KR20130025335A

KR20130025335A - 선박의 추진장치

Info

Publication number: KR20130025335A
Application number: KR1020120093064A
Authority: KR
Inventors: 테츠오 야나기다
Original assignee: 닛뽕 유센 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-03-11
Also published as: CN102963518B; JP5830309B2; KR101361426B1; JP2013052704A; CN102963518A

Abstract

선박을 추진하는 내연기관의 출력 토크를 일정하게 유지하여 연비를 향상시킨다.
부하 토크 검출기 22 a로부터의 검출 신호에 근거하여 연산된 부하 토크 Qa와 동력 전달 경로 12에 참가하는 부하 토크의 변동 기준치 Qs를 비교하여, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 큰 경우에는 제네레이터 모터 14에 의한 발전량을 감소시키고, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 작은 경우에는 발전량을 증가시킨다. 또한, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 큰 경우에는 제네레이터 모터 14의 어시스트 출력을 증가시키고, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 작은 경우에는 어시스트 출력을 감소시킨다.

Description

선박의 추진장치{Propulsion Apparatus For Ship}

본 발명은 선박 항행(航行)시에 수면의 파도 등의 외란(外亂)에 의해 내연기관에 부하 변동이 가해지지 않도록 한 선박의 추진장치에 관한 것이다.

프로펠라의 추진력에 의해 물 위를 항행하는 선박의 동력원으로서는, 통상, 디젤 엔진 등의 내연기관이 사용되고 있으며, 내연기관에 추가하여, 동력원으로서 전동 모터를 갖는 하이브리드식 추진장치가 특허문헌 1 및 2에 기재되어 있다. 이러한 하이브리드식 추진장치는 내연기관에 의해 구동되어 발전하는 제네레이터를 가지며, 선박의 항행시에 내연기관에 의해 프로펠라를 구동하면서 제네레이터를 구동함으로써 배터리에 전력을 충전하고, 전동 모터가 구동될 때에는 배터리로부터 전동 모터에 전력을 공급한다. 추진장치의 소형화를 도모하기 위해, 전동 모터의 기능과 제네레이터의 기능을 갖는 제네레이터 모터가 이용되고 있다.

　위에서 설명한 하이브리드식 추진장치에 있어서는, 선박의 정상 항행시에는 내연기관에 의해 프로펠라를 구동하고, 저속 내지 미속(微速) 항행시 및 사용 빈도가 적은 후진 항행시에는 전동 모터에 의해 프로펠라를 구동하도록 하고 있다. 미속 항행시나 후진 항행시에 전동 모터에 의해 프로펠라를 구동함으로써, 내연기관의 소음의 발생을 해소하고, 정선(停船)시 및 계류(係留)시에도 배터리의 전력을 전기 기기에 공급하도록 하고 있다.

　한편, 특허문헌 3에는, 프로펠라에 가해지는 부하 토크가 내연기관의 출력 토크를 상회하는 경우에는, 제네레이터 모터를 어시스트 모드로 작동시킴으로써 프로펠라에 모터 토크를 어시스트하고, 프로펠라에 가해지는 부하 토크가 내연기관의 출력 토크를 하회(下回)하는 경우에는 제네레이터 모터를 발전 모드로 작동시키도록 한 선박의 추진장치가 기재되어 있다. 이와 같이, 부하 토크와 출력 토크와의 대소 관계에 의해 제네레이터 모터의 작동 모드를 발전 모드와 어시스트 모드 중의 어느 하나로 바꾸도록 하면, 내연기관의 부하를 일정하게 할 수 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2001-270495호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 제2001-301692호 특허문헌 3: 일본 공개특허공보 제2010-241160호

그렇지만, 부하 토크와 출력 토크의 대소 관계에 의해 제네레이터 모터의 작동 모드를 바꾸어 내연기관의 부하를 일정하게 하려면, 부하 토크를 정밀도 양호하게 계측할 필요가 있다. 부하 토크의 계측에는, 예를 들면, 프로펠라 축의 뒤틀림을 계측하는 스트레인 게이지(strain gauge)가 사용되고 있지만, 내연기관 정지시의 무부하 상태에서의 제로점 조정을 실시할 때에 프로펠라 축의 잔류 응력을 확인할 수 없기 때문에, 부하 토크의 계측 결과는 오차를 포함하고 있어서 부하 토크를 정밀도 양호하게 계측할 수 없다.

　부하 토크와 출력 토크의 대소 관계에 의해 제네레이터 모터의 작동 모드를 바꾸도록 하면, 부하 토크와 출력 토크의 값에는, 제네레이터 모터의 발전 출력과 모터 출력에도 변동이 포함되게 되어, 부하 토크와 출력 토크와의 대소 관계에 따라서는 내연기관의 출력 토크를 일정하게 제어하지 못하고, 연비(燃費)를 확실히 향상시킬 수 없다.

　게다가 부하 토크와 출력 토크의 대소 관계가 길게 바뀌지 않는 경우에는, 발전 모드와 어시스트 모드의 한쪽을 길게 계속하게 된다. 그러나, 선박에 탑재되는 배터리로부터 제네레이터 모터에 오랫동안에 걸쳐서 전기 에너지를 공급하거나, 오랫동안에 걸쳐서 제네레이터 모터로부터 배터리에 충전하거나 하는 데에는, 배터리 용량이나 전환 제어 시간 등에 한계가 있다.

　본 발명의 목적은 선박을 추진하는 내연기관의 출력 토크를 일정하게 유지할 수 있도록 하여 내연기관의 연비를 향상시키는 데에 있다.

본 발명의 선박의 추진장치는 선박에 추진력을 가하는 프로펠라와 내연기관의 주축을 연결하는 동력 전달 경로를 갖는 선박의 추진장치로서, 동력 전달 경로에 설치되며 내연기관에 의해 구동되어 전력을 발생하는 제네레이터, 제네레이터에 의해 발생된 전력이 공급되는 전력 피공급부, 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크를 연산하는 부하 토크 연산 수단, 및 부하 토크 연산 수단에 의해 연산된 부하 토크와 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크의 변동 기준치를 비교하여, 부하 토크가 변동 기준치보다 큰 경우에는 제네레이터에 의한 발전량을 감소시키고, 부하 토크가 변동 기준치보다 작은 경우에는 제네레이터에 의한 발전량을 증가시키는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

　본 발명의 선박의 추진장치는 선박에 추진력을 가하는 프로펠라와 내연기관의 주축을 연결하는 동력 전달 경로를 갖는 선박의 추진장치로서, 동력 전달 경로에 설치되어 프로펠라에 동력을 어시스트하는 전동 모터, 전동 모터에 전력을 공급하는 전력원, 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크를 연산하는 부하 토크 연산 수단, 및 부하 토크 연산 수단에 의해 연산된 부하 토크와 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크의 변동 기준치를 비교하여, 부하 토크가 변동 기준치보다 큰 경우에는 전동 모터의 어시스트 출력을 증가시키고, 부하 토크가 변동 기준치보다 작은 경우에는 전동 모터의 어시스트 출력을 감소시키는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

　본 발명의 선박의 추진장치는 선박에 추진력을 가하는 프로펠라와 내연기관의 주축을 연결하는 동력 전달 경로를 갖는 선박의 추진장치로서, 동력 전달 경로에 설치되며 내연기관에 의해 구동되어 전력을 발생하는 한편, 프로펠라에 동력을 어시스트하는 제네레이터 모터, 제네레이터 모터에 의해 발생된 전력이 공급되는 전력 피공급부, 제네레이터 모터에 전력을 공급하는 전력원, 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크를 연산하는 부하 토크 연산 수단, 및 부하 토크 연산 수단에 의해 연산된 부하 토크와 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크의 변동 기준치를 비교하여, 부하 토크가 변동 기준치보다 큰 경우에는 전력원으로부터의 전력에 의해 제네레이터 모터를 가동시켜 프로펠라에 동력을 어시스트하고, 부하 토크가 변동 기준치보다 작은 경우에는 제네레이터 모터를 내연기관에 의해 가동시켜 전력 피공급부에 전력을 공급하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

　본 발명의 선박의 추진장치는 부하 토크의 산출치를 동력 전달 경로의 스트레인 양(amount of strain)에 근거하여 연산하거나, 또는 동력 전달 경로의 회전수에 근거하여 연산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 내연기관으로의 부하 변동의 전달이 방지되므로, 선박에 외란이 가해져도 내연기관의 출력 토크를 항상 일정하게 유지할 수 있어서 내연기관의 연비를 향상시킬 수 있다.

항행시에 프로펠라에 가해지는 부하 토크를 변동 기준치와 비교함으로써 부하 토크의 변화량에 근거하여 발전량을 제어하거나, 어시스트 출력을 제어하거나 함으로써, 고정밀도로 발전량이나 어시스트 출력을 제어할 수 있으며, 내연기관에 가해지는 부하 토크의 영향을 줄일 수 있어서 내연기관의 연비를 향상시킬 수 있다.

부하 토크와 변동 기준치를 비교하여, 제네레이터 모터의 작동 모드를 어시스트 제어 모드와 발전 제어 모드로 바꿈으로써, 내연기관에 가해지는 부하 토크의 영향을 줄일 수 있어서 내연기관의 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시형태인 선박의 추진장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 파도가 발생하고 있는 수면을 선박이 항행하고 있는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3a는 파도의 발생에 의해 표준 수위에 대해서 수면이 변화하고 있는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3b는 파도에 의한 선속(船速)의 변화를 나타내는 모식도이다.
도 3c는 파도에 의해 프로펠라에 가해지는 부하 토크의 변화를 나타내는 모식도이다.
도 3d는 파도에 의해 부하 토크가 변동했을 경우에 있어서의 내연기관의 회전수를 종래 기술과 비교하여 나타내는 모식도이다.
도 4는 선박의 추진장치에 있어서의 발전 제어 모드를 나타내는 타임 차트이다.
도 5는 선박의 추진장치에 있어서의 어시스트 제어 모드를 나타내는 타임 차트이다.
도 6은 선박의 추진장치에 있어서의 자동 전환 제어 모드를 나타내는 타임 차트이다.
도 7은 엔진에 대한 연료 공급량을 일정하게 한 상태하에서 엔진의 출력 토크와 주축의 회전수와의 관계를 나타내는 특성선도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태인 추진장치를 나타내는 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태인 추진장치를 나타내는 블럭도이다.

이하에서 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 선박에 추진력을 가하는 프로펠라 11이 설치된 프로펠라 축 12a는 엔진, 즉 내연기관 13의 주축 12b에 연결되어 있다. 프로펠라 축 12a와 주축 12b는 동력 전달 경로 12를 구성하고 있으며, 엔진의 실질적인 출력, 즉 출력 토크는 동력 전달 경로 12를 거쳐서 프로펠라 11에 전달된다. 동력 전달 경로 12에는 제네레이터 모터 14가 설치되어 있고, 제네레이터 모터 14는 프로펠라 11에 대하여 동력을 가하는 전동 모터로서의 기능과 내연기관 13에 의해 구동되어 발전하는 제네레이터로서의 기능을 가지고 있다.

　선박 내에 설치된 각종 선내 전기 기기 15의 전력 수요를 만족시키기 위해, 선박 내에는 발전기 16이 설치되어 있고, 발전기 16에 의해 발전된 전력은 선내 전기 기기 15로 전력선 17에 의해 보내진다. 선내 전기 기기 15는 전력이 공급되어 기능을 발휘하는 전력 피공급부가 되고 있으며, 발전기 16은 전력을 전력 피공급부로 공급하는 전력원이 되고 있다.

　제네레이터 모터 14는 주파수와 전압 변환 기능을 갖는 전력 변환 장치 18을 거쳐서 선내 전기 기기 15 및 발전기 16에 접속되어 있고, 제네레이터 모터 14를 발전기로서 가동시킴으로써 발생한 전력을 선내 전기 기기 15의 전력 수요에 공급할 수 있다. 한편, 제네레이터 모터 14를 전동 모터로서 가동시켜 프로펠라 11에 대하여 동력을 어시스트하는 경우에는, 제네레이터 모터 14에는 발전기 16으로부터 전력을 공급할 수 있다. 게다가 선박 내에는 캐패시터 19a가 탑재되어 있고, 캐패시터 19a는 충방전반(充放電盤) 19b를 거쳐서 전력선 17에 접속되어 있다. 캐패시터 19a는 충전된 전력을 제네레이터 모터 14에 공급하여 제네레이터 모터 14를 전동 모터로서 가동시킬 수 있는 동시에, 제네레이터 모터 14에 의해 발전된 전력을 충전할 수 있다. 이와 같이, 추진장치에 캐패시터 19a를 설치함으로써, 캐패시터 19a는 전력원 및 전력 피공급부를 구성하게 된다.

제네레이터 모터 14와 캐패시터 19a는 제어 수단으로서의 콘트롤러 20에 의해 제어된다. 도 1에 도시되어 있는 추진장치는 콘트롤러 20에 의해 제어되고, 제네레이터 모터 14에 대하여 발전기 16 및 캐패시터 19a 중의 어느 하나로부터도 전력을 공급할 수 있는 동시에, 제네레이터 모터 14에 의한 발전 전력을 선내 전기 기기 15 및 캐패시터 19a 중의 어느 하나에도 공급할 수 있는 형태로 되어 있다. 콘트롤러 20에는 내연기관 13의 회전수, 연료 공급량 등의 기관 구동 상황의 검출 신호가 보내지는 동시에, 내연기관 13의 구동을 제어한다.

　이와 같이, 도 1에 도시한 추진장치는 제네레이터 모터 14에 발전기 16 및 캐패시터 19a 중의 어느 하나로도 전력을 공급할 수 있는 동시에, 제네레이터 모터 14에 의해 발생한 전력을 선내 전기 기기 15 및 캐패시터 19a 중의 어느 하나에도 공급할 수 있도록 한 형태로 되어 있다. 이러한 형태에 추가하여, 제네레이터 모터 14에 발전기 16만으로부터 전력을 공급하는 형태와 제네레이터 모터 14에 캐패시터 19a만으로부터 전력을 공급하는 형태가 있다. 동일하게, 제네레이터 모터 14에 의해 발생한 전력을 선내 전기 기기 15에만 공급하는 형태와 캐패시터 19a에만 공급하는 형태가 있다.

　프로펠라 축 12a에는 스트레인 게이지 21a가 설치되어 있고, 당해 스트레인 게이지 21a로부터는 무선 신호에 의해 부하 토크 검출기 22a에 검출 신호가 송신되도록 되어 있다. 스트레인 게이지 21a는 프로펠라 축 12a에 가해지는 비틀림 응력에 대응한 검출 신호를, 예를 들면 500Hz의 주기로 부하 토크 검출기 22a에 송신한다. 주축 12b에는 스트레인 게이지 21b가 설치되어 있고, 당해 스트레인 게이지 21b로부터는 무선 신호에 의해 부하 토크 검출기 22b로 검출 신호가 송신되도록 되어 있다. 스트레인 게이지 21b는 주축 12 b에 가해지는 비틀림 응력에 응한 검출 신호를 스트레인 게이지 21a와 동일한 주기로 부하 토크 검출기 22b로 송신한다.

각각의 부하 토크 검출기 22a, 22b의 검출 신호는 신호선에 의해 콘트롤러 20로 보내지도록 되어 있으며, 검출 신호에 근거하여 프로펠라 축 12a와 주축 12b의 부하 토크를 연산할 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 동력 전달 경로 12에는 2개의 스트레인 게이지 21a, 21b가 설치되어 있지만, 어느 쪽이든 한쪽의 스트레인 게이지에 의해 선박의 항행시에 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크를 연산할 수 있다. 또한, 2개의 스트레인 게이지 21a, 21b의 검출 신호에 근거하여 얻을 수 있던 2개의 부하 토크의 값의 중간치를 부하 토크로 할 수도 있다.

　프로펠라 11이 거의 일정한 회전수로 회전하고 있던 상태하에서, 수면의 파도나 물결 등의 외란이 프로펠라 11에 가해져서 동력 전달 경로 12의 부하 토크가 변동하면, 프로펠라 축 12a와 주축 12b의 뒤틀림 응력이 변화하므로, 스트레인 게이지 21a, 21b로부터의 신호에 의해 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크를 연산할 수 있다. 다만, 부하 토크를 검출하기 위해, 스트레인 게이지 21a, 21b에 대신하여 광학식의 축 토크계(torque meter)를 이용하도록 해도 좋다.

　콘트롤러 20은 제어 신호를 연산하는 마이크로프로세서(CPU), 제어 프로그램, 연산식, 맵 데이터 등이 격납되는 ROM 및 일시적으로 데이터를 격납하는 RAM를 구비하고 있으며, 연산 수단으로서의 기능을 갖고 있다. 콘트롤러 20은 각각의 스트레인 게이지 21a, 21b로부터의 검출 신호에 근거하여 ROM에 격납된 데이터나 연산식에 의해 부하 토크를 연산한다.

콘트롤러 20에는, 주축 12b의 실제 회전수에 대응한 회전수 신호와 내연기관 13에 실제로 공급되는 연료 공급량에 대응한 공급량 신호가 보내지도록 되어 있으며, 콘트롤러 20에 보내지는 이러한 신호에 근거하여 콘트롤러 20에 의해 내연기관 13의 실질적인 출력 토크 Ta가 연산된다. 따라서, 콘트롤러 20은 내연기관 13의 출력 토크 Ta를 연산하는 기능을 갖고 있지만, 내연기관 13을 제어하는 도시하지 않은 엔진 콘트롤러로부터 출력 토크의 신호를 콘트롤러 20으로 보내도록 할 수 있다. 실질적인 출력 토크 Ta는, 실린더내의 마찰 손실 등을 공제하고 내연기관 13의 주축 12b로부터 출력되는 토크이며, 제동 토크라고도 한다. 내연기관 13의 출력 토크 Ta의 연산 방식으로서는, 축 토크계에 의해 주축 12b의 출력 토크를 요구하도록 할 수 있다.

　도 2는 물결이 발생하고 있는 수면을 선박이 항행하고 있는 상태를 나타내는 모식도이다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 수면 위를 화살표로 나타낸 방향으로 선박이 항행하고 있다고 하면, 선박은 파도를 오르는 상태 S1로부터 파도의 정점을 항행하는 상태 S2와 파도를 내려가는 상태 S3를 지날 수 있는 물결의 최하점 상태 S4에 이르게 된다. 주기적인 물결이 발생하고 있는 상태하에서 선박이 항행할 경우에는, 이러한 항행 상태가 주기적으로 반복되게 된다.

　도 3a는 파도의 발생에 의해 표준 수위에 대하여 수면이 변화하고 있는 상태를 나타내는 모식도이며, 도 3b는 파도에 의한 선속의 변화를 나타내는 모식도이며, 도 3c는 파도에 의해 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa의 변화를 나타내는 모식도이며, 도 3d는 파도에 의해 부하 토크 Qa가 변동했을 경우에 있어서의 내연기관의 회전수를 종래와 비교하여 나타낸 모식도이다.

　선박이 파도에 다다라서 파도를 오르는 상태 S1 때에는, 선체에 가해지는 항행 저항은 파도에 의해 증가하여 선속은 저하한다. 선속의 저하에 의해 프로펠라 11을 향해서 흐르는 물의 유입 속도도 저하하므로, 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa가 증가하게 된다. 부하 토크 Qa는 선속이 최저가 되는 파도의 정점을 항행하는 상태 S2 부근에서 최대가 된다. 한편, 파도의 정점을 지나면, 파도를 원인으로 하는 항행 저항은 단번에 저하되고, 중력 가속도도 가세하기 때문에 선속은 급속히 증대하며, 부하 토크 Qa는 저하하게 된다. 따라서, 선박이 항행할 때에 수면에 물결이 발생하면, 선속과 부하 토크 Qa는 도 3b 및 도 3c에 나타낸 바와 같이 변화하게 된다. 다만, 선속과 부하 토크 Qa의 변화는, 도 3b 및 도 3c에서는 단순화하여 개략적으로 나타나고 있으며, 실제의 물결의 변화에 대한 선속과 부하 토크 Qa의 위상(位相)은 도시하는 경우보다 복잡한 위상차(位相差)가 된다.

도 3c에 도시되어 있는 바와 같이, 선박에 가해지는 물결 등의 외란에 의해 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa는 변동하게 된다. 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa는 위에서 설명한 주기로 스트레인 게이지 21a, 21b로부터의 검출 신호에 근거하여 콘트롤러 20에 의해 연산된다. 콘트롤러 20은 단위시간당 부하 토크 Qa의 평균치를 변동 기준치 Qs로서 연산하여 ROM에 기억한다. 이러한 변동 기준치 Qs는 과거 몇 초로부터 몇 분 사이에 있어서의 부하 토크 Qa의 평균치에 의해 연산되어 시시각각으로 갱신된다.

　변동 기준치 Qs를 이용한 선박의 추진 제어 형태로서는, 발전 제어 모드와 어시스트 제어 모드가 있다.

　도 4는 선박의 추진장치에 있어서의 발전 제어 모드를 나타내는 타임 차트이다. 이러한 발전 제어 모드에 있어서는, 내연기관 13의 출력 토크 Ta는, 프로펠라 11을 구동하기 위한 토크와 제네레이터 모터 14에 의해 발전하기 위한 토크와의 합계의 토크로 설정된다. 선박에 가해지는 물결 등의 외란에 의해서 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa의 변동에 대응시켜 제네레이터 모터 14의 발전량 G를 변화시킴으로써, 내연기관 13의 출력 토크 Ta는 일정하게 설정된다. 이와 같이, 부하 토크 Qa의 변동을 제네레이터 모터 14의 발전량 G에 의해 상쇄함으로써, 내연기관 13의 출력 토크 Ta를 항상 일정하게 유지할 수 있다.

　부하 토크 Qa의 변동을 제네레이터 모터 14의 발전량 G에 의해 상쇄하기 위해, 부하 토크 검출기 22a로부터의 검출 신호에 근거하여 연산되는 부하 토크 Qa와 부하 토크의 변동 기준치 Qs를 비교한다. 그 결과, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 큰 경우에는 제네레이터 모터 14에 의한 발전량 G를 변동 기준치 Qs 때의 발전량보다도 감소시킨다. 이에 대하여, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다도 작은 경우에는 제네레이터 모터 14에 의한 발전량 G를 변동 기준치 Qs 때의 발전량보다도 증대시킨다.

즉, 산출된 부하 토크 Qa와 변동 기준치 Qs와의 차이, 즉 변화량을 ΔQ(Qa - Qs)로 하면, 변화량 ΔQ가 플러스(＋)라면, 증대한 부하 토크에 대응시켜 발전량을 감소시킨다. 이에 대하여, 변화량 ΔQ가 마이너스(-)라면, 감소한 부하 토크에 대응시켜 발전량을 증대시키게 된다.

　변동 기준치 Qs는, 위에서 설명한 바와 같이, 과거 몇 초로부터 몇 분 사이에 있어서의 부하 토크 Qa의 평균치에 의해 연산되어 선박의 항행시에 시시각각으로 갱신되므로, 해상(海象)에 따르는 최적 변동 기준치 Qs에 대하여 부하 토크 Qa를 비교할 수 있다. 이와 같이, 제네레이터 모터 14의 발전량에 의해 부하 토크 Qa의 변동이 흡수되므로, 내연기관 13을 항상 일정한 출력 토크 Ta로 구동시킬 수 있다.

　도 5는 선박의 추진장치에 있어서의 어시스트 제어 모드를 나타내는 타임 차트이다. 이러한 어시스트 제어 모드에 있어서는, 프로펠라 11에는 내연기관 13의 출력 토크 Ta와 전동 모터로서 기능하는 제네레이터 모터 14의 어시스트 출력 M이 전달된다. 내연기관 13의 출력 토크 Ta는, 프로펠라 11을 구동하기 위해서 필요한 토크보다 적은 일정한 값으로 설정되어 있다. 선박에 가해지는 물결 등의 외란에 의해서 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa가 변동하면, 이러한 변동에 대응시켜 제네레이터 모터 14의 어시스트 출력 M을 변화시킴으로써, 내연기관 13의 출력 토크 Ta는 일정하게 설정된다. 이와 같이, 부하 토크 Qa의 변동을 제네레이터 모터 14의 어시스트 출력 M에 의해 상쇄함으로써, 내연기관 13의 출력 토크 Ta를 항상 일정하게 유지할 수 있다.

　부하 토크 Qa의 변동을 제네레이터 모터 14의 어시스트 출력 M에 의해 상쇄하기 위해서, 부하 토크 검출기 22a로부터의 검출 신호에 근거하여 연산되는 부하 토크 Qa와 부하 토크의 변동 기준치 Qs를 비교한다. 그 결과, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다도 큰 경우에는 제네레이터 모터 14에 의한 어시스트 출력 M을 변동 기준치 Qs 때의 어시스트 출력 M보다도 증대시킨다. 이에 대하여, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 작은 경우에는 제네레이터 모터 14에 의한 어시스트 출력 M을 변동 기준치 Qs 때의 어시스트 출력보다도 감소시킨다.

즉, 산출된 부하 토크 Qa와 변동 기준치 Qs와의 차이인 변화량을 ΔQ(Qa - Qs)로 하면, ΔQ가 플러스(＋)라면, 증대한 부하 토크에 대응시켜 어시스트 출력을 증대시킨다. 이것에 대하여, ΔQ가 마이너스(-)라면, 감소한 부하 토크에 대응시켜 어시스트 출력을 감소시키게 된다. 이와 같이, 제네레이터 모터 14의 어시스트 출력에 의해 부하 토크 Qa의 변동이 흡수되므로, 내연기관 13을 항상 일정한 출력 토크 Ta로 구동시킬 수 있다.

　도 1에 나타낸 바와 같이, 제네레이터 모터 14를 갖는 추진장치에 있어서는, 변동 기준치 Qs에 대한 부하 토크 Qa의 변화량에 대응한 제어 형태로서 발전 제어 모드와 어시스트 제어 모드 중의 어느 하나에, 항행 상황에 따라 자동적으로 바꾸도록 하는 자동 변동 제어 모드가 있다. 이러한 경우에는, 예를 들면, 설정 선속을 얻기 위한 필요 추진력과 주기 출력(主機出力), 즉 내연기관 출력과의 관계, 또는 선내의 전력 수요와 공급과의 관계, 또는 캐패시터 19a의 충전 용량, 즉 잔존 용량의 관계에 따라 도 4에 나타내는 발전 제어 모드 및 도 5에 나타내는 어시스트 제어 모드 중의 어느 하나로 자동적으로 변환된다. 또 다른 제어 형태로서는, 승무원의 조작에 의해 발전 제어 모드 및 어시스트 제어 모드 중의 어느 하나로 변환되도록 하는 방식이 있다. 이러한 경우에는, 콘트롤러 20에는 제어 모드를 입력하는 수동 조작 스윗치가 접속되어 수동 조작 스윗치의 조작 신호가 콘트롤러 20으로 보내진다.

　위에서 설명한 바와 같이, 항행시의 부하 토크 Qa를 구하고, 이로부터도 전의 부하 토크 Qa에 의해 구할 수 있는 변동 기준치 Qs와 부하 토크 Qa를 비교하면, 부하 토크 Qa의 변화량을 구할 수 있다. 변화량은 상대적인 값이며 오차를 포함하지 않기 때문에, 변화량 ΔQ에 근거하여 추진장치를 제어하면, 부하 토크 Qa에 근거하여 제어를 고정밀도로 실시할 수 있다.

　도 6은 선박의 추진장치에 있어서의 또 다른 제어 형태로서의 자동 전환 제어 모드를 나타내는 타임 차트이다.

이러한 자동 전환 제어 모드에 있어서는, 부하 토크 Qa와 변동 기준치 Qs를 비교하여, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다도 큰 경우에는 전력원으로서의 캐패시터 19a로부터의 전력에 의해 제네레이터 모터 14를 가동시켜 프로펠라 11에 동력을 어시스트하고, 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다도 작은 경우에는 제네레이터 모터 14를 내연기관 13에 의해 가동시켜 전력 피공급부로서의 캐패시터 19a에 전력을 공급한다. 도 6에 있어서는, 어시스트된 모터 토크는 빗금을 그어서 나타내고 있으며, 발전을 위해서 내연기관 13에 의해 제네레이터 모터 14에 가해진 발전 토크는 점을 붙여서 나타내고 있다.

　이러한 자동 전환 제어 모드에 있어서는, 내연기관 13의 출력 토크 Ta가 변동 기준치 Qs에 근거하여 이에 가까운 값으로 설정된다. 변동 기준치 Qs는 위에서 설명한 바와 같이 과거 몇 초로부터 몇 분 사이에 있어서의 부하 토크 Qa의 평균치에 의해 연산되며, 출력 토크 Ta는 이에 대체로 가까운 값으로 설정되게 된다.파도나 조류(潮流) 등의 선박에 가해지는 외란에 의해 변동 기준치 Qs와 출력 토크 Ta와의 차이가 한계치보다도 커졌을 때에는, 변동 기준치 Qs에 가까운 값으로 출력 토크 Ta가 조정된다. 한계치의 산출 주기를 변동 기준치 Qs의 산출 주기보다도 길게 함으로써, 출력 토크 Ta를 빈번히 변화시키는 것이 방지된다. 이와 같이, 출력 토크 Ta를 변동 기준치 Qs에 접근하도록 제어하면, 충전과 방전과의 치우침에 기인하여 캐패시터 용량이 부족한 것을 방지할 수 있다.

　따라서, 단기적인 주기로 변동하는 파도나 물결 등의 외란이 발생하고 있는 수면 위를 선박이 항행할 때, 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크 Qa가 변동 기준치 Qs보다 증가하면, 제네레이터 모터 14에 의해 프로펠라 축 12a에는 구동 토크가 어시스트되므로, 내연기관 13에 대하여 공급되는 연료를 증가시키는 일 없이, 즉 내연기관 13의 출력 토크 Ta를 증가시키는 일 없이 선박을 항행시킬 수 있다. 한편, 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크가 변동 기준치 Qs보다 감소하면, 제네레이터 모터 14가 내연기관 13에 의해 구동되어 내연기관 13의 출력 토크는 발전 에너지로서 사용되므로, 내연기관 13에 대하여 공급되는 연료를 감소시켜 내연기관 13의 목표 출력 토크를 저하시키는 일 없이 선박을 항행시킬 수 있다.

위에서 설명한 각각의 제어 모드에 의해 추진장치를 제어하면, 물결이나 파도가 발생하고 있는 수면 위에 있어서 내연기관 13에 대하여 일정량의 연료를 공급한 상태로 하고, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 내연기관 13의 회전수를 변화시키는 일 없이, 내연기관의 출력 토크를 일정하게 유지하여 선박을 항행시킬 수 있다. 즉, 출력 토크를 일정하게 하는 항행이 가능해진다. 이와 같이, 주기적으로 부하 토크가 가해져도 내연기관 13의 출력 토크를 일정하게 유지할 수 있으므로, 내연기관 13의 회전수를 주기적으로 변화시키도록 구동하는 경우에 비교하여 연비를 향상시킬 수 있다.

　도 7은 내연기관 13에 대한 연료 공급량을 일정하게 한 상태하에서 내연기관 13의 출력 토크와 주축 12b의 회전수와의 관계를 나타내는 특성선도이다. 당해 특성선도는 내연기관 13으로서 사용되는 디젤 엔진의 특성을 나타내고 있으며, 내연기관 13은, 공급 연료가 일정한 상태하에서는, 출력 토크와 회전수와의 관계는, 도 5에 나타낸 바와 같은 특성을 갖고 있다. 도 7에 있어서, 부호 a로부터 부호 e는 각각 연료 공급량을 나타내고 있고, 부호 a로부터 부호 e로의 방향에 따라서 연료 공급량은 적은 상태를 나타낸다. 디젤 엔진은, 회전수가 높아지면 출력 토크가 증가하고, 최대 출력 토크, 즉 최대 마력이 되는 소정의 회전수 P보다 회전수가 높아지면, 출력 토크는 하향 구배(downward-sloping)로 되는 출력 특성을 갖고 있다. 선박의 정상 항행시에는, 주축 12b는 회전수가 하향 구배의 영역에서 구동된다.

　예를 들면, 도 7에 있어서 A점의 상태에서 선박이 항행하고 있을 때, 종래에는 물결이나 파도에 의해 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크가 증가하면, 주축 12b의 회전수가 저하하게 되므로, 내연기관 13으로의 연료 공급량을 높일 수 있고, 부하 토크의 증가에 알맞도록 출력 토크를 높일 수 있다. 한편, 부하 토크가 감소하면, 회전수가 증가하게 되므로, 연료 공급량이 저하되고, 부하 토크의 감소에 알맞도록 출력 토크가 저하된다.

따라서, 종래 기술처럼 단기적인 외란에 대하여 연료 공급량을 제어하도록 하면, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 엔진 회전수가 빈번히 변화하게 되어, 연비를 악화시키게 된다. 게다가, 연료 공급량을 제어하면, 제어가 완료하기까지, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 타임 러그 T가 있으므로, 단기적인 외란에 대응시켜 안정적으로 주축 12b의 회전수를 제어할 수 없다. 이에 대하여, 본 발명에 있어서는, 단기적인 외란에 대하여 제네레이터 모터 14를 가동시킴으로써 주축 12b의 회전수를 외란의 하에서도, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 일정하게 유지할 수 있다.

　도 1에 나타낸 바와 같이, 동력 전달 경로 12에는 전동 모터의 기능과 제네레이터의 기능을 갖는 제네레이터 모터 14를 설치하고 있지만, 전동 모터와 제네레이터를 동력 전달 경로에 각각 설치하도록 할 수도 있다. 다만, 도 1에 나타낸 바 같이, 제네레이터 모터 14를 동력 전달 경로 12에 배치하도록 하면, 추진장치를 소형화할 수 있다. 동력 전달 경로 12에 전동 모터만을 설치하도록 하면, 부하 토크가 증가했을 경우에는 프로펠라 축 12a에는 모터 동력이 어시스트되게 된다. 이러한 경우에는 도 5에 나타낸 어시스트 제어 모드로 전동 모터의 어시스트 출력 M가 제어된다. 한편, 동력 전달 경로 12에 제네레이터만을 설치하도록 하면, 부하 토크가 저하했을 경우에는 제네레이터에 의해 발전이 수행된다. 이러한 경우에는 도 4에 나타낸 발전 제어 모드로 제네레이터의 발전량 G가 제어된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시형태인 선박의 추진장치를 나타내는 블럭도이다. 당해 추진장치는, 도 1에 도시한 추진장치의 동력 전달 경로 12가 일렬로 된 1축 타입인데 대하여, 동력 전달 경로 12에 기어 박스 25가 설치된 기어 박스 타입으로 되어 있다. 내연기관 13의 주축 12b는 기어 박스 25를 거쳐서 프로펠라 축 12a에 연결되며, 제네레이터 모터 14의 주축 14a도 기어 박스 25를 거쳐서 프로펠라 축 12a에 연결되어 있다. 이러한 경우에는, 기어 박스 25 안에 역전기구를 편입시킴으로써, 내연기관 13의 주축 12b와 제네레이터 모터 14의 주축 14a의 회전을 역전시켜 프로펠라 축 12a로 전달할 수 있다. 기어 박스 25에는 유성 치차 기구가 편입되어 있으며, 입력측으로 되는 1개의 입력 동력을 출력측으로 되는 다른 쪽의 2개의 축으로 분력(分力)하여 출력하거나, 입력측으로 되는 2개의 입력 동력을 1개의 출력측의 축으로 합력(合力)하여 출력하는 기능을 가지고 있다.

　도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태인 선박의 추진장치를 나타내는 블럭도이다. 당해 추진장치는, 도 1에 도시한 추진장치에 있어서의 발전기 16에 추가하여 폐열 회수장치 26이 전력 공급원으로서 설치되어 있다. 폐열 회수장치 26은 내연기관 13으로부터 배출되는 배기 가스의 에너지를 이용하여 전력을 발생하는 기능을 가지고 있으며, 폐열 회수장치 26에 의해 이용되어 저압 저온으로 된 배기 가스는 외부로 배출된다.

폐열 회수장치 26으로서는, 배기 가스의 유속, 압력 에너지에 의해 터빈을 회전시켜 발전하는 타입과 배기 가스의 열 에너지에 의해 보일러를 가열하고, 보일러에 의해 수득된 증기에 의해 증기 터빈을 구동하여 발전하는 타입이 있다. 이와 같이, 내연기관 13의 배기 가스의 에너지를 전력 공급원으로서 이용함으로써, 내연기관의 연비를 보다 향상시킬 수 있다.

도 9에 나타낸 추진장치는, 프로펠라 축 12a의 회전수 Na를 검출하기 위한 회전수 검출기 27a와 주축 12b의 회전수 Nb를 검출하기 위한 회전수 검출기 27b를 갖고 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 내연기관 13의 출력 토크 Ta는 동력 전달 경로 12의 회전수와 대응 관계가 있으며, 동력 전달 경로 12의 회전수의 변화량을 검출함으로써 프로펠라 11에 가해지는 부하 토크의 변화량을 구할 수 있다. 이와 같이, 동력 전달 경로 12의 회전수의 변화량을 구하는 것은, 동력 전달 경로 12의 부하 토크의 변화량을 구하는 것을 의미하게 된다. 따라서, 회전수에 근거하여 추진 제어를 실시하는 경우에는, 프로펠라 축 12a의 회전수가 떨어지면, 발전량을 저감할 것인지, 제네레이터 모터 14의 어시스트 토크를 증가시킬 것인지, 또는 모터 모드로 바꿀 것인지의 어느 하나가 설정된다. 한편, 회전수가 올라가면, 발전량을 증가시킬 것인지, 제네레이터 모터 14의 어시스트 토크를 저감시킬 것인지, 또는 발전 모드로 바꿀 것인지의 어느 하나가 설정된다. 다만, 부하 토크에 대응한 연료 공급량과 프로펠라 11의 회전수의 맵 데이터를 ROM에 격납하도록 하고, 콘트롤러 20으로 보내지는 회전수 검출기 27a, 27b로부터의 검출 신호에 의해 부하 토크 Qa, Qb에 대응한 프로펠라 축 12a와 주축 12b의 회전수의 변동치에 근거하여, 회전수가 변동 기준치 Qs로 되도록, 발전 제어 모드와 어시스트 제어 모드의 제어를 실시하도록 할 수 있다.

　도 1 및 도 8에 나타낸 추진장치에 있어서도, 부하 토크 검출기 22a, 22b에 대신에 회전수 검출기 27a, 27b를 사용하도록 할 수 있다. 도 9는, 도 1과 동일한 1축 타입의 추진장치를 나타내지만, 도 8과 동일한 기어 박스를 갖는 타입으로 할 수 있다.

　본 발명은 위의 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 이의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능하다.

11　　　프로펠라
12　　　동력 전달 경로
12a　　 프로펠라 축
12b　　 주축
13　　　내연기관
14　　　제네레이터 모터
15　　　선내 전기 기기
16　　　발전기
17　　　전력선
18　　　전력 변환 장치
19a　　 캐패시터
19b　　 충방전반
20　　　콘트롤러(제어 수단, 연산 수단)
21a, 21b　　　스트레인 게이지
22a, 22b　　　부하 토크 검출기
25　　　기어 박스
26　　　폐열 회수장치
27a, 27b　　　회전수 검출기

Claims

선박에 추진력을 가하는 프로펠라와 내연기관의 주축을 연결하는 동력 전달 경로를 갖는 선박의 추진장치로서,
동력 전달 경로에 설치되며 내연기관에 의해 구동되어 전력을 발생하는 제네레이터,
제네레이터에 의해 발생된 전력이 공급되는 전력 피공급부,
동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크를 연산하는 부하 토크 연산 수단 및
부하 토크 연산 수단에 의해 연산된 부하 토크와 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크의 변동 기준치를 비교하여, 부하 토크가 변동 기준치보다 큰 경우에는 제네레이터에 의한 발전량을 감소시키고, 부하 토크가 변동 기준치보다 작은 경우에는 제네레이터에 의한 발전량을 증가시키는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 선박의 추진장치.
선박에 추진력을 가하는 프로펠라와 내연기관의 주축을 연결하는 동력 전달 경로를 갖는 선박의 추진장치로서,
동력 전달 경로에 설치되어 프로펠라에 동력을 어시스트하는 전동 모터,
전동 모터에 전력을 공급하는 전력원,
동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크를 연산하는 부하 토크 연산 수단 및
부하 토크 연산 수단에 의해 연산된 부하 토크와 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크의 변동 기준치를 비교하여, 부하 토크가 변동 기준치보다 큰 경우에는 전동 모터의 어시스트 출력을 증가시키고, 부하 토크가 변동 기준치보다 작은 경우에는 전동 모터의 어시스트 출력을 감소시키는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 선박의 추진장치.
선박에 추진력을 가하는 프로펠라와 내연기관의 주축을 연결하는 동력 전달 경로를 갖는 선박의 추진장치로서,
동력 전달 경로에 설치되며 내연기관에 의해 구동되어 전력을 발생하는 한편, 프로펠라에 동력을 어시스트하는 제네레이터 모터,
제네레이터 모터에 의해 발생된 전력이 공급되는 전력 피공급부,
제네레이터 모터에 전력을 공급하는 전력원,
동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크를 연산하는 부하 토크 연산 수단 및
부하 토크 연산 수단에 의해 연산된 부하 토크와 동력 전달 경로에 가해지는 부하 토크의 변동 기준치를 비교하여, 부하 토크가 변동 기준치보다 큰 경우에는 전력원으로부터의 전력에 의해 제네레이터 모터를 가동시켜 프로펠라에 동력을 어시스트하고, 부하 토크가 변동 기준치보다 작은 경우에는 제네레이터 모터를 내연기관에 의해 가동시켜 전력 피공급부에 전력을 공급하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 선박의 추진장치.
청구항 1항 내지 3항 중의 어느 한 항에 기재한 선박의 추진장치에 있어서, 부하 토크의 산출치를 동력 전달 경로의 스트레인 양에 근거하여 연산하거나, 또는 동력 전달 경로의 회전수에 근거하여 연산하는 것을 특징으로 하는 선박의 추진장치.