CN104302544B

CN104302544B - 原动机系统及具备该原动机系统的船舶

Info

Publication number: CN104302544B
Application number: CN201380026078.4A
Authority: CN
Inventors: 东田正宪; 久保贵士
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CN104302544A; KR101650471B1; WO2013179656A1; KR20150021962A; JPWO2013179656A1; JP5802332B2

Abstract

提供作为利用排气驱动燃料泵的原动机系统，且即使原动机的负荷变化也能够使燃料泵稳定地供给燃料的原动机系统。根据本发明的原动机系统（100）具备：具有由工作油驱动的燃料泵（14）的原动机（10）；使工作油升压的工作油升压用泵（30）；与工作油升压用泵（30）并联或串联配置，使工作油升压的辅助工作油升压用泵（60）；利用排气进行驱动，并且驱动工作油升压用泵（30）的动力涡轮（50）；驱动辅助工作油升压用泵（60）的辅助电动马达（70）；和得到向燃料泵（14）供给的工作油的压力且以使得到的工作油的压力达到预先设定的规定压力的形式控制辅助电动马达（70）的输出的控制装置（80）。

Description

原动机系统及具备该原动机系统的船舶

技术领域

本发明涉及利用排气驱动燃料泵的原动机系统。

背景技术

在搭载于船舶等上的原动机中设置有燃料泵。能够利用从原动机排出的排气驱动该燃料泵是一种有效的方法。尽管难以通过排气直接驱动燃料泵，但是可以将动力涡轮与工作油升压用泵连接，通过排气驱动该工作油升压用泵，并且利用通过工作油升压用泵升压的工作油使燃料泵工作。

在专利文献1的图3中公开了通过曲轴（50）的旋转动力驱动工作油升压用泵（60），此外还通过由动力涡轮和电动马达构成的辅助动力装置（330）驱动工作油升压用泵（60）的原动机系统（300）。而且，该动力涡轮利用从原动机（10）排出的排气进行旋转驱动。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2012-35797号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

在专利文献1所述的原动机系统中，动力涡轮根据从原动机排出的排气的量（即原动机的负荷）引起输出变化，但是不会因此而引起燃料供给的不稳定。这是因为在专利文献1所记载的原动机系统中，工作油升压用泵主要通过曲轴的旋转动力驱动，因为动力涡轮到底也只是发挥辅助的作用。

另一方面，存在要求与专利文献1所记载的原动机系统相比更加简单的结构的情况。例如，在不使用曲轴的旋转动力而仅依靠动力涡轮驱动工作油升压用泵时，可以使整体形成为简单的结构。然而，在该情况下动力涡轮成为主要动力源，因此无法将工作油升压用泵随着原动机的负荷变化而稳定地驱动，其结果是，存在燃料泵无法稳定地供给燃料的担忧。

本发明是为了解决上述问题而形成，其目的是提供作为利用排气驱动燃料泵的原动机系统，且即使原动机的负荷变化也能够使燃料泵稳定地供给燃料的原动机系统。

解决问题的手段：

根据本发明的一个实施形态的原动机系统具备：具有由工作油驱动的燃料泵的原动机；使所述工作油升压的工作油升压用泵；与所述工作油升压用泵并联或串联配置，使所述工作油升压的辅助工作油升压用泵；向所述原动机供给压缩空气的增压机；将从所述原动机排出的排气供给至所述增压机的排气通路；从所述排气通路分叉的分叉通路；利用通过所述分叉通路供给的排气进行驱动，并且驱动所述工作油升压用泵的动力涡轮；驱动所述辅助工作油升压用泵的辅助电动马达；和得到向所述燃料泵供给的工作油的压力，且以使得到的所述工作油的压力达到预先设定的规定压力的形式控制所述辅助电动马达的输出的控制装置。

根据上述结构，即使随着原动机的输出的变化而导致工作油升压用泵的工作油升压的能力发生变化，也可以通过控制辅助电动马达的输出，以此使供给至燃料泵的工作油的压力达到预先设定的规定压力。因此，即使原动机的负荷发生变化，燃料泵也可以稳定地供给燃料。

又，也可以是在上述原动机系统中，所述规定压力是根据所述原动机的输出而进行设定的。根据上述结构，可以使驱动燃料泵的工作油的压力达到与原动机的输出相对应的最佳的压力，因此可以防止工作油的压力过度增大，从而抑制能量损失。

又，也可以是在上述原动机系统中，所述分叉通路具有能够抽出内部的排气的抽气阀；所述控制装置形成为得到所述动力涡轮的旋转速度，当得到的所述动力涡轮的旋转速度大于规定值时增大抽气阀的开度的结构。根据上述结构，可以将动力涡轮的旋转速度抑制为一定以下，因此可以防止动力涡轮因过旋转而发生的工作油升压用泵的破损和工作油的过度的升压等。

又，也可以是在上述原动机系统中，还具备通过从发电机供给的电力而驱动，与所述动力涡轮协作驱动所述工作油升压用泵的电动马达；所述动力涡轮及所述电动马达一直与所述工作油升压用泵连接；所述控制装置形成为得到施加于所述电动马达的负荷，当施加于所述电动马达的负荷小于规定值时，电气切断所述电动马达和所述发电机之间的结构。

根据上述结构，不仅通过动力涡轮而且还通过电动马达驱动工作油升压用泵，因此可以稳定地驱动工作油升压用泵。其结果是，工作油的压力稳定，燃料泵可以稳定地供给燃料。此外，通过将动力涡轮和电动马达一直与工作油升压用泵连接，以此使系统整体简单化。然而，由于形成为当施加于电动马达的负荷小于规定值时，电气切断电动马达与发电机之间的结构，因而也不存在电动马达被动力涡轮驱动而像“发电机”那样工作的情况。因此，减少电动马达如发电机那样工作而产生的对动力涡轮的阻力，又，也不存在电流流入发电机侧而产生的问题。

又，也可以是在上述原动机系统中，所述控制装置形成为如下结构：以当所述原动机的负荷小于规定值时与当所述原动机的负荷大于该规定值时相比，所述工作油升压用泵的负荷相对所述辅助工作油升压用泵的负荷的比例小的形式，控制所述工作马达的输出及所述辅助工作马达的输出。在原动机的负荷小且动力涡轮的输出小的情况下，电动马达中容易发生能量损失，然而根据上述结构，在动力涡轮的输出较小的情况下确保工作油升压用泵的负荷比较小，因此可以抑制能量损失。

此外，根据本发明的一个形态的船舶具备上述的原动机系统。

发明效果：

根据本发明，在利用排气驱动燃料泵的原动机系统中，即使原动机的负荷发生变化，燃料泵也可以稳定地供给燃料。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施形态的原动机系统的概略图；

图2是根据本发明的第一实施形态的原动机系统的控制系统的框图；

图3是根据本发明的第二实施形态的原动机系统的概略图；

图4是根据本发明的第二实施形态的原动机系统的控制系统的框图；

图5是根据本发明的第三实施形态的原动机系统的概略图；

图6是根据本发明的第三实施形态的原动机系统的控制系统的框图。

具体实施方式

以下，参照附图说明根据本发明的原动机系统的实施形态。以下，在所有附图中对于相同或相当的要素标以相同符号并省略重复说明。

（第一实施形态）

＜原动机系统的整体结构＞

首先，参照图1说明根据本发明的第一实施形态的原动机系统100的整体结构。如图1所示，根据本实施形态的原动机系统100是用于使船舶101航行的所谓主机，具备原动机10、增压机20、工作油升压用泵30、动力涡轮50、辅助工作油升压用泵60和辅助电动马达70。以下依次说明它们的各构成要素。

原动机10是作为原动机系统100的中心的装置。根据本实施形态的原动机10是所谓的低速柴油发动机。原动机10使在梢端安装有螺旋桨102的螺旋桨轴103旋转。螺旋桨轴103与曲轴11连接，曲轴11与多个活塞12连接。各活塞12在汽缸13内随着燃料的爆炸而进行往复运动，并且曲轴11通过活塞12的往复运动而旋转。燃料通过燃料泵14进行加压而供给至汽缸13内。本实施形态的燃料泵14是所谓的活塞泵，并且利用通过工作油升压用泵30及辅助工作油升压用泵60升压的工作油进行驱动。又，向汽缸13内从扫气管15供给扫气，从而在汽缸13内生成的排气排出至排气管16。

增压机20是将新气压缩后供给至原动机10的装置。从原动机10排出的排气经由排气管16通过排气通路21而供给至涡轮部22。涡轮部22通过被供给的排气的能量旋转。涡轮部22和压缩机部23通过轴部24相连接，因涡轮部22旋转而使压缩机部23也旋转。在压缩机部23旋转时，从外部引入的新气被压缩，压缩的新气（扫气）通过扫气通路17供给至扫气管15中。

工作油升压用泵30是使工作油升压的泵。通过工作油升压用泵30升压的工作油用于驱动原动机10的燃料泵14。另外，通过工作油升压用泵30升压的工作油例如也可以被用于排气门（未图示）等燃料泵14以外的装置的驱动中。然而，如果将通过工作油升压用泵30升压的工作油仅用于燃料泵14的驱动，则减轻工作油升压用泵30的负担，而且可以通过减轻后述的辅助电动马达70的负担，以此抑制从发电机104排出的二氧化碳的排出量。另外，本实施形态的工作油升压用泵30是活塞泵。被驱动的内部的活塞也可以通过改变行程从而调节工作油的排出量。

动力涡轮50是驱动工作油升压用泵30的装置。从原动机10排出的排气在暂时容纳于排气管16内后，通过排气通路21及从排气通路21分叉的分叉通路51供给至动力涡轮50中。而且，动力涡轮50是通过被供给的排气的能量进行旋转驱动。动力涡轮50具有可变涡轮喷嘴52，通过改变可变涡轮喷嘴52的角度，以此可以调节流入动力涡轮50中的排气的流入速度。又，原动机系统100具有绕过动力涡轮50的旁通通路55，在该旁通通路55上安装有旁通阀54。另外，动力涡轮50通过减速器53一直与工作油升压用泵30连接。

辅助工作油升压用泵60是与工作油升压用泵30一起使工作油升压的泵。即，辅助工作油升压用泵60是对工作油升压用泵30起到辅助作用的泵。在本实施形态中，辅助工作油升压用泵60与工作油升压用泵30并联配置。然而，辅助工作油升压用泵60也可以与工作油升压用泵30串联配置。另外，辅助工作油升压用泵60具有与工作油升压用泵30相同的结构。

辅助电动马达70是驱动辅助工作油升压用泵60的装置。通过配电盘105向辅助电动马达70供给由设置于船内的发电机（柴油发电机等）104发电的电力，通过该电力旋转驱动辅助电动马达70。然而，向辅助电动马达70供给电力的发电机104可以形成为利用原动机10的排气的能量发电的结构，也可以形成为从增压机20引出动力并进行发电的结构。另外，辅助电动马达70一直与辅助工作油升压用泵60连接。

＜控制系统的结构＞

接着，对原动机系统100中控制系统的结构进行说明。原动机系统100具备控制整个原动机系统100的控制装置80。控制装置80由例如CPU、ROM、RAM等构成。图2是原动机系统100的控制系统的框图。

如图2所示，控制装置80与测定向燃料泵14供给的工作油的压力的油压传感器18、测定原动机10的旋转速度的原动机速度传感器19、测定燃料的喷射量的燃料流量传感器106、和测定动力涡轮50的旋转速度的动力涡轮速度传感器25电气连接。控制装置80基于来自于这些各设备的输入信号获得供给至燃料泵14的工作油的压力、原动机10的旋转速度、燃料的喷射量、动力涡轮50的旋转速度等的各种信息。

又，控制装置80基于来自于上述各设备的输入信号进行各种运算，从而控制原动机系统100的各部分。在本实施形态中，控制装置80与辅助电动马达70、旁通阀54电气连接，基于根据各输入信号所进行的运算等的结果向这些设备发送控制信号。

此外，控制装置80具有作为功能性结构的辅助电动马达控制部81和过旋转防止控制部82。其中辅助电动马达控制部81是控制辅助电动马达70的部分。具体而言，辅助电动马达控制部81首先基于原动机10的旋转速度及燃料的喷射量，使用预先存储的映射图（map）算出当前的原动机10的负荷。接着，辅助电动马达控制部81存储与原动机10的负荷相对应的最佳的工作油压，并且决定与算出的原动机10的输出对应的最佳的工作油压。此外，辅助电动马达控制部81向辅助电动马达70发送控制信号而控制辅助电动马达70以使供给至燃料泵14的工作油的压力达到之前决定的最佳的工作油压。

在辅助电动马达控制部81中执行如上述那样的控制，因此即使随着原动机10的负荷的变化而动力涡轮50的输出变化，由此导致工作油升压用泵30的输出变化，也可以通过控制辅助电动马达70，以此使供给至燃料泵14的工作油的压力变得合适，且使燃料泵14稳定地供给燃料。

另一方面，过旋转防止控制部82是防止动力涡轮50的过旋转的部分。具体而言，过旋转防止控制部82首先判定动力涡轮50的旋转速度是否大于预先设定的规定值。接着，过旋转防止控制部82在判断为动力涡轮50的旋转速度大于规定值的情况下，向旁通阀54发送控制信号，开放旁通阀54。通过开放旁通阀54，以此减少流入动力涡轮50的排气的量，从而可以降低动力涡轮50的旋转速度。

在原动机10的负荷达到一定以上时（例如最大负荷时），排气的流量非常大，动力涡轮50处于过旋转，从而存在工作油升压用泵30破损的担忧。因此，在本实施形态中，通过过旋转防止控制部82执行如上述那样的控制，以此防止动力涡轮50的过旋转。

如上述那样，根据本实施形态的原动机系统100，通过工作油升压用泵30和辅助工作油升压用泵60的两个泵使工作油升压，因此即使原动机10的负荷的变化而导致动力涡轮50的输出变化，也可以稳定地驱动工作油升压用泵30。又，通过使用多个泵，以此即使一个泵破损也可以通过另一个泵使工作油升压。即，根据本实施形态的原动机系统100具备系统整体的冗余性。

又，在本实施形态中，工作油升压用泵30与动力涡轮50不通过分离机构（离合器）而直接连接，又，辅助工作油升压用泵60和辅助电动马达70不通过分离机构而直接连接。因此，连接各设备的连接机构成为简单的结构，可以抑制故障的风险，又，可以高效地传递动力（可以抑制机械损失）。

（第二实施形态）

接着，参照图3及图4说明根据本发明的第二实施形态的原动机系统200。图3是根据本实施形态的原动机系统200的概略图。如图3所示，根据本实施形态的原动机系统200未设置有使流入动力涡轮50的排气绕行的旁通阀54（参照图1），取而代之在分叉通路51上设置有抽气阀56，这一点与根据第一实施形态的原动机系统100结构不同。

图4是根据本实施形态的原动机系统200的控制系统的框图。如图4所示，在本实施形态中，抽气阀56替代旁通阀54（参照图2）与控制装置80电气连接，从而基于根据各输入信号所进行的运算等的结果向抽气阀56发送控制信号。具体而言，控制装置80的过旋转防止控制部82在判断为动力涡轮50的旋转速度大于规定值的情况下，向抽气阀56发送控制信号而开放抽气阀56，减少流入动力涡轮50的排气的量。借助于此，降低动力涡轮50的旋转速度。

如上所述，在本实施形态中，以通过调节抽气阀56的开度以此防止动力涡轮50的旋转速度达到一定以上的形式进行控制。借助于此，可以防止动力涡轮50的过旋转。

（第三实施形态）

接着，参照图5及图6说明根据本发明的第三实施形态的原动机系统300。图5是根据本实施形态的原动机系统300的概略图。如图5所示，根据本实施形态的原动机系统300具有驱动工作油升压用泵30的电动马达40，这一点与根据第一实施形态的原动机系统100的结构不相同。

电动马达40是与动力涡轮50协作驱动工作油升压用泵30的装置。将通过发电机104发电的电力通过配电盘105供给至电动马达40，通过该电力旋转驱动电动马达40。又，电动马达40一直与工作油升压用泵30连接。

图6是根据本实施形态的原动机系统300的控制系统的框图。如图6所示，本实施形态的控制装置80，除了与第一实施形态中所说明的设备以外，还与电动马达40及配电盘105电气连接。控制装置80根据来自于电动马达40的输入信号获得向电动马达40供给的电源的电流值。又，控制装置80基于根据各输入信号所进行的运算等的结果向电动马达40及配电盘105发送控制信号。此外，本实施形态的控制装置80具有作为功能性结构的、控制电动马达40的电动马达控制部83。

在本实施形态中，总是驱动工作油升压用泵30和辅助工作油升压用泵60的两者。例如，使工作油升压用泵30以最大输出的75%运行，并且使辅助工作油升压用泵60以最大输出的20%运行。在本实施形态中，仅通过一个泵即可使工作油充分升压，但是通过总是驱动两个泵，以此在原动机10的运行状况发生变化而需要增加工作油的流量时也可以迅速应对。

在这里，当原动机10的负荷较小时，排气的流量较少，动力涡轮50的输出较小，因此工作油升压用泵30主要通过电动马达40驱动。此时，动力涡轮50一直与工作油升压用泵30连接，因此电动马达40不仅驱动工作油升压用泵30，而且还驱动动力涡轮50，从而产生能量损失。因此，在本实施形态中，为了减小该能量损失，而变更工作油升压用泵30和辅助工作油升压用泵60的负荷分配。

具体而言，电动马达控制部83判定原动机10的负荷是否小于规定值。即，判定是否主要驱动工作油升压用泵30的并非是动力涡轮50而是电动马达40。然后，在电动马达控制部83判定为原动机10的负荷小于规定值时，向电动马达40发送控制信号，将电动马达40的旋转速度设定为较小。在这里被设定的旋转速度是比通常运行时的旋转速度小的旋转速度。借助于此，减小工作油升压用泵30的输出。然而，如上所述，辅助电动马达控制部81控制辅助电动马达70，将向燃料泵14供给的工作油的压力维持在规定压力。其结果是，工作油升压用泵30的负荷相对辅助工作油升压用泵60的负荷的比例比通常运行时的比例小，从而可以抑制在电动马达40中的能量损失。即，辅助工作油升压用泵60成为使工作油升压的主要的泵。又，以上，通过判断原动机10的负荷是否小于规定值以此判断是否切换成为主要的泵，但是例如也可以通过判断供给至电动马达40的电流是否倒流以此判断是否切换成为主要的泵。另外，此时，控制装置80也可以调节可变涡轮喷嘴52的面积以防止动力涡轮50成为阻力。

又，在原动机10的负荷大于前述的规定值时，动力涡轮50的输出十分大，动力涡轮50帮助电动马达40，而处于协作驱动工作油升压用泵30的状态。因此，电动马达控制部83在判断为原动机10的负荷不小于前述的规定值的情况下，将控制信号发送至电动马达40，使电动马达40处于通常运行时的旋转速度。其结果是，与原动机10的负荷较小时相比，工作油升压用泵30的负荷相对辅助工作油升压用泵60的负荷的比例增大。借助于此，可以高效地运行辅助工作油升压用泵60及工作油升压用泵30的两者的泵。

又，在原动机10的负荷进一步增大时，仅通过动力涡轮50即可驱动工作油升压用泵30。在该状态或接近该状态时，负荷基本上不施加于电动马达40，因此切断电动马达40和发电机104的电气连接。具体而言，电动马达控制部83首先判定向电动马达40供给的电源的电流值是否小于规定值。在本实施形态中，由于电动马达40以一定的速度驱动，所以在电动马达40的负荷下降时向电动马达40供给的电源的电流值降低。即，通过检测供给至电动马达40的电源的电流值，以此可以判断电动马达40的负荷的程度。而且，电动马达控制部83在判定为向电动马达40供给的电源的电流值小于规定值的情况下，向配电盘105发送控制信号，并且以电气切断电动马达40与发电机104之间的形式控制配电盘105。

如上述那样电气切断电动马达40与发电机104理所当然是因为不需要向电动马达40供给电力，但是除此以外也有其他理由。即，当原动机10的负荷较大时，电动马达40由动力涡轮50驱动。此时存在发生电流从电动马达40流入发电机104和辅助电动马达70等的问题的可能性，但是可防止该情况。另外，即使是在从发电机104向电动马达40不供给电力的情况下，也仍然向辅助电动马达70供给电力。因此即使工作油升压用泵30多少处于不稳定状态，但也仍然可以通过辅助工作油升压用泵60进行弥补。

如上所述，在根据本实施形态的原动机系统300中，不仅使用动力涡轮50而且还使用电动马达40驱动工作油升压用泵30，以此即使原动机10的负荷变化而导致动力涡轮50的输出变化，也可以稳定地驱动工作油升压用泵30。又，工作油升压用泵30与动力涡轮50不通过分离机构而直接连接，并且工作油升压用泵30与电动马达40不通过分离机构而直接连接。因此，可以迅速进行工作油升压用泵30的驱动源从电动马达40向动力涡轮50切换时的切换以及其相反的切换。

以上，参照附图说明了根据本发明的实施形态，但是具体的结构不限于这些实施形态，在不脱离本发明的主旨的范围内的设计的变更等也包含在本发明中。

工业应用性：

根据本发明的原动机系统，其是利用排气驱动燃料泵的原动机系统，并且即使原动机的负荷变化，燃料泵也能够稳定地供给燃料，因此在原动机系统的技术领域有益处。

符号说明：

10 原动机；

14 燃料泵；

20 增压机；

21 排气通路；

30 工作油升压用泵；

40 电动马达；

50 动力涡轮；

51 分叉通路；

56 抽气阀；

60 辅助工作油升压用泵；

70 辅助电动马达；

80 控制装置；

100、200、300 原动机系统；

101 船舶；

104 发电机。

Claims

1.一种原动机系统，具备：

具有由工作油驱动的燃料泵的原动机；

使所述工作油升压的工作油升压用泵；

与所述工作油升压用泵并联或串联配置，使所述工作油升压的辅助工作油升压用泵；

向所述原动机供给压缩空气的增压机；

将从所述原动机排出的排气供给至所述增压机的排气通路；

从所述排气通路分叉的分叉通路；

利用通过所述分叉通路供给的排气进行驱动，并且驱动所述工作油升压用泵的动力涡轮；

驱动所述辅助工作油升压用泵的辅助电动马达；和

得到向所述燃料泵供给的工作油的压力，且以使得到的所述工作油的压力达到预先设定的规定压力的形式控制所述辅助电动马达的输出的控制装置。

2.根据权利要求1所述的原动机系统，其特征在于，所述规定压力是根据所述原动机的输出而进行设定的。

3.根据权利要求1所述的原动机系统，其特征在于，

所述分叉通路具有能够抽出内部的排气的抽气阀；

所述控制装置形成为得到所述动力涡轮的旋转速度，当得到的所述动力涡轮的旋转速度大于规定值时增大抽气阀的开度的结构。

4.根据权利要求2所述的原动机系统，其特征在于，

所述分叉通路具有能够抽出内部的排气的抽气阀；

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的原动机系统，其特征在于，

还具备利用从发电机通过配电盘供给的电力进行驱动，与所述动力涡轮协作驱动所述工作油升压用泵的电动马达；

所述动力涡轮一直与所述工作油升压用泵连接；

所述电动马达一直与所述工作油升压用泵连接；

所述控制装置形成为得到施加于所述电动马达的负荷，当施加于所述电动马达的负荷小于规定值时，电气切断所述电动马达和所述发电机之间的结构。

6.根据权利要求5所述的原动机系统，其特征在于，

所述控制装置形成为如下结构：

以当所述原动机的负荷小于规定值时与当所述原动机的负荷大于该规定值时相比，所述工作油升压用泵的负荷相对所述辅助工作油升压用泵的负荷的比例小的形式控制所述电动马达的输出及所述辅助电动马达的输出。

7.一种船舶，具备根据权利要求1至6中任意一项所述的原动机系统。