CN106458311A - 船舶的驱动系统和其运行 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船舶的驱动系统和用于运行该驱动系统的方法。该驱动系统包括至少一个用于驱动船舶的驱动内燃机(3)和用于从至少一个驱动内燃机的废气中获取电能的能量获取装置(9)。驱动系统设计用于，使得从废气中所获取的电能选择性地用于驱动船舶，或者使得电能供给到船舶的舰载电网(5)中，或者使得电能成比例地用于驱动船舶并且供给到船舶的舰载电网(5)中。

Description

船舶的驱动系统和其运行
技术领域
本发明涉及一种船舶的驱动系统，具有至少一个用于驱动船舶的驱动内燃机和用于从至少一个驱动内燃机的废气中获取电能的能量获取装置。此外，本发明涉及用于运行这样的驱动系统的方法。
背景技术
用于从船舶的驱动内燃机的废气中获取电能的能量获取装置现在以这样的方式运行，即以最大可行的功率输出设计。在此，重新获取的电能供给到舰载电网中并且随后将相应的剩余功率经由电动机重新供给到驱动轴上。
例如从WO 2010/088980 Al中已知具有废气能量回收的用于漂浮装置、例如用于船舶和海面平台的内燃发动机组。
发明内容
本发明的目的在于，提供具有至少一个用于驱动船舶的驱动内燃机和用于从至少一个驱动内燃机的废气中获取电能的能量获取装置的船舶的改善的驱动系统。此外，本发明的目的在于，提供用于运行这样的驱动系统的改善的方法。
根据本发明，该目的在驱动系统方面通过权利要求1所述的特征并且在方法方面通过权利要求5所述的特征实现。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的内容。
船舶的根据本发明的驱动系统包括至少一个用于驱动船舶的驱动内燃机和用于从至少一个驱动内燃机的废气中获取电能的能量获取装置。驱动系统设计为，使得从废气中所获取的电能选择性地用于驱动船舶，或者使得电能供给到船舶的舰载电网中，或者使得电能成比例地用于驱动船舶并且供给到船舶的舰载电网中。
在此有利地，从废气中所获取的电能的用于驱动船舶和用于将从废气中所获取的电能供给到舰载电网中的可选的和成比例的可用性能够根据下述根据本发明的方法实现从废气中所获取的电能的与运行成本相关的最优应用。由此通过从废气中所获取的电能，能够不仅支持通过辅助内燃机(所谓的“辅助柴油机”)对舰载电网的能量供应和/或支持通过驱动内燃机对船舶的驱动，而且从废气中所获取的电能能够被分配用于驱动船舶和舰载电网的能量供应，以使得运行成本最小化。这能够实现从废气中所获取的电能的高效和优化的使用。
本发明的一个设计方案提出至少一个用于驱动船舶的驱动电动机，其中，驱动电动机能通过从废气中所获取的电能驱动。
这能够有利地实现从废气中所获取的电能的用于驱动船舶的使用，其中，至少一个驱动内燃机和至少一个能通过从废气中所获取的电能驱动的驱动电动机形成船舶的混合驱动。
本发明的前述的设计方案的一个改进方案提出用于至少一个驱动电动机的至少一个蓄电池，其中，借助于蓄电池能存储从废气中所获取的电能。
由此还能够更灵活和更有效率地通过以下方式使用从废气中所获取的电能，即当其目前不需要或不完全需要的时候，其借助于蓄电池被存储。
本发明的另一个设计方案提出至少一个构造为两冲程柴油发动机的用于驱动船舶的驱动内燃机。
两冲程柴油发动机由于其与其它的内燃机相比的较高的效率而特别有利地适用于驱动船舶，因为船舶仅提供用于燃料储藏的有限容量。
在用于运行根据本发明的驱动系统的根据本发明的方法中，测定用于驱动船舶的瞬时的驱动能量需求、用于船舶的舰载电网的瞬时的舰载电网能量需求和从废气中瞬时所获取的电能。此外，在应用从废气中所获取的电能的条件下并且根据从废气中所获取的电能为了满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求的成比例分配，测定用于满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求的运行成本。从废气中所获取的电能根据所测定的运行成本地成比例地用于满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求。
因此有利地，本发明能够实现从废气中所获取的电能的在考虑运行成本的情况下的使用，其中，从废气中所获取的电能取决于运行成本地和成比例地应用于满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求。
在此，从废气中所获取的电能取决于所测定的运行成本地优选成比例地应用于满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求，以使得运行成本最小化。
运行成本的最小化能够有利地实现了从废气中所获取的电能的最佳使用。
在此，运行成本优选地在引入至少一个驱动内燃机的特定的燃料消耗的条件下测定。
内燃机的特定的燃料消耗限定为每时间单元的燃料消耗和内燃机的所给出的机械功率的比值。其是内燃机的效率尺度并且取决于内燃机的工作点。通过在测定运行成本时考虑驱动内燃机的特定的燃料消耗，有利地考虑驱动内燃机的取决于工作点的燃料消耗以用于优化地使用从废气中所获取的电能。特别地，能够由此减少并且优化船舶的燃料消耗。
此外，运行成本优选地在引入至少一个用于为舰载电网供应能量的辅助内燃机的特定的燃料消耗的条件下测定。
因此，辅助内燃机(“辅助柴油机”)的取决于工作点的燃料消耗在测定运行成本和使用从废气中所获取的电能时也被考虑。这还有利地能够实现从废气中所获取的电能的更高效的使用和船舶的燃料消耗的进一步减少和优化。
本发明的另一个设计方案提出，运行成本在引入用于至少一个用于为舰载电网供应能量的辅助内燃机的维护成本的条件下与由辅助内燃机执行的工作相关地测定。
本发明的该设计方案有利地考虑的是，用于辅助内燃机的维护成本取决于其执行的工作，并且其也被引入以用于优化地使用从废气中所获取的电能。
船舶的根据本发明的能量供应系统包括舰载电网、根据本发明的驱动系统和控制单元，控制单元用于测定从废气中所获取的电能的用于驱动船舶和用于供给到舰载电网中的成比例使用。优选地，该能量供应系统还具有至少一个用于为舰载电网供应能量的辅助内燃机。
船舶的这样的能量供应系统的优点由根据本发明的驱动系统的上述优点给出。
一种用于运行这样的能量供应系统的根据本发明的方法相应地提出，驱动系统根据用于运行根据本发明的驱动系统的根据本发明的方法来运行。
附图说明
结合下述联系附图详细阐述的实施例的说明，清楚易懂地阐述了本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现这些的方式和方法。在此示出：
图1是能量供应系统和船舶的与其连接的单元的框图，
图2是船舶的驱动内燃机的特定的燃料消耗和船舶的取决于驱动内燃机的发动机功率的速度的图表，
图3是在不应用和附加地应用从废气中所获取的用于驱动船舶的电能的情况下，船舶的驱动内燃机的特定的燃料消耗和取决于驱动内燃机的发动机功率的驱动功率的图表。
相互对应的部分在所有的附图中以相同的标号标注。
具体实施方式
图1示出了能量供应系统1和船舶的另外的与其连接的功能单元的框图。能量供应系统1包括驱动内燃机3、舰载电网5、多个辅助内燃机7、能量获取装置9和控制单元11。
驱动内燃机3构造为用于经由螺旋桨轴13驱动船舶的两冲程柴油发动机。
辅助内燃机7分别构造为用于为舰载电网5供应能量的柴油机(所谓的“辅助柴油机”)。对此，辅助内燃机7分别驱动辅助发电机。辅助内燃机7借助于维护装置15维护。
能量获取装置9设计用于从驱动内燃机3的废气中获取电能。对此，能量供应系统1例如以已知的方式具有通过驱动内燃机3的废气能驱动的废气涡轮机和能由废气涡轮机驱动的能量获取发电机。
能量供应系统1设计用于，借助能量获取装置9从废气中所获取的电能选择性地用于驱动船舶或者供给到船舶的舰载电网中、或者成比例地用于驱动船舶并且供给到船舶的舰载电网中。为了使从废气中所获取的电能完全或成比例地用于驱动船舶，船舶的驱动系统具有(未示出的)驱动电动机，借助于其能驱动螺旋桨轴13并且其能通过从废气中所获取的电能驱动。因此，驱动内燃机3和驱动电动机形成了船舶的混合驱动装置。优选地，该驱动电动机也能作为发电机运行，从而当其不用于驱动船舶的时候其能够应用于生成电能。
借助于控制单元11以下述方式测定，借助于能量获取装置9从废气中所获取的电能如何分配用于驱动船舶和用于供给到舰载电网5中。对此特别地为控制单元11传输船舶的瞬时的额定速度17。此外，为控制单元11传输船舶的导航系统19的对于能量供应来说重要的数据、例如对于天气情况的数据。
为了确定从废气中所获取的电能的分配，测定取决于瞬时的额定速度17的用于驱动船舶的瞬时的驱动能量需求、用于舰载电网5的瞬时的舰载电网能量需求和从废气中瞬时所获取的电能。
从这些信息中，控制单元11在应用从废气中所获取的电能的条件下并且根据从废气中所获取的电能为了满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求的成比例分配测定用于满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求的运行成本。为了满足所测定的驱动能量需求和所测定的舰载电网能量需求的、从废气中所获取的电能的成比例分配由控制单元11测定，以使得该运行成本最小化。
在此特别地，在测定运行成本时与由辅助内燃机7执行的工作相关地考虑驱动内燃机3和辅助内燃机7的特定的燃料消耗以及用于辅助内燃机7的维护成本。
由控制单元11测定驱动内燃机3上的负载要求，该负载要求由从废气中所获取的电能的所测定的成比例分配得出，并且将该负载要求传输给船舶的主驱动控制系统21，借助于其相应地控制或调节驱动内燃机3。
此外，为开关设备23传输从废气中所获取的电能的所测定的成比例分配，借助于该开关设备相应地控制或调节辅助内燃机7。
此外可选地，由控制单元11将所测定的数据传输给导航系统19。
此外可选地，由控制单元11测定瞬时的燃料消耗并且将其传输给用于显示燃料消耗的显示单元25。在此，也能够可选地测定和显示相对于单独通过驱动内燃机3驱动船舶、即没有附加地应用从废气中所获取的用于驱动船舶的电能驱动船舶的情况下的燃料节省。
图2示出了船舶的驱动内燃机3的典型的特定的燃料消耗C和船舶的速度V的图表，燃料消耗和速度分别取决于对于以下情况的驱动内燃机3的发动机功率P，即船舶单独通过驱动内燃机3、也就是说没有附加地应用从废气中所获取的电能的情况下驱动。在此，特定的燃料消耗C和速度V以任意的单位示出，并且发动机功率P相对于驱动内燃机3的额定功率以百分比成比例地给出。V0代表额定速度，在其基础上设计驱动内燃机3，从而为驱动内燃机3的额定功率的90％的发动机功率P对应于额定速度V0。
特定的燃料消耗C在所示的实例中在发动机功率P为驱动内燃机3的额定功率的75％时具有最小值。由此，在通过使用从废气中所获取的电能以用于支持驱动内燃机3从而以额定速度V0运行时引起特定的燃料消耗C的所示的节省潜力ΔC。本发明因此特别提出，从废气中所获取的电能的用于驱动船舶的份额确定为，使得由此在以额定速度V0运行时至少部分地实现特定的燃料消耗C的节省潜力ΔC，只要这样减少了运行成本。上述相应地适用于具有其它的速度V的运行。
因此，本发明的目的特别在于，通过利用从废气中所获取的电能被驱动的驱动电动机对驱动内燃机3的相应支持来减少驱动内燃机3的特定的燃料消耗C，只要这减少了运行成本。然而根据上述实施方案，为了测定从废气中所获取的电能的分配，优选地不仅考虑驱动内燃机3的特定的燃料消耗C，而且附加地还考虑影响运行成本的因素、例如辅助内燃机7的特定的燃料消耗C和用于辅助内燃机7的与由其执行的工作相关的维护成本。由此得出的是，驱动内燃机3的特定的燃料消耗C的节省潜力ΔC取决于速度地不是始终或者仅部分地实现，这当由于另外考虑的与运行成本最小化相关的因素是有利的时候适用，对此参见图3和其描述。
图3图表化和示例性地示出了在不应用从废气中所获取的用于驱动船舶的电能的情况下，船舶的驱动内燃机3的特定的燃料消耗C，并且示出了在附加地应用从废气中所获取的用于驱动船舶的电能的情况下，驱动内燃机3的特定的燃料消耗C1，以及示出了相应地与驱动内燃机3的发动机功率P相关的由驱动内燃机3和利用从废气中所获取的电能驱动的驱动电动机共同引起的驱动功率P1。发动机功率P在图2中例如相比于驱动内燃机3的额定功率百分比式地示出。特定的燃料消耗C，C1分别以单位g/kWh给出，驱动功率P1以单位MW给出。
在所示的实例中，从废气中所获取的电能仅从发动机功率P为用于驱动船舶的额定功率的50％起使用，因为在发动机功率P更小时，从废气中所获取的用于驱动船舶的电能由于过小的能量产量而不提供运行成本最小化。在发动机功率P小于额定功率的50％时，船舶因此仅通过驱动内燃机3驱动，从而使该发动机功率P的特定的燃料消耗C，C1相一致。
从发动机功率P为额定功率的50％起，使用从废气中所获取的电能用于驱动船舶证明是有利的，从而对于该发动机功率P来说的特定的燃料消耗C1相对于在从废气中所获取的电能不用于驱动船舶的情况下的特定的燃料消耗C下降了超过10g/kWh。
尽管通过优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的实例，并且其他的变体能够由本领域技术人员推导出，这并不脱离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种船舶的驱动系统，包括
-至少一个用于驱动所述船舶的驱动内燃机(3)
-和，用于从至少一个所述驱动内燃机(3)的废气中获取电能的能量获取装置(9)，
-其中，所述驱动系统设计用于，使得从废气中所获取的所述电能选择性地用于驱动所述船舶，或者使得所述电能供给到所述船舶的舰载电网(5)中，或者使得所述电能成比例地用于驱动所述船舶并且供给到所述船舶的所述舰载电网(5)中。
2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于至少一个用于驱动所述船舶的驱动电动机，其中，所述驱动电动机能通过从废气中所获取的所述电能驱动。
3.根据权利要求2所述的驱动系统，其特征在于至少一个用于至少一个所述驱动电动机的蓄电池，其中，借助于所述蓄电池能存储从废气中所获取的所述电能。
4.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于至少一个构造为两冲程柴油发动机的用于驱动所述船舶的驱动内燃机(3)。
5.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统的方法，其中，
-测定用于驱动船舶的瞬时的驱动能量需求、用于所述船舶的舰载电网(5)的瞬时的舰载电网能量需求和从废气中顺势所获取的电能，
-在应用从废气中所获取的所述电能的条件下并且根据从废气中所获取的所述电能为了满足所测定的所述驱动能量需求和所测定的所述舰载电网能量需求的成比例分配，测定用于满足所测定的所述驱动能量需求和所测定的所述舰载电网能量需求的运行成本；
-并且从废气中所获取的所述电能根据所测定的所述运行成本地成比例地用于满足所测定的所述驱动能量需求和所测定的所述舰载电网能量需求。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，从废气中所获取的所述电能根据所测定的所述运行成本成比例地用于满足所测定的所述驱动能量需求和所测定的所述舰载电网能量需求，以使得所述运行成本最小化。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述运行成本在引入至少一个所述驱动内燃机(3)的特定的燃料消耗(C，C1)的条件下测定。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述运行成本在引入至少一个用于为所述舰载电网(5)供应能量的辅助内燃机(7)的特定的燃料消耗(C，C1)的条件下测定。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述运行成本在引入用于至少一个为所述舰载电网(5)供应能量的辅助内燃机(7)的维护成本的条件下与由所述辅助内燃机(7)执行的工作相关地测定。
10.一种船舶的能量供应系统(1)，包括舰载电网(5)、根据权利要求1至4中任一项所述的驱动系统和控制单元(11)，所述控制单元用于测定从废气中所获取的电能的用于驱动船舶和用于供给到所述舰载电网(5)中的成比例应用。
11.根据权利要求10所述的能量供应系统(1)，其特征在于至少一个用于为所述舰载电网(5)供应能量的辅助内燃机(7)。
12.一种用于运行根据权利要求10或11所述的能量供应系统(1)的方法，其中，驱动系统根据权利要求5至9中的任一项运行。
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