランジスタ(MOSFET等)の半導体スイッチであってもよく、機械式リレーであってもよい。また、一種または複数種類のスイッチ素子が並列に接続されていてもよい。配電制御部79は、電源線75に接続されており、メインスイッチ10が導通しているときに、リチウムイオンキャパシタ65から電源線75を介して電源供給を受けて動作し、スイッチ素子78をオン/オフするコントローラである。配電制御部79は、メインスイッチ10が導通して電源線75からの電力が供給されているときには、スイッチ素子78をオンし、メインスイッチ10が遮断されて電力供給を失うと、スイッチ素子78をオフする。
メインリレー72のコイル73は、給電線71に接続されている。したがって、コイル73は、交流発電機62からの電流の供給を受けることができる。また、スイッチ素子78がオンのとき、コイル73は、充電線77を介して、リチウムイオンキャパシタ65から電流の供給を受けることができる。
使用者がメインスイッチ10をオン位置として導通させると、リチウムイオンキャパシタ65から電源線75を通って配電制御部79およびECU60へと動作電力が供給される。それに応じて、配電制御部79は、スイッチ素子78をオンする。その状態で、ECU60が、内部のスイッチング素子60a(典型的には半導体スイッチ)を導通させると、リチウムイオンキャパシタ65からメインリレー72に電流が供給され、メインリレー72のコイル73が励磁される。すると、メインリレー72の接点74が閉じるので、交流発電機62が給電線71を介してECU60および燃料供給システム30に接続される。
使用者がメインスイッチ10をオフ位置として遮断させると、ECU60は動作電力を失い、それに応じて、スイッチング素子60aが遮断されて、メインリレー72のコイル73が消磁され、その接点74が開かれる。それにより、給電線71が遮断される。
次に動作について順に説明する。
図3Aは、メインスイッチ10がオフの初期状態を示す。メインスイッチ10がオフのときには、ECU60には動作電力が供給されないので、メインリレー72のコイル73は消磁しており、その接点74は開かれている。また、配電制御部79への電力供給もないので、スイッチ素子78はオフ状態である。スタートスイッチ11が非操作状態であれば、スタートスイッチ11はオフであり、したがって、スタータリレー67は開状態である。よって、リチウムイオンキャパシタ65は、電気的に開放状態となっていて、待機電流および漏れ電流は、いずれも実質的に生じていない。
エンジン21を始動するとき、使用者は、図3Bに示すように、メインスイッチ10をオン位置に操作して導通させ、次に、スタートスイッチ11を操作してエンジン21のクランキングを行わせる。
メインスイッチ10が導通することにより、参照符号A1で示すように、リチウムイオンキャパシタ65から、メインスイッチ10を介して、配電制御部79およびECU60に動作電力が供給される。それにより、配電制御部79はスイッチ素子78を導通させ、ECU60は、内部のスイッチング素子60aを導通させる。それにより、リチウムイオンキャパシタ65から供給される電流によって、メインリレー72のコイル73が励磁される。したがって、メインリレー72が導通するので、参照符号A2で示すように、リチウムイオンキャパシタ65から充電線77および給電線71を介して燃料供給システム30に動作電力が供給される。
さらに、スタートスイッチ11が操作されて導通させられると、参照符号A3で示すように、リチウムイオンキャパシタ65からの電流によってスタータリレー67のコイル68が励磁され、その接点69が導通する。それにより、参照符号A4で示すように、リチウムイオンキャパシタ65から始動給電線66を介してスタータモータ61に電力が供給され、スタータモータ61が駆動し、エンジン21のクランキングが行われる。
こうして、燃料供給システム30が作動している状態でクランキングが行われることによって、エンジン21が始動する。エンジン21が始動完了すると使用者はスタートスイッチ11の操作をやめるので、図3Cに示すように、スタートスイッチ11が遮断され、それに応じてスタータリレー67が消磁される。したがって、リチウムイオンキャパシタ65からスタータモータ61への電力供給がなくなるので、スタータモータ61の駆動は停止する。
エンジン21が始動完了して、交流発電機62による電力の発生が始まると、参照符号A5で示すように、その電力が給電線71からECU60および燃料供給システム30に供給される。加えて、交流発電機62が発生する電力は、参照符号A6で示すように、給電線71から、スイッチ素子78および充電線77を通って、リチウムイオンキャパシタ65に供給され、リチウムイオンキャパシタ65を充電する。したがって、エンジン21の運転中は、リチウムイオンキャパシタ65からの実質的な放電はない。
交流発電機62は、この実施形態において、リチウムイオンキャパシタ65を充電する充電電力源の一例である。なお、この実施形態においては、エンジン21の運転中は、リチウムイオンキャパシタ65は、充電線77および給電線71を介してバッテリ12に接続されるので、バッテリ12からの電力によっても充電可能である。すなわち、バッテリ12は、充電電力源の他の例である。
エンジン21を停止するとき、使用者はメインスイッチ10をオフ位置に操作する。それにより、メインスイッチ10が開かれるので、配電制御部79は動作電力を失って、スイッチ素子78を開く。また、ECU60は、電源線75からの電力供給がなくなると、スイッチング素子60aを遮断し、メインリレー72のコイル73を消磁する。それに応じて、メインリレー72の接点74が開き、図3Aの状態に戻って、ECU60および燃料供給システム30への電力供給が遮断される。こうして、エンジン21が停止する。メインスイッチ10およびスイッチ素子78がいずれも遮断されるので、リチウムイオンキャパシタ65からの待機電流または漏れ電流の経路が実質的になくなる。
船体1に鉛蓄電池等のバッテリ12が搭載されるとき、バッテリ12は、メインリレー72よりもECU60側において、給電線71に接続される。したがって、バッテリ12は、エンジン運転中に交流発電機62が生成する電力によって充電される。バッテリ12には、前述のとおり、船体1内の電気機器13(図1参照)が接続されている。メインスイッチ10が遮断され、かつスイッチ素子78が遮断されると、リチウムイオンキャパシタ65とバッテリ12との間の電流経路はなくなるので、エンジン停止中に、リチウムイオンキャパシタ65の電力が電気機器13によって消費されることはない。
以上のように、この実施形態によれば、リチウムイオンキャパシタ65からスタータモータ61に電力を供給してエンジン21を始動することができる。エンジン21が始動すると、スタートスイッチ11が遮断されることにより、スタータリレー67が遮断して、リチウムイオンキャパシタ65はスタータモータ61から切り離される。また、エンジン21の始動が完了すると、交流発電機62が発生する電力によってリチウムイオンキャパシタ65を充電できる。エンジン停止のためのメインスイッチ10が遮断されると、スイッチ素子78が遮断されることにより、リチウムイオンキャパシタ65は給電線71から切り離される。したがって、リチウムイオンキャパシタ65は電気的に開放状態となるので、待機電流や漏れ電流に起因する過放電を回避できる。こうして、スタータモータ61を駆動するための始動用電源としてリチウムイオンキャパシタ65を使用し、かつその過放電を回避できる。
リチウムイオンキャパシタ65は、重量および体積が小さいので、この実施形態では、エンジンカバー37内に収容して船外機2に内蔵されている。それにより、船体1内に広い居住スペースを設けることができる。この実施形態では、船上で使用される電気機器13の電源として、バッテリ12が船体1に備えられているが、船外機2のエンジン21を始動するための始動用のバッテリ12は必要ではない。したがって、船体1に搭載されるバッテリ12を比較的小さなものとしたり、少数のバッテリ12を備えたりすることができる。しかも、この実施形態では、船体1に搭載されるバッテリ12を船外機2の交流発電機62によって充電できるので、この理由によっても、バッテリ12を小容量のものとしたり、個数を少なくしたりすることができる。したがって、船体1内に広い居住スペースを確保できる。バッテリ12を小さくしたり、その個数を少なくしたりすることができるので、船舶100の重量が軽くなるという利点もある。それにより、加速性能、旋回性などの運動性能に優れた船舶100を提供できる。また、船舶100の重量が軽くなることにより、燃料消費量の削減も併せて実現できる。
また、この実施形態では、エンジン始動時の燃料供給システム30への電力供給は、リチウムイオンキャパシタ65から行われ、交流発電機62が発生する電力に依存していない。したがって、交流発電機62は、クランキング時の低速回転で電力を発生できる設計である必要がなく、エンジン始動完了後のエンジン回転速度で電力を発生できる設計であればよい。
図4は、エンジン始動システムの他の構成例を示す。図4において、図3A~図3Cの各部の対応部分は、同一参照符号で示す。図3A~図3Cの構成では、ECU60によってメインリレー72のオン/オフを制御しているのに対して、図4の構成例では、このようなECU60の制御が省かれている。
具体的には、メインリレー72のコイル73が、常時、グランドラインに接続されている。そのため、メインスイッチ10が導通されると、ECU60の制御を要することなく、リチウムイオンキャパシタ65からの電流が電源線75を介してメインリレー72のコイル73に供給される。それにより、コイル73が励磁され、メインリレー72の接点74が導通する。これにより、リチウムイオンキャパシタ65から、給電線71を介して、ECU60および燃料供給システム30へ動作電力が供給される。したがって、使用者は、スタートスイッチ11を操作して、エンジン21を始動できる。
エンジン21の運転を停止するために、使用者がメインスイッチ10を遮断すると、メインリレー72のコイル73への電流が遮断されるので、メインリレー72の接点74が開かれる。それにより、ECU60および燃料供給システム30への電力供給が遮断される。
その他の動作については、図3A~図3Cの場合と同様である。
図5A~図5Cは、エンジン始動システムの他の構成例を示す。図5A~図5Cにおいて、図3A~図3Cの各部の対応部分は、同一参照符号で示す。
この構成例では、メインスイッチ10およびメインリレー72が、いずれも備えられていない。たとえば、船外機本体20に結合されるティラーハンドルを使用者が操作して船外機2を転舵させる構成の船外機2などでは、メインスイッチが備えられないことがあり、それに応じて、メインリレーも省略される。一方、エンジン21を停止するときに使用者によって操作されるストップスイッチ15が備えられている。
スタータモータ61は、始動給電線66を介してリチウムイオンキャパシタ65に接続されている。始動給電線66には、スタータモータ61とリチウムイオンキャパシタ65との間に、スタータリレー67が介装されている。スタータリレー67のコイル68は、スタートスイッチ11を介してリチウムイオンキャパシタ65に接続されている。したがって、使用者がスタートスイッチ11を操作して導通させると、スタータリレー67のコイル68が励磁され、その接点69が閉じられる。すると、リチウムイオンキャパシタ65からスタータモータ61に電力が供給され、スタータモータ61が作動し、エンジン21のクランキングが始まる。スタートスイッチ11は、使用者が操作すると閉じ、使用者の操作がなくなると開く、モーメンタリスイッチである。したがって、エンジン21が始動完了して使用者がスタートスイッチ11から手を離すと、スタートスイッチ11が開き、スタータリレー67のコイル68が消磁される。それにより、スタータリレー67の接点69が開かれるので、スタータリレー67はリチウムイオンキャパシタ65から切り離される。
交流発電機62は、給電線71を介してECU60および燃料供給システム30に接続されている。燃料供給システム30は、燃料ポンプ32および燃料噴射器31を含む(図2参照)。図3A~図3Cに示した構成とは異なり、給電線71にはメインリレーは介装されていない。この構成例では、交流発電機62は、クランキング時の回転速度を含む低速域のエンジン回転速度においても電力を発生できるように設計されている。そして、エンジン始動時(クランキング時)に燃料供給システム30において必要とされる電力も、交流発電機62が発生する電力によって賄われる。
交流発電機62が発生する電力によるリチウムイオンキャパシタ65の充電を制御するために、充電制御ユニット76が備えられている。充電制御ユニット76は、給電線71とリチウムイオンキャパシタ65とを接続する充電線77と、充電線77に介装されたスイッチ素子78と、スイッチ素子78をオン/オフ制御する配電制御部79とを備えている。充電線77の一端は、給電線71に接続されており、その他端はリチウムイオンキャパシタ65に接続されている。スイッチ素子78は、電界効果型トランジスタ(MOSFET等)の半導体スイッチであってもよく、機械式リレーであってもよい。また、一種または複数種類のスイッチ素子が並列に接続されていてもよい。配電制御部79は、給電線71からの電力供給を受けて作動し、スイッチ素子78をオン/オフするコントローラである。配電制御部79は、交流発電機62が発生する電力が供給されているときに動作可能となって、スイッチ素子78をオンする。配電制御部79は、エンジン停止により交流発電機62が発電を停止し、それによって電力供給を失うと、スイッチ素子78をオフする。
エンジン21を停止するために使用者によって操作されるストップスイッチ15は、ECU60に接続されている。ECU60は、ストップスイッチ15が操作されると、燃料供給システム30を制御して燃料供給を停止させる。それにより、エンジン21が停止する。
次に動作について順に説明する。
エンジン21を始動する前は、図5Aに示すように、スタートスイッチ11はオフであり、スタータリレー67は開状態であり、スイッチ素子78もオフ状態である。したがって、リチウムイオンキャパシタ65からの電流経路はいずれも遮断されており、待機電流および漏れ電流は実質的に生じていない。
エンジン21を始動するとき、使用者は、図5Bに示すように、スタートスイッチ11を操作して導通させる。それにより、スタータリレー67のコイル68が励磁されて、その接点69が閉じられるので、参照符号B1で示すように、リチウムイオンキャパシタ65からスタータモータ61に電力が供給され、エンジン21のクランキングが始まる。エンジン21の回転が始まることにより、交流発電機62の発電が始まり、参照符号B2で示すように、給電線71を介して、ECU60および燃料供給システム30に電力が供給される。よって、エンジン21をクランキングしながら始動制御(燃料噴射制御および点火制御)が実行されるので、エンジン21が始動する。
エンジン21が始動完了すると使用者はスタートスイッチ11の操作を止めるので、図5Cに示すように、スタートスイッチ11が遮断され、それに応じてスタータリレー67が消磁される。したがって、リチウムイオンキャパシタ65からスタータモータ61への電力供給がなくなるので、スタータモータ61の駆動は停止する。したがって、エンジン21の運転中は、リチウムイオンキャパシタ65からの実質的な放電はない。
配電制御部79は、交流発電機62が発生する電力を、給電線71を介して受けることができる。給電線71の電圧が十分に高まると、図5Cに示すように、配電制御部79は、スイッチ素子78をオン状態とする。それにより、参照符号B3で示すように、交流発電機62が発生する電力によって、リチウムイオンキャパシタ65を充電できる。
エンジン21を停止するとき、使用者は、ストップスイッチ15を操作する。それに応答して、ECU60は、点火制御および燃料噴射制御を中止し、それによって、エンジン停止に至る。それにより、交流発電機62の発電が停止するので、配電制御部79への給電が停止し、それに応じて、スイッチ素子78がオフ状態となる。それにより、図5Aの状態に戻り、リチウムイオンキャパシタ65からの待機電流または漏れ電流の経路が実質的になくなる。
船体1に鉛蓄電池等のバッテリ12が搭載されるとき、バッテリ12は、給電線71に接続される。したがって、バッテリ12は、エンジン運転中に交流発電機62が生成する電力によって充電される。バッテリ12には、前述のとおり、船体1内の電気機器13(図1参照)が接続されている。エンジン21の運転が停止すると、スイッチ素子78が遮断されることにより、リチウムイオンキャパシタ65とバッテリ12との間の電流経路はなくなるので、エンジン停止中に、リチウムイオンキャパシタ65の電力が電気機器13によって消費されることはない。
このようにして、この構成例においても、図3A~図3Cに示した構成例と同様の効果を実現できる。
充電制御ユニット76のスイッチ素子78は、給電線71からリチウムイオンキャパシタ65に向かう方向を順方向として接続されるスイッチングダイオードであってもよい。この場合は、配電制御部79を設ける必要はない。交流発電機62が停止しているとき(典型的にはエンジン21が停止しているとき)には、給電線71よりもリチウムイオンキャパシタ65の方が高電位であるので、スイッチングダイオードは遮断状態である。交流発電機62が発電を開始し、給電線71の電位が十分に高くなると、スイッチングダイオードが導通し、交流発電機62が発生する電力によって、リチウムイオンキャパシタ65を充電できる。エンジン21が停止すれば、交流発電機62の発電が停止して、スイッチングダイオードが遮断状態となるので、リチウムイオンキャパシタ65に繋がる電流経路はいずれも遮断状態となる。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、船体1にバッテリ12が搭載される例を示したが、電気機器13を船上で使用しないのであれば、バッテリ12は省いてもよい。また、前述の実施形態では、船舶推進機の一例として船外機について説明したが、この発明は、エンジンを駆動源とする他の形態の船舶推進機にも適用できる。具体的には、船内機、船内外機、水ジェット推進機等にこの発明を適用してもよい。さらには、船舶推進機以外で用いられるエンジンの始動のために、この発明が適用されてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1 船体、2 船外機、10 メインスイッチ、11 スタートスイッチ、12 バッテリ、13 電気機器、21 エンジン、22 クランク軸、30 燃料供給システム、37 エンジンカバー、43 プロペラ、59 エンジン回転速度センサ、60 ECU、61 スタータモータ、62 交流発電機、65 リチウムイオンキャパシタ、66 始動給電線、67 スタータリレー、68 コイル、69 接点、71 給電線、76 充電制御ユニット、77 充電線、78 スイッチ素子、79 配電制御部、100 船舶
Claims (14)
- 船体に取り付けられて推進力を発生する船外機であって、
エンジンと、
前記エンジンの駆動力により推進力を発生するプロペラと、
リチウムイオンキャパシタと、
前記リチウムイオンキャパシタから給電されて作動し、前記エンジンをクランキングするスタータモータと、
前記リチウムイオンキャパシタと前記スタータモータとの間の始動給電線に介装されたスタータリレーと、
前記エンジンを始動するための使用者の操作によって導通し、前記リチウムイオンキャパシタから前記スタータリレーのコイルに通電して前記スタータリレーを導通させるスタートスイッチと、
前記エンジンの運転中に、前記リチウムイオンキャパシタを充電電力源に接続して、前記リチウムイオンキャパシタを充電し、前記エンジンが運転を停止すると前記リチウムイオンキャパシタを前記充電電力源から切り離すスイッチ素子を含む充電制御ユニットと、を含む、船外機。 - 少なくとも前記エンジンおよび前記リチウムイオンキャパシタを収容するエンジンカバーをさらに含む、請求項1に記載の船外機。
- 前記充電電力源は、前記エンジンによって駆動される発電機を含み、
前記船外機は前記発電機をさらに含む、請求項1に記載の船外機。 - 前記充電電力源は、前記発電機によって充電されるバッテリを含む、請求項3に記載の船外機。
- 前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されており、
使用者の電源投入操作によって導通するメインスイッチをさらに含み、
前記充電制御ユニットは、前記メインスイッチが導通されると、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す、請求項1~4のいずれか一項に記載の船外機。 - 前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されており、
前記充電制御ユニットは、前記エンジンの始動完了後に、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す、請求項1~4のいずれか一項に記載の船外機。 - エンジンを始動するエンジン始動システムであって、
リチウムイオンキャパシタと、
前記リチウムイオンキャパシタから給電されて作動し、前記エンジンをクランキングするスタータモータと、
前記リチウムイオンキャパシタと前記スタータモータとの間の始動給電線に介装されたスタータリレーと、
前記エンジンを始動するための使用者の操作によって導通し、前記リチウムイオンキャパシタから前記スタータリレーのコイルに通電して前記スタータリレーを導通させるスタートスイッチと、
前記エンジンの運転中に、前記リチウムイオンキャパシタを充電電力源に接続して、前記リチウムイオンキャパシタを充電し、前記エンジンが運転を停止すると前記リチウムイオンキャパシタを前記充電電力源から切り離すスイッチ素子を含む充電制御ユニットと、を含む、エンジン始動システム。 - 前記充電電力源は、前記エンジンによって駆動される発電機を含む、請求項7に記載のエンジン始動システム。
- 前記充電電力源は、前記発電機によって充電されるバッテリを含む、請求項8に記載のエンジン始動システム。
- 前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されており、
使用者の電源投入操作によって導通するメインスイッチをさらに含み、
前記充電制御ユニットは、前記メインスイッチが導通されると、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す、請求項7~9のいずれか一項に記載のエンジン始動システム。 - 前記充電電力源は、前記エンジンに燃料を供給する燃料供給システムに電力を供給する給電線に接続されており、
前記充電制御ユニットは、前記エンジンの始動完了後に、前記給電線に前記リチウムイオンキャパシタを接続し、前記エンジンの運転が停止すると、前記給電線から前記リチウムイオンキャパシタを切り離す、請求項7~9のいずれか一項に記載のエンジン始動システム。 - 前記エンジンが、船舶推進機の駆動源である、請求項7~9のいずれか一項に記載のエンジン始動システム。
- 前記リチウムイオンキャパシタが前記船舶推進機に内蔵される、請求項12に記載のエンジン始動システム。
- エンジンと、
前記エンジンの駆動力によって推進力を発生するプロペラと、
請求項7~9のいずれか一項に記載のエンジン始動システムと、を含む、船舶推進機。
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