内燃机的增压器剩余动力回收装置及船舶的制作方法

本发明涉及一种内燃机的增压器剩余动力回收装置及船舶。

背景技术：

以往，在诸如柴油发动机或燃气发动机的内燃机中，增压器(涡轮增压机)的涡轮由发动机的排气旋转驱动，由被旋转驱动的涡轮旋转的压缩机提高供气密度从而提高发动机的输出。

然而，即使通过安装增压器来有效地利用排气能量，当发动机处于高负荷时(高输出时)排气能量也会过剩，利用这些剩余的排气能量而不浪费不仅能够提高燃料消耗率，而且从环境保护的方面也强烈要求利用剩余的排气能量。

作为有效地利用发动机剩余排气能量的装置，已知一种增压器剩余动力回收装置(专利文献1)，该增压器剩余动力回收装置通过连接到增压器并由增压器旋转驱动的油压泵产生油压，并且将该油压供应到油压机构以作为用于驱动内燃机的操作装置的驱动源。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利第6012810号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在增压器剩余动力回收装置应用于例如低速二冲程发动机情况下，当发动机的负荷率低时，由增压器向发动机供应空气容易不足。因此，在一般情况下，通过将吸入空气的电动鼓风机作为辅助鼓风机安装在发动机的扫气通道中来确保扫气压压。该辅助鼓风机在发动机启动之前被启动，但是随着发动机的负荷率增加，增压器的供气的贡献增加，因此进行控制使得当扫气压超过某个设定值时停止辅助鼓风机。当发动机长时间保持在低负荷状态时，辅助鼓风机也长时间运转，因此用于驱动辅助鼓风机的耗电量不可忽视，并且长时间驱动辅助鼓风机的电动机的磨损也在进行，因此寿命缩短。

因此，本发明的目的在于提供一种增压器剩余动力回收装置，该增压器剩余动力回收装置使用由增压器的旋转而被旋转的油压泵产生的油压的一部分，用于操作用于驱动内燃机的操作装置，能够有效地辅助增压器向发动机供气。

为解决课题的技术手段

本发明的一个方式是内燃机的增压器剩余动力回收装置。该内燃机的增压器剩余动力回收装置包括：

内燃机，通过电子控制由油压操作的操作装置来驱动；

增压器，设置在所述内燃机的排气通道中，并且由所述内燃机的排气旋转驱动，以向所述内燃机的进气管供应被增压的供气；

第一油压泵，连接到所述增压器并由所述增压器旋转驱动以产生油压；

第二油压泵，通过所述内燃机的曲轴的旋转而被旋转驱动，以产生油压；

油通道，连接所述第一油压泵和所述第二油压泵与所述操作装置；以及

控制器，电子控制所述操作装置，并控制所述第一油压泵和所述第二油压泵的驱动，

所述控制器根据所述内燃机的驱动状态选择性地执行辅助控制和动力回收控制中的一种控制，

在所述辅助控制中，为了辅助所述增压器的旋转，将所述第一油压泵用作油压马达，利用由所述第二油压泵产生的油压驱动所述油压马达，在驱动所述油压马达时，所述第二油压泵向所述油压马达不多不少地供应针对所述内燃机的每个负荷率确定的所述油压马达所需的油压量，由此驱动所述油压马达，

在所述动力回收控制中，所述控制器控制所述第一油压泵的油压产生量，使得由所述第一油压泵产生的油压产生量对应于包括用于操作所述操作装置的油压的用于驱动所述内燃机所需的必要油压量。

优选地，在执行所述辅助控制时，用于操作所述操作装置的油压源是由所述第二油压泵产生的油压的一部分。

优选地，在所述辅助控制中所述控制器控制所述第二油压泵以产生与用于所述操作装置的操作所需的第一油压量和用于驱动所述油压马达所需的第二油压量的总量对应的油压，并且分别向所述操作装置和所述油压马达不多不少地分配所述第一油压量和所述第二油压量。

优选地，所述控制器保持参考表，所述参考表中定义了所述油压马达对所述内燃机的每个负荷率使用的必要油压量，并且在所述辅助控制时，通过参考所述参考表，通过从所述内燃机的当前负荷率获得当前所述油压马达使用的必要油压量，由此确定所述第二油压泵的油压产生量。

优选地，所述内燃机中设定有限制，使得所述内燃机的曲轴的转数不会在预定转数范围内停留预定时间，

当所述曲轴的转数通过所述转数范围时，所述控制器执行所述辅助控制以满足所述限制。

另外，根据本发明的另一方式是一种船舶，其特征在于，搭载所述内燃机的增压器剩余动力回收装置，所述内燃机是船舶的推进用发动机。

发明的效果

根据上述增压器剩余动力回收装置及搭载该装置的船舶，可以在不使用辅助鼓风机的情况下有效地辅助通过增压器向发动机供气。

附图说明

图1是示出本实施方式的增压器剩余动力回收装置的主要结构的图。

图2是示出本实施方式中使用的内燃机处于低负荷率时的油压流动的一例的图。

图3是示出本实施方式中使用的内燃机处于中负荷率时的油压流动的一例的图。

图4是示出本实施方式中使用的内燃机处于高负荷率时的油压流动的一例的图。

图5是示出由本实施方式的控制器保持的内燃机的负荷率与由油压马达使用的油压的对应表的例的图。

具体实施方式

下面将详细描述根据本发明的内燃机的增压器剩余动力回收装置及船舶的一个实施方式。

图1是示出本实施方式的增压器剩余动力回收装置(以下称为回收装置)100的主要结构的图。

回收装置100是内燃机1上附带设置的装置。回收装置100中，连接到增压器5并且由增压器5旋转驱动的油压泵10产生油压，并且将该油压作为用于驱动内燃机的操作装置(例如，排气阀或燃料喷射阀)的驱动源的油压来供应。回收装置100的这种处理被称为排气能量回收处理。下面，将描述回收装置100和排气能量回收处理。

回收装置100主要包括内燃机1、增压器(第一增压器)5、油压泵10、油压机构20、控制器50以及油压控制单元51。

内燃机1没有特别限制，例如，可以列举搭载在船舶上的用于推进的低速二冲程柴油发动机(动力源，内燃机)。内燃机1是电子控制发动机，所述电子控制发动机通过油压电子控制用于驱动内燃机1所需的诸如排气阀、燃料喷射阀等的操作装置。在内燃机1设置有增压器5。

增压器5由内燃机1的排气旋转驱动并且将增压到内燃机1的进气管的供气供应到内燃机1中。具体地，增压器5包括压缩机6和涡轮7。压缩机6和涡轮7通过旋转轴8连接。涡轮7由内燃机1的排气旋转驱动，并且涡轮7的旋转传递到旋转轴8从而压缩机6旋转。由此，内燃机1的供气密度增加并且发动机的输出得以提高。

并且，增压器5不必限于单级。另外，内燃机1不限于船舶用发动机，并且内燃机1的类型也不限于低速二冲程柴油发动机。包括以天然气、城市燃气等为燃料的燃气发动机以及所有其他形式的电子控制发动机。

如图1所示，变速器9连接到增压器5的旋转轴8，并且可变容量型油压泵(第一油压泵)10连接到变速器9。变速器3连接到内燃机1的曲轴2的一端，并且可变容量型发动机驱动油压泵(第二油压泵)11连接到变速器3。即，发动机驱动油压泵11通过内燃机1的曲轴2的旋转而被旋转驱动以产生油压。

发动机驱动油压泵11可以直接连接到内燃机1的曲轴2，而无需设置变速器3。另外，虽然上述油压泵10和发动机驱动油压泵11在图1中均是一台，但它们仅是一例，可以使用多台。

油压泵10和发动机驱动油压泵11组装在油压机构20中。

油压机构20是用于向包括内燃机1的操作装置的油压控制单元51供应油压以操作操作装置以驱动内燃机1的机构。油压机构20包括油通道21、22、23、24、26、27、第一止回阀机构30、第二止回阀机构35、电磁开关阀机构44以及启动用油压泵53。

在油压机构20中，发动机驱动油压泵11的一个排出口11a连接到油通道21，并且经由第一止回阀机构30和油通道23连接到内燃机1的操作装置的油压控制单元51。发动机驱动油压泵11向油压控制单元51供应油压。第一油通道由油通道21、22、23形成。发动机驱动油压泵11的另一个排出口11b经由油通道24连接到油压泵10的一个排出口10b。

油压泵10连接到增压器5并由增压器5旋转驱动以产生油压。油压泵10的另一个排出口10a连接到油通道26并且依次经由第二止回阀机构35、油通道27和油通道23连接到内燃机1的油压控制单元51。油压泵10向油压控制单元51供应油压。并且还依次经由从油通道27分支的油通道22、第一止回阀机构30和油通道21连接到发动机驱动油压泵11的一个排出口11a。

油压泵10的排出口10a、10b和发动机驱动油压泵11的排出口11a、11b都是排出口。然而，实际上，如后面将描述，油压泵10和发动机驱动油压泵11也可以用作油压马达，并且根据操作状态，排出口10a和排出口10b中的一个以及排出口11a和排出口11b中的一个作为油压的排出口，另一个作为油压的进入口，然而在本实施方式中，为了方便起见，将它们全部称为排出口。

第一止回阀机构30具有止回解除功能：未示出的电磁切换阀在控制器50的控制下被切换，从而允许油压从油通道22回流到油通道21，即从油通道22回流到发动机驱动油压泵11。

在该止回解除功能关闭的情况下，第一止回阀机构30具有通常的止回功能：允许油压从发动机驱动油压泵11经由油通道21被供应到油压控制单元51的同时防止油压从油通道22回流到发动机驱动油压泵11。

另一方面，在该止回解除功能打开的情况下，如上所述，第一止回阀机构30允许油压从油通道22回流到发动机驱动油压泵11。另外，蓄能器可以设置在发动机驱动油压泵11和第一止回阀机构30之间。该蓄能器吸收伴随海浪、排气阀驱动、燃油喷射等产生的油压波动。

第二止回阀机构35具有止回解除功能：在控制器50的控制下允许油压从油通道27回流到油通道26，即允许油压从油通道27回流到油压泵10。

在该止回阀释放功能关闭的情况下，第二止回阀机构35具有通常的止回功能：允许油压从油压泵10经由油通道26被供应到油压控制单元51和第一止回阀机构30的同时防止油压从油通道27回流到油通道26，即防止油压从油通道27回流到油压泵10。另一方面，在该止回解除功能打开的情况下，如上所述，第二止回阀机构35允许油压从油通道27回流到油通道26，即允许从油通道27回流到油压泵10。

电磁开关阀机构44设置在油通道26和油通道24之间，可以通过打开电磁开关阀机构44，油通道26中的油压被排出到油通道24，从而释放油压。排出机构由油通道26、电磁开关阀机构44和油通道24构成。

启动用油压泵53连接到电动机52。启动用油压泵53在内燃机1启动时被旋转驱动，以将油压供应到油压控制单元51。

并且，操作油从操作油源从油通道24供应到油压机构20。

控制器50是电子控制包括操作装置的油压控制单元51并控制油压泵10和发动机驱动油压泵11的驱动的部分。

控制器50获取关于内燃机1的负荷率的信息。控制器50根据需要通过传感器检测例如供气的吸入温度、增压器5的下游侧的扫气压等。根据内燃机1的负荷率，并且根据需要根据检测的扫气压和吸入温度等，电子控制油压泵10、发动机驱动油压泵11、第一止回阀机构30、第二逆截止阀机构35和电磁开关阀机构44的操作。并且，控制器50可以使用除了上述负荷率、扫气压和吸入温度之外的参数来控制油压泵10、发动机驱动油压泵11、第一止回阀机构30、第二止回阀机构35、电磁开关阀机构44、控制阀等的操作。

油压控制单元51由诸如用于驱动内燃机1的排气阀、燃料喷射阀的由油压操作的操作装置构成，并且这些操作装置由控制器50电子控制。

所述控制器50执行辅助控制，在所述辅助控制中，为了辅助增压器5的旋转，将油压泵10用作油压马达，利用由发动机驱动油压泵11产生的油压来驱动所述油压马达，在驱动该油压马达时，发动机驱动油压泵11向油压马达不多不少地供应针对内燃机的每个负荷率确定的油压马达所需的油压量，由此利用针对内燃机1的每个负荷率确定的油压量来驱动所述油压马达。另外，控制器50还执行用于控制油压泵10的油压产生量的动力回收控制，使得由油压泵10产生的油压量对应于用于驱动包括用于操作油压控制单元51的油压的内燃机1所需的必要油压量。控制器50根据内燃机1的驱动状态选择性地执行所述辅助控制和所述动力回收控制。内燃机1的驱动状态包括内燃机1的负荷率或曲轴2的转数。

作为一例，本实施方式的回收装置100的如下进行动作。

在启动内燃机1时，控制器50关闭第一止回阀机构30的止回解除功能的同时关闭第二止回阀机构35的止回解除功能。另外，关闭电磁开关阀机构44。

因此，第一止回阀机构30防止油压从油通道22回流到油通道21，并且第二止回阀机构35防止油压从油通道27回流到油通道26。并且，控制器50使电动机52旋转驱动以使启动用油压泵53产生用于启动油压控制单元51所需的油压，并将该油压供应到油压控制单元51。

接着，当内燃机1处于低负荷时，例如，从启动到35％的负荷率期间，控制器50关闭第一止回阀机构30的止回解除功能的同时打开第二止回阀机构35的止回解除功能。因此，允许油压从油通道27回流到油通道26。

如图2所示，由发动机驱动油压泵11产生的油压依次经由油通道21、第一止回阀机构30、油通道22和油通道23被供应到油压控制单元51。在这种情况下，由发动机驱动油压泵11产生的油压中的一部分油压依次经由油通道21、第一止回阀机构30、油通道22、油通道27、第二止回阀机构35和油通道26被供应到油压泵10的排出口10a，并辅助油压泵10的旋转。在这种情况下，油压泵10用作油压马达。即，控制器50执行辅助控制。

并且，油压泵10是可变容量型油压泵，并且通过该可变机构，即使在从排出口10a油压的回流的情况下也可以使增压器5正转。图2是用于说明内燃机1处于低负荷率时的油压流动的一例的图。

根据需要，控制器50读取由传感器检测的供气的吸入温度、增压器5的下游侧的供气通道的扫气压等。另外，控制器50内设定针对内燃机1的每个负荷率的用于辅助增压器5所需的动力。即，为了辅助增压器5的旋转，控制器50将油压泵10用作油压马达，利用由发动机驱动油压泵11产生的油压来驱动油压马达。在驱动油压马达时，控制器50执行辅助控制以利用针对内燃机1的每个负荷率确定的油压量来驱动油压马达。因此，根据一个实施方式，优选的是，油压控制单元51使用的油压是由发动机驱动油压泵11产生的油压，并且不供应任何其他油压。另外，根据一个实施方式，优选的是，油压泵10使用的油压是由发动机驱动油压泵11产生的油压，并且不供应任何其他油压。在这种情况下，优选的是，油压控制单元51使用的油压量和油压泵10使用的油压量的总量等于由发动机驱动油压泵11产生的油压量。即，由发动机驱动油压泵11产生的油压分配到油压控制单元51使用的油压和油压泵10使用的油压，并且不供应到其他部分。

接着，当内燃机1处于中负荷时，例如，在负荷率为35％至50％期间，控制器50关闭第一止回阀机构30的止回解除功能的同时打开电磁开关阀机构44。

如图3所示，当打开电磁开关阀机构44时，由油压泵10产生的油压从油通道26经由电磁开关阀机构44被排出到油通道24而被释放，从而油通道26中的压力降低，因此油压不会从油通道26通过第二止回阀机构35流动到具有高压的油通道27。在这种情况下，由增压器5旋转驱动的油压泵10变成所谓的无负荷运转，但是为了冷却系统而排出规定压力的油压。图3是用于说明内燃机1处于中负荷率时的油压流动的一例的图。

另一方面，如图3所示，由发动机驱动油压泵11产生的油压经由油通道21、第一止回阀机构30、油通道22和油通道23被供应到油压控制单元51。虽然由发动机驱动油压泵11产生的油压相对较高，但由于控制器50关闭第二止回阀机构35的止回解除功能，因此通过第二止回阀机构35的止回功能，油通道27的油压不会通过第二止回阀机构35流动到油通道26。

如上所述，当内燃机1处于中负荷时，例如，在负荷率为35％至50％期间，油压泵10处于无负荷运转，并且油压控制单元51所需的油压仅使用由发动机驱动油压泵11产生的油压。即，由发动机驱动油压泵11产生的油压作为油压控制单元51使用的油压来供应，而不供应到其他部分。根据一个实施方式，优选的是，油压控制单元51使用的油压是由发动机驱动油压泵11产生的油压，并且不接受其他油压供应。

接着，当内燃机1处于高负荷时，例如，当负荷率为50％以上时，控制器50打开第一止回阀机构30的止回解除功能，并且关闭第二止回阀机构35的止回解除功能。另外，控制器50关闭电磁开关阀机构44。

因此，第一止回阀机构30允许油压从油通道22回流到油通道21，即，允许油压从油通道22回流到发动机驱动油压泵11。另外，第二止回阀机构35允许油压从油通道26流动到油通道27，并且通过止回功能防止油压从油通道27流动到油通道26。

因此，如图4所示，由油压泵10产生的油压依次经由油通道26、第二止回阀机构35、油通道27和油通道23被供应到油压控制单元51。例如，当负荷率为50％以上时，可以从油压泵10供应油压控制单元51所需的所有油压。即，由油压泵10产生的油压作为油压控制单元51使用的油压来供应，而不供应到其他部分。根据一个实施方式，优选的是，油压控制单元51使用的油压是由油压泵10产生的油压，并且不接受其他油压供应。

另外，当内燃机1处于高负荷时，油压泵10可以产生油压控制单元51所需的油压的例如两倍程度的油压。因此，如图4所示，由油压泵10产生的油压依次经由油通道26、第二止回阀机构35、油通道27、油通道22、第一止回阀机构30和油通道21被供应到发动机驱动油压泵11的排出口11a，以辅助发动机驱动油压泵11的旋转。

即，由油压泵10产生的油压辅助发动机驱动油压泵11所连接的内燃机1的旋转。

图4是用于说明内燃机1处于高负荷率时的油压流动的一例的图。

即，控制器50按照由油压泵10产生的油压量与包括用于操作油压控制单元51的油压的为驱动内燃机1所需的油压的所需量相应的方式执行用于控制油压泵10的油压产生量的动力回收控制。即，根据一个实施方式，优选的是，油压控制单元51使用的油压是由油压泵10产生的油压，并且不接受其他油压供应。另外，根据一个实施方式，优选的是，由发动机驱动油压泵11使用的油压是由油压泵10产生的油压，并且不接受其他油压供应。在这种情况下，油压控制单元51使用的油压量和发动机驱动油压泵11使用的油压量的总量优选等于油压泵10产生的油压量。即，由油压泵10产生的油压通过分配到油压控制单元51使用的油压和发动机驱动油压泵11使用的油压来供应，并且不供应到其他部分。

通过这种方式，回收装置100执行排气能量回收处理，将所回收的能量使用于辅助内燃机1的驱动，从而可以提高内燃机1的燃料消耗率。

另外，油压泵10不一定是可变容量型油压泵，可以是固定排量型油压泵。如果是固定容量类型油压泵，则可以显著节省空间。然而，当油压泵10是固定容量型油压泵时，由于从排出口的油压的回流而不能使泵正转，因此当油压机构20保持原样时，在低负荷时不能辅助增压器5。为了使内燃机1在低负荷、中负荷和高负荷时执行与回收装置100相同的驱动，需要部分地改变油压机构20的结构等，使得即使在油压回流时油压可以从通常油压进入口流入到泵。

如上所述，本实施方式的回收装置100将油压泵10用作油压马达执行执行辅助控制，以针对内燃机1的每个负荷率确定的油压来驱动油压马达。为了执行这种辅助控制，控制器50预先保持参考表，其中设定了与内燃机1的各负荷率对应的油压量。图5是示出控制器50保持的参考表的一例的图。在该图中，对应于5至25％的负荷率的油压量被确定为“a”至“e”(“a”至“e”表示数字)。这样的油压量是根据增压器5的压缩机6的特性确定的油压量，以实现根据内燃机1的负荷率而变化的扫气压。根据一个实施方式，优选的是，控制器50保持参考表，该参考表确定了油压马达(油压泵10)对内燃机1的每个负荷率使用的必要油压量，并且在辅助控制时，通过参考该参考表，通过从内燃机1的当前负荷率获得当前油压马达(油压泵10)使用的必要油压量，确定发动机驱动油压泵11的油压产生量。由控制器50确定的发动机驱动油压泵11的油压产生量是油压马达(油压泵10)使用的必要油压量和油压控制单元51所需的油压量的总量。

如上所述，根据内燃机1的负荷率将油压泵10用作油压马达时，确定油压马达应使用的油压量是因为在辅助控制时用于驱动油压马达的油压源和用于驱动油压控制单元51的油压源是同一发动机驱动油压泵11的油压，并且基于内燃机1的扫气压反馈控制用于驱动油压马达的油压时，增压器5的辅助容易变得过大，因此内燃机1的热负荷增加并且供应到油压控制单元51的油压量下降并且控制单元51所需的油压量可能不足。

如上所述，由于回收装置100通过辅助控制来辅助增压器5的旋转，因此从内燃机的启动到停止无需通常需要的辅助鼓风机。因此，无需用于驱动辅助鼓风机的电动机，并且也无需向电动机供电，从而可以降低发电机的发电容量。

当执行所述辅助控制时，用于操作油压控制单元51的油压源是由发动机驱动油压泵11产生的油压的一部分。在这种情况下，由于根据内燃机1的负荷率确定油压控制单元51的操作所需的油压量，因此至少发动机驱动油压泵11只要能够确保根据负荷率确定的油压控制单元51的操作所需的油压量和将油压泵10用作油压马达时通过油压马达的辅助旋转使油压马达旋转以达到预定的扫气压所需的油压量，则可以将由发动机驱动油压泵11产生的油压量不多不少地分配给油压控制单元51。

并且，优选的是，在辅助控制中，控制器50控制发动机驱动油压泵11以产生与用于油压控制单元51的操作所需的油压量和用于驱动用作油压马达的油压泵10所需的油压量的总量对应的油压，并且分别向油压控制单元51和用作油压马达的油压泵10不多不少地分配油压量。例如，控制器50优选地控制可变容量型的发动机驱动油压泵11的容量。

另外，优选的是，在内燃机1中，当设定内燃机1的曲轴2的转数未在预定转数范围内停留预定时间的限制时，曲轴2的转数通过转数范围时，控制器50执行辅助控制以满足上述限制。

通常，在柴油发动机中，曲轴中可能容易发生扭转振动，并且其被设计成由扭转振动产生的危险转数不在通常的转数范围内，而在曲轴的部分的振动模式中，在低振动频率的振动模式中，很容易发生上述柴油发动机的通常转数。容易发生这种振动的转数范围称为bsr(禁用速度范围)。因此，为了避免曲轴的破损，需要不以bsr长时间旋转曲轴。例如，当增大或减小曲轴的转数时，优选的是转数快速通过bsr。然而，近年来，例如在船舶中，由于使用发动机输出小的发动机的设计很多，因此难以加速转数以使得曲轴的转数能够快速地通过bsr。在这种情况下，通过所述辅助控制，可以提高内燃机1的响应性，并且曲轴2的转数可以在早期通过bsr。

例如，回收装置100搭载在船舶上，内燃机1优选的是该船舶的推进用发动机。由于该船舶执行排气能量回收处理，除了提高内燃机1的燃料消耗率之外，通过增压器5的辅助控制使得可以通过增压器有效地向发动机供气而不使用辅助鼓风机，因此可以降低船舶的发电容量。另外，由于通过增压器5的旋转而旋转的油压泵10产生的油压被用作油压控制单元51的驱动源，因此可以有效地利用排气能量。

上述回收装置100仅是一例，并且基于本发明的思想可以进行各种变形，并且这些变形不应排除在本发明的范围。另外，在上述回收装置100中，将35％为止的负荷作为低负荷，将35％至50％的负荷作为中负荷，将50％以上的负荷作为高负荷。但是，这仅是一例，可以根据内燃机的类型、使用方式等而不同，并不限于此。

附图标记说明

1：内燃机

2：曲轴

3：变速器

4：排气通道

5、150：增压器

6、160：压缩机

7、170：涡轮

8、180：旋转轴

9：变速器

10：油压泵

10a、10b、11a、11b：排出口

11：发动机驱动油压泵

20：油压机构

21、22、23、24、26、27油通道

30：第一止回阀机构

44：电磁开关阀机构

35：第二止回阀机构

50：控制器

51：油压控制单元

52：电动机

53：启动用油压泵