CN110831849B - 启动海洋船只中的混合推进***的内燃发动机的方法和海洋船只中的混合推进*** - Google Patents

启动海洋船只中的混合推进***的内燃发动机的方法和海洋船只中的混合推进*** Download PDF

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Abstract

一种操作海洋船只(10)中的混合推进***(11)的方法，该混合推进***包括：推进轴(16)和组装到该轴的推进器(14)；内燃活塞发动机(18)，其布置成可机械连接地与推进轴力传动连接；电动马达‑发电机(20、20’)，其布置成可机械连接地与推进轴和/或活塞发动机力传动连接，在所述方法中，通过将来自船载电源(24)的电力施加到电动马达‑发电机并且借助电动马达‑发电机使内燃活塞发动机旋转来启动内燃活塞发动机(18)，并且在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下，将内燃活塞发动机的旋转速度加速至预定极限旋转速度，并且只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度之后，才启动内燃活塞发动机。

Description

启动海洋船只中的混合推进***的内燃发动机的方法和海洋 船只中的混合推进***
技术领域
本发明涉及一种启动海洋船只中的混合推进***的内燃发动机的方法，该推进***包括：推进轴和组装到该推进轴的推进器；内燃活塞发动机，其布置成可机械连接地与推进轴力传动连接；电动马达-发电机，其布置成可机械连接地与推进轴和/或活塞发动机力传动连接，在该方法中，通过将来自船载电源的电力施加到电动马达-发电机并且借助电动马达-发电机使内燃活塞发动机旋转来启动内燃活塞发动机。
本发明还涉及海洋船只中的混合推进***。
背景技术
大型船舶的推进动力是借助2冲程或4冲程内燃活塞发动机产生的。最近，还为了实际实现而考虑所谓的混合推进。
例如，在US6396161中公开了一种船用集成启动器发电机曳引装置(ISAT)，该ISAT包括定子部分和连接到驱动轴的转子部分。ISAT合并到发动机组件动力传动系中，动力传动系包括具有连接到电离合器的曲轴的内燃发动机。电离合器可操作以连接或断开驱动轴与曲轴。因此，ISAT可与内燃发动机的曲轴连接或断开。当通过电离合器与发动机连接时，ISAT装置可操作以从电池接收电力，并且用作启动马达以向内燃发动机提供启动扭矩。ISAT也可由内燃发动机驱动，并且用作发电机以提供动力来对电池再充电或者驱动其他电气装置。当通过电离合器与发动机断开时，ISAT 从电池接收电能，并且用作拖曳马达来驱动推进器。在ISAT和推进器之间连接传动装置，使得ISAT的旋转使推进器以多个正反向速度高速旋转。
在当前和尚未到来的环境法规下，特别是大小能够被布置为大型船舶中的推进原动机的内燃活塞发动机具有挑战性。启动根据柴油机循环操作的大型活塞发动机具有的问题在于在燃烧室之前产生诸如未燃烧的燃料、烟灰、一氧化碳等这样的过量污染，并且增压空气达到足够高的温度以提供清洁燃烧。另外，稀薄燃烧燃气发动机需要诸如燃料-空气比和压缩比这样的精确条件，以满足环境需求。
本发明的目的是提供相比于现有技术的解决方案而言其性能大幅改进的启动海洋船只中的混合推进***的内燃活塞发动机的方法和混合推进***。
发明内容
可基本上如独立权利要求中和描述本发明的不同实施方式的更多细节的其他权利要求中公开地满足本发明的目的。
根据本发明的实施方式，一种启动海洋船只中的混合推进***的内燃发动机的方法，其中，该推进***包括：推进轴和组装到该轴的推进器；内燃活塞发动机，其布置成可机械连接地与推进轴力传动连接；以及电动马达-发电机，其布置成可机械连接地与推进轴和/或活塞发动机力传动连接，在该方法中，通过向电动马达-发电机施加来自船载电源的电力并且借助电动马达-发电机使内燃活塞发动机旋转，同时向海洋船只的推进器提供动力来启动内燃活塞发动机。另外，在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下，将内燃活塞发动机的旋转速度加速至预定极限旋转速度，并且只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度之后，才启动内燃活塞发动机。
预定极限旋转速度是这样的速度，在该速度下，连续压缩冲程将所述内燃活塞发动机的气缸加热至燃料的燃烧因此是无烟的所需温度。
根据本发明的实施方式，对推进轴和内燃活塞发动机的旋转速度进行调节以达到预定极限旋转速度，并且通过控制组装到推进轴的推进器的节距来控制推进动力。
根据本发明的实施方式，预定极限旋转速度是连续压缩冲程将发动机的气缸加热至所需温度的速度，以所需温度诸如重质燃油、柴油燃油或船用燃油这样的燃油因压缩点火而被点燃使得从燃烧开始获得无烟操作。
根据本发明的实施方式，通过开始燃料喷射来启动发动机并且通过压缩点火来点燃燃料。
预定极限旋转速度是发动机特定值，其存储在连续压缩冲程将发动机的气缸加热至燃料的燃烧因此是无烟的所需温度的速度中。
借助本发明，只有在燃烧室部件处于足够高的温度以使燃料被压缩点火和/或燃烧室部件处于足够高的温度以使燃烧完全和稳定之后，才发生初始燃料喷射，并且诸如涡轮增压器和燃料泵这样的发动机的辅助件已达到足够的操作状态。这种启动程序的结果是完全和高效的燃烧。此外，燃烧从一开始就在最佳条件下进行，从而避免或至少减少了黑烟(颗粒)和排放物的产生。当发生在排放物控制区域或人口密集区域附近时，这一点变得尤为重要。
根据本发明的实施方式，在内燃活塞发动机的旋转速度被加速并且发动机启动期间，电动马达-发电机布置成机械地与推进轴和活塞发动机力传动连接，并且调节推进轴和内燃活塞发动机的旋转速度以达到内燃活塞发动机的预定极限旋转速度。
根据本发明的实施方式，通过提高旋转速度以达到预定极限旋转速度来调节推进轴和内燃活塞发动机的旋转速度。
根据本发明的实施方式，内燃活塞发动机的旋转速度由推进轴的旋转速度要求和发动机的预定极限旋转速度决定，并且在启动发动机之前，将内燃活塞发动机的旋转速度提高至与推进轴的旋转速度要求对应且超过预定极限旋转速度的速度。
根据本发明的实施方式，在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下内燃活塞发动机的旋转速度被加速至预定极限旋转速度，并且转动曲柄持续预定极限时间段，并且只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度并且转动曲柄时间达到极限转动曲柄时间段之后，才启动内燃活塞发动机。
根据本发明的实施方式，预定极限旋转速度随极限转动曲柄时间段而变化。
根据本发明的实施方式，在发动机已经启动之后，可以完全从发动机获得推进动力，并且可以继续利用电动马达-发电机组作为用于动力峰削减目的的动力输入/输出，船载能量产生或动力提升。
利用计算机控制器单元使得能够使用自动化程序来实现该方法。
一种海洋船只中的混合推进***，该混合推进***包括：推进轴和组装到推进轴的推进器；内燃活塞发动机，其布置成可机械连接地与推进轴力传动连接；电动马达 -发电机，其布置成可机械连接地与推进轴和/或活塞发动机力传动连接，并且包括被构造成控制混合推进***的操作的计算机以及存储在计算机中的计算机程序，该计算机程序包括将来自船载电源的电力施加到电动马达-发电机并且借助电动马达-发电机使内燃活塞发动机旋转以启动活塞发动机的指令。计算机程序还包括同时向推进器提供动力并且在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下，将内燃活塞发动机的旋转速度加速至预定极限旋转速度并且只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度之后才启动内燃活塞发动机的指令，并且计算机程序包括将电动马达-发电机机械地与推进轴和活塞发动机力传动地连接的指令。
根据本发明的实施方式，计算机程序包括调节推进轴和内燃活塞发动机的旋转速度以达到预定极限旋转速度并且通过控制组装到推进轴的推进器的节距来控制推进动力的指令。
根据本发明的实施方式，计算机程序包括提高推进轴和内燃活塞发动机的旋转速度以达到预定极限旋转速度的指令。
根据本发明的实施方式，计算机程序包括基于推进轴的旋转速度要求来调节内燃活塞发动机的旋转速度的指令。
根据本发明的实施方式，计算机程序包括在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下将内燃活塞发动机的旋转速度加速至预定极限旋转速度并且使发动机转动曲柄持续预定极限时间段的指令以及只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度并且转动曲柄时间达到极限转动曲柄时间段之后才启动活塞发动机的指令。
根据本发明的实施方式，计算机程序包括将预定极限旋转速度设置为随着极限转动曲柄时间段而变化的指令。
根据本发明的实施方式，计算机程序包括只有在燃烧室部件处于足够高的温度以压缩点火之后才开始燃料喷射的指令。
关于计算机所提到的指令在由计算机执行时，致使计算机执行根据本发明的方法。本发明提供了几个优点。在第一次燃料喷射和点火之前，发动机的燃烧部件一直在压缩空气。这导致部件变热。涡轮增压器已经以更高的速度旋转，从而提供了十分大量的燃烧空气。由于高于常规的发动机启动旋转速度，燃料压力已经很高，并且以最佳方式喷射燃料。以受控制的方式喷射所需燃料量。与常规的启动程序相比，完全和优化的燃烧产生的排放物较少，并且无需安装压缩空气启动设备和用于发动机的相关***。
本专利申请中提出的本发明的示例性实施方式将不被解释为对所附权利要求书的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中用作开放性限制，并不排除也存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中阐述的特征能被相互自由组合。在所附权利要求书中具体阐述了被视为本发明特征的新颖特征。
附图说明
以下，将参照所附的示例性示意图来描述本发明，在附图中：
图1例示了根据本发明的实施方式的混合推进***，
图2例示了根据本发明的另一实施方式的混合推进***，
图3例示了根据本发明的又一实施方式的混合推进***。
具体实施方式
图1示意性地描绘了海洋船只10。海洋船只设置有推进***12。推进***12 进而包括推进器14和推进器14已经组装到其中的推进轴16。推进***也可以是所谓的助推器。海洋船只10包括至少一个内燃活塞发动机18，该发动机18布置成经由离合器/传动单元22可机械连接地与推进轴16力连接。海洋船只10还包括至少一个电动马达-发电机20，该电动马达-发电机20也布置成可机械连接地与推进轴16力传动连接。电动马达-发电机也布置成可机械连接地与内燃活塞发动机18力传动连接。离合器/传动单元22包括：第一离合器22.1，其将推进轴16与离合器/传动单元22 联接或分离；以及第二离合器22.2，其将电动马达-发电机20与离合器/传动单元22 联接或分离；以及第三离合器22.3，其将发动机18与离合器/传动单元22联接或分离。船只还设置有船载电源24，船载电源24可包括例如电池、电容、燃料电池和/ 或风力发电厂。电源24连接到电动马达-发电机。船只还设置有计算机控制器单元26，计算机控制器单元26被构造成控制船只的混合推进***11。这些共同构成了海洋船只10的混合推进***11。
这种推进***在处理和使用可用推进动力方面非常通用。特别地，根据本发明的实施方式，通过将来自船载电源24的电力施加到电动马达-发电机20来启动内燃活塞发动机18，并且借助电动马达-发电机使内燃活塞发动机旋转(转动曲柄)，使得在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下，将内燃活塞发动机18的旋转速度加速至预定极限旋转速度，并且只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度之后，内燃活塞发动机才被启动。
尝试启动发动机的步骤包括将燃料供给到发动机中并且使燃料点燃和燃烧的必要动作或操作。在借助电动马达-发电机加速内燃活塞发动机的旋转速度并且最终启动发动机期间，电动马达-发电机布置成机械地与推进轴16和活塞发动机18力传动连接。这意味着，离合器/传动单元22的所有离合器22.1-22.3相接合，以传递机械动力。调节推进轴16和内燃活塞发动机18的旋转速度，以达到内燃活塞发动机18的预定极限旋转速度。实际上，这意味着，计算机控制器单元将电动马达-发电机20的速度控制为使得在启动发动机之前实现内燃活塞发动机18的预定极限旋转速度。同时，推进轴16和推进器14以由电动马达-发电机20的速度和离合器/传动单元22的齿轮比决定的旋转速度旋转。
当启动发动机启动程序时，通过增加要达到的旋转速度来调节推进轴16和内燃活塞发动机18的旋转速度。
根据本发明的实施方式，内燃活塞发动机18的旋转速度由推进轴的旋转速度要求和发动机18的预定极限旋转速度来决定，并且在该实施方式中，这二者都必须在启动发动机之前满足。因此，在启动发动机之前，将内燃活塞发动机的旋转速度增加至与推进轴的旋转速度要求对应的速度，该速度超过预定极限旋转速度。混合推进***11还能够使船只运转，使得在不尝试启动内燃活塞发动机的情况下内燃活塞发动机18的旋转速度被加速至预定极限旋转速度，并且还转动曲柄持续预定极限时间段。并且，只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度并且转动曲柄时间达到极限转动曲柄时间段之后，内燃活塞发动机才被启动。根据本发明的实施方式，预定极限旋转速度随极限转动曲柄时间段而变化。根据图1中示出的实施方式，船只设置有固定节距推进器，并且当调节推进轴16和内燃活塞发动机18的旋转速度以达到预定极限旋转速度时，推进器进而还有助推器的旋转速度瞬间增加。在海洋船只中这是可接受的，因为仅瞬间增加助推器不会使船只速度大幅增加。至少当船只在公海中或者某些情形以其他方式使其可能时，这是可接受的。
在图2中，示出了除了图1的所有特征之外的其中推进器14是可控节距推进器的本发明的实施方式。在该实施方式中，调节推进轴16和内燃活塞发动机18的旋转速度以达到预定极限旋转速度，并且通过控制组装到推进轴的推进器14的节距来控制推进动力。这样，发动机可以以所期望的速度旋转，并且即使推进轴16与发动机同步旋转，也通过控制推进器14的实际节距来独立控制推进动力。
用于操作混合推进***的计算机控制器单元26包括：计算机28，其被构造成控制混合推进***11的操作；以及计算机程序30，其被存储在计算机28中，计算机程序30包括将来自船载电源的电力施加到电动马达-发电机并且借助电动马达-发电机使内燃活塞发动机旋转的指令，并且还包括在不尝试启动内燃活塞发动机18的情况下将内燃活塞发动机的旋转速度加速至预定极限旋转速度并且只有在内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度之后才启动内燃活塞发动机的指令。计算机程序包括将电动马达-发电机与推进轴16和活塞发动机18机械地力传动地连接的其他指令。
计算机控制单元包括预定极限旋转速度的发动机特定值，该发动机特定值用于进行控制，以在启动发动机之前操作电动马达-发电机20以使发动机以所需速度旋转或转动曲柄。计算机控制单元26获取或获得发动机18的实际旋转速度。
计算机程序包括基于推进轴的旋转速度要求来调节内燃活塞发动机的旋转速度的指令。计算机程序包括调节推进轴和内燃活塞发动机的旋转速度达到预定极限旋转速度并且通过控制组装到推进轴的推进器的节距来控制推进动力的指令。
计算机程序30包括在不尝试启动内燃活塞发动机18的情况下将内燃活塞发动机18的旋转速度加速至预定极限旋转速度并且使发动机转动曲柄持续预定极限时间段的指令以及只有在内燃活塞发动机18的旋转速度达到预定极限旋转速度并且转动曲柄时间达到极限转动曲柄时间段之后才启动活塞发动机的指令。
计算机程序还包括将预定极限旋转速度设置成随极限转动曲柄时间段而变化的指令。
图1和图2中示出的实施方式包括离合器/传动单元22，离合器/传动单元22在控制混合推进***的操作中产生了多种可能性。在图3中，示出了其中电动马达-发电机20是与其直接联接的轴马达/发电机20’的本发明的实施方式。在该实施方式中，电动马达-发电机机械连续地连接到推进轴16。发动机18可以设置有离合器/传动单元22’。这样，电动马达-发电机22’和推进器14总是彼此联接，并且发动机18选择性地与推进轴16联接。
虽然本文中通过结合目前被视为最优选实施方式的示例描述了本发明，但是要理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在涵盖所附权利要求中限定的本发明范围内包括的其特征和多个其他应用的各种组合或变型。当结合以上任何实施方式提及的细节与另一个实施方式的组合在技术上可行时，这些细节可与另一个实施方式结合使用。

Claims (12)

1.一种启动海洋船只(10)中的混合推进***(11)的内燃发动机的方法，所述混合推进***包括：
-推进轴(16)和组装到所述推进轴(16)的推进器(14)，
-内燃活塞发动机(18)，所述内燃活塞发动机(18)布置成能够机械连接地与所述推进轴(16)和所述推进器进行力传动连接，
-电动马达-发电机(20、20’)，所述电动马达-发电机(20、20’)布置成能够机械连接地与所述推进轴(16)和/或所述内燃活塞发动机(18)进行力传动连接，
在所述方法中，通过将来自船载电源(24)的电力施加到所述电动马达-发电机(20、20’)并且借助所述电动马达-发电机(20、20’)使所述内燃活塞发动机(18)旋转来启动所述内燃活塞发动机(18)，并且
在不尝试启动所述内燃活塞发动机(18)的情况下，将所述内燃活塞发动机(18)的旋转速度加速至预定极限旋转速度，并且只有在所述内燃活塞发动机(18)的旋转速度达到所述预定极限旋转速度之后，才启动所述内燃活塞发动机(18)，
其特征在于，在由所述电动马达-发电机(20、20’)向所述海洋船只(10)的所述推进器(14)提供动力的同时，启动所述内燃活塞发动机(18)，并且通过控制组装到所述推进轴的可控节距推进器的节距来控制推进动力，其中，所述预定极限旋转速度是这样的速度，在该速度下，连续压缩冲程将所述内燃活塞发动机的气缸加热至燃料的燃烧因此是无烟的所需温度，其中，只有在燃烧室部件处于高得足以进行完全且稳定的燃烧的温度之后才发生燃料喷射，其中，所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度由所述推进轴(16)的旋转速度要求和所述预定极限旋转速度决定，并且在启动所述内燃活塞发动机之前，将所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度提高至与所述推进轴(16)的所述旋转速度要求对应的且超过所述预定极限旋转速度的速度。
2.根据权利要求1所述的启动海洋船只(10)中的混合推进***(11)的内燃发动机的方法，其特征在于，在使所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度加速并且启动所述内燃活塞发动机(18)期间，所述电动马达-发电机(20、20’)布置成机械地与所述推进轴(16)和所述内燃活塞发动机进行力传动连接，并且对所述推进轴(16)和所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度进行调节以达到所述内燃活塞发动机的所述预定极限旋转速度。
3.根据权利要求1所述的启动海洋船只(10)中的混合推进***(11)的内燃发动机的方法，其特征在于，通过提高所述旋转速度以达到所述预定极限旋转速度来调节所述推进轴(16)和所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度。
4.根据权利要求1所述的启动海洋船只(10)中的混合推进***(11)的内燃发动机的方法，其特征在于，在不尝试启动所述内燃活塞发动机(18)的情况下，将所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度加速至所述预定极限旋转速度并且转动曲柄持续预定的极限转动曲柄时间段，并且只有在所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度达到所述预定极限旋转速度并且转动曲柄时间达到所述极限转动曲柄时间段之后，才启动所述内燃活塞发动机(18)。
5.根据权利要求4所述的启动海洋船只(10)中的混合推进***(11)的内燃发动机的方法，其特征在于，所述预定极限旋转速度随所述极限转动曲柄时间段而变化。
6.一种海洋船只(10)中的混合推进***(11)，所述混合推进***(11)包括：
推进轴(16)和组装到所述推进轴(16)的推进器(14)，
内燃活塞发动机(18)，所述内燃活塞发动机(18)布置成能够机械连接地与所述推进轴进行力传动连接，
电动马达-发电机(20、20’)，所述电动马达-发电机(20、20’)布置成能够机械连接地与所述推进轴(16)和/或所述内燃活塞发动机进行力传动连接，以及
计算机控制单元(26)，所述计算机控制单元(26)用于操作所述混合推进***(11)，所述计算机控制单元(26)包括被构造成控制所述混合推进***的操作的计算机以及存储在所述计算机中的计算机程序，所述计算机程序包括下述指令，这些指令将来自船载电源(24)的电力施加到所述电动马达-发电机(20、20’)并且借助所述电动马达-发电机(20、20’)使所述内燃活塞发动机(18)旋转以启动所述内燃活塞发动机(18)，并且
所述计算机程序还包括下述指令，这些指令提供动力以在不尝试启动所述内燃活塞发动机(18)的情况下将所述内燃活塞发动机(18)的旋转速度加速至预定极限旋转速度并且只有在所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度达到所述预定极限旋转速度之后才启动所述内燃活塞发动机，
其特征在于，所述计算机程序还包括：下述指令，这些指令启动所述内燃活塞发动机(18)且同时由所述电动马达-发电机(20、20’)向所述海洋船只的所述推进器(14)提供动力；以及下述指令，这些指令通过控制组装到所述推进轴的所述推进器(14)的节距来控制推进动力，其中，所述预定极限旋转速度是这样的速度，在该速度下，连续压缩冲程将所述内燃活塞发动机的气缸加热至燃料的燃烧因此是无烟的所需温度，其中，只有在燃烧室部件处于高得足以进行完全且稳定的燃烧的温度之后才发生燃料喷射，其中，所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度由所述推进轴(16)的旋转速度要求和所述预定极限旋转速度决定，并且在启动所述内燃活塞发动机之前，将所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度提高至与所述推进轴(16)的所述旋转速度要求对应的且超过所述预定极限旋转速度的速度。
7.根据权利要求6所述的海洋船只(10)中的混合推进***(11)，其特征在于，所述计算机程序包括下述指令，这些指令将所述电动马达-发电机(20、20’)机械地与所述推进轴(16)和所述内燃活塞发动机进行力传动连接。
8.根据权利要求6所述的海洋船只(10)中的混合推进***(11)，其特征在于，所述计算机控制单元包括所述预定极限旋转速度的发动机特定值。
9.根据权利要求6所述的海洋船只(10)中的混合推进***(11)，其特征在于，所述计算机程序包括下述指令，这些指令提高所述推进轴(16)和所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度以达到所述预定极限旋转速度。
10.根据权利要求6所述的海洋船只(10)中的混合推进***(11)，其特征在于，所述计算机程序包括下述指令，这些指令基于所述推进轴的旋转速度要求来调节所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度。
11.根据权利要求6所述的海洋船只(10)中的混合推进***(11)，其特征在于，所述计算机程序包括：下述指令，这些指令在不尝试启动所述内燃活塞发动机(18)的情况下将所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度加速至预定极限旋转速度并且使所述内燃活塞发动机(18)转动曲柄持续预定的极限转动曲柄时间段；以及下述指令，这些指令只有在所述内燃活塞发动机(18)的所述旋转速度达到所述预定极限旋转速度并且转动曲柄时间达到所述极限转动曲柄时间段之后才启动所述内燃活塞发动机(18)。
12.根据权利要求11所述的海洋船只(10)中的混合推进***(11)，其特征在于，所述计算机程序包括下述指令，这些指令将所述预定极限旋转速度设置为随着所述极限转动曲柄时间段而变化。
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