本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的船舶推进系统的改进方法。本发明进一步涉及一种如权利要求2的前序部分所述的船舶推进系统，和一种操作如权利要求15的前序部分所述的船舶推进系统的方法。
背景技术：
船舶推进系统通常包括主发动机以及辅助发动机，主发动机以及辅助发动机燃烧燃料，燃料如重油、柴油、瓦斯或汽油。随着环境标准的提高，针对这种燃料在燃烧期间产生的排放物的规定变得越来越严格。为了尽可能的实现经济性和省油的操作，除了追求较低水平的有毒废气物质外，另一个通用的目标还在于提高船舶的船舶推进系统的效率。
技术实现要素：
本发明的改进方法涉及一种船舶推进系统，该船舶推进系统具有至少一个内燃发动机，所述内燃发动机包括：用于燃烧燃料的燃烧室、用于向燃烧室内供应新鲜空气的进气道，和进气道内设有压缩机的涡轮增压器。内燃机或内燃机组可以构成主发动机、辅助发动机或发动机和辅助发动机的一部分。
因此，本发明所基于的通用船舶推进系统包括至少一个内燃发动机，该内燃发动机包括：用于燃烧燃料的燃烧室、用于向燃烧室内供应新鲜空气的进气道，和进气道内设有压缩机的涡轮增压器。由申请人开发的船舶推进系统在专利ep3124781b1中已经进行过描述，并且此船舶推进系统还包括电解设备和酒精箱，电解设备产生氢气和氧气供内燃机所用，酒精箱用于向内燃机提供酒精。通过添加氢气和氧气以及酒精化合物，可以有利地影响燃料的燃烧过程，其中，尤其可以减少煤烟的产生，且使得燃烧更加完全。
类似地，用于操作船舶推进系统的通用方法包括以下步骤：
-在(内)燃机的燃烧室中燃烧燃料，
-通过进气道向燃烧室供应新鲜空气，
-在进气道中通过涡轮增压器的压缩机压缩新鲜空气，
-通过电解设备产生用于内燃机的氢气和氧气，以及
-从酒精箱向内燃机供应酒精。
专利ep2438982a1中描述了一种在内燃机的进气中引入甲醇水混合物的系统。甲醇是通过电解获得的氢气产生的。专利de202007011u1中描述了一种内燃机，由燃料和水产生的混合物被喷射到该内燃机的燃烧室中。
可以认为本发明的目的是提供一种船舶推进系统、一种船舶推进系统的操作方法以及一种对船舶推进系统的改进方法，这使得特别有效和低排放的船舶推进成为可能。
该目标的船舶推进系统通过权利要求2的特征部分来实现，船舶推进系统的操作方法以及船舶推进系统的改进方法通过权利要求1和15的特征部分的方法来实现。
根据本发明的船舶推进系统和本发明的方法的有利变型是从属权利要求的目的，并且还会在下面的描述中阐明。
根据本发明前述的船舶推进系统的改进方法中，提供了一种与涡轮增压器/压缩机的压力侧连接的电解设备，该电解设备用于产生氢气和氧气。还提供了水箱和酒精箱，它们也与涡轮增压器/压缩机的压力侧连接。
类似地，根据本发明所述的通用船舶推进系统包括水箱，其中水箱和酒精箱连接至涡轮增压器/压缩机的压力侧，从而可以在此时供应水和酒精。电解设备也与涡轮增压器/压缩机的压力侧连接。
相应地，根据本发明所述的用于操作船舶推进系统的方法，压缩机的压力侧上的水箱用于供应水和酒精。压缩机的压力侧上的电解设备用于供应氢气和氧气。
通过将水(或来自水箱的水溶液)和液体形式的酒精注入到涡轮增压器下游的进气道中，可将进气冷却。由此可以输送大量的空气至燃烧室中。此外，在循环过程中，可以更早地点火并持续更长的时间，由此增加功率输出。有利地影响燃烧过程，从而减少了烟灰的产生。
通过在涡轮增压器工作之后添加氢气、氧气和酒精，与在涡轮增压器工作之前添加氢气相比，安全性得到了提高：在燃烧室回火的情况下，这些添加剂会点燃并引起火焰蔓延。如果在涡轮增压器的压力侧首先添加添加剂，则火焰不太可能扩散到涡轮增压器的压缩机的外部。除此之外，火焰可能会从压缩机的外部扩散到周围的机房，而机房为了保持通风，没有坚固的墙壁来保护。另一个安全优势来自以下事实：当内燃机关闭时，进气道中几乎没有可燃气体残留，因为几乎所有进气道压力区域引入的添加剂在凝结之前都被输送到燃烧室了。作为另一优点，在涡轮增压器的压力侧上引入的氢气和氧气遇到了强烈的涡旋，由此实现了在涡轮增压器工作之后，氢气和氧气充分混合并均匀地分布到了所有电机单元或气缸。
水箱和酒精箱可以通过混合容器连接到涡轮增压器的压力侧。这样就产生了水和酒精的混合物，然后用涡轮增压器下游的压力泵将其注入进气道。最开始获取混合物时，仅需要一个压力泵。由于压力泵和酒精箱通常必须防爆并满足较高的安全标准，因此可以节省大量成本。压力泵可配置为产生压力，该压力高于涡轮增压器的压力。为了能够将水-酒精混合物注入到涡轮增压器后面的压力区域中，这是权宜之计(thisisexpedient)。原则上，水箱和酒精箱也可共用箱形成，该共用箱中存放水和酒精的混合物，尤其是乳液。然而，通向混合容器的单独的箱体具有以下优点：可以改变水与酒精之间的混合比。此外，借助于混合容器可以避免乳液的长期稳定性的问题。
可以提供(电子)控制单元，并将其配置为可变地设置混合容器中的水-酒精混合比，即，可以将来自水箱的水量和来自酒精箱的引入混合容器中的酒精的量以可变方式设置。
可选地或额外地，控制单元可配置为，可变地设定电解气体与供应给内燃机的水和酒精之间的比例。根据电解设备的设计，氧气和氢气一起用作电解气体(相对于彼此以固定的比例)，或者将氧气和氢气从电解设备分开地抽出，使得两者之间的比例可调。
控制单元可以包括用于接收燃料信号的数据接口，该燃料信号指示当前正在向内燃机供应的燃料种类。关于燃料，有多种选择，如重油、瓦斯、汽油或柴油。根据船舶航行所在的海域，可以提供燃料的替代品。用于提供给电解气体的水和酒精的比例以及数量取决于当前燃烧的燃料。因此，控制单元可以根据燃料信号改变电解气体与水、酒精之间的比例。
可选地或额外地，数据接口还可用于接收其他参数，这取决于控制单元改变电解气体与水和酒精之间的比例的方式。特别地，可以设置排气温度传感器，并且控制单元根据所测量的排气温度来改变电解气体与水和酒精之间的比例。较高的排气温度表明增压空气(即由涡轮增压器压缩的空气)可以被更大程度地冷却。因此，控制单元尤其可以配置为在较高的排气温度的情况下添加更多的酒精和/或水。通过其他温度传感器可以进行更精细的调节。例如，可以考虑内燃机所在的发动机室中的温度。
电解设备可以被设计的经济高效，以便将氢气和氧气收集在一起并通过同一根管道进行输送。鉴于船舶防爆区域中有关管道供应管线的高安全要求，这可以表明相关的成本优势，这将在下面进行详细介绍。可选的，可以设置电解设备，使得氢气和氧气经由单独的管线输送。在这种情况下，有利地，控制单元还可配置为，可变地设定供应给内燃机的氢气和氧气之间的比例。
可以设置增压空气冷却器，该增压空气冷却器设置在涡轮增压器的压力侧上冷却增压空气。原则上，当以通过添加水-酒精混合物进行冷却代替通过增压空气冷却器进行冷却时，可以获得更好的结果。因此，控制单元可配置为，控制增压空气冷却器的冷却输出，增压空气冷却器的冷却输出取决于所添加的酒精和水的量，并且特别是与所添加的酒精和水的量成反比。例如，可以根据功率输出而节流(throttlesasafunction)的控制阀或者通过增压空气冷却器的泵的速度来控制增压空气冷却器。可以规定，增压空气冷却器仅在没有水-酒精混合物供应给内燃机时，以最大的冷却功率运行。例如，当禁止供应水-酒精的部件进行维护时，可能会出现这种情况。内燃发动机的工作温度也不应太低，否则会导致发动机凝结的风险。如果由于这个原因要减少冷却输出，可以规定关闭增压空气冷却器，而不停止水-酒精的供应。
由于船舶的高安全性要求，不允许对闪点低的物质使用单壁管道。但是，双壁金属管会带来更大的额外成本，尤其是在弯曲的双壁管区域的情况下。当水-酒精供应管采用外金属管和内管的双层壁，水-酒精供应管一端与混合容器连接，另一端与涡轮增压器压力侧连接时，可以节省大量成本。可选的，可以用这种方式形成来自酒精箱的供应管、一个或多个用于电解气体的供应管。该管道可以由塑料或某种其他非金属材料制成。它具有柔韧性和易弯性，因此很容易引入(anintroductioninto)外部金属管。在外部金属管和内部管道之间会产生真空或负压，其中压力传感器可以通过压力的变化推断出管泄漏。相反地，在外部金属管和内部管道之间使用保护气体(例如氮气)也是有利的，其中，压力尤其高于大气压力。控制单元可以控制压力泵，以使水-酒精供应管中的压力比保护气体的压力高预定的最小值，例如至少高出1bar。与负压相比，保护气体对管提供反压，从而降低了管的渗透性。而且，保护气体的较高压力促进了任何渗透水-酒精混合物的冷凝，这些冷凝水可以冷凝形式被收集和检测在较低的捕获区或虹吸管中。这可能比压力传感器更可靠。
内燃机燃烧的燃料(例如重油)越多，应添加的电解气体就越多。电解设备的尺寸的经济性很重要，因此应为要供应的内燃机提供理想的电解设备尺寸。原则上，可以确定电解设备的尺寸，从而可以产生越来越多的电解气体，并将其添加到内燃机的满负荷运行中。然而，出于安全原因，船舶的内燃机通常能够比正常情况下所需的功率输出大得多。因此，很少有船舶推进系统以最大功率输出(满负荷状态)的85％以上运行的。因此，足够大地构造电解设备的尺寸，以使得其在供应内燃机电解气体的最大输出已经达到最大功率输出的85％(或更一般地在70％至90％之间的值)。这样，可以将电解设备设计为较小，而不会在正常操作期间发生效率损失。在该实施例中，控制单元可配置为，经由其数据接口接收内燃机的当前功率输出的指示，并且按比例增加对供应给内燃机的氢气和氧气的量的设置，以达到所指示的当前功率输出的大小。电解设备的尺寸在此进行配置，以便控制单元在达到功率输出阈值时，已经设置了氢气和/或氧气的最大可生产量，该功率输出阈值介于内燃机的满负荷运行的70％和90％之间。
对于辅助柴油机，通常可以直接在发动机上确定指示的功率输出。对于主发动机，传感器记录在传动轴上有多少功率传递到水中。结合主发动机的轴发电机输出功率的知识，可以计算出内燃机的当前负载运行。
为了将来自电解设备的氢气和氧气引入到涡轮增压器后面的压力区域中，氢气和氧气的压力必须高于该压力区域中的增压空气压力。然而，为此目的的压力泵将非常昂贵，因为由于氢气的可燃性仅允许使用防爆泵。因此可优选地使用电解设备来建立压力。因此，电解设备或其槽(cells)形成为压力室，即形成为密闭的容器，在其中产生的电解气体增加压力。至少一个控制阀可以连接到用于产生氧气和/或氢气的电解设备的出口，其中，只有当电解设备中的压力超过设定的开启压力时，该控制阀才打开与涡轮增压器压力侧的连接。控制单元可以根据设置在涡轮增压器后面的增压空气压力来设定开启压力，例如，使得该开启压力总是比增压空气压力的阈值要高(例如0.5bar)。
通常，提供了多个内燃发动机，其可以是船舶的主发动机和/或一个或多个辅助发动机。例如，可以根据区域来改变是在更大程度上操作主发动机还是辅助发动机，所以如果电解设备和水-酒精供给装置以可选的方式，为主发动机或辅助发动机服务是有利的。在一种可选的实施例中，电解设备和混合容器(或水箱和酒精箱)既连接到主发动机又连接到辅助发动机。控制单元可以可变地设置是否向主发动机和/或辅助发动机供应氢气、氧气、水和酒精，其中所供应的氢气、氧气、水和酒精之间的比例根据是否提供主发动机或辅助发动机来改变。特别是考虑到主发动机和辅助发动机通常以不同的燃料运行的事实，如果控制单元根据要供应的内燃机来是主发动机或是辅助发动机，来改变所供应的物质的比例和数量，则可以获得更好的燃烧结果。
在不同的内燃机中，相应的涡轮增压器可能产生不同的增压压力。对于这种情况，控制单元可配置为，根据(asafunctionof)最高充气压力来设定控制阀的开启压力，使得开启压力总是比最高充气压力大预定的最小值。电解气体管线可以在控制阀的下游分叉至多个内燃机的压力区域，并分别具有可调节的节气门，通过该节气门可以将电解气体的压力降低到适合于相关充气压力的值。
进气道可以理解为将空气输送至燃烧室的管线或供应管线系统。共用的进气道可以为一个或多个燃烧室或内燃机提供空气。所供应的空气包括新鲜空气，即环境空气，并且可以包括其他部件。涡轮增压器包括压缩机，该压缩机增加进气道中的空气压力。涡轮增压器下游直至燃烧室的整个区域称为压力侧。涡轮增压器还包括排气涡轮，其由内燃机的排气压力驱动，并且通过这种方式驱动压缩机。由于涡轮增压器的确切运行方式在这里并不重要，因此也可以在进气道中使用压缩机代替涡轮增压器。可以使用电能来分裂原材料的任何设计的设备都可以被认为是电解设备。此处的原料可以是水，也可以理解为是水溶液。通过电解产生氢气和氧气。这些电解气体被引入涡轮增压器的压力侧，即进入进气道或直接进入燃烧室。组成燃烧室的气缸的结构修改很复杂并且通常很昂贵。但是，双燃料发动机提供了额外的港口(port)，某些操作员不使用该港口来供应燃料。在这种情况下，双燃料发动机的汽缸盖上的额外接口可以重新利用(repurposed)并连接到电解设备。为了在不进行重大修改的情况下，在任何发动机中提供电解气体的供应，将电解气体引入进气道的空气供应管可能更为经济。原则上讲，装有任意酒精，例如甲醇和/或乙醇的容器应理解为酒精罐。如果首先将酒精与水混合，则仅需一个压力泵和一个进气道的喷嘴即可混合。如果内燃机的气缸彼此分开，例如在主发动机中经常发生这种情况，则可以提供用于水-酒精混合物的多个喷嘴/入口，以及用于将电解气体引入进气道的多个喷嘴。另外的罐也可以连接到混合容器，以便以可变的方式添加另外的添加剂。此外，还可以将其他添加剂添加到水箱和酒精箱中。
船舶通常利用主发动机或辅助发动机的内燃机的余热来加热例如房间或水。特别是在港口运行期间，主发动机和辅助发动机通常以低速运行，因此产生的余热不足。因此，可以提供一种锅炉，该锅炉燃烧燃料以用于加热。燃料通过燃料管线从燃料箱引入，并且可以是例如重油、船用柴油、瓦斯油或汽油。这种燃烧通常会产生大量的烟灰，这不仅从环境的角度来看是有害的，而且还会导致锅炉中产生沉积物，从而降低可产生的热量输出。因此，锅炉通常被设计成比必要的更大，并且必须定期清洁或更换。原则上，可以通过添加剂改善锅炉的燃烧过程。然而，由于船舶上的高安全性规定，例如，单独为锅炉添加少量氢气的电解设备必须防止过于复杂。额外的费用禁止了这种使用。本发明的另一可选实施例利用了以下认识：主/辅助发动机和锅炉通常不一起使用，而是相互替代地使用：在公海，主发动机大部分以高速运转并产生足够的余热，使得锅炉可以保持不活动状态。相反，通常在港口运行期间关闭主发动机，并且需要开启锅炉。因此，前面所述的相同的电解设备也可以通过锅炉管线连接到锅炉。电解设备通常不必必须设计得更大，以便也能够供应锅炉。在这种情况下，仅需要在电解设备周围形成一个防爆区域，而不是例如为单独的电解设备设置单独的保护区域。然后，当锅炉正在燃烧燃料，并且尚未将最大可生产量的氢气和氧气分配给至少一个内燃发动机时，控制单元可以向锅炉供应氢气和/或氧气。锅炉管线可以包括氧气管线和与其分离的氢气管线。这样，控制单元可以根据当前在锅炉中燃烧的燃料，来设置供应到锅炉的氧气和氢气之间的比例。
本发明所描述的技术特征是本发明的船舶推进系统的附加特征，如果按预期实施，本发明有多种实施方法的变型。本发明所描述的船舶推进系统的技术特征可以产生多种可选的改进方法。
附图说明
下面参照附图描述本发明的其他优点和特征：
图1是根据本发明的船舶推进系统的一个示例实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的船舶推进系统100的示例实施例。船舶推进系统100包括一个或多个内燃发动机10a、10b，其经由各自的燃料管线18a、18b供给有(化石)燃料。内燃发动机10a、10b可以例如是船舶推进系统100的主发动机的单元、主发动机、一个或多个辅助发动机、或一个或多个辅助发动机的单元。
每个内燃机10a、10b包括至少一个燃烧室11a、11b以及进气道12a、12b，新鲜空气通过该进气道被引入到燃烧室11a、11b中。此外，还分别设有涡轮增压器13a、13b，其包括排气涡轮15a、15b和压缩机14a、14b。排气涡轮15a、15b由排气压力驱动，该排气压力是由燃料在燃烧室11a、11b中的燃烧产生的。排气涡轮15a、15b驱动相应的压缩机14a、14b，使得新鲜空气在进气道12a、12b中被压缩。这就是所谓的增压空气。
燃料的燃烧过程应以尽可能高效的方式进行，并产生少量的排放物/污染物。为此，如下文更详细描述的那样，供应通过电解的方式产生的氢气和氧气以及水和酒精(例如甲醇)。此外，通过根据本发明的设计，以成本效益的方式满足了高安全性要求。
从水箱31和酒精箱30中抽出水和酒精，并在混合容器34中进行混合。压力泵35随后将混合物通过水-酒精供应管36输送到进气道12a、12b中，即进入到压缩机14a、14b下游的压力区域。与压缩机14a、14b之前的引入相比，压缩机14a、14b之后的引入具有优势，即增压空气被更好地冷却，因此，压缩机14a、14b可以输送更多的空气。较低的燃烧温度进一步有利于还原由燃烧产生的氮氧化物。
通过提供单独的水箱30和单独的酒精箱31，可以以可变的方式改变混合比例。水和酒精的乳液具有有限的长期稳定性的问题，也通过混合容器34得以解决。另一个优点是，由于混合容器34，可以仅需要一个压力泵35。由于酒精的高度可燃性，酒精箱31以及供应管线和任何运输酒精的泵都受到很高的安全要求，单个压力泵35就足够了这一事实代表了相关的成本的节省。
原则上，电解设备20可包括任意数量的电解槽，该电解槽利用电能将水或水溶液分解，尤其可分解为氢气和氧气。同样在压缩机14a、14b后面的压力区域产生的电解气体(氢气和氧气)，通过电解气体管线23输送到进气道12a、12b。
通过在压缩机14a、14b的下游添加电解气体以及水-酒精混合物来实现更高的安全性。例如，在缺陷(defects)或损坏的情况下，可能发生从燃烧室11a、11b到进气道12a、12b的反向点火。由于酒精和氢气的高度可燃性，火焰可能会进一步蔓延。进气道12a、12b是开放的，用以通入新鲜空气，例如可相对于可能存在人员的机舱的新鲜空气的进气。由于这些物质仅在燃烧室之前不久才引入，并且还通过压缩机14a、14b与发动机室分隔开，因此大大降低了通过易燃的氢气和酒精将火焰传播到发动机室的风险。增加防回火阀可作为进一步的保护。
此外，出于安全原因，酒精-水管36和电解气体管线23需要双壁管。具有两个金属壁的双壁管成本高。然而，尤其通过向酒精中添加水可降低可燃性，因此如果外壁由金属形成，并且内壁由主要是非金属材料形成的管，就足够了。
为了避免用于输送电解气体的压力泵的巨大成本，电解设备20可以被设计为压力室。提供有控制阀22，开放为电解气体的出口，该控制阀仅在所产生的气体在电解设备20中达到开启压力时才打开。
电解气体中的氧气和氢气可以作为氢氧气一起输送到单个供应管线中。可选地，电解设备20可配置为，氧气和氢气可以经由分开的管线被分别地抽吸。在这种情况下，可以在每个供应管线上提供一个控制阀。在添加氧气和氢气时，分别允许以可变方式设置两者之间的比例。
通过添加氧气、氢气、酒精和水，可以提高燃烧效率。这些添加剂之间的比例及其总量在此是相关的。这些变量的理想值取决于不同的参数。因此，提供了控制单元5，控制单元5以可变的方式设置上述添加剂的比例和数量。为此，控制单元控制电解设备20，特别是电解设备20的供水和/或电力消耗，以及压力泵35和至少一个控制阀22。控制单元5接受燃料信号，此燃料信号指示了在燃烧室11a、11b中当前正在燃烧哪种燃料。在更换燃料的情况下，控制单元5也可改变上述添加剂的比例。此外，通过排气温度传感器16a、16b记录排气温度。排气温度越高，可以将更多的水和/或酒精注入进气道以进行冷却。此外，控制单元5可以可变地设置向内燃机10a、10b中供应的添加剂的种类和数量。由于各个内燃机10a、10b的结构相对彼此可以不同，因此，当操作各种内燃发动机中的不同内燃发动机时，改变添加剂的比例也很有意义。
在可选的附加实施例中，锅炉40的燃烧过程也得到了改善。锅炉40经由供应管线42被供应燃料，例如重油、船用柴油或瓦斯油。通过添加氢气和氧气，可以实现更完全的燃烧，期间产生更少的烟灰。由于锅炉的有限使用以及由于安全要求而导致的电解设备的高成本，用于锅炉40的单独的电解设备几乎不可行。然而，为内燃机10a、10b提供的电解设备20可以与锅炉40共享。控制单元5可以设定将产生的电解气体分摊给内燃机10a、10b以及锅炉40的比例。鉴于锅炉40的运行经常与内燃机10a，10b的运行的减少成比例地增加，因此这也是特别有吸引力的。这通过以下事实来解释：特别是在内燃机10a、10b没有提供足够的余热时需要锅炉40。锅炉40因此可以共享电解气体的供应，而不需要设置更大或更昂贵的电解设备20。
管线23a示出了一种变型的实施方式，其以虚线示出。电解气体可以经由管线23a直接输送到燃烧室11a中，而不是引入到进气道中。这尤其在内燃机10a，10b的气缸盖中设置有其他未使用的端口(port)时特别有意义，在双燃料发动机中可能是这种情况，其中两个端口(port)中只有一个用于燃料供应。否则，在进气道中的进气可以具有不需要对传统燃烧室11a、11b的结构修改的优点。这允许对现有的通用船舶推进系统进行廉价的升级。