船舶推进系统的制作方法

专利名称：船舶推进系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括大型二冲程十字头式柴油发动机的船舶推进系统。
背景技术：
用于船只推进的大型二冲程柴油发动机是一种复杂的机器，其形成船只动力及推 进系统的核心并包括一系列的辅助设备。 这些低速运行的大型二冲程十字头式柴油发动机是庞大并高效的动力产生机器。 这些发动机中的最大者在94转/分时产生大约100. OOOkW的动力，总长度为33米并且重 量接近3500吨。 这些发动机附有驱动发电机——即所谓的发电机组——的辅助柴油发动机。发电 机组在发电机停止期间以及在启动过程中供电及供热。 二冲程柴油发动机的辅助设备包括例如高压液压泵、气压泵(压縮机)、润滑油
泵、燃油供给泵、燃油循环泵、海水泵、气缸套冷却水泵、中央水泵以及辅助风扇。 大多数列出的辅助设备或者是电力驱动的——例如辅助风扇，或者通过机械传动
机构(即，链条或齿轮)从大型二冲程柴油发动机的曲轴获得动力——例如在高压液压泵
或泵站的情况下。 电子控制的大型二冲程柴油发动机连同其液压操作的排气门在发动机操作过程 中使用相当大量的液压动力(约曲轴动力的1.5%至2% )。 在发动机启动过程中需要少量的液压。因此，在发动机启动过程中由电动的较小 液压泵或泵站提供液压动力。由于发动机是通过利用压縮空气使气缸加压来启动，所以至 少一部分的气压泵是电力驱动的。驱动这些液压泵和气压泵的电动机的电能由发电机组提 供。发电机组还在发动机停止期间为大型二冲程柴油发动机保温并且提供电能以在燃料管 道以及贮存器中循环重燃油。发电机组还提供船上的由多种消耗装置——例如用于货船的 冷却系统——使用的热力以及电力、以及在主发动机停止时用于照明和为电气设备提供能 量的电能。 从燃油效率的观点来看，由于能量在大型二冲程柴油发动机的曲轴处高效地产 生，所以从大型二冲程柴油发动机的曲轴获取机械能以驱动辅助设备是有吸引力的。然而， 从曲轴获取机械能仅能够用于允许在辅助设备与曲轴之间实现简单及直接连接的位置处， 且对于消耗相对少量能量的辅助设备而言并不非常有用。例如，由于辅助风扇的位置需要 复杂的机械传动以连接到曲轴，所以在大型二冲程柴油发动机的低负载运行(低于最大 额定功率的40%_50%)过程中帮助提供扫气的辅助风扇通常由电动机供应能量。由辅 助风扇消耗的动力非常多，典型地落在大型二冲程柴油发动机的最大额定功率的1.8%至 2.3%的范围内。从曲轴获取能量的另一缺点在于需要高的传动比以使低的曲轴速度(最大为100-200转/分)增加到大多数辅助设备所需的较高速度。这些高的传动比导致曲轴与动力消耗装置之间的传动机构更加复杂并因此更加昂贵。 在动力源与驱动辅助设备的电动机之间的位置灵活性以及形成连接的相对容易度起决定性作用的地方使用电动机，例如用于辅助风扇。 最大的二冲程柴油发动机是庞大的，且单个发动机能够产生大于100. OOOkW的动力。驱动辅助设备的电动机仅消耗发动机曲轴动力的一小部分，但就绝对值而言是大电动机。例如，具有68. 520kW的最大额定功率的曼恩柴油发动机(MAN B&W Diesel) 12K98MC-C采用四个155kW的电动机，每个电动机驱动四个辅助风扇。这种大功率的电动机是相对昂贵的设备。导致它们高价格的原因是由于低产量以及与大型电动机相关联的冷却问题。电动机具有紧凑并封闭的构造，并因为其自身特点而难以冷却。 一定尺寸以上的发动机无法由空气冷却来满足。因此，多数用于为大型二冲程柴油发动机的辅助设备供应能量的电动机是油冷的。此外，保险公司要求500kW以上的电动机是受过鉴定的，这样导致它们的市场价格显著上升。 这种尺寸的电动机典型为异步电动机。为可变地控制这些电动机速度所需的基于可控硅的变频AC换流器极其昂贵，因此这些马达典型地仅控制于接通/切断状态下。在辅助风扇的情况下，这意味着风扇不得不以全速运行，即使主电动机不需要辅助风扇的满输出功率。因此，由于即使在需要以少得多的动力来驱动辅助风扇的情况下电动机仍是以满功率运行，所以这只不过是在浪费能量。至今为止避免该能量浪费的方法仅仅是通过投资上述非常昂贵的电子设备。 异步电动机仅能够以取决于所采用的AC电流系统的频率(50或60Hz)的预定速度运行，并且仅在极少数情况下这些转速会与辅助风扇的最佳转速一致，从而事实上辅助风扇通常以非最佳速度运行。 由于相对较高的起动电流，辅助风扇之间相继以6至10秒的间隔起动。 用于连接电机、发电机或控制设备的电缆是相对粗大的线缆，并且这些线缆的布
置受到大量的主要与安全相关的标准的制约，并且因此设计复杂而且实施成本昂贵。 多数现代远洋航行的船舶都具有驱动大型螺旋桨的单个发动机。由于主发动机故
障而导致无法操纵的大型远洋航行船舶是一种非常不利并不安全的情况。因此，用于船舶
推进的大型二冲程柴油发动机构造成极其可靠的机器。然而，完全无故障的构造是不存在
的，因此最近对冗余或在主发动机可能发生故障的情况下有最少量的应急返航动力的要求
日益增加。该目的可通过在船舶中安装两个较小的并联发动机而不是一个大型发动机、从
而提供适当的冗余来实现。然而，从燃料效率和操作成本的观点来看，在船舶中安装两个较
小的发动机来取代一个较大的发动机并无吸引力。而且，单个大型螺旋桨的螺旋桨效率大
于两个小型螺旋桨。

发明内容
在这种背景下，本发明的目的在于为大型二冲程柴油发动机的辅助风扇提供更有效的动力供应。 该目的通过提供一种大型涡轮增压多气缸二冲程十字头式柴油发动机来实现，其包括一个或多个辅助风扇，其用于在低发动机负载时从所述气缸排出排气，而在高发动机负载时涡轮增压机排出所述气缸的排气；液压泵或泵站，其由电动机和/或由从曲轴获取
的动力驱动；以及一个或多个液压马达，其驱动所述一个或多个辅助风扇。 本发明的另一目的为大型二冲程柴油发动机的液压气门致动器提供改善的动力供应。 该目的通过提供一种用于大型海轮的推进系统实现，其包括大型的涡轮增压多气缸二冲程十字头式柴油发动机；一个或多个发电机，其由从所述大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机获取的动力和/或一个或多个辅助柴油发电机组来供应动力以提供电力；一个或多个辅助风扇，用于在低发动机负载时排出气缸的排气，所述辅助风扇由液压马达驱动；一个或多个液压泵或高压泵站，其由电动机供应动力以输送高压燃油；液压气门致动器，其用于致动所述排气门，其中，所述液压气门致动器和所述液压马达之一或两者都通过由所述一个或多个高压泵或高压泵站输送的高压燃油操作。 本发明的另一目的在于提供一种具有改善的故障安全特性的大型二冲程船舶推进系统。 该目的通过提供一种用于大型海轮的推进系统实现，其包括大型的二冲程十字头式柴油发动机，其经由驱动轴连接到螺旋桨；一个或多个发电机组，其包括原动力和发电机，用于独立于所述大型二冲程柴油发动机的操作状态地发电；高压液压泵站或泵，其由一个或多个电动机驱动；以及液压活塞马达，其能够在所述大型二冲程柴油发动机发生故障时连接到所述驱动轴或所述螺旋桨以提供应急返航动力。 本发明的另一目的在于提供一种具有改善的灵活性及效率的、带有液压供应系统的用于大型海轮的推进系统。 该目的通过提供一种用于大型海轮的推进系统实现，其包括大型的二冲程十字头式柴油发动机，其经由驱动轴连接到螺旋桨；一个或多个发电机组，其包括原动力和发电机，用于独立于所述大型的二冲程柴油发动机的操作状态地发电；一个或多个高压液压泵站或泵，其由辅助柴油发动机驱动，以产生用于与大型二冲程发动机相关联的高压液压流体消耗装置的高压液压流体。 通过使用辅助柴油发动机来驱动高压泵或泵站，能够从原动力直接产生液压动力而不必经由发电机和电动机，同时仍能够独立于所述大型二冲程柴油发动机的操作状态地提供液压动力。 本发明的另一目的在于提供一种用于大型海轮的推进系统，其具有改善的用于驱动与大型二冲程柴油发动机相关联的辅助设备的系统。 该目的通过提供一种用于大型海轮的推进系统实现，其包括大型二冲程单流十字头式柴油发动机，其经由驱动轴连接到螺旋桨；高压泵或泵站，其供应高压液压流体；多个气缸，每个气缸设置有至少一个排气门以及用于致动所述至少一个排气门的液压气门致动器；多个辅助设备，其与所述大型二冲程柴油发动机相关联、由旋转动力驱动，其中所述多个辅助设备中的至少一个或多个由通过高压液压流体供应动力的容积式马达驱动
通过使用液压马达而不是电动机，能够提高效率，因为与电动机比较，能够更加精确并灵活地控制由液压马达使用的动力量及其输送速度。 通过具体的描述，根据本发明的船舶推进系统以及发动机的其它目的、特征、优点以及特性将变得明显。


在本说明书的下面的详细描述部分中，将参照附图中示出的示例实施方式更加具体地解释本发明，其中 图1是大型传统的8缸二冲程柴油发动机的侧视图，并示出了 9到12缸发动机的长度， 图2是图1中的发动机的正视图， 图3是海轮中的船舶推进系统的视图，其中图1所示的二冲程发动机经由中间轴连接到螺旋桨， 图4a是根据本发明的第一实施方式的船舶推进系统的部件以及部件间连接的总体示意图， 图4b是根据本发明的第二实施方式的船舶推进系统的部件以及部件间连接的总体示意图， 图5是示出作为发动机负载函数的液压动力消耗的图， 图6是根据本发明的实施方式的液压马达的横截面图，所述液压马达能够用作紧急马达或应急返航马达， 图7是根据本发明的第三实施方式的船舶推进系统的部件以及部件间连接的总体示意图， 图8是示出作为发动机负载函数的液压泵马达以及发电机的动力消耗的图，
图9是根据本发明的第四实施方式的船舶推进系统的部件以及部件间连接的总体示意图， 图10是根据本发明的第五实施方式的船舶推进系统的部件以及部件间连接的总体示意图， 图11是根据本发明的第六实施方式的船舶推进系统的部件以及部件间连接的总体示意图。
具体实施例方式
在下面具体的描述中，将通过优选实施方式来描述包括大型二冲程十字头式柴油发动机的用于海轮的推进系统。 图1和图2示出具有98cm活塞直径的大型低速二冲程十字头式直列柴油发动机IO，其是推进系统的核心。这些发动机典型地具有6至16个直列的气缸。图1中描述了 8缸发动机10的侧视图，同时还有示出此发动机的9、10、11和12缸模式的轮廓的额外线条。在发动机10的下方示出以米为单位的标尺，以指出这些长度范围从8缸模型的约18米至14缸模型的28米的机器的绝对尺寸。 发动机从底座11构建，底座11带有用于曲轴1 (图2)的主轴承。底座11根据可利用的生产设备分成适合尺寸的段。 参照由图2中的虚线示出的特征，发动机包括经由活塞杆29连接到十字头24的活塞28。十字头24由引导板23引导。连接杆30将十字头24与曲轴1的曲轴销连接。
焊接设计的A形曲轴箱架12安装在底座11上。气缸架13安装在曲轴箱架12的顶部上。拉紧螺钉(未示出)将底座11连接到气缸架13并将结构保持在一起。气缸14由气缸架13承载。排气门组件15安装在每个气缸14的顶部上。气缸架13还承载燃料喷射系统19、排气汇集器16、涡轮增压机17以及扫气汇集器18。涡轮增压机17将空气泵送到扫气汇集器中。冷却器(未示出)以及辅助风扇18a设置在各涡轮增压机17与扫气汇集器18之间。在发动机的操作过程中，一旦发动机负载下降到30%-40%，辅助风扇18a就会自动起动并将持续地操作，直到负载再次超过大约40%-50%。来自于压力开关(未示出)的信号控制辅助风扇的致动。当发动机负载超过发动机最大持续功率的30%-50%时，涡轮增压机17独立地将足够的空气输送到扫气汇集器18。在较低负载的情况下，辅助风扇18a向扫气汇集器18提供所需扫气量的全部或一部分。 在各气缸之间，曲轴箱架12设置有呈贯通横板21形式的加强板，该加强板使曲轴箱架12的纵向延伸的外壁22相互连接并且从A形曲轴箱架12的顶部延伸至底部，以增加其横向刚度。 用于承受作用在十字头24(图2)上的横向力的竖直引导板23例如通过焊接的方式安装到横板21上。每个引导板23的后侧通过连接引导板23与横板21的竖直延伸的额外壁25来支撑。引导板23、额外壁25以及横板壁21形成高扭转刚度的中空轮廓，其中容纳拉紧螺钉26。 图3示出具有典型设置的货舱2以及机舱3的船舶1的尾部。大型二冲程发动机
10刚好设置在分隔机舱3与货舱2的壁的后方。驱动轴5(也称作中间轴)连接发动机4
的输出轴与驱动螺旋桨7的螺旋桨轴6。驱动轴5可比图示的要短。 推进系统以及大型二冲程发动机需要一系列的辅助系统，例如 电气系统 液压动力供应系统， 重燃油系统， 润滑及冷却油系统， 气缸润滑系统， 冷却水系统， 中央冷却水系统， 起动及控制空气系统， 扫气系统， 排气系统，以及 操纵系统。 这些系统仅解释到理解本发明所需的详尽程度。特别地，将更加具体地描述动力消耗和/或输送系统。所有这些系统都包括电气控制部件——例如由一个或多个电子控制器或计算机(未示出)控制的阀以及马达。 次于用于推进的动力，发电是船上最大的燃料消耗，接下来是电气控制的发动机中的高压液压系统。 在图4a中通过部件以及部件间连接的总体图来示出根据本发明的船舶推进系统的第一实施方式。推进系统包括电气控制的二冲程发动机10。电力由两个发电机组40产生。发电机组包括耦联到发电机的四冲程柴油发动机。在图4中示出两个发电机组40，但是可以是一个大型发电机组或者多于两个的较小发电机组。当大型二冲程发动机10不运作时——例如当船舶停泊时——发电机组40也提供电力。当大型二冲程电动机10不运作时，发电机组提供避免燃油系统中的重燃油固化(重燃油在4(TC以下不呈流体形式)所需的热量。 高压泵站44(由单个的可变排量泵表示，但是可包括多于一个的泵)经由管道47将高压燃油输送到共轨45。泵站44由从发电机组40接收电力的电动机43驱动。蓄能器48(以单个的蓄能器示出，但是可由数个蓄能器形成)连接到管道47以调平压力。
管道50在共轨45的下游分支于管道47并将高压燃油供应到驱动辅助风扇18a的可变排量容积式马达49。辅助风扇18a所需的动力量是可变的，并且在刚好低于大型二冲程柴油发动机10中间负载水平处是最高的，而在高于大型二冲程柴油发动机10的最大持续功率的40% _45%的负载水平时为零。由于其冲程可变，马达49能够在大型二冲程柴油发动机10的所有负载水平下都将所需的——而不会多于所需的——动力量输送到辅助风扇18a。由于可以容易地适配液压马达49而以最佳转速驱动辅助风扇18a，所以从能量效率的观点来看，使用液压马达49来驱动辅助风扇18a还允许辅助风扇具有最佳的尺寸。
在示出的实施方式中，共轨45中的重燃油不仅输送到将燃油喷射到气缸14 (图1，2)中的喷射器(未示出)，而且还输送到在排气门组件15(图1，2)中的液压致动器(未示出)从而为其供应能量。液压致动器(未示出)提供用于排气门(同样未示出)的打开力，并且通过利用重燃油取代专用液压液体来操作致动器，可以避免单独的液压系统。然而应当理解，所有描述的实施方式能够容易地改型成包括独立的高压液压系统一其用于例如
为排气门致动器供应能量——以及独立的高压燃料系统，每个系统都具有其自己的泵和电动马达。 包括各自的电子控制阀(未示出)的管道将燃料注射器和排气门致动器连接到共轨45。从气门致动器返回的流体经由管道46引至油箱42。 管道52将共轨45与液压马达53连接。电气控制阀51置于管道52中，用于控制加压重燃油往液压马达53的流动。液压马达53用作紧急马达或所谓的"应急返航"马达，用以在大型二冲程柴油发动机10发生故障的情况下推进船舶。液压马达53通过齿轮箱57耦联到驱动轴5。离合器56允许液压马达与驱动轴5接合(当作为应急返航马达操作时)或分离(当大型二冲程柴油发动机操作时)。液压马达可属于低速运行类型，例如对于已知类型的最大船舶推进系统而言其操作范围在0与20到40转/分之间，从而齿轮箱的齿轮齿数比能够接近或等于l。 包括轴向轴承的离合器59设置在驱动轴5与大型二冲程柴油发动机10的输出轴之间。当大型二冲程柴油发动机操作时离合器59接合，而当大型二冲程柴油发动机发生故障时离合器59分离，从而液压马达53不必在驱动螺旋桨7的同时转动大型二冲程柴油发动机10。离合器59中的轴向轴承的尺寸设定成能够承受在紧急操作过程中由螺旋桨7产生的推进力所导致的轴向力(这些轴向力远低于在常规操作过程中所产生的、由大型二冲程柴油发动机10中的轴向轴承处理的轴向力)。 由于当大型二冲程发动机不操作时电力操作的液压泵站能够操作，根据本实施方式的推进系统不需要通常包括于传统的推进系统中以在发动机启动期间供应液压动力的启动泵系统。
示例 —种用于大型集装箱船舶的推进系统。 大型二冲程发动机是曼恩柴油发动机(MAN B&W Diesel) 12K98ME_C，其具有12缸、 带有98cm的缸径、短行程(大约2. 8)并受电子控制(并不是凸轮轴控制)。该发动机在 104转/分时具有68. 520kW的最大持续功率。 次于推进能量，发电是船上最大的燃料消耗。所需的电功率取决于船舶的具体情
况，例如与冷却货物所需的电力相关，并且典型地位于4%至10%的范围内，传统的散装货
船所需电力位于该范围的较低侧而现代集装箱船及冷藏船舶所需电力位于该范围的较高
侧。因此在本实施方式中，用于产生电力的动力量位于2740kW与6850kW之间。 液压动力供应系统需要能够在110X负载时输送1360kW。为了形成一个安全区，
泵站44的最大输出为1500kW。 图4b图示出根据本发明的第二实施方式，除了液压马达53是带有直接与主驱动 轴5配合的中空输出轴54的低速运行液压马达(下文参照图6更加具体地描述)之外其 与第一实施方式相同，从而能够避免齿轮箱和离合器。 图5的图表以连续线示出排气门致动器的液压动力消耗、以短划线示出驱动辅助 风扇18a的液压马达49的动力消耗并以点划线示出总共的动力消耗。在45%的负载时，用 于辅助风扇的动力需求达到峰值620kW。在更高的负载下，涡轮增压机17接替工作且液压 马达停止，或者通过将排量调节为零或通过切断加压重燃油往液压马达49的流动来停止 液压马达。在低于45%的负载下，控制液压马达49的排量，使得液压马达49将所需的动力 量准确地输送到辅助风扇18a。 在45%负载下，阀致动器消耗716kW，并且在45%的负载下总共的消耗达到峰值 1336kW，并且在110%的负载下再次达到峰值1336kW。
紧急操作 当大型二冲程柴油发动机10发生故障时，控制阀51 (图4a和4b)改变到打开位 置，并且需要紧急动力或"应急返航"动力来推进船舶。事实上，泵或泵站44的满输出功率 于是输送至液压马达53。离合器56接合并且离合器59分离(在根据图4b的实施方式中 没有任何离合器的接合/分离)。 根据第二实施方式，如图6所示，液压马达53是带有星形或扇形设置的多个气缸 的低速运行容积式机器。然而应当理解，可采用其它类型的液压马达。液压活塞马达53包 括滚子保持架活塞71，所述滚子保持架活塞71 —体地形成为滚子保持架部分72以及活塞 部分73。滚子保持架活塞71在设置于气缸体76中的气缸75内运行。每个滚子保持架活 塞71迫压滚子77抵靠内部凸轮曲线78，从而形成在气缸体76和凸轮曲线78上的扭矩。 在气缸体76中具有能够转动的滑动装置79，用于将高压燃油80分配到气缸。该类型的马 达能够在低速下提供高的扭矩，例如在约30转/分时提供636000Nm的扭矩(2055kW)。
带有12K98ME-C发动机的船舶典型地需要约30转/分的螺旋桨速度来提供最低 的船舶速度(4至5哩/小时)以及在紧急情况下的海上操纵能力。以30转/分驱动装备 有12K98ME-C的船舶的螺旋桨所需的扭矩约为636000Nm(2055kW)。 所需的螺旋桨速度取决于船舶的类型。对于在104转/分时最大巡航速度约为25 至26哩/小时的集装箱船而言，在大约26转/分的螺旋桨速度下将实现4至5哩/小时的速度，而在104转/分时巡航速度为14至15哩/小时的散装货轮或油轮将需要约34转 /分的螺旋桨速度来维持4至5哩/小时的速度(然而，波浪或逆风会降低船速)。
根据未图示的实施方式，通过在低发动机负载下利用液压马达驱动涡轮增压机， 辅助风扇的功能可由涡轮增压机或多个涡轮增压机取代。由液压马达添加到涡轮增压机的 额外动力使得在低发动机负载时涡轮增压机也能够产生足够的扫气。因此，辅助风扇能够 全部省略。在高发动机负载期间，根据一个优选实施方式，通过操作作为液压泵连接到涡轮 增压机的液压马达，涡轮增压机中过剩的能量能够转化成液压能。于是，在大型二冲程设备 高负载的情况下，涡轮增压机的过剩能量能够回收利用并使用于在高发动机负载时需要最 高输入的液压系统中。 在图7中通过部件以及部件间连接的总体图示出根据本发明的船舶推进系统的 第三优选实施方式。该推进系统包括电气控制的二冲程发动机IO。由发电机组40以及由 发电机61产生电力，通过经由机械传动装置63从曲轴获取的动力来驱动发电机61。发动 机组40包括耦联到发电机——其功率低于发电机61——的四冲程柴油发动机。发电机组 40在大型二冲程发动机10不运行时——例如当船舶停泊时——提供电力，并且还在峰值 负载的情况下协助大型发电机61。当大型二冲程发动机IO不运行时，发动机组也提供避免 燃油系统中的重燃油固化所需的热量(重燃油在40°C以下不流动)。 高压泵站65 (示出为单个的可变排量泵，但是可包括多于一个泵)经由管道47将 高压燃油输送到共轨45。泵站65由接收来自发电机组40的电力的电驱动马达64驱动。蓄 能器48 (示出为单个的蓄能器，但是可由数个蓄能器形成)连接到管道47用以调平压力。
辅助风扇18a所需的动力量是改变的，并且在刚好低于大型二冲程柴油发动 机10中间负载水平处是最高的，而在高于大型二冲程柴油发动机10的最大持续功率的 40%-45%的负载水平时为零。辅助风扇18a(为了简便仅示出一个)也通过电驱动马达 64驱动。电驱动马达64经由离合器67或其它的可分离连接装置连接到辅助风扇18a，用 于在高于约40% _50%发动机负载的情形下当由涡轮增压机17替代供应扫气时使辅助风 扇18a从电驱动马达64断开。电驱动马达64经由离合器66或其它的可分离连接装置连 接到泵站65，以能够在辅助风扇18a由电动机64驱动时断开液压泵65。
图8的图表以连续线示出液压泵的液压动力消耗、以短划线示出辅助风扇18a的 动力消耗并以点划线示出总共的动力消耗(数字对应于曼恩12K98ME-C柴油发动机)。在 45X负载时，用于辅助风扇的动力需求达到峰值620kW。在更高的负载时，涡轮增压机17接 替并且通过断开离合器67而使辅助风扇18a从电驱动马达64断开。 在第三实施方式中，共轨45中的重燃油不仅输送到将燃油喷射到气缸14(图1， 2)中的喷射器(未示出)而且还输送到在排气门组件15(图1，2)中的液压致动器(未示 出)，用于为它们供应能量。液压致动器(未示出)提供排气门(同样未示出)的打开力， 并且通过利用重燃油取代专用液压液体来操作致动器而能够避免很大一部分的液压系统。 然而应当理解，该实施方式能够容易地改型成包括独立的用于例如为排气门致动器供应能 量的高压液压系统以及独立的高压燃料系统，每个都具有其自己的泵和电驱动马达。
包括各自的电子控制阀(未示出)的管道将燃料注射器和排气门致动器连接到共 轨45。从气门致动器返回的流体经由管道46引至油箱42。 因为由电力提供能量的液压泵站能够在大型二冲程发动机10不操作时操作，所以根据第三实施方式的推进系统不需要通常包括于传统推进系统中用以在发动机启动期 间供应液压动力的启动泵系统。 在图9中通过部件以及部件间连接的总体图示出根据本发明的船舶推进系统的 第四优选实施方式。该推进系统包括电气控制的二冲程发动机10。由发电机组40以及发 电机61产生电力，通过由机械传动装置63从曲轴获取的动力来驱动发电机61。发动机组 40在大型二冲程发动机10不运行时——例如当船舶停泊时——供应电力并且还可以在峰 值负载下协助大型发电机61。 高压泵站44(其示出为单个的可变排量泵，但是可包括多于一个的泵)经由管道 47将高压燃油输送到共轨45。通过由机械传动装置41从曲轴获取的动力来驱动泵站44。 机械传动装置41可包括齿轮和/或链条。蓄能器48 (示出为单个蓄能器，但是可由数个蓄 能器形成)连接到管道47以调平压力。 可变排量泵69输送用于液压马达49——其驱动辅助风扇18a——的液压动力。可 变排量泵69由电驱动马达68驱动。管道50将高压燃油供应到驱动辅助风扇18a的变排量 容积式马达49。辅助风扇18a所需的动力量是改变的，并且在大型二冲程柴油发动机10的 低负载水平处是最高的，而在高于大型二冲程柴油发动机10的最大持续功率的40%-50% 的负载水平时为零。可变排量泵71的容积与液压马达49的需求相匹配。
带有控制阀74的管道70将可变排量泵连接到燃料共轨45，以用于在液压泵站45 故障的情况下将紧急液压动力供应到燃料共轨45以及液压马达49。典型地，可变排量泵 69的容积对应于在15%的发动机负载下供应到共轨45和液压马达49的、用于气门致动器 以及喷射器的液压动力的总需求。如果主泵站44故障，则控制阀74打开且可变排量泵69 将高压燃油输送到共轨45以及液压马达49。 在第四实施方式中，共轨中的重燃油不仅输送到将燃油喷射到气缸14 (图1 ， 2)中 的喷射器，而且还输送到排气门组件15(图1，2)中的液压致动器(未示出)，以给它们供应 能量。液压致动器(未示出)提供排气门(同样未示出)的打开力，并且通过利用重燃油 取代专用液压液体来操作致动器，使得能够避免很大一部分的液压系统。然而应当理解，所 有描述的实施方式能够容易地改型成包括独立的高压液压系统——其用于例如为排气门 致动器供应能量——以及独立的高压燃料系统，每个都具有其自己的泵和电驱动马达。
包括各自的电子控制阀(未示出)的管道将燃料注射器和排气门致动器连接到共 轨45。从气门致动器返回的流体经由管道46引至油箱42。 因为由电力提供能量的液压泵69的阀74类似于紧急操作地在发动机启动期间处 于打开位置中，所以根据第四实施方式的推进系统不需要通常包括于传统推进系统中以在 发动机启动期间供应液压动力的启动泵系统。 图10图示出本发明的第五实施方式。该大型二冲程柴油发动机10附带有一个或 多个发电机组40(仅示出一个)并附带有一个或多个泵组106(仅示出一个)。泵组106包 括直接由远小于大型二冲程柴油发动机10的辅助柴油发动机108——优选为4冲程柴油 发动机——驱动的大型可变排量泵107。用于液压系统的高压流体的大部分由泵组106形 成。用于液压系统的高压流体的少部分由通过电动机43驱动的高压可变排量泵44形成。 可替代地(未示出)，泵44能够通过从曲轴获取的动力驱动。存在具有不同驱动单元的两 个高压泵或泵站为液压系统提供了冗余，保证具有足够的液压动力以在应急返航动力水平下——例如最大负载的50%-60%——操作大型二冲程柴油发动机。在本实施方式中，在正 常的发动机操作过程中，液压系统驱动液压排气门致动器以及辅助风扇。因此，安装的液压 动力是安装在传统推进系统中的典型液压动力(约为最大主发动机输出的1.8%至2.3%) 的至少两倍(即，约为最大主发动机输出的3. 6%至5% )。液压泵44和107都能够独立于 大型二冲程柴油发动机的运行状态地进行操作。 第五实施方式的构造允许大型安装的液压动力可最终用于为应急返航推进装置 的液压马达供应动力。从而，如果大型二冲程发动机出乎意料地发生故障，则液压动力可通 过泵组108和电驱动泵44产生。在这种情况下，电气控制阀51打开，且液压动力供给到优 选为参照图6描述的类型的两个低速运行液压马达53。液压马达53配置有带通孔的驱动 轴54，该驱动轴54优选地配合并连接到驱动轴5。液压马达53能够以大型二冲程发动机 的最大操作速度的约25%至33%驱动驱动轴，且最大动力输出为大型二冲程柴油发动机 的最大输出的约2%至5%。这足以确保其中安装有推进系统的船舶保持是可操纵的。
因此，液压马达53将总是与驱动轴一起转动，即，当大型二冲程发动机10操作时 也一起转动。为了在液压马达53只是随着驱动轴5被动转动时降低液压马达53中的阻力 /摩擦损失，通过液压操纵抬升滚子保持架活塞71，使其不与凸轮曲线78接触。
如果液压马达53是无法承受在大型二冲程发动机最大速度下运行的类型或者 是无法反转的类型，则离合器或可分离的连接装置(未示出)设置在中空的输出轴54之 间(许多大型二冲程柴油发动机能够反转，这是针对带有固定节距螺旋桨的推进系统的需 求)。 图11图示出本发明的第六实施方式。该大型二冲程柴油发动机10附带有两个发 电机组40。电动机43驱动可变排量类型的大型液压高压泵44。来自高压泵44的高压流 体供给到共轨45中。除了辅助风扇马达49和排气门致动器之外，液压系统还经由管道52 为驱动离心式海水泵82(为了冗余的目的设置两个泵)的两个液压马达81供应动力。海 水泵82从海水入口 83抽吸海水，经由中央冷却器84并返回到海水出口 85。中央冷却器 84是由耐海水材料制成的壳式、管式或板式热交换器。 经由管道52，液压系统还为驱动中央离心式冷却水泵87的两个液压马达86供应 动力。中央冷却水泵87泵送淡水经过中央冷却器84、经过润滑油冷却器88、经过气缸套冷 却水冷却器89、经过大型二冲程发动机10的多个部件(未示出)然后返回。
此外，液压系统还经由管道52为驱动润滑油泵91 (为了冗余的目的设置两个泵) 的两个液压马达90供应动力。润滑油泵91泵送润滑油经过油冷却器88、经过大型二冲程 发动机10的多个零件和部件并返回。 经由管道52供应动力的两个液压马达92驱动两个离心式气缸套冷却水泵93。 气缸套冷却水泵93泵送水经过气缸套冷却水冷却器89、经由气缸套、气缸盖和排气门并返 回。气缸套冷却水还用于燃油排放管的保温。 —个或多个液压马达95(仅示出一个)经由管道52为一个或多个压载泵94(仅 示出一个)供应动力。压载泵94从绕船舶设置的各个压载箱(未示出)抽取流体并泵送 到各个的压载箱，以使船舶水平。 —个或多个液压马达97(仅示出一个)经由管道52为一个或多个如用于例如油 轮中的装卸泵96(仅示出一个)供应动力。
—个或多个液压马达98(仅示出一个)经由管道52为一个或多个压縮机99(仅
示出一个)供应动力，从而产生用于例如控制和启动空气系统的压縮空气。 —个或多个液压马达100(仅示出一个)经由管道52为一个或多个起锚机101(仅
示出一个)供应动力以起锚和抛锚。起锚机可用于放松或拉进位于船舶四周的不同位置中
的其它链条或索缆，或者可以是起重机的索轨。 在船舶的不同位置使用直接从大型二冲程柴油发动机的液压系统供给高压流体的液压马达具有能够在船舶上避免许多大功率电缆、连接装置、开关和电动机的效果，同时由于在液压系统中没有火花产生部件，所以还具有提高防火功能的优点——在运载可燃货物的船舶上尤其如此。 在带有电气控制的大型二冲程柴油发动机的传统推进装置中的液压作用典型地约为大型二冲程柴油发动机的最大功率的1.5%。通过在上述的实施方式中大量使用液压马达来代替电动机，液压作用可在大型二冲程柴油发动机的最大功率的约3%至约6%的范围内。 上述"高压泵"和"高压液压流体"中使用的术语"高压"涵盖高于8巴的任何压强。 尽管为了说明的目的已经详细地描述了本发明，但是应当理解，这些具体描述仅用于说明的目的，且本领域中的技术人员能够做出多种改型而不背离本发明的范畴。
权利要求
一种大型的涡轮增压多气缸二冲程十字头式柴油发动机，包括一个或多个辅助风扇，其用于在低发动机负载时从所述气缸排出排气，而在高发动机负载时一个或多个涡轮增压机排出所述气缸的排气；液压泵或泵站，其由电动机和/或由从曲轴获取的动力和/或由独立的柴油发动机驱动；以及一个或多个液压马达，其驱动所述一个或多个辅助风扇。
2. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，其中，在低发动 机负载时所述一个或多个涡轮增压机由所述液压马达驱动以在低发动机负载时排出所述 气缸的排气，而在较高的发动机负载时所述一个或多个涡轮增压机不需要所述液压马达协 助地排出所述气缸的排气。
3. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，包括主泵站，其 用于将液压动力供应到排气门致动器，所述主泵站由从曲轴获取的动力或由一个或多个电 驱动马达驱动；以及第二泵站，其由一个或多个电动机驱动，所述第二泵站将液压动力供应 到驱动所述一个或多个辅助风扇和/或燃料注射器的所述液压马达，并且当另一泵站发生 故障时，所述主泵站或所述第二泵站之一将应急液压动力供应到驱动所述一个或多个辅助 风扇的液压马达以及所述排气门致动器。
4. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，还包括发电机 组，其带有自身的用于产生电力的原动力；液压动力站，其由一个或多个电驱动马达驱动， 并在所述大型二冲程柴油发动机不操作以及操作时都能够供应液压动力。
5. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，还包括应急液压 系统，所述应急液压系统由驱动所述辅助风扇马达的泵形成并且包括将驱动所述辅助风扇 马达的所述泵连接到所述液压系统的其它部分的管道。
6. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，还包括驱动轴， 其将所述大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机连接到螺旋桨；一个或多个辅助柴油发 电机组，用于供应电力；至少一个所述泵站由电动机驱动，用于输送受压流体；至少一个液 压马达，其构造用于当所述大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机发生故障时驱动中间 轴或所述螺旋桨轴，以供应应急返航动力。
7. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，其中，所述为了 提供应急返航动力而驱动所述曲轴的所述液压马达是低速运行液压马达。
8. 根据权利要求1所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，其中，所述低速 运行液压马达直接耦联到所述驱动轴或螺旋桨轴，或者与所述驱动轴或所述螺旋桨轴大致 以1比1的齿轮传动比啮合。
9. 根据权利要求7或8所述的大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机，其中离合器 或能够分离的连接装置设置在所述曲轴与所述驱动轴之间。
10. —种用于大型海轮的推进系统，包括 大型的涡轮增压多气缸二冲程十字头式柴油发动机；一个或多个发电机，其由从所述大型的涡轮增压多气缸二冲程柴油发动机获取的动力 和/或一个或多个辅助柴油发电机组来供应动力以提供电力；一个或多个辅助风扇，用于在低发动机负载时排出气缸的排气，所述辅助风扇由液压 马达驱动；一个或多个高压泵或高压泵站，其由电动机供应动力以输送高压燃油；液压气门致动器，其用于致动所述排气门，其中，所述液压气门致动器和所述液压马达之一或两者都通过由所述一个或多个高压 泵或高压泵站输送的高压燃油操作。
11. 根据权利要求io所述的推进系统，其中，所述被供应以电力动力的高压泵或高压泵站具有足够大的功率，用以满足在各种载荷条件下所有的所述液压气门致动器和/或所 有的液压马达对高压流体的需求。
12. 根据权利要求10所述的推进系统，其中，直接或间接地从所述曲轴和/或所述涡轮 增压机的轴获取所述动力。
13. 根据权利要求IO所述的推进系统，其中所述发电机包括驱动轴，其设置在所述大型二冲程发动机的曲轴与所述海轮的螺旋桨之间； 液压马达，其连接到或能够连接到所述驱动轴以驱动所述驱动轴； 由此，用于驱动所述驱动轴的所述液压马达的功率以及被供应以电力的所述高压泵或高压泵站的功率大到足以作为在所述大型二冲程发动机发生故障的情况下船舶的应急返航动力。
14. 根据权利要求IO所述的推进系统，其中，当所述大型二冲程柴油发动机不操作以 及操作时，所述高压泵站都能够供应液压动力。
15. 用于大型海轮的推进系统，包括大型的二冲程十字头式柴油发动机，其经由驱动 轴连接到螺旋桨；一个或多个发电机组，其包括原动力和发电机，用于独立于所述大型二冲 程柴油发动机的操作状态地发电；高压液压泵站或泵，其由一个或多个电动机驱动；以及 液压活塞马达，其能够在所述大型二冲程柴油发动机发生故障时连接到所述驱动轴或所述 螺旋桨轴以提供应急返航动力。
16. 根据权利要求15所述的推进系统，其中，所述液压马达是低速运行排量机械系统。
17. 根据权利要求16所述的推进系统，其中，所述低速运行液压活塞马达具有配合到 所述驱动轴或所述螺旋桨轴的中空驱动轴，并且或者直接地连接到所述驱动轴或螺旋桨 轴、或者经由离合器连接到所述螺旋桨轴，所述离合器使得所述液压马达能够选择性地接 合到所述驱动轴或螺旋桨轴以及与所述驱动轴或螺旋桨轴分离。
18. 根据权利要求17所述的推进系统，其中，所述液压马达包括在具有突出部分的凸 轮上运行的滚子保持架活塞，并且当所述液压马达不操作时所述滚子保持架活塞被抬升。
19. 低速运行液压马达的应用，当大型海轮的主发动机发生故障时，应用能够连接到所 述大型海轮的驱动轴或螺旋桨的所述低速运行液压马达来供应应急返航动力。
20. 根据权利要求19所述的应用，其中，所述驱动轴能够与主发动机分开。
21. 根据权利要求19所述的应用，其中，所述低速运行液压马达是带有多个呈星形或 扇形布置的气缸的容积式机械系统。
22. 根据权利要求21所述的应用，其中，所述液压活塞马达包括壳体；至少一个带有 内凸轮曲线的凸轮盘；至少一个气缸体，其具有多个气缸以及在这些气缸中运行的活塞； 带有静压轴承的滚子保持架；滚子，其在所述凸轮曲线与所述滚子保持架之间运行，所述保 持架以一定的绕角包绕所述滚子；以及用于所述滚子的引导构件。
23. —种用于大型海轮的推进系统，包括大型的二冲程十字头式柴油发动机，其经由 驱动轴连接到螺旋桨；一个或多个发电机组，其包括原动力和发电机，用于独立于所述大型的二冲程柴油发动机的操作状态地发电；一个或多个高压液压泵站或泵，其由辅助柴油发动机驱动，以产生用于与大型二冲程发动机相关联的高压液压流体消耗装置的高压液压流体。
24. 根据权利要求23所述的推进系统，其中，所述推进系统还包括由电动机或从曲轴获取的动力驱动的高压液压泵或泵站。
25. 根据权利要求23所述的推进系统，其中，所述消耗装置包括一个或多个包括液压马达、燃料注射器和液压致动器的组。
26. —种用于大型海轮的推进系统，包括大型二冲程单流十字头式柴油发动机，其经由驱动轴连接到螺旋桨；高压泵或泵站，其供应高压液压流体；多个气缸，每个气缸设置有至少一个排气门以及用于致动所述至少一个排气门(4)的液压气门致动器(9);多个辅助设备，其与所述大型二冲程柴油发动机相关联、由旋转动力驱动，其特征在于，所述多个辅助设备中的至少一个或多个由通过高压液压流体供应动力的容积式马达驱动。
27. 根据权利要求26所述的推进系统，其中，所述辅助设备包括一个或多个包括冷却水泵、润滑油泵、辅助风扇、应急返航马达和压縮机的组。
28. 根据权利要求26或27所述的推进系统，其中，所述船舶包括多个不与所述大型二冲程柴油发动机相关联的旋转动力驱动设备，所述不相关联的设备由通过来自于所述高压泵或泵站输出的高压液压流体驱动的容积式马达驱动。
29. 根据权利要求26所述的推进系统，其中，所述不与所述大型二冲程发动机相关联的船上设备包括一个或多个包括压载泵、装卸泵、起锚机和索轨的组。
全文摘要
用于大型海轮的推进和动力系统。本发明涉及用于大型海轮的推进系统。该系统包括大型的涡轮增压多气缸二冲程十字头式柴油发动机，其作为主原动力耦联到螺旋桨轴；以及一个或多个小得多的柴油发动机，其作为第二原动力耦联到发电机。主发动机需要电力、液压动力以及气动力从而能够启动并操作。在短暂停止的过程中主发动机需要热力以及少量液压动力，并且在启动过程中需要液压动力、气动力和电力。根据本发明，在主发动机停止，主发动机启动和主发动机操作期间提供液压动力的液压泵站由从由较小的柴油发动机驱动的发电机获取动力的电动机驱动。
文档编号F01L9/02GK101713328SQ20091022477
公开日2010年5月26日 申请日期2005年10月5日 优先权日2005年10月5日
发明者埃里克·阿哈斯韦鲁森, 尼尔斯·亨里克·内伊高 申请人:曼狄赛尔公司