JP4944736B2 - 船外機の制御装置、ならびにそれを用いた航走支援システムおよび船舶 - Google Patents
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Description
下記特許文献1に示されているエンジン式船外機での水中排気では、プロペラのボスに設けられた水中排気出口から排気ガスが排出される。
つまり、操作レバーが前進方向へ操作され、かつ、船舶の前進速度が所定速度(たとえば2km/h)を超える場合では、泡巻込みによる推進効率低下は発生しないと考えられる。一方、操作レバーが後進方向へ操作され、かつ、船舶の前進速度が前記所定速度以下の場合、または船舶が後進する場合では、泡巻込みにより、プロペラの推進効率が低下する。そのため、操作レバーを前進方向へ操作する場合と後進方向へ操作する場合とでは、同じ推進力を得るための操作量が異なる。これにより、操作レバーを操作する操船者に違和感を与えるおそれがある。
また、この発明の他の目的は、前述のような制御装置を備えた航走支援システムおよび船舶を提供することである。
前記判定手段は、前記船外機が備えられる船舶の進行速度に基づいて推進力の低下を判定するものであってもよい。この構成によれば、泡巻込み発生に関連のある船舶の進行速度に基づいて推進力の低下が判定される。したがって、推進力の低下の有無を正確に判定することができる。
前記通常制御モードは、前記制御手段が所定の第1の特性に従って第1の目標エンジン回転速度を定める制御モードであってもよい。また、前記補正制御モードは、前記制御手段が前記第1の特性よりも高い目標エンジン回転速度を設定するための第2の特性に従って第2の目標エンジン回転速度を定める制御モードであってもよい。
この構成によれば、第2の目標エンジン回転速度は、第1の目標エンジン回転速度に1.0以上の補正係数を乗じて得られる値に定められる。そのため、第2の目標エンジン回転速度は、第1の目標エンジン回転速度以上に定められる。
この構成によれば、補正係数設定手段は、速度指令手段によるプロペラの回転速度指令値の減少および/または船舶の進行速度の増加に応じて補正係数を1.0へ近づける。プロペラの回転速度が小さい場合や、船舶が高速に進行している場合には、プロペラの泡巻込みが発生しなくなり、推進力の低下が生じなくなる。そこで、このような状況に近づくに従って補正係数を1.0に近づけることにより、第2の目標回転速度が第1の目標回転速度に近づいていく。こうして、プロペラの回転速度指令値および/または船舶の進行速度に応じて、適切にエンジンの回転速度を制御できる。
この構成によれば、泡巻込み判定手段は、泡巻込み発生の要因であるプロペラの回転方向を判定する回転方向判定手段を含んでいるので、プロペラが泡を巻き込む運転状態であるかどうかを正確に判定することができる。
この構成によれば、泡巻込み判定手段は、船舶の進行速度が所定の前進速度以下かどうかを判定する速度判定手段を含んでいる。これにより、船舶が低速前進中または後進中であって、したがって、プロペラが泡を巻き込みやすい運転状態であるかどうかを正確に判定することができる。
この構成によれば、船外機の推進力の低下が発生すると判定されると、推進力の低下が発生しないと判定したときに比べて出力が大きくなるようにエンジンを制御することができる。具体的には、泡を巻き込む運転状態であると判定された場合には、その運転状態に適した制御モードに基づいて、操船者に違和感を与えないようにエンジンを制御することができる。これにより、泡巻込みに起因してプロペラの推進効率が低下しているかどうかに応じて、エンジンを適切に制御することができるので、操船者に与える違和感を緩和できる。
この構成によれば、船外機の推進力の低下が発生すると判定されると、推進力の低下が発生しないと判定したときに比べて出力が大きくなるようにエンジンを制御することができる。具体的には、泡を巻き込む運転状態であると判定された場合には、その運転状態に適した制御モードに基づいて、操船者に違和感を与えないようにエンジンを制御することができる。これにより、泡巻込みに起因してプロペラの推進効率が低下しているかどうかに応じて、エンジンを適切に制御することができるので、操船者に与える違和感を緩和できる。
図2は、この発明の一実施形態に係る船舶1の構成を説明するための概念図である。この船舶1は、船体2と、船体2の船尾3に取り付けられた一対の船外機4,5とを備えている。
一対の船外機4,5は、船尾3および船首6を通る中心線7に対して、左右対称な位置に取り付けられている。詳しくは、船外機4は、船体2の左舷後部に取り付けられており、船外機5は、船体2の右舷後部に取り付けられている。以下では、船外機4,5を区別するために、それぞれ、「左舷船外機4」、「右舷船外機5」と呼ぶことがある。
航走制御装置13は、左舷ECU8および右舷ECU9との間で、船内LAN12を介して通信を行う。詳しくは、航走制御装置13は、船外機ECU8,9から、各船外機4,5に備えられたエンジンおよび電動モータの回転速度と、各船外機4,5の向きを表す操舵角とを取得する。その一方で、航走制御装置13は、各船外機ECU8,9に対して、各船外機4,5に備えられたプロペラ14の目標回転方向(前進方向または後進方向)、ならびに、プロペラ14の目標回転速度および目標操舵角を表すデータを与えるようになっている。エンジンの回転速度は、プロペラ14の回転速度と一対一に対応する。同様に、電動モータの回転速度は、プロペラ14の回転速度と一対一の対応関係にある。
各船外機4,5は、取り付け機構としてのクランプブラケット20およびスイベルブラケット21と、推進器としての推進ユニット22とを備えている。クランプブラケット20は、船体2の後尾板に着脱自在に固定されている。スイベルブラケット21は、水平回動軸としてのチルト軸23を中心に、クランプブラケット20に回動自在に結合されている。
推進ユニット22は、ハウジングとして、上部に上カウリング26と下カウリング27とを備え、下部に上ケーシング28と下ケーシング29とを備えている。上カウリング26および下カウリング27の内部には、エンジン30が配置されている。上ケーシング28および下ケーシング29の内部には、電動モータ31、エンジン30のための排気系、およびプロペラ14のための動力伝達系が配置されている。
クランク軸33の下端には、上ケーシング28および下ケーシング29内を上下方向に通ってプロペラシャフト18の前端部近傍まで延びるドライブシャフト19が連結されている。エンジン30を駆動することで、ドライブシャフト19を軸線まわりに回転させることができる。ドライブシャフト19の途中には、上から順に、多板クラッチ43および電動モータ31が介装されている。
シフト機構32は、駆動ギヤ48、前進ギヤ49、後進ギヤ50、およびドッグクラッチ54を備えている。駆動ギヤ48、前進ギヤ49および後進ギヤ50は、いずれもベベルギヤからなる。駆動ギヤ48は、ドライブシャフト19の下端に固定されている。前進ギヤ49および後進ギヤ50は、プロペラシャフト18上に回動自在に配置されている。ドッグクラッチ54は、前進ギヤ49と後進ギヤ50との間に配置されている。前進ギヤ49は、前方側から駆動ギヤ48に噛合しており、後進ギヤ50は、後方側から駆動ギヤ48に噛合している。そのため、ドライブシャフト19とともに駆動ギヤ48が回転されると、前進ギヤ49および後進ギヤ50は、互いに反対方向に回転される。一方、ドッグクラッチ54は、プロペラシャフト18にスプライン結合されている。すなわち、ドッグクラッチ54は、プロペラシャフト18に対してその軸方向に摺動自在であるが、プロペラシャフト18に対する相対回動はできず、プロペラシャフト18とともに回転する。
次に、エンジン30の吸排気系について説明する。
上カウリング26内において、エンジン30の前方には、吸気サイレンサ38が配置されている。吸気サイレンサ38には、機外に連通する連通穴39が形成されている。吸気サイレンサ38には、吸気通路40の一端が接続されている。吸気通路40の他端には、吸気マニホールド(図示せず)が接続されている。図示されていないが、吸気マニホールドは、エンジン30の各気筒における吸気ポート(図示せず)に接続されている。吸気マニホールドには、各気筒に対応するインジェクタが接続されている。吸気サイレンサ38の連通穴39から吸気通路40を介して吸気された外気と、インジェクタから噴射された燃料とが混合されて吸気ガスが形成される。この吸気ガスが、吸気マニホールドを介して各気筒の吸気ポートに供給される。
水中排気路58は、ボス部16の隙間72を介して水中排気口17に連通している。水中排気口17は、後方に向けて開口している。したがって、エンジン30の水中排気は、船舶の後方に向けて排出されるようになっている。
図5は、レバー11の図解的な側面図である。図5において、紙面左側を前側とし、紙面右側を後側とする。
レバー11の中立位置は、ロッド52が操作盤51の表面に対して直立した位置である。操船者が、ノブ53を把持し、レバー11を所望の方向に向けて中立位置から傾倒させると、航走制御装置13が、レバー11の傾倒位置(傾倒方向および傾倒量)に基づいて各船外機4,5におけるプロペラ14の回転方向および回転速度ならびに操舵角を制御する。これにより、船舶1の進行速度および進行方向を、レバー11の傾倒方向に応じた向きに変更することができる。図5では、レバー11を前後方向に傾倒させる場合の傾倒量が示されている。そして、以下では、船舶1を前進させる場合および後進させる場合について説明する。
以下では、レバー11を中立位置から前側へ所定量傾倒させたときのレバー11の傾倒位置を「前進開始位置」といい、レバー11を前進開始位置から前側へさらに所定量傾倒させたときのレバー11の傾倒位置を「前進切換位置」という。そして、レバー11を前進切換位置からさらに前側へ目一杯傾倒したときのレバー11の傾倒位置を「前進全開位置」という。一方、レバー11を中立位置から後側へ所定量傾倒させたときのレバー11の傾倒位置を「後進開始位置」といい、レバー11を後進開始位置から後側へさらに所定量傾倒させたときのレバー11の傾倒位置を「後進切換位置」という。そして、レバー11を後進切換位置からさらに後側へ目一杯傾倒したときのレバー11の傾倒位置を「後進全開位置」という。
船舶1が前進している状態で、レバー11を後側へ傾倒させると進行速度を減少させる制動動作を行うことができる。船舶1が後進している状態でレバー11を前側に傾倒させたときも同様に、制動動作を行える。
図6は、レバー11の操作に基づいて各船外機4,5を制御するための制御系統を示すブロック図である。
航走制御装置13は、制御選択部67、通常制御部68および補正制御部69を備えている。制御選択部67は、判定手段、泡巻込み判定手段、制御手段、回転方向判定手段および速度判定手段として機能し、補正制御部69は、特性設定手段、補正係数設定手段、電動モータ回転速度設定手段およびエンジン回転速度設定手段として機能する。
制御選択部67は、レバー11が後側へ傾倒される(レバー11の傾倒位置が中立位置よりも後側に移動される)と(ステップS11のYES)、プロペラ14の目標回転方向が後進方向であると判定する。そして、制御選択部67は、速度センサ42の出力を参照して、船舶1の進行速度が+2km/h以下かどうかを判定する(ステップS12)。前述したように、レバー11の傾倒位置が後側、つまりプロペラ14の回転方向が後進方向であり、かつ船舶1の進行速度が+2km/h以下になると泡巻込みが発生しやすくなる。そこで、ステップS12において、船舶1の進行速度が、+2km/h以下であれば(ステップS12のYES)、制御選択部67は、補正制御部69を選択する(ステップS14)。船舶1の進行速度が+2km/hを超えていれば(ステップS12のNO)、制御選択部67は、通常制御部68を選択する(ステップS13)。
このように、制御選択部67は、プロペラ14の回転方向だけでなく、船舶1の進行速度が所定の前進速度以下かどうかを判定するので、プロペラ14が泡を巻き込みやすい運転状態であるかどうかを正確に判定することができる。そして、この判定に基づいて、通常制御部68による制御と、補正制御部69による制御とのいずれかを選択することができる。
通常制御部68は、レバー11が前側へ傾倒され、前進開始位置まで傾倒されると(ステップS21のYES)、予め設定された通常モータ特性(図9参照)を選択する(ステップS22)。また、ステップS22では、通常制御部68は、通常モータ特性に基づいて、レバー11の傾倒位置に対応する目標モータ回転速度Vmを生成する。そして、通常制御部68は、電動モータ31の駆動のみによるプロペラ14の回転を実施する(ステップS23)。具体的には、通常制御部68は、各船外機ECU8,9に、目標モータ回転速度Vmに基づく電動モータ31の駆動制御を実施させる。
プロペラ回転が実施されている状態(ステップS23)で、レバー11が前進切換位置まで傾倒されると(ステップS24のYES)、通常制御部68は、予め設定された通常エンジン特性(図9参照)を選択する(ステップS25)。また、ステップS25において、通常制御部68は、通常エンジン特性に基づいて、レバー11の傾倒位置に対応する目標エンジン回転速度Veを生成する。そして、通常制御部68は、エンジン30の駆動によるプロペラ14の回転を実施する(ステップS26)。具体的には、通常制御部68は、各船外機ECU8,9に、目標エンジン回転速度Veに基づくエンジン30の駆動制御を実施させる。
図9の例では、通常モータ特性は、レバー11の傾倒量の増加に対して目標モータ回転速度Vmがリニアに増加するように定められている。また、通常エンジン特性も同様に、レバー11の傾倒量の増加に対して目標エンジン回転速度Veがリニアに増加するように定められている。そして、前進切り換え位置における目標モータ回転速度Vmと目標エンジン回転速度Veは等しく定められている。これにより、電動モータ31のみでプロペラ14を駆動している状態と、エンジン30の駆動力をプロペラ14に伝達する状態との切り換えの前後において、推進力の連続性が確保されるようになっている。
補正制御部69は、レバー11が後進開始位置まで傾倒されると(ステップS31のYES)、予め設定された第1補正モータ特性(図9参照)を選択する(ステップS32)。また、ステップS32において、補正制御部69は、第1補正モータ特性に基づいて、レバー11の傾倒位置に対応する目標モータ回転速度Vm’を生成する。そして補正制御部69は、電動モータ31の駆動のみによるプロペラ14の回転を実施する(ステップS33)。具体的には、補正制御部69は、各船外機ECU8,9に、目標モータ回転速度Vm’に基づく電動モータ31の駆動制御を実施させる。
第1補正モータ特性は、図9の例では、通常モータ特性と同様に定められている。すなわち、レバー11の後進方向への傾倒量に対して目標モータ回転速度Vm’はリニアに定められるようになっている。そして、傾倒量に対する目標モータ回転速度Vm,Vm’の関係は、通常モータ特性と第1補正モータ特性との間で等しくなっている。
レバー11が後進切換位置まで傾倒されていない場合、つまり、レバー11の傾倒位置が後進開始位置と後進切換位置との間にある場合には(ステップS34のNO)、補正制御部69は、目標エンジン回転速度Ve’を生成しない。すなわち、電動モータ31の駆動のみによるプロペラ14の回転が継続される。
レバー11を前側へ傾倒させていく場合は、泡巻込みが発生しない。したがって、前進切換位置おいて電動モータ31の駆動のみからエンジン30の駆動へ切り換えるときに、目標モータ回転速度Vmと目標エンジン回転速度Veとを等しくしておけばよい。これにより、推進力が連続し、レバー11の傾倒位置に応じて、推進力が滑らかに出力される。
ところで、レバー11の傾倒位置が前進切換位置から後進切換位置までの間にあるときの船舶1の速度領域は、「デッドスロー領域」といわれている。デッドスロー領域での実際の最大プロペラ回転速度は、たとえば、700rpmから1000rpmである。デッドスロー領域は、離着岸やトローリングなどの極低速での前後進が行われる速度域である。この領域で推進力の不連続が頻発すると、乗船者に与える違和感は特に大きくなる。
この変形例では、後側へのレバー11の傾倒に対して、第1補正エンジン特性に代えて、第2補正エンジン特性(図9参照)を用いる。第2補正エンジン特性は、レバー11の中立位置からの傾倒量が同じ場合に、通常エンジン特性に基づく目標エンジン回転速度Veと等しくなるように目標エンジン回転速度Ve’を定める特性である。
複数の船外機4,5を備える船舶1では、各船外機4,5が発生する推進力の合力により、船舶1を旋回させずに、前後進以外の平行移動(横移動)を行うことができる。このような操船により、離着岸が一層容易になる。たとえば、船舶1が右側へ横移動を行う場合、右側へ向かう推進力を発生させるためには、左舷船外機4からは右前方へ向かう推進力を発生させるとともに、右舷船外機5からは右後方へ向かう推進力を発生させればよい。これにより、それらの推進力の合力は右方向へ向く。このとき、左舷船外機4のプロペラ14は前進方向に回転され、右舷船外機5のプロペラ14は後進方向に回転されることになり、プロペラ14の回転方向が互いに反対となる。したがって、左舷船外機4ではエンジン駆動のときでも泡巻込みは生じないが、右舷船外機5ではエンジン駆動時には泡巻込みが発生する条件となる。
たとえば、モータ駆動からエンジン駆動に切り換えられるときのレバー傾倒量A,Bを等しくてもよい。
図15は、レバー11の傾倒位置とプロペラ14が発生する推進力との関係を示したグラフである。ただし、前進開始位置から前進切換位置までのレバー11の傾倒量と、後進開始位置から後進切換位置までのレバー11の傾倒量とが等しい場合の例が示されている。
また、前述の実施形態では、エンジン30および電動モータ31を原動機として備えるハイブリッド型の船外機4,5の推進力を制御する構成について説明したが、エンジン30だけを原動機として備える構成であっても構わない。
この場合、電動モータ31が存在しないので、レバー11の傾倒範囲内に、前進切換位置および後進切換位置がない。レバー11が中立位置から前進開始位置まで傾倒されると、ドッグクラッチ54はニュートラル位置から前進位置まで移動する。また、レバー11が中立位置から後進開始位置まで傾倒されると、ドッグクラッチ54はニュートラル位置から後進位置まで移動する。レバー11を中立位置から後進開始位置まで傾倒させ、ドッグクラッチ54が後進位置に移動したときに、泡巻込みによる推進力低下が発生するおそれがある(図示破線矢印参照)。そこで、前述した第1補正エンジン特性(図9参照)による補正制御により、泡巻込みによる推進力低下を補償するように目標エンジン回転速度Ve’を定めればよい。これにより、前進回転時と後進回転時とで、レバー傾倒量と推進力との関係がほぼ等しくなるので、操船者の違和感を抑制できる。デッドスロー領域で船舶1を移動させる場合には、ドッグクラッチ54のシフト位置を、ニュートラル位置から前進位置または後進位置へと小刻みに変化させることで、船舶1の進行速度を調整することになる。
また、前述の実施形態では、前進から後進への切換えを検出して推進力の補正を行ったが、後進から前進への切換え時にも泡巻込みの問題が同様に発生するので、後進から前進への切換えを検出して推進力の補正をしてもよい。
2 船体
3 船尾
4 左舷船外機
5 右舷船外機
6 船首
7 中心線
8 左舷ECU
9 右舷ECU
10 バッテリー
11 レバー
12 船内LAN
13 航走制御装置
14 プロペラ
15 終端器
16 ボス部
17 水中排気口
18 プロペラシャフト
19 ドライブシャフト
20 クランプブラケット
21 スイベルブラケット
22 推進ユニット
23 チルト軸
24 操舵軸
25 操舵ロッド
26 上カウリング
27 下カウリング
28 上ケーシング
29 下ケーシング
30 エンジン
31 電動モータ
32 シフト機構
33 クランク軸
34 クランクケース
35 シリンダブロック
36 シリンダヘッド
37 ヘッドカバー
38 吸気サイレンサ
39 連通穴
40 吸気通路
41 排気マニホールド
42 速度センサ
43 多板クラッチ
44 クラッチ板
45 排気通路
46 排気膨張室
47 空中排気口
48 駆動ギヤ
49 前進ギヤ
50 後進ギヤ
51 操作盤
52 ロッド
53 ノブ
54 ドッグクラッチ
55 シフトロッド
56 主排気路
57 空中排気路
58 水中排気路
59 シフトアクチュエータ
60 操舵アクチュエータ
61 操舵角センサ
62 モータ回転検出部
63 エンジン回転検出部
64 電動スロットルバルブ
65 スロットルアクチュエータ
66 位置センサ
67 制御選択部
68 通常制御部
69 補正制御部
70 小径部
71 大径部
72 隙間
73 排気中継路
74 クラッチアクチュエータ
75 排気ポート
Claims (11)
- プロペラと、前記プロペラを回転させ、水中排気を行うエンジンとを備える船外機を制御するための制御装置であって、
前記エンジンの水中排気による前記船外機の推進力の低下を判定する判定手段と、
前記判定手段が、推進力の低下が発生すると判定したときには、推進力の低下が発生しないと判定したときに比べて出力が大きくなるように前記エンジンを制御する制御手段とを含む、船外機の制御装置。 - 前記判定手段は、前記船外機が備えられる船舶の進行速度に基づいて推進力の低下を判定するものである、請求項1記載の船外機の制御装置。
- 前記判定手段は、前記推進力の方向に基づいて当該推進力の低下を判定するものである、請求項1または2記載の船外機の制御装置。
- 前記判定手段は、前記プロペラが前記エンジンの水中排気により発生する泡を巻き込む運転状態かどうかを判定する泡巻込み判定手段を含み、
前記制御手段は、前記泡巻込み判定手段が、前記プロペラが泡を巻き込む運転状態ではないと判定したときには、所定の通常制御モードに基づいて前記エンジンを制御し、前記泡巻込み判定手段が、前記プロペラが泡を巻き込む運転状態であると判定したときは、前記通常モードとは異なる補正制御モードに基づいて前記エンジンを制御するものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の船外機の制御装置。 - 前記通常制御モードは、前記制御手段が所定の第1の特性に従って第1の目標エンジン回転速度を定める制御モードであり、前記補正制御モードは、前記制御手段が前記第1の特性よりも高い目標エンジン回転速度を設定するための第2の特性に従って第2の目標エンジン回転速度を定める制御モードである、請求項4記載の船外機の制御装置。
- 1.0以上の補正係数を設定する補正係数設定手段と、
前記第1の目標エンジン回転速度に前記補正係数設定手段によって設定される補正係数を乗じて前記第2の目標エンジン回転速度を求め、これにより、前記第2の特性を設定する特性設定手段とをさらに含む、請求項5記載の船外機の制御装置。 - 前記プロペラの回転速度指令値を生成する速度指令手段をさらに含み、
前記補正係数設定手段は、前記速度指令手段による前記回転速度指令値の減少および/または当該船外機が備えられる船舶の進行速度の増加に応じて前記補正係数を1.0へ近づけるものである、請求項6記載の船外機の制御装置。 - 前記泡巻込み判定手段は、前記プロペラの回転方向が、前記エンジンの水中排気により生じる泡を遠ざける第1の方向であるか、当該泡を引き寄せる第2の方向であるかを判定する回転方向判定手段を含むものである、請求項4〜7のいずれか一項に記載の船外機の制御装置。
- 前記泡巻込み判定手段は、当該船外機が備えられる船舶の進行速度が、所定の前進速度以下かどうかを判定する速度判定手段を含むものである、請求項4〜8のいずれか一項に記載の船外機の制御装置。
- プロペラと、
前記プロペラを回転させ、水中排気を行うエンジンとを備える船外機と、
この船外機を制御するための請求項1〜9のいずれか一項に記載の制御装置とを含む、航走支援システム。 - 船体と、
プロペラ、および前記プロペラを回転させ、水中排気を行うエンジンを備える船外機と、
この船外機を制御するための請求項1〜9のいずれか一項に記載の制御装置とを含む、船舶。
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