(57)【要約】【課題】船舶のプロペラに波やうねり等の短期的な外乱が加わったときに内燃機関に負荷変動が伝達されて回転数が変動することを防止し、回転数安定化により内燃機関の燃費を向上することにある。【解決手段】内燃機関１３への燃料供給量を調節するコントローラ１５は、内燃機関１３における燃料供給量一定のもとでの出力トルクと回転数とに応じた内燃機関特性データを格納する内燃機関特性データ格納部２２を有している。この内燃機関特性データに基づいて、内燃機関１３の設定回転数のもとで、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクに釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量が演算され、内燃機関１３への燃料供給量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶に推進力を与えるプロペラのプロペラ軸に連結されて当該プロペラ軸に動力を加える内燃機関への燃料供給量を調節する船舶の燃料調節装置であって、
前記プロペラ軸に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、
前記内燃機関の設定回転数を設定する回転数設定手段と、
前記内燃機関における燃料供給量一定のもとでの回転数と出力との内燃機関特性データを格納する内燃機関特性データ格納手段と、
前記内燃機関特性データに基づいて、前記設定回転数のもとで前記負荷に釣り合う出力となるような適正燃料供給量を演算し、前記内燃機関に供給量信号を送る燃料供給量制御手段とを有することを特徴とする船舶の燃料調節装置。
【請求項２】
請求項１記載の船舶の燃料調節装置において、
前記負荷検出手段として、前記プロペラ軸に加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段を有し、
前記燃料供給量制御手段により、前記内燃機関特性データに基づいて、前記設定回転数のもとで前記負荷トルクに釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量を演算することを特徴とする船舶の燃料調節装置。
【請求項３】
請求項１記載の船舶の燃料調節装置において、
前記負荷検出手段として、前記プロペラ軸に加わるスラストを検出するスラスト検出手段と、
前記プロペラ軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記スラストと前記回転数とからスラスト係数を算出するスラスト係数算出手段と、
前記プロペラへの流入速度と前記回転数とにより求められる前進係数に対するスラスト係数特性データを格納するスラスト係数特性データ格納手段と、
前記スラスト係数特性データに基づいて、前記スラスト係数から前進係数を算出する前進係数算出手段と、
前進係数に対するトルク係数特性データを格納するトルク係数特性データ格納手段と、
前記トルク係数特性データに基づいて、前記前進係数からトルク係数を算出するトルク係数算出手段と、
前記トルク係数と前記回転数とから前記プロペラ軸に加わる負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段とを有し、
前記燃料供給量制御手段により、前記内燃機関特性データに基づいて、前記設定回転数のもとで前記負荷トルクに釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量を演算することを特徴とする船舶の燃料調節装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶の燃料調節装置において、前記負荷検出手段により検出された負荷を前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化し、前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化された負荷を用いて前記適正燃料供給量を演算することを特徴とする船舶の燃料調節装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の船舶の燃料調節装置において、前記内燃機関の回転数と前記設定回転数との偏差から適正燃料供給量を演算し、前記内燃機関に供給量信号を送るガバナーを備えていることを特徴とする船舶の燃料調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶航行時における水面の波等の外乱による負荷変動に応じて内燃機関への燃料供給量を調節する船舶の燃料調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
貨物船や商船などの船舶が海洋を航行する場合のような船舶の定常航行時には、船速が概ね一定となるように内燃機関の回転数を制御している。このとき、内燃機関の主軸が同じ回転数であっても、海象によりプロペラのスリップ量が異なり常に同じ船速とはならないため、船舶が目標船速となるように、乗員により操作装置が操作されて海象に応じて内燃機関の回転数が設定される。
【０００３】
船舶の航行時には潮流、風圧、波浪およびうねり等の外乱が船舶に加わることとなり、外乱によってプロペラ軸に加わる負荷が増加したり減少したりする。プロペラ軸に加わる負荷が頻繁に変動すると、内燃機関の回転数が頻繁に変化することになる。そのため、船舶の航行抵抗に応じて内燃機関に供給される燃料を調節することにより内燃機関の回転数を一定に保つ必要があり、船舶には燃料調節装置つまりガバナーが設けられている（例えば、特許文献１、２参照）。ガバナーは常時内燃機関の回転数を検出し、設定された回転数との偏差を演算して内燃機関の回転数が設定回転数となるように燃料供給量を調節する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２７９７３８号公報
【特許文献２】特開平８−２００１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ガバナーによる制御のパラメータとして用いられる内燃機関の回転数は、内燃機関から出力される出力トルクとプロペラ軸に加わる負荷トルクとの大小関係により決定付けられるものであり、出力トルクと負荷トルクとの釣り合いが崩れて内燃機関の回転数が変化するまでには一定の時間を要する。この理由は、舶用の内燃機関は自重のみならず主軸に連結されているフライホイールやプロペラの質量も極めて大きいので、これらの慣性力が大きいためである。つまり、ガバナーはタイムラグのある内燃機関の回転数を監視しているので、回転数変化の兆候が見られた時点では、負荷トルクはその変化が経過して既に異なった状態となっている可能性がある。また、ガバナーの制御頻度は２０Ｈｚ程度であるが、上記と同様の理由から、内燃機関の回転数変化を検出後に、燃料供給量を調節してから内燃機関の回転数が変化するまでには数秒から１０数秒のタイムラグが生じ、その影響は次の制御の入力信号に及ぶこととなる。このため、ガバナーの特性では時々刻々と変化する短期的な外乱に対しての燃料供給量の調節は難しく、短期的な外乱により内燃機関の主軸回転数が変化した場合には、ガバナーの制御頻度が高いにも拘わらず、外乱に対応させて主軸回転数を安定的に制御することが難しい。
【０００６】
このように、ガバナーは、潮流や風圧のように数時間程度の周期で変化する中長期的な外乱に対する回転数の制御には寄与しているが、波浪やうねりのように数秒から１０数秒の周期で変化する短期的な外乱に対する回転数制御には不安定要因となっていると考えられる。最近の実船計測結果では、ガバナーの制御頻度を低くすることにより省エネ効果が認められているほどであり、既存のガバナーによる制御において避けることのできない回転数変動により燃料消費率悪化が生じていることが確かめられている。
【０００７】
したがって、従来の船舶の燃料調節装置では、中長期的な外乱に対してはガバナーにより内燃機関への燃料供給量を調節することでプロペラの負荷変動に対して内燃機関の出力トルクを制御することができるが、船舶に短期的な外乱が加わった場合には、ガバナーによって内燃機関に加わる負荷を制御することが難しい。
【０００８】
本発明の目的は、船舶のプロペラに波やうねり等の短期的な外乱が加わったときに内燃機関に負荷変動が伝達されて回転数が変動することを防止し、回転数安定化により内燃機関の燃費を向上することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、プロペラへの負荷変動を回転数変動が生ずる前の時点で捉え、速やかに適切な制御を行うことで、回転数制御の精度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の船舶の燃料調節装置は、船舶に推進力を与えるプロペラのプロペラ軸に連結されて当該プロペラ軸に動力を加える内燃機関への燃料供給量を調節する船舶の燃料調節装置であって、前記プロペラ軸に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、前記内燃機関の設定回転数を設定する回転数設定手段と、前記内燃機関における燃料供給量一定のもとでの回転数と出力との内燃機関特性データを格納する内燃機関特性データ格納手段と、前記内燃機関特性データに基づいて、前記設定回転数のもとで前記負荷に釣り合う出力となるような適正燃料供給量を演算し、前記内燃機関に供給量信号を送る燃料供給量制御手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の船舶の燃料調節装置は、前記負荷検出手段として、前記プロペラ軸に加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段を有し、前記燃料供給量制御手段により、前記内燃機関特性データに基づいて、前記設定回転数のもとで前記負荷トルクに釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量を演算することを特徴とする。
【００１２】
本発明の船舶の燃料調節装置は、前記負荷検出手段として、前記プロペラ軸に加わるスラストを検出するスラスト検出手段と、前記プロペラ軸の回転数を検出する回転数検出手段と、前記スラストと前記回転数とからスラスト係数を算出するスラスト係数算出手段と、前記プロペラへの流入速度と前記回転数とにより求められる前進係数に対するスラスト係数特性データを格納するスラスト係数特性データ格納手段と、前記スラスト係数特性データに基づいて、前記スラスト係数から前進係数を算出する前進係数算出手段と、前進係数に対するトルク係数特性データを格納するトルク係数特性データ格納手段と、前記トルク係数特性データに基づいて、前記前進係数からトルク係数を算出するトルク係数算出手段と、前記トルク係数と前記回転数とから前記プロペラ軸に加わる負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段とを有し、前記燃料供給量制御手段により、前記内燃機関特性データに基づいて、前記設定回転数のもとで前記負荷トルクに釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量を演算することを特徴とする。
【００１３】
本発明の船舶の燃料調節装置は、前記負荷検出手段により検出された負荷を前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化し、前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化された負荷を用いて前記適正燃料供給量を演算することを特徴とする。
【００１４】
本発明の船舶の燃料調節装置は、前記内燃機関の回転数と前記設定回転数との偏差から適正燃料供給量を演算し、前記内燃機関に供給量信号を送るガバナーを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、設定回転数のもとでプロペラ軸に加わる負荷に釣り合う出力となるように、内燃機関への燃料供給量を調節するようにしたので、波やうねり等の短期的な外乱が発生している水面を航行する場合においても、負荷と出力との釣り合いが保たれ、内燃機関にプロペラ軸に加わる負荷変動が伝達されて内燃機関の回転数が変動するのを防止することができる。つまり、内燃機関の回転数を設定回転数に維持した状態での航行が可能となるので、内燃機関の回転数が周期的に変動する場合に比して燃費を向上させることができる。また、内燃機関の回転数が変動する前の時点でプロペラ軸の加わる負荷の変動を捉え、内燃機関の回転数が変動する前に燃料供給量を制御しているので、回転数制御の精度を高めることが可能となる。プロペラ軸に加わる負荷トルクは、トルク検出手段により直接検出する方式と、スラスト検出手段により検出されたプロペラ軸に加わるスラストおよびプロペラ軸の回転数から算出する方式とがある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態である船舶の燃料調節装置を示すブロック図である。
【図２】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の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。
【図３】図１に示す船舶の燃料調節装置による燃料供給量制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】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５】（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への燃料供給量を従来と比較して示す模式図であり、（Ｅ）は波により負荷トルクが変動した場合におけるエンジン回転数を従来と比較して示す模式図である。
【図６】本発明の他の実施形態である船舶の燃料調節装置を示すブロック図である。
【図７】プロペラの前進係数とスラスト係数との関係を示すスラスト係数特性を示す特性線図である。
【図８】プロペラの前進係数とトルク係数との関係を示すトルク係数特性を示す特性線図である。
【図９】図６に示す船舶の燃料調節装置による燃料供給量制御の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態である船舶の燃料調節装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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１２は、エンジンつまり内燃機関１３の主軸に連結されており、プロペラ１１にはプロペラ軸１２を介して内燃機関１３の出力トルクが伝達される。この内燃機関１３の出力トルクつまり正味出力は、シリンダ内の摩擦損失等を差し引いて内燃機関１３の主軸から出力されるトルクであり、制動トルクとも言われる。ただし、プロペラ軸１２と内燃機関１３の主軸とを減速ギアを介して連結するタイプもある。
【００１８】
内燃機関１３の主軸の回転数を設定するために、回転数設定手段としての操作装置１４には操作ハンドル１４ａが設けられており、乗員が操作ハンドル１４ａを操作することにより入力された内燃機関１３の設定回転数の指令信号Ｓ１がコントローラ１５に送られるようになっている。
【００１９】
船舶の航行時にプロペラ軸１２に加わる負荷トルクおよびプロペラ軸１２の回転数を検出するために、プロペラ軸１２には負荷トルク検出手段および回転数検出手段としての軸トルク計１６が設けられている。プロペラ軸１２に加わる回転方向の負荷トルクは、プロペラ軸１２に装着された歪みゲージ１７により検出され、歪みゲージ１７からは無線信号により軸トルク計１６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１７は、プロペラ軸１２に加わるねじれ応力に応じた検出信号を、例えば５００Hzの周期で軸トルク計１６に送信する。プロペラ軸１２がほぼ一定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に加わって負荷トルクが変動すると、プロペラ軸１２のねじれ応力が変化するので、歪みゲージ１７からの信号によりプロペラ軸１２に加わる負荷トルクを検出することができる。ただし、負荷トルクを検出するために、歪みゲージ１７に代えて光学式の軸トルク計を用いるようにしてもよい。
【００２０】
プロペラ軸１２の回転数は、プロペラ軸１２の円周方向にスポット的に１つ設けられた反射部材１８に対して軸トルク計１６に設けられた発光素子から光を照射し、反射部材１８からの反射光を軸トルク計１６に設けられた受光素子により検出することによって検出される。ただし、軸トルク計１６にプロペラ軸１２と平行に光を照射する発光素子と受光を検出する受光素子とを設け、その光線をある回転角度において遮る遮光突起あるいは、光を通す穴状の機構を軸周りに設けることにより回転数を検出するようにした装置でもよい。また、内燃機関１３の主軸の回転数を検出することによってプロペラ軸１２の回転数を検出するようにしてもよい。
【００２１】
軸トルク計１６からは、歪みゲージ１７からの負荷トルクに対応したトルク信号と受光素子からの回転数信号とを含む信号Ｓ２がコントローラ１５に送られる。コントローラ１５は、回転数信号をトリガーとしてプロペラ軸１２の１回転周期毎にトルク値を平均化してピーク値をキャンセルするフィルタ部２０を有しており、フィルタ部２０によりプロペラ軸１２の１回転毎に平均化された負荷トルクのトルク信号Ｓ３が燃料供給量演算部２１に送られる。また、燃料供給量演算部２１には、操作装置１４により設定された内燃機関１３の設定回転数の指令信号Ｓ１が送られる。
【００２２】
コントローラ１５には、内燃機関１３における燃料供給量一定のもとでの出力トルクと回転数とに応じた内燃機関特性データを格納する内燃機関特性データ格納部２２が設けられている。この内燃機関特性データに基づいて、燃料供給量演算部２１では、指令信号Ｓ１からの設定回転数のもとで、トルク信号Ｓ３からのプロペラ軸１２に加わる負荷トルクと釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量が演算される。内燃機関１３には、燃料供給量演算部２１から適正燃料供給量に応じた供給量信号Ｓ４が送られ、内燃機関１３の主軸の回転数が設定回転数となるように内燃機関１３への燃料供給量が制御される。
【００２３】
コントローラ１５は、操作装置１４および軸トルク計１６からの信号に基づいて演算処理を行うマイクロプロセッサ（CPU）と、演算プログラム、マップデータおよび演算式等を格納するメモリ（ROM）と、一時的にデータを格納するメモリ（RAM）等を有している。コントローラ１５はその機能構成として捉えると、図１に示すように、フィルタ部２０、燃料供給量演算部２１および内燃機関特性データ格納部２２を有しており、燃料供給量演算部２１により内燃機関１３への燃料供給量を制御するための燃料供給量制御手段が構成されている。
【００２４】
図２は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の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。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出力トルクと回転数との関係に図２に示すような特性を有している。図２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。供給燃料一定のもとで出力トルクが右下がりとなる領域では、例えば、動作点Ａから一時的に回転数が減少したとしても、出力トルクの増加によりやがて回転数は増加して動作点Ａにもどることになり、動作点Ａから一時的に回転数が増加したとしても、出力トルクの減少によりやがて回転数は減少して動作点Ａにもどることになり、安定した出力特性を得られるため、船舶の定常航行時には、内燃機関１３は出力トルクが右下がりとなる領域で駆動される。内燃機関特性データ格納部２２には、図２に示す特性線図において、演算すべき全ての燃料供給量についての出力トルクと回転数との関係が、マップデータまたは演算式の形態で内燃機関特性データとして格納されている。
【００２５】
例えば、図２において、内燃機関１３が設定回転数ｎtに設定されているときに、波やうねりによりプロペラ軸１２に負荷トルクＱ1が加わると、特性データ格納部２２に格納された内燃機関特性データに基づいて、設定回転数ｎtのもとで内燃機関１３の出力トルクがプロペラ軸１２に加わる負荷トルクＱ1に釣り合うように、符号ｂで示す適正燃料供給量が演算される。内燃機関１３には、この適正燃料供給量に応じた燃料が供給され、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクＱ1に釣り合う出力トルクが主軸からプロペラ軸１２に伝達されて、内燃機関１３の回転数が設定回転数ｎtとなるように制御される。
【００２６】
図３は図１に示す船舶の燃料調節装置による燃料供給量制御の手順を示すフローチャートである。船舶の航行時には、軸トルク計１６によりプロペラ軸１２に加わる負荷トルクとプロペラ軸１２の回転数とが検出され（ステップＳ１）、それぞれに対応した信号がフィルタ部２０に送られる。負荷トルクの信号は、例えば５００Hzの周期でフィルタ部２０に送られ、回転数の信号は、例えばプロペラ軸１２が１２０rpmで回転していれば、０．５秒毎にフィルタ部２０に送られる。フィルタ部２０は回転数の信号をトリガーとしてプロペラ軸１２の１回転毎に、プロペラ軸１２が１回転するまでに軸トルク計１６から送られた全ての負荷トルクを平均化して、プロペラ軸１２の１回転毎の負荷トルクを算出する（ステップＳ２）。内燃機関１３はピストン毎の燃焼時の衝撃やプロペラ毎の流体変動によりプロペラ軸１２が振動するので、負荷トルクはプロペラ軸１２が１回転する間に変動することとなるが、これらに起因したピーク値をプロペラ軸１２の１回転周期毎の負荷トルクを平均化することによってキャンセルすることができる。これにより、波浪等を原因とする周期で迅速に流場変動を捉えることができる。
【００２７】
操作装置１４からは設定回転数に対応する指令信号がコントローラ１５に送られており、燃料供給量演算部２１は、ステップＳ３において内燃機関１３の設定回転数を読み込んで、適正燃料供給量を演算する（ステップＳ４）。適正燃料供給量は、上述のようにプロペラ軸１２の１回転毎の負荷トルクと内燃機関１３の設定回転数とにより、内燃機関特性データ格納部２２に格納された内燃機関特性データを読み出すことによって演算される。この適正燃料供給量に基づいて内燃機関１３へ供給量信号が送られ、内燃機関１３への燃料供給量が制御される（ステップＳ５）。
【００２８】
図４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４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。
【００２９】
図５（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５（Ｂ）は波による船速の変化を示す模式図であり、図５（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、図５（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への燃料供給量を従来と比較して示す模式図であり、図５（Ｅ）は波により負荷トルクが変動した場合におけるエンジン回転数を従来と比較して示す模式図である。
【００３０】
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を介してプロペラ軸１２に加わる負荷トルクが増加することとなる。負荷トルク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、船速と負荷トルクは図５（Ｂ），（Ｃ）に示すように変化することになる。ただし、船速と負荷トルクの変化は、図５（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の位相は図示する場合よりも複雑な位相差となる。
【００３１】
プロペラ軸１２に加わる負荷トルクの変動が軸トルク計１６により検出されると、その信号がコントローラ１５に送られて、設定回転数のもとで内燃機関１３の出力トルクが負荷トルクに釣り合うような適正燃料供給量が演算され、内燃機関１３への燃料供給量が制御される。したがって、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクが増加すると内燃機関１３への燃料供給量が増加し、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクが減少すると内燃機関１３への燃料供給量が減少し、内燃機関１３への燃料供給量は図５（Ｄ）に示すように変化することになる。これにより、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクと内燃機関１３の出力トルクとの釣り合いが崩れることにより起因する内燃機関１３の回転数の変動が防止され、図５（Ｅ）に示すように内燃機関１３の回転数を設定回転数に維持することができる。
【００３２】
このように、本発明においては、設定回転数のもとでプロペラ軸１２に加わる負荷トルクに釣り合う出力トルクとなるように、内燃機関１３への燃料供給量を調節するようにしたので、波やうねり等の短期的な外乱が発生している水面を航行する場合においても、負荷トルクと出力トルクとの釣り合いが保たれ、内燃機関１３にプロペラ軸１２に加わる負荷変動が伝達されて内燃機関１３の回転数が変動するのを防止することができる。つまり、内燃機関１３の回転数を設定回転数に維持した状態での航行が可能となるので、内燃機関１３の回転数が周期的に変動する場合に比して燃費を向上させることができる。また、内燃機関１３の回転数が変動する前の時点でプロペラ軸１２の加わる負荷トルクの変動を捉え、内燃機関１３の回転数が変動する前に燃料供給量を制御しているので、回転数制御の精度を高めることができる。
【００３３】
一方、従来のように、ガバナーによって内燃機関１３の回転数を検出して設定回転数との偏差に応じて内燃機関１３への燃料供給量を制御するようにしたのでは、図５（Ｄ），（Ｅ）に示すように、内燃機関１３の回転数の変動に応じて燃料供給量を調節することになる。この場合、出力トルクと負荷トルクとの釣り合いが崩れて内燃機関１３の回転数が変動するまでにタイムラグＴが生じるとともに、内燃機関１３の回転数変動を検出した後に燃料供給量を調節してから内燃機関１３の回転数が変化するまでにさらに時間を要するため、短期的な外乱に対して内燃機関１３の回転数を設定回転数に安定的に維持することが難しい。したがって、内燃機関１３の回転数が頻繁に変動し、燃費を悪化させることになる。ただし、図５（Ｄ），（Ｅ）における従来技術の燃料供給量とエンジン回転数の変化は、エンジン回転数の変動に応じて燃料供給量を調節することを単純化して概略的に示しており、実際はエンジン回転数と燃料供給量とが相互に影響するため図示するよりも複雑な位相を描くことになる。
【００３４】
図６は本発明の他の実施形態である船舶の燃料調節装置を示すブロック図であり、図７はプロペラの前進係数とスラスト係数との関係を示すスラスト係数特性を示す特性線図であり、図８はプロペラの前進係数とトルク係数との関係を示すトルク係数特性を示す特性線図である。
【００３５】
上述した実施の形態においては、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクを軸トルク計１６により直接検出するようにしているのに対して、図６に示す実施の形態においては、プロペラ軸１２に加わる負荷としてのスラストを検出して、このスラストの値を用いてプロペラ軸１２に加わる負荷トルクを算出するようにしている。
【００３６】
船舶の航行時にプロペラ軸１２に加わるスラストおよびプロペラ軸１２の回転数を検出するために、プロペラ軸１２にはスラスト検出手段および回転数検出手段としてのスラスト計３０が設けられている。プロペラ軸１２に加わるスラストは、プロペラ軸１２の主軸に対して斜め方向に装着された複数の歪みゲージ１７、あるいは軸線方向と円周方向とに装着された複数の歪みゲージ１７からの検出値を演算することにより得られ、歪みゲージ１７からは無線信号によりスラスト計３０に検出信号が送信されるようになっている。ただし、プロペラ軸１２に加わるスラストを検出するために、プロペラ軸１２に設けられた径方向面に接触する突き当て部にロードセル等からなるスラストセンサを設け、このスラストセンサの検出信号をスラスト計に送るようにしてもよい。
【００３７】
プロペラ軸１２の回転数は、軸トルク計１６と同様に、プロペラ軸１２の円周方向にスポット的に１つ設けられた反射部材１８に対してスラスト計３０に設けられた発光素子から光を照射し、反射部材１８からの反射光をスラスト計３０に設けられた受光素子により検出することによって検出される。ただし、スラスト計３０にプロペラ軸１２と平行に光を照射する発光素子と受光を検出する受光素子とを設け、その光線をある回転角度において遮る遮光突起あるいは、光を通す穴状の機構を軸周りに設けることにより回転数を検出するようにした装置でもよい。また、内燃機関１３の主軸の回転数を検出することによってプロペラ軸１２の回転数を検出するようにしてもよい。
【００３８】
スラスト計３０からは、歪みゲージ１７からのスラスト値に対応したスラスト信号と受光素子からの回転数信号とを含む信号Ｓ５がコントローラ１５に送られる。コントローラ１５は、回転数信号をトリガーとしてプロペラ軸１２の１回転周期毎にスラスト値を平均化してピーク値をキャンセルするフィルタ部２０を有しており、フィルタ部２０によりプロペラ軸１２の１回転毎に平均化されたスラストのスラスト信号と回転数信号とを含む信号Ｓ６がスラスト係数算出部３１に送られる。
【００３９】
図７に示すように、プロペラ性能を示す指標としては、プロペラ軸１２に加わるスラストＴとプロペラ軸１２の回転数ｎとを変数とするスラスト係数ＫT、およびプロペラ１１への流場の水の流入速度Ｖａとプロペラ軸１２の回転数ｎとを変数とする前進係数Ｊがある。スラスト係数ＫTは以下の式（１）により表される無次元値であり、プロペラ軸１２に加わるスラストＴとプロペラ軸１２の回転数ｎとから算出することができる。また、前進係数Ｊは以下の式（２）により表される無次元値である。これらの式において、Ｄはプロペラ１１の外径、ρは水の粘度を示す。スラスト係数算出部３１では、式（１）に基づいて、プロペラ軸１２に加わるスラストＴ1およびプロペラ軸１２の回転数ｎ1に対応する信号Ｓ６からスラスト係数ＫT1が算出される。
ＫT＝Ｔ／（ρｎ2Ｄ4）  ・・・（１）
Ｊ＝Ｖａ／（ｎＤ）    ・・・（２）
【００４０】
スラスト係数ＫTは、図７のスラスト係数特性線図に示すように、前進係数Ｊに対して一定の対応関係を有している。コントローラ１５には、前進係数Ｊに対応するスラスト係数ＫTの値つまりスラスト係数特性データを格納するスラスト係数特性データ格納部３２が設けられており、図７に示すようなスラスト係数特性データがマップデータまたは演算式の形態でスラスト係数特性データ格納部３２に格納されている。前進係数算出部３３には、スラスト係数算出部３１からスラスト係数ＫT1および回転数ｎ1に対応する信号Ｓ７が送られ、このスラスト係数特性データに基づいて前進係数Ｊ1が算出される。
【００４１】
また、図８に示すように、プロペラ性能を示す他の指標としては、プロペラ軸１２に加わる負荷トルクＱとプロペラ軸１２の回転数ｎを変数とするトルク係数Ｋqがある。トルク係数Ｋqは以下の式（３）により表される無次元値であり、図８のトルク係数特性線図に示すように、図７に示したスラスト係数特性線図と同様に、前進係数Ｊに対して一定の対応関係を有している。コントローラ１５には、前進係数Ｊに対応するトルク係数Ｋqの値つまりトルク係数特性データを格納するトルク係数特性データ格納部３４が設けられており、図８に示すようなトルク係数特性データがマップデータまたは演算式の形態でトルク係数特性データ格納部３４に格納されている。トルク係数算出部３５には、前進係数算出部３３から前進係数Ｊ1および回転数ｎ1に対応する信号Ｓ８が送られ、このトルク係数特性データに基づいてトルク係数Ｋq1が算出される。
Ｋq＝Ｑ／（ρｎ2Ｄ5）  ・・・（３）
【００４２】
トルク係数算出部３５でトルク係数Ｋq1が算出されると、トルク係数Ｋq1および回転数ｎ1に対応する信号Ｓ９がトルク係数算出部３５から負荷トルク算出部３６に送られる。負荷トルク算出部３６では、式（３）に基づいて、トルク係数Ｋq1およびプロペラ軸１２の回転数ｎ1に対応する信号Ｓ９からプロペラ軸１２に加わる負荷トルクＱ1が算出される。
【００４３】
燃料供給量演算部２１には、負荷トルク算出部３６から負荷トルクＱ1に対応するトルク信号Ｓ１０が送られるとともに、操作装置１４から設定回転数ｎtに対応する指令信号Ｓ１が送られる。これらトルク信号Ｓ１０と指令信号Ｓ１とから、燃料供給量演算部２１では、図１に示す実施形態と同様に、内燃機関特性データ格納部２２に格納された内燃機関特性データに基づいて、設定回転数ｎtのもとでプロペラ軸１２に加わる負荷トルクＱ1に釣り合う出力トルクとなるような適正燃料供給量が演算される。内燃機関１３には、燃料供給量演算部２１から適正燃料供給量に応じた供給量信号Ｓ４が送られ、内燃機関１３の主軸の回転数が設定回転数となるように内燃機関１３への燃料供給量が制御される。
【００４４】
図９は図６に示す船舶の燃料調節装置による燃料調節制御の手順を示すフローチャートである。船舶の航行時には、スラスト計３０によりプロペラ軸１２に加わるスラストとプロペラ軸１２の回転数とが検出され（ステップＳ１）、それぞれに対応した信号がフィルタ部２０に送られる。フィルタ部２０は回転数の信号をトリガーとしてプロペラ軸１２の１回転毎に、プロペラ軸１２が１回転するまでにスラスト計３０から送られた全てのスラストの値を平均化して、プロペラ軸１２の１回転毎のスラストを算出する（ステップＳ２）。これにより、ピストン毎の燃焼時の衝撃やプロペラ毎の流体変動に起因するピーク値をキャンセルし、波浪等を原因とする周期で迅速に流場変動を捉えることができる。
【００４５】
フィルタ部２０から送られる信号により、式（１）に基づいて、プロペラ軸１２に加わるスラストとプロペラ軸１２の回転数とからスラスト係数が算出されると（ステップＳ３）、ステップＳ４において前進係数を算出する。前進係数は、スラスト係数特性データ格納部３２に格納されたスラスト係数特性データを読み出すことによってスラスト係数から算出される。同様に、トルク係数特性データ格納部３４に格納されたトルク係数特性データを読み出すことによって前進係数からトルク係数を算出する（ステップ５）。トルク係数が求められると、式（３）に基づいて、プロペラ軸１２の回転数からプロペラ軸１２に加わる負荷トルクを算出することができる（ステップＳ６）。
【００４６】
操作装置１４からは設定回転数に対応する指令信号がコントローラ１５に送られており、燃料供給量演算部２１は、ステップＳ７において内燃機関１３の設定回転数を読み込んで、適正燃料供給量を演算する（ステップＳ８）。適正燃料供給量は、上述のようにプロペラ軸１２に加わる負荷トルクと内燃機関１３の設定回転数とにより、内燃機関特性データ格納部２２に格納された内燃機関特性データを読み出すことによって演算される。この適正燃料供給量に基づいて内燃機関１３へ供給量信号が送られ、内燃機関１３への燃料供給量が制御される（ステップＳ９）。
【００４７】
このように、本実施の形態においては、スラスト計３０によりプロペラ軸１２に加わるスラストとプロペラ軸１２の回転数とを検出して、これらの検出値からプロペラ軸１２に加わる負荷トルクを算出するようにしている。本実施形態においても、図１に示す実施形態と同様の効果を奏することができるのはもちろんである。ただし、軸トルク計１６によりプロペラ軸１２に加わる負荷トルクを直接検出する方式と、スラスト計３０により検出されたプロペラ軸１２に加わるスラストおよびプロペラ軸１２の回転数からプロペラ軸１２に加わる負荷トルクを算出する方式とを併用するような実施形態としてもよい。
【００４８】
図１０は本発明のさらに他の実施形態である船舶の燃料調節装置を示すブロック図である。図１０に示す場合には、図１に示す船舶の燃料調節装置に加えて既存のガバナー４０を併用している。ガバナー４０には、操作装置１４からの設定回転数の指令信号Ｓ１１と内燃機関１３からの回転数信号Ｓ１２とが送られ、内燃機関１３の回転数と設定回転数との偏差から、内燃機関１３の回転数が設定回転数となるような適正燃料供給量が演算される。内燃機関１３には、ガバナー４０から適正燃料供給量に応じた供給量信号Ｓ１３が送られ、内燃機関１３への燃料供給量が制御される。
【００４９】
船舶が概ね一定回転にて定常航行する場合には、ガバナー４０による制御を行いながら図１に示す船舶の燃料調節装置を働かせる。このとき、コントローラ１５によって常に内燃機関１３の回転数が設定回転数に維持されるように制御されているため、ガバナー４０の作動頻度は基本的に低くなる上、ガバナー４０の作動しきい値つまりガバナー４０が作動するための内燃機関１３の回転数と設定回転数との偏差量を大きくしておくことにより、コントローラ１５による制御とガバナー４０による制御とが重複して回転数が安定しないことを防止するようにしている。すなわち、ガバナー４０は、コントローラ１５の不具合等により万一、内燃機関１３の回転数と設定回転数とに大きなずれが生じた場合に補助的に作動する。ただし、ガバナー４０を図６に示す船舶の燃料調節装置と併用するようにしてもよい。
【００５０】
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。例えば、フィルタ部２０においてはプロペラ軸１２の１回転周期毎に負荷トルクを平均化しているが、回転周期毎であれば、２回転毎等の整数回転周期毎に平均化するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１１  プロペラ
１２  プロペラ軸
１３  内燃機関
１４  操作装置（回転数設定手段）
１４ａ  操作ハンドル
１５  コントローラ
１６  軸トルク計（負荷検出手段、負荷トルク検出手段、回転数検出手段）
１７  歪みゲージ
１８  反射部材
２０  フィルタ部
２１  燃料供給量演算部（燃料供給量制御手段）
２２  内燃機関特性データ格納部（内燃機関特性データ格納手段）
３０  スラスト計（負荷検出手段、スラスト検出手段、回転数検出手段）
３１  スラスト係数算出部（スラスト係数算出手段）
３２  スラスト係数特性データ格納部（スラスト係数特性データ格納手段）
３３  前進係数算出部（前進係数算出手段）
３４  トルク係数特性データ格納部（トルク係数特性データ格納手段）
３５  トルク係数算出部（トルク係数算出手段）
３６  負荷トルク算出部（負荷トルク算出手段）
４０  ガバナー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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