内燃机系统及船舶的制作方法

文档序号:7328711阅读:275来源:国知局
专利名称:内燃机系统及船舶的制作方法
技术领域
本发明涉及内燃机系统及船舶,特别是涉及设置了具有与发电机直接连结的增压器(supercharger)的内燃机的内燃机系统及船舶。
背景技术
通常,已知使用内燃机的排气中含有的能量,将内燃机的进气空气增压的增压器 (涡轮增压器)。另外,已知如下技术通过将发电机与增压器直接连结,在内燃机以高负荷运转的情况下,使用增压器的旋转进行发电,由此,将废气中含有的能量作为电能量有效地回收(发电),驱动与输出轴直接连结的电动机而辅助输出轴(例如,参照专利文献1)。与搭载直接连结了发电机的增压器的情况同样,已知对于在大型船的主推进发动机(例如柴油发动机)使用混合增压器进行发电的技术。另外,在大型船中装配与主推进发动机直接连结的电动发电机,使用船内产生的剩余电力辅助输出轴、或使用输出轴的动力进行发电来供给船内的电力需要的系统正在实用化。但是,在主推进发动机以低负荷运转的情况下,混合增压器或轴电动发电机产生的发电量也降低,因此,存在不能供给船内的电力需要的问题。为了解决该问题,已知有设置与主推进发动机不同的内燃机、例如以柴油发动机驱动的发电机(下面,记载为“柴油发电机”)来补充不足的电力的技术。现有技术文献专利文献专利文献1 (日本)特开平2006-238700号公报

发明内容
发明要解决的课题但是,具备上述混合增压器的主推进发动机中,当主推进发动机以高负荷运转时, 有时混合增压器的可发电电力超过船内需要的电力。该情况下,为了不浪费剩余的电力,进行控制以减少混合增压器的发电量、或将发电的剩余电力在负载箱等中变换成热而丢弃。即,存在废气中含有的能量被浪费丢弃、或电能被浪费丢弃的问题。另一方面,在装配有与主推进发动机的输出轴直接连结的电动发电机的情况下, 通过使用剩余电力驱动电动发电机来辅助输出轴,可以降低主推进发动机的燃料消耗。或者也可以使用输出轴的动力由电动发电机进行发电来供给船内的电力需要。在由电动发电机进行发电的情况下,输出轴的转速不稳定,所以电动发电机的旋转驱动速度也不固定。因此,由电动发电机发电的电力的频率及电压也不固定,所以需要用频率变换装置使供给电力或发电电力与船内的频率及电压一致。对于混合增压器的发电也是同样由于转速不稳定,所以对发电的电力的频率及电压需要用频率变换装置使供给电力或发电电力与船内的频率及电压一致。
因此,在装配直接连结到输出轴的电动发电机且在主推进发动机上装配有混合增压器的船中,需要装配两组频率变换装置,存在不仅成本升高而且也难以确保空间的问题。另外,在将由混合增压器发电的电力供给到输出轴的电动发电机来辅助主推进发动机的情况下,由于发电的电力通过配置于混合增压器的频率变换装置及配置于电动发电机的频率变换装置的两组频率变换装置,因此存在电力损失大、电力被浪费消耗的问题。具体而言,由混合增压器发电的电力,由配置于混合增压器的频率变换装置的转换器整流成直流后,由逆变器变换成与船内电力同频率的电力,进而由配置于电动发电机的频率变换装置的转换器变换成直流后,由逆变器变换成适于驱动电动发电机的电压和频率。即,电力分别两次通过转换器及逆变器,因此存在这些设备的电力损失增大,电力被浪费消耗的问题。另一方面,如上述,在主推进发动机以低负荷运转时,不仅需要混合增压器的发电,而且还需要进行柴油发电机的发电。例如,需要在主推进发动机的负荷逐渐降低,混合增压器的发电量中电力需要不足之前,起动柴油发电机的柴油发动机,使混合增压器及柴油发电机并行运转。这样,为了并行进行柴油发电机产生的发电,柴油发电机起动后需要花费一定的时间,存在该期间柴油发动机所消耗的燃料造成浪费的问题。另外,柴油发电机通常不能以低负荷连续运转,换言之,非强加规定的负荷(负荷的下限值)以上的负荷的状态时不能进行连续运转。因此,在需要使混合增压器和柴油发电机并行运转的情况下,即使抑制混合增压器的发电量,也需要确保柴油发电机的最低限的发电量。因此,存在混合增压器的导入产生的节能效果受到损害的问题。本发明为了解决所述课题而完成,其目的在于,提供可以抑制混合增压器的导入产生的节能效果的损害的内燃机系统及船舶。用于解决课题的方案为了实现所述目的,本发明提供如下方案。本发明的第1方面的内燃机系统的特征在于,设有内燃机,产生旋转驱动力;增压器,接受从该内燃机排出的废气供给,将所述内燃机的吸入空气增压;输出轴,由所述内燃机旋转驱动;第1发电机,在与所述增压器的旋转轴之间可传递旋转驱动力地连接,进行发电;第2发电机,其在与所述输出轴之间可传递旋转驱动力地连接,进行发电及所述输出轴的驱动;第1转换器,将由所述第1发电机发电的交流电力变换成直流电力;第2转换器, 将由所述第2发电机发电的交流电力持续变换成与由所述第1转换器变换的直流电力同电压的直流电力、或将由所述第1转换器变换的直流电力变换成交流电力并供给到所述第2 发电机。在本发明的第1方面中,优选的是,所述第1转换器及所述第2转换器通过电气布线电连接。根据本发明的第1方面,可以由第1发电机及第2发电机进行发电。因此,即使第 1发电机的发电量比外部电力需要量小的情况、或第1发电机由于故障不能进行发电的情况下,也能够将由第2发电机发电的电力供给到外部。S卩,不需要使用上述柴油发电机。由此,不需要确保柴油发电机起动所需要的时间,不需要向柴油发电机供给的燃料。在第1发电机的发电量大于外部电力需要量的情况下,将由第1发电机发电的电力的一部分经由第1转换器及第2转换器,而不经由船内电力系统供给到第2发电机,从而第2发电机可以旋转驱动并辅助输出轴。由此,由输出轴传递的旋转驱动力由内燃机及第2发电机供给,减轻内燃机的负荷。其结果,可以降低内燃机的燃料消耗。在本发明的第1方面中,优选的是,还设有将由所述第1转换器及所述第2转换器的至少一方变换的直流电力变换成交流电力并供给到外部的逆变器。根据该结构,通过将由第1转换器及第2转换器变换的直流电力用一个逆变器变换成直流电力,可以降低本发明的第1方面的内燃机系统的成本及设置空间。例如,通过将由第1转换器及第2转换器变换的直流电力的电压设为相同,可以由一个逆变器应对若电压不同则每个电压需要两个逆变器的情况。这里,直流电力的电压相同是指包含于以一个逆变器可应对的电压范围。本发明的第2方面的船舶的特征在于,设有上述本发明的第1方面的内燃机系统。根据本发明第2方面,由于设有所述本发明第1方面的内燃机系统,所以可以抑制损害混合增压器的导入产生的节能效果。根据本发明的内燃机系统及船舶,由于可以利用由增压器旋转驱动的第1发电机及由输出轴旋转驱动的第2发电机进行发电,所以不需要额外地具备柴油发电机等,因此, 具有可以抑制损害混合增压器的导入产生的节能效果这样的效果。另外,在第1发电机、第2发电机之间的电力交接通过DC总线进行,因此,不需要从直流变换成船内电力系统的交流的逆变器,可高效地进行电力的供给。


图1是说明本发明一实施方式的柴油发动机系统的概要的示意图。标号说明1柴油发动机系统(内燃机系统)2柴油发动机(内燃机)3混合增压器(增压器)4轴电动发电机(第2发电机)5第1转换器6第2转换器7逆变器IODC总线(电线)25输出轴33旋转轴34增压器发电机(第1发电机)
具体实施例方式下面,参照图1对本发明一实施方式的柴油发动机系统进行说明。
图1是说明本实施方式的柴油发动机系统的概要的示意图。本实施方式中,将本发明的柴油发动机系统(内燃机系统)1适用于船舶的主推进发动机所使用的例子来进行说明。如图1所示,柴油发动机系统1中主要设有具备混合增压器(增压器)3及轴电动发电机(第2发电机)4的柴油发动机(内燃机)2 ;第1转换器5 ;第2转换器6 ;逆变器 7;以及控制单元8。柴油发动机2产生推进船舶的推进力并同时供给在船舶内所使用的电力。如图1所示,柴油发动机2中主要设有混合增压器3 ;发动机主体21 ;空气冷却器22 ;扫气室23 ;废气集合管M ;输出轴25 ;以及轴电动发电机4。混合增压器3将发动机主体21的进气空气增压,同时根据情况供给在船舶内所使用的电力。如图1所示,混合增压器3中主要设有涡轮31、压缩机32、旋转轴33、以及增压器发电机(第1发电机)34。涡轮31接受从发动机主体21排出的高压废气的供给并产生旋转驱动力。涡轮31 利用旋转轴33绕其轴线可旋转地被支承。压缩机32通过旋转驱动,将从大气吸入的空气升压并供给到发动机主体21,换而言之,将发动机主体的进气空气增压。压缩机32利用旋转轴33绕其轴线可旋转地被支承。旋转轴33可旋转地支承涡轮31及压缩机32,同时将在涡轮31产生的旋转驱动力传递给压缩机32及增压器发电机34。增压器发电机34通过旋转驱动产生交流电力。在增压器发电机34上可传递旋转驱动力地连接有旋转轴33。另外,增压器发电机34与第1转换器5可供给发电的交流电力地连接。发动机主体21是产生推进船舶的推进力的柴油发动机。本实施方式中,作为船舶的主推进发动机,适用通常使用的二冲程循环的柴油发动机并说明。发动机主体21为在多个气缸内使用增压的空气使从外部供给的柴油燃料燃烧, 由此使活塞往复运动产生旋转驱动力的结构。在发动机主体21的周围,作为附属的设备配置有混合增压器3、空气冷却器22、扫气室23、废气集合管M。另外,在发动机主体21上设有向推进器沈传递旋转驱动力的输出车由25 ο空气冷却器22对由混合增压器3增压的进气空气进行冷却。在空气冷却器22上连接有供给由混合增压器3的压缩机32增压过的进气空气的流路。另外,构成为使由空气冷却器22冷却的增压的进气空气流入扫气室23。扫气室23是向发动机主体21供给增压的进气空气的空间。构成为向扫气室23从空气冷却器22流入冷却的增压的进气空气。另外,扫气室 23成为将增压的进气空气积蓄在内部并向气缸等内部分别供给增压的进气空气的结构。废气集合管M是将从发动机主体21排出的废气汇集并导向船舶外部的配管。构成为将由气缸等内部的燃烧产生的废气分别流入废气集合管M。另外,废气集合管M构成为将废气的一部分供给到混合增压器3的涡轮31。输出轴25将由发动机主体21产生的旋转驱动力传递给推进器26。
输出轴25构成为在与轴电动发电机4之间可进行旋转驱动力的传递。即,构成为从输出轴25向轴电动发电机4可传递旋转驱动力,同时从轴电动发电机4向输出轴25可传递旋转驱动力。推进器沈通过旋转驱动产生船舶的推进力。轴电动发电机4是通过旋转驱动产生交流电力的发电机,同时也是从外部接受交流电力的供给产生旋转驱动力的电动机。换而言之,是发电机和电动机可逆的轴电动发电机。轴电动发电机4构成为在与轴电动发电机4之间可进行旋转驱动力的传递。另外, 轴电动发电机4可构成为对第2转换器6可供给交流电力,同时也可从第2转换器6接受交流电力的供给。第1转换器5将在增压器发电机34发电的交流电力变换成直流电力。另外,第1 转换器5输出与由第2转换器6变换的直流电力的电压同电压的直流电力。另一方面,第1转换器5构成为从增压器发电机34接受交流电力的供给。另外, 第1转换器5构成为利用DC总线(电线)10向逆变器7及第2转换器6的至少一方可供给直流电力。构成为将控制第1转换器5的控制信号从控制单元8输入到第1转换器5。这里,由第1转换器5变换的直流电力的电压和由第2转换器6变换的直流电力的电压相同是指不仅这些电压是相同电压的情况,而且也是指包含于以一个逆变器可对应的电压的范围的情况。DC总线10将第1转换器5及逆变器7、第2转换器6及逆变器7、第1转换器5和第2转换器6电连接。第2转换器6将在轴电动发电机4中发电的交流电力变换成直流电力,将从第1 转换器5供给的直流电力变换成交流电力。另外,第2转换器6输出与由第1转换器5变换的直流电力的电压同电压的直流电力。另一方面,第2转换器6构成为从轴电动发电机4接受交流电力的供给,并且从第 1转换器5经由DC总线10接受直流电力的供给。另外,第2转换器6构成为经由DC总线 10可向逆变器7供给直流电力。构成为将控制第2转换器6的控制信号从控制单元8输入到第2转换器6。逆变器7将由第1转换器5及第2转换器6变换的直流电力变换成规定频率(例如50Hz或60Hz)的交流电力。逆变器7构成为经由DC总线从第1转换器5及第2转换器6接受直流电力的供给。另一方面,逆变器7构成为可向船内电力系统9供给交流电力。构成为将控制逆变器7的控制信号从控制单元8输入到逆变器7。控制单元8控制第1转换器5、第2转换器6及逆变器7。换言之,控制增压器发电机34的发电量和轴电动发电机4分担的发电量。另外,控制单元8控制将轴电动发电机4作为发电机使用或是作为电动机使用。接着,说明上述结构构成的柴油发动机系统1的动作。首先,说明对发动机主体21的负荷低的情况下的柴油发动机系统1的动作,然后, 说明对发动机主体21的负荷高的情况下的柴油发动机系统1的动作。
如图1所示,在对发动机主体21的负荷低的情况下,从发动机主体21排出到废气集合管M的废气流量减少,从废气集合管M供给到混合增压器3的涡轮31的废气流量也减少。于是,混合增压器3的旋转轴33的旋转速度变慢,由压缩机32增压的进气空气的流量也减少。另一方面,增压器发电机34的发电量也减少,小于船舶的电力需要量。因此, 电力需要量不足的部分通过由轴电动发电机4发电的电力补充。为了与吸入压缩机32的空气温度相同,设于混合增压器3的增压器发电机34产生的发电量对发动机主体21的燃料效率造成影响。因此,控制单元8在考虑发动机主体21 的燃料效率的同时,适当进行增压器发电机34的发电量及轴电动发电机4的发电量的比例 (分担)的控制。具体而言,控制单元8对于第1转换器5输出将由增压器发电机34发电的交流电力变换成直流电力的控制信号,对于第2转换器6输出将由轴电动发电机4发电的交流电力变换成直流电力的控制信号。另外,控制单元8对于逆变器7输出将直流电力变换成交流电力的控制信号。这里,由增压器发电机34发电的交流电力的频率与混合增压器3的旋转轴33的旋转速度成比例地变化,由轴电动发电机4发电的交流电力的频率与输出轴25的旋转速度成比例地变化。因此,在将由增压器发电机34及轴电动发电机4发电的交流电力向船内电力系统9供给的情况下,经由第1转换器5及第2转换器6及逆变器7变换成所定频率的交流电力。由此,由增压器发电机34发电的交流电力在第1转换器5中被变换成直流电力。 另一方面,由轴电动发电机4发电的交流电力在第2转换器6中被变换成直流电力。这样变换的直流电力经由DC总线10供给到逆变器7,在变换成规定频率的交流电力后供给到船内电力系统9。另外,不仅在对发动机主体21的负荷低的情况,而且在因故障而不能进行增压器发电机34的发电的情况下,也进行上述动作。如图1所示,在对发动机主体21的负荷高的情况下,从发动机主体21排出到废气集合管M的废气的流量增大,从废气集合管M供给到混合增压器3的涡轮31的废气的流量也增大。于是,混合增压器3的旋转轴33的旋转速度变快,由压缩机32增压的进气空气的流量也增大。另一方面,增压器发电机34的发电量也增大,大于船舶的电力需要量。因此, 由增压器发电机34发电的剩余电力被供给到轴电动发电机4。为了发动机主体21的燃料消耗为最少,控制单元8适当进行增压器发电机34的发电量及轴电动发电机4的输出的控制。具体而言,控制单元8对于第1转换器5输出将由增压器发电机34发电的交流电力变换成直流电力的控制信号,对于逆变器7输出将直流电力变换成交流电力的控制信号。另一方面,对于第2转换器6输出将直流电力变换成交流电力的控制信号。由第2转换器6变换的交流电力的频率受到控制,以使轴电动发电机4的转速适合辅助输出轴25的旋转驱动的转速。由此,由增压器发电机34发电的交流电力在第1转换器5中被变换成直流电力。变换的直流电力经由DC总线10供给到逆变器7,在变换成规定频率的交流电力后,供给到船内电力系统9。另一方面,由增压器发电机34发电的电力中的剩余部分在第1转换器5中被变换成直流电力后,经由DC总线10供给到第2转换器6。在第2转换器6中,将直流电力变换成交流电力并供给到轴电动发电机4。接受了交流电力的供给的轴电动发电机4旋转驱动输出轴25。由此,输出轴25通过发动机主体21及轴电动发电机4双方被旋转驱动。换言之, 产生船舶所需要的推进力的旋转驱动力由发动机主体21及轴电动发电机4分担。因此,与只由发动机主体21产生旋转驱动力的情况相比较,发动机主体21所要求的旋转驱动力降低。根据上述结构,可以由增压器发电机34及轴电动发电机4进行发电。因此,即使在增压器发电机34的发电量小于船舶的电力需要量的情况、或增压器发电机34由于故障不能发电的情况下,也能够将由轴电动发电机4发电的电力供给到船舶。S卩,不需要额外使用上述柴油发电机,不需要确保柴油发电机起动所需要的时间。 另外,不需要向柴油发电机供给燃料。其结果,可以抑制在柴油发动机系统1中损害混合增压器3的导入带来的节能效^ ο在增压器发电机34的发电量大于船舶的电力需要量的情况下,将由增压器发电机34发电的电力的一部分经由第1转换器5及第2转换器6供给到轴电动发电机4,由此, 轴电动发电机4可以旋转驱动并辅助输出轴25。由此,由输出轴25传递的旋转驱动力通过发动机主体21及轴电动发电机4供给, 发动机主体21的负荷减轻。其结果,能够减少发动机主体21的燃料消耗。通过将由第1转换器5及第2转换器6变换的直流电力的电压设为相同,可以将若电压不同则每种电压需要两个逆变器的情况设成一个逆变器7的情况。因此,可以削减本实施方式的柴油发动机系统1的成本及设置空间。
权利要求
1.内燃机系统,设有 内燃机,产生旋转驱动力;增压器,接受从该内燃机排出的废气供给,将所述内燃机的吸入空气增压; 输出轴,由所述内燃机旋转驱动;第一发电机,在与所述增压器的旋转轴之间可传递旋转驱动力地连接,进行发电; 第二发电机,在与所述输出轴之间可传递旋转驱动力地连接,进行发电及所述输出轴的驱动;第一转换器,将由所述第一发电机发电的交流电力变换成直流电力; 第二转换器,将由所述第二发电机发电的交流电力持续变换成与由所述第一转换器变换的直流电力同电压的直流电力、或将由所述第一转换器变换的直流电力变换成交流电力并供给到所述第二发电机。
2.如权利要求1所述的内燃机系统,所述第一转换器及所述第二转换器通过电气布线电连接。
3.如权利要求1或2所述的内燃机系统,还设有逆变器,将由所述第一转换器及所述第二转换器的至少一方变换的直流电力变换成交流电力并供给外部。
4.设有权利要求1 3中任一项所述的内燃机系统的船舶。
全文摘要
公开了内燃机系统,第1发电机(34)通过增压器(3)的旋转轴(33)旋转驱动进行发电。第2发电机(4)进行发电及输出轴(25)的驱动。第1转换器(5)将第1发电机(34)发电的交流电力变换成直流电力。第2转换器(6)将第2发电机(4)发电的交流电力持续变换成与由第1转换器(5)变换的直流电力同电压的直流电力的变换为直流电力、或将第1转换器(5)变换的直流电力变换成交流电力并供给到第2发电机(4)。逆变器(7)将第1转换器及第2转换器(5、6)的至少一方变换的直流电力变换成交流电力。
文档编号H02P9/04GK102577088SQ201080042499
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月24日 优先权日2009年9月25日
发明者冈部雅彦, 白石启一 申请人:三菱重工业株式会社
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