JP4282550B2 - 水ジェット推進艇の排気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスによる排出圧力を調節するための排気制御弁を備えた水ジェット推進艇の排気制御装置に関する。

従来から、船底から吸い込んだ水を船尾後方に噴射することにより推進力を発生させて水上を航走する水ジェット推進艇がある。このような水ジェット推進艇の中に、エンジンから排出された排気ガスを外部に向けて通過させるための排気管に排気制御弁を設けて、排気ガスによる排気圧力を調節することにより、排気の際に生じる音を小さくしたり、エンジン出力を向上させたりするものがある（例えば、特許文献１参照）。

この水ジェット推進艇では、エンジンから排出された排気ガスを外部に向けて通過させる排気管の途中にウォーターロックを設け、排気管におけるウォーターロックの下流側部分に排気制御弁を設置している。そして、排気制御弁を駆動させるためのサーボモータと、サーボモータの作動を制御するためのエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと記す。）とを設け、ＥＣＵの制御により、エンジンが低速回転のときには、排気制御弁が閉じる方に移動し、エンジンが高速回転のときには、排気制御弁が開く方に移動するようにしている。
特開平１１−１５７４９４号公報

しかしながら、前述した従来の水ジェット推進艇においては、排気管におけるウォーターロックの上流側部分が、排気ガスが通過する排気ガス通路と、排気ガス通路の外周面に形成されてエンジンを冷却した冷却水が通過する冷却水通路とからなる二重管で構成されている。そして、排気ガス通路と冷却水通路とがウォーターロックの上流側の所定部分で合流しており、そこで排気ガスと冷却水とが混合される。このため、排気制御弁が閉じた際に、ウォーターロックの内圧が高くなり、その排気圧力によって逆流が生じると、冷却水がエンジン側に浸入するおそれがある。

また、一般に、エンジンの回転速度が高速回転域のときには、排気脈動（排気パルス）は、周期が短く、振幅が小さくなるため逆流が生じ難くなるが、エンジンの回転速度が中低速回転域のときには、排気脈動は、周期が長く、振幅が大きくなるため逆流が生じ易くなる。このため、エンジンの回転速度が中低速回転域のときに、冷却水のエンジン側への逆流がより大きな問題となる。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、冷却水がエンジン側に逆流することを防止できる水ジェット推進艇の排気制御装置を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置の構成上の特徴は、エンジンから排出された排気ガスを通過させる排気ガス通路と、エンジンを冷却した冷却水を通過させる冷却水通路とを合流させ、排気ガス通路を通過した排気ガスと冷却水通路を通過した冷却水とを混合して外部に放出させる排気管が設けられた水ジェット推進艇の排気制御装置であって、排気ガス通路における冷却水通路との合流点よりも上流側に設置された排気制御弁と、エンジンの回転速度およびエンジンに供給する空気の量を調節するスロットルバルブの開度の少なくとも一方が大きくなるに応じて排気制御弁の開度を大きくする制御を行う開度制御装置と、排気ガス通路における排気制御弁の上流側部分に設置され、エンジンから排出された排気ガスを浄化処理するための触媒とを備えたことにある。

このように構成した本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置では、排気制御弁が、排気ガス通路における冷却水通路との合流点よりも上流側に設置されている。したがって、エンジンの回転速度が中低速回転域のときに、排気制御弁を閉じていくことによって、排気圧力が高くなってもエンジン側に逆流するのは排気ガスだけになり、冷却水が、エンジン側に逆流することはなくなる。また、排気ガス通路内における排気制御弁の下流側部分は、上流側部分よりも排気脈動の振幅が小さくなるため、排気圧力波が弱くなる。そして、排気ガス通路内における排気圧力波の弱い排気制御弁よりも下流側部分で、排気ガスと冷却水とを合流させるため、冷却水が、エンジン側に逆流することがなくなる。

この場合、エンジンの回転速度が中低速回転域であるときには、排気制御弁を閉じていくことにより、排気圧力が高くなって排気圧力波がエンジン側に戻る。これによって排気脈動効果が生じてエンジン出力が向上する。この際、排気制御弁による排気絞りによって排気に伴って生じる音が低く抑えられる。また、エンジンの回転速度が高速回転域であるときには、排気制御弁を開けていくことにより、排気抵抗を低く抑えることができ、エンジン出力の低下を防止できる。

また、排気制御弁の開度を制御する開度制御装置としては、排気制御弁を駆動させるモータ等からなる駆動装置と、その駆動装置の作動を制御する制御装置とで構成することができる。排気制御弁の開度を制御する際の基準となるエンジンの運転状態としては、本発明では、エンジンの回転速度やスロットルバルブの開度としている。

また、本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置では、排気ガス通路における排気制御弁の上流側部分に、エンジンから排出された排気ガスを浄化処理するための触媒を設置している。これによると、エンジンから排出される排気ガス中の有害物の除去が効果的にでき環境の面で好ましいものとなる。また、触媒が排気制御弁よりも上流側に設置されているため、触媒にも冷却水が逆流して接触することがなく、冷却水で触媒が損傷されるおそれがなくなる。

また、本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置の他の構成上の特徴は、排気制御弁を、略水平に配置された回転軸と、回転軸に支持され回転軸の軸回り方向に回転可能になった弁体とで構成したことにある。これによると、回転軸が略水平方向に配置されているため、例え冷却水が排気制御弁の位置まで逆流してきたとしても、冷却水は排気ガス通路の下部側部分を流れ、その上方に位置する回転軸が冷却水に浸かることがない。このため、冷却水によって回転軸が浸蝕されるといったことは生じない。

また、本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置のさらに他の構成上の特徴は、エンジンの回転速度を検出するための回転速度検出装置を備えており、回転速度検出装置の検出値に応じて、開度制御装置が排気制御弁の開度を制御することにある。これによると、開度制御装置が排気制御弁の開度を制御する際の基準となるエンジンの運転状態を、エンジンの回転速度とし、この回転速度を回転速度検出装置で検出するため、排気制御弁の開度の制御を精度よく行える。

また、本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置のさらに他の構成上の特徴は、スロットルバルブの開度を検出するためのスロットル開度検出装置を備えており、スロットル開度検出装置の検出値に応じて、開度制御装置が排気制御弁の開度を制御することにある。これによると、開度制御装置が排気制御弁の開度を制御する際の基準となるエンジンの運転状態を、スロットルバルブの開度とし、このスロットルバルブの開度をスロットル開度検出装置で検出するため、排気制御弁の開度の制御を精度よく行える。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１および図２は、本発明の一実施形態に係る排気制御装置を備えた水ジェット推進艇１０を示している。この水ジェット推進艇１０では、船体１１がデッキ１１ａとハル１１ｂで構成されており、その船体１１の上部における中央よりもやや前部側部分に操舵ハンドル１２が設けられ、船体１１の上部における中央部にシート１３が設けられている。そして、船体１１内の底部における前部側部分には燃料を収容するための燃料タンク１４が設置され、船体１１内の底部における中央部にエンジン１５が設置されている。

また、船体１１の後端部における船体１１の幅方向の中央部（中心線Ｌで示した部分）には、推進機１６が設置されており、この推進機１６はインペラ軸１７を介してエンジン１５に連結されている。そして、推進機１６の後端部には、操舵ハンドル１２の操作に応じて、後部側を左右に移動させることにより、水ジェット推進艇１０の進行方向を左右に変更させるステアリングノズル１８が取り付けられている。また、エンジン１５には、燃料タンク１４から供給される燃料と空気との混合気をエンジン１５に送り込む吸気装置１９と、エンジン１５から排出される排気ガスを船体１１の後端部から外部に放出する排気装置２０とが接続されている。

エンジン１５は、４サイクル２気筒エンジンからなっており、各気筒を構成する吸気弁と排気弁との開閉駆動により、吸気弁側に設けられた吸気装置１９から燃料と空気との混合気を取り込み、排気弁側に設けられた排気装置２０に排気ガスを送り出す。その際、吸気弁側からエンジン１５内に供給される混合気はエンジン１５が備える点火装置の点火によって爆発し、この爆発によって、エンジン１５内に設けられたピストンが上下に移動する。そして、そのピストンの移動によってクランク軸が回転駆動される。このクランク軸はインペラ軸１７に連結されており、回転力をインペラ軸１７に伝達してインペラ軸１７を回転駆動させる。

また、インペラ軸１７の後端部は、推進機１６内に配置されたインペラに連結されており、このインペラの回転によって、水ジェット推進艇１０に推進力が生じる。すなわち、推進機１６は、船体１１の底部に開口する水導入口１６ａと船尾に開口する水噴射口１６ｂとを備えており、水導入口１６ａから導入される海水をインペラの回転により水噴射口１６ｂから噴射させることにより船体１１に推進力を生じさせる。

吸気装置１９は、エンジン１５に接続された吸気管や、吸気管の上流端に接続されたスロットルボディ等で構成されている。そして、船外の空気を吸引し、その空気の流量を、スロットルボディに設けられたスロットルバルブを開閉操作することにより調節して、エンジン１５に供給する。また、その際、エンジン１５に供給される空気に、燃料供給装置（図示せず）を介して燃料タンク１４から供給される燃料を混合させる。

排気装置２０は、エンジン１５に接続された屈曲した管からなる排気管２１と、排気管２１の後端部に接続されたタンク状のウォーターロック２２と、ウォーターロック２２の後部に接続された排気管２３とで構成されている。排気管２１は、エンジン１５の各気筒における排気弁側から延びて集合したのちに、一旦前方に向かって延びている。そして、排気管２１の先端側部分は、エンジン１５の前方から斜め上方に向かって延びたのちにエンジン１５の斜め上方を通過して後方に向って延びている。

そして、排気管２１の後端部は、ウォーターロック２２の前部に連通している。また、ウォーターロック２２の後部上面からは、排気管２３が後方に向って延びている。この排気管２３の上流端部は、ウォーターロック２２の上面に連通しており、下流側が一旦上方に延びたのちに下方後部に延びて、下流端部は船体１１の後端下部に開口している。また、排気管２１の上流側部分は、図３に示したように、二重管で構成されており、内部側部分が、エンジン１５から排出される排気ガスを通過させるための排気ガス通路２１ａを構成し、外部側部分が、エンジン１５等を冷却したのちの冷却水を通過させるための冷却水通路２１ｂを構成している。

冷却水通路２１ｂは、排気管２１の下流側部分で排気ガス通路２１ａと合流するように下流端部を排気ガス通路２１ａの周面に開口させており、この開口からなる合流部２１ｃで、排気ガス通路２１ａを通過する排気ガスと冷却水通路２１ｂと通過する冷却水とが混合される。冷却水通路２１ｂを通過する冷却水は、船体１１の底部における後部側部分から取り込まれた海水等の水からなっており、この冷却水は、船体１１内に設置された各冷却水路を通過することによりエンジン１５等の各部分を冷却したのちに、冷却水通路２１ｂを通過して排気ガスとともに外部に放出される。

また、排気管２１の排気ガス通路２１ａ内における所定部分には、触媒２４が設置され、触媒２４の下流側部分に排気制御弁２５が設置されている。触媒２４は、ハニカム状に形成された基材の表面を白金などでコーティングして構成され、通過する排気ガスを浄化する。また、排気制御弁２５は、排気管２１内における上下方向の略中央部に水平方向に取り付けられた回転軸２５ａと、回転軸２５ａに軸回り方向に回転可能な状態で取り付けられた円板状の弁体２５ｂとで構成されており、弁体２５ｂの回転によって、排気管２１を開閉し、排気管２１内を通過する排気ガスの流量を調節する。

排気制御弁２５は、駆動ベルト２６ａを介して駆動モータ２６に連結されており、駆動モータ２６の駆動によって回転する。また、駆動モータ２６は、ＥＣＵ２７に接続されており、このＥＣＵ２７によって駆動を制御される。また、水ジェット推進艇１０は、前述した各装置の外に、エンジン回転センサ２８およびスロットル開度センサ２９を備えており、ＥＣＵ２７は、ＲＯＭやＲＡＭが記憶するプログラムを実行するためのＣＰＵ等を含んでいる。

エンジン回転センサ２８は、エンジン１５のクランク軸の近傍に設置されてエンジン１５の回転速度を検出する。また、スロットル開度センサ２９はスロットルバルブの弁軸に設けられ弁軸の回転角度からスロットル開度を検出する。そして、エンジン回転センサ２８の検出値およびスロットル開度センサ２９の検出値は、それぞれ信号としてＥＣＵ２７に送信され、ＥＣＵ２７はその検出信号に基づいて駆動モータ２６を駆動させて排気制御弁２５の開度を制御する。

つぎに、以上のように構成された水ジェット推進艇１０を走行させるときにＥＣＵ２７が行う排気制御について説明する。まず、スタートスイッチ（図示せず）をオンに操作することによって、水ジェット推進艇１０は航走可能な状態になり、シート１３に座った運転者が操舵ハンドル１２を操舵するとともに、スロットルレバー（図示せず）を操作することにより水ジェット推進艇１０は各操作に応じて所定の方向に所定の速度で航走を開始する。

この水ジェット推進艇１０の航走の際、エンジン回転センサ２８が検出するエンジン１５の回転速度に基づいて、排気制御弁２５の回転角（以下、バルブ開度と記して、「％」で表す。）が決定される。バルブ開度とエンジン回転速度との関係については、図４に示したマップが予め作成されてＲＯＭに記憶されており、このマップにおけるエンジン回転速度の値に基づいてバルブ開度が決定される。図４に示したように、バルブ開度は、エンジン回転速度が「０ｒｐｍ」のときに「０％」または「０％」に近い値になり、エンジン回転速度が低中速の域ではエンジン回転速度が大きくなるにしたがって徐々に大きくなるように設定されている。

そして、バルブ開度は、エンジン回転速度が中速の域を超えて高速の域に入ると、エンジン回転速度が大きくなるにしたがって急に大きくなるように設定されている。すなわち、このマップは、エンジン回転速度が低中速の域にあるときには排気制御弁２５を閉じていき、エンジン回転速度が高速の域にあるときには排気制御弁２５を開いていくように作成されている。そして、ＥＣＵ２７は、エンジン回転センサ２８から送信される検出信号に基づいて、図４のマップからバルブ開度を求め、その値に応じて、駆動モータ２６を駆動させて排気制御弁２５を開閉する。

これによって、エンジン１５の回転速度が中低速回転域であるときには、排気制御弁２５を閉じていくことにより、排気管２１内の排気圧力が高くなって排気圧力波がエンジン側に戻る。これによって排気脈動効果が生じてエンジン１５の出力が向上するようになる。この際、排気制御弁２５による排気絞りによって排気に伴って生じる音が低く抑えられる。また、エンジン１５の回転速度が高速回転域であるときには、排気制御弁２５を開けていくことにより、排気抵抗を低く抑えることができ、エンジン出力の低下を防止できる。

また、エンジン１５から排出されて排気管２１内を通過する排気ガスは、触媒２４によって浄化されたのち、合流部２１ｃで、冷却水通路２１ｂから流れてくる冷却水と混合されてウォーターロック２２に送り込まれる。その際、合流部２１ｃよりも上流側に排気制御弁２５が設けられているため、冷却水は逆流することなくウォーターロック２２に送り込まれる。そして、排気ガスと冷却水とは、ウォーターロック２２から排気管２３を通過して船外に放出される。その際、排気管２３とウォーターロック２２によって船外の海水が逆流して排気管２１側に浸入することも防止される。

また、排気制御の他の例として、排気制御弁２５のバルブ開度を、スロットル開度センサ２９が検出するスロットルバルブの開度に基づいて決定することもできる。この場合のバルブ開度は、図５に示したマップにおけるスロットル開度の値に基づいて決定される。図５に示したように、バルブ開度は、スロットル開度が「０」のときに「０％」または「０％」に近い値になり、スロットル開度が小または中の域ではスロットル開度が大きくなるにしたがって徐々に大きくなるように設定されている。

そして、バルブ開度は、スロットル開度が大の域に入ると、スロットル開度が大きくなるにしたがって急に大きくなるように設定されているが、この場合バルブ開度が急に大きくなる領域は、図４に示したエンジン回転速度の場合と比較して遅れて発生するように設定されている。すなわち、このマップは、バルブ開度の上昇が、スロットル開度の上昇に比較して緩やかになるように作成されている。そして、ＥＣＵ２７は、スロットル開度センサ２９から送信される検出信号に基づいて、図５のマップからバルブ開度を求め、その値に応じて、駆動モータ２６を駆動させて排気制御弁２５を開閉する。

この場合も排気制御弁２５は、前述したエンジン回転速度に基づいてバルブ開度を求めたときと同様に開閉し、スロットルバルブの開度が小または中の域であるときには、排気制御弁２５を閉じていくことにより、エンジン１５の出力を向上させるとともに、排気に伴って生じる音を低く抑える。また、スロットルバルブの開度が大の域であるときには、排気制御弁２５を開いていくことにより、エンジン出力の低下を防止する。この場合も冷却水は、逆流することなく、排気ガスとともに船外に放出される。

また、排気制御のさらに他の例として、排気制御弁２５のバルブ開度を、エンジン回転センサ２８が検出するエンジン１５の回転速度と、スロットル開度センサ２９が検出するスロットルバルブの開度との双方に基づいて決定することができる。この場合、図６に示したように、直交する横軸をそれぞれエンジン回転数とスロットル開度との大きさを示す軸とし、縦軸をバルブ開度の大きさを示す軸としてあらわしたマップを作成し、予めＲＯＭに記憶しておく。そして、バルブ開度は、マップにおけるエンジン回転速度とスロットル開度との双方の値に基づいて決定する。

すなわち、ＥＣＵ２７は、エンジン回転センサ２８から送信される検出信号と、スロットル開度センサ２９から送信される検出信号とに基づいて、図６のマップからバルブ開度を求め、その値に応じて、駆動モータ２６を駆動させて排気制御弁２５を開閉する。これによると、エンジン１５の回転速度とスロットルバルブの開度との双方を加味した好適な条件のもとでバルブ開度を設定することができる。この排気制御におけるそれ以外の作用効果については、前述した図４または図５に示したマップを用いた排気制御と同様である。

また、本発明に係る水ジェット推進艇の排気制御装置は、前述した実施形態に限るものでなく適宜変更して実施することができる。例えば、図４ないし図６に示したマップは、それぞれの場合の一例を示したもので、適宜、変更や修正をすることができる。また、バルブ開度を求めるための基準となる運転状態も、エンジン回転速度やスロットル開度に限らず、排気管２１内やウォーターロック２２内の排気圧力としてもよい。この場合、排気管２１内やウォーターロック２２内の排気圧力を検出するための圧力センサを設けるとともに、その排気圧力とバルブ開度との関係を示したマップを予め作成してＲＯＭに記憶しておく。

さらに、前述した実施形態では、エンジンを４サイクル２気筒のエンジン１５としているが、このエンジンは、３気筒以上の気筒を備えたものであってもよいし、２サイクルのものであってもよい。また、冷却水は、エンジン１５を冷却したのちに、排気管２１に送られるものに限らず、他の部分からエンジン１５を通過せず直接排気管２１に送られるものであってもよい。

さらに、排気制御弁２５を駆動モータ２６に連結する駆動ベルト２６ａに代えて、チェーンやワイヤを用いることができる。ワイヤの場合には、排気制御弁２５の回転軸部と駆動モータ２６の回転軸部との外周面における対向面の両端部分に、２本のワイヤを平行させてそれぞれ連結することにより、駆動モータ２６の駆動力を排気制御弁２５に伝達できるようにする。これらによると、滑りがなくなり、駆動モータ２６の駆動力が排気制御弁２５に効率よく伝達される。また、その他の水ジェット推進艇の形状や、水ジェット推進艇を構成する各部分の形状等についても適宜変更することができる。

本発明の一実施形態に係る水ジェット推進艇を示す破断側面図である。 図１に示した水ジェット推進艇の内部構造の概略を示した平面図である。 排気管に設けられた排気制御弁とその近傍部分を示した断面図である。 エンジン回転速度とバルブ開度との関係を示したマップである。 スロットル開度とバルブ開度との関係を示したマップである。 エンジン回転速度とスロットル開度とに対するバルブ開度の関係を示したマップである。

符号の説明

１０…水ジェット推進艇、１５…エンジン、２１…排気管、２１ａ…排気ガス通路、２１ｂ…冷却水通路、２１ｃ…合流部、２４…触媒、２５…排気制御弁、２５ａ…回転軸、２５ｂ…弁体、２６…駆動モータ、２６ａ…駆動ベルト、２７…ＥＣＵ、２８…エンジン回転センサ、２９…スロットル開度センサ。

Claims (4)

1. エンジンから排出された排気ガスを通過させる排気ガス通路と、前記エンジンを冷却した冷却水を通過させる冷却水通路とを合流させ、前記排気ガス通路を通過した排気ガスと前記冷却水通路を通過した冷却水とを混合して外部に放出させる排気管が設けられた水ジェット推進艇の排気制御装置であって、
   前記排気ガス通路における前記冷却水通路との合流点よりも上流側に設置された排気制御弁と、
   前記エンジンの回転速度および前記エンジンに供給する空気の量を調節するスロットルバルブの開度の少なくとも一方が大きくなるに応じて前記排気制御弁の開度を大きくする制御を行う開度制御装置と、
   前記排気ガス通路における前記排気制御弁の上流側部分に設置され、前記エンジンから排出された排気ガスを浄化処理するための触媒と
   を備えたことを特徴とする水ジェット推進艇の排気制御装置。
2. 前記排気制御弁を、略水平に配置された回転軸と、前記回転軸に支持され前記回転軸の軸回り方向に回転可能になった弁体とで構成した請求項１に記載の水ジェット推進艇の排気制御装置。
3. 前記エンジンの回転速度を検出するための回転速度検出装置を備えており、前記回転速度検出装置の検出値に応じて、前記開度制御装置が前記排気制御弁の開度を制御する請求項１または２に記載の水ジェット推進艇の排気制御装置。
4. 前記スロットルバルブの開度を検出するためのスロットル開度検出装置を備えており、前記スロットル開度検出装置の検出値に応じて、前記開度制御装置が前記排気制御弁の開度を制御する請求項１または２に記載の水ジェット推進艇の排気制御装置。

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