CN116324154A - 用于船舶的船体的空气供应系统和包括空气供应系统的船舶 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于向船舶(200)的船体(201)的外部供应空气的空气供应系统(100)。所述船舶包括发动机。所述空气供应系统包括一个或多个涡轮增压器(10)，用于经由相应的第一流动路径(11A)将压缩主空气流供应到所述船舶的所述发动机。所述空气供应系统包括排气再循环(EGR)系统，用于经由第二流动路径(11B)将排气再循环到供应到所述发动机的所述压缩主空气流中。所述空气供应系统包括第三流动路径(11C)，用于将压缩空气子流供应到一个或多个空气排放单元(ADU)。所述EGR系统包括布置在所述第二流动路径(11B)中用于将排气供应到所述发动机的鼓风机(31)。所述第一流动路径和所述第二流动路径具有在所述鼓风机(31)上游的第一连接路径(11AB)和在所述鼓风机下游的第二连接路径(11BA)。所述第三流动路径在所述鼓风机的下游与所述第一流动路径和所述第二流动路径流体连接，使得能够从所述第一流动路径和/或所述第二流动路径抽取所述压缩空气子流。

Description

用于船舶的船体的空气供应系统和包括空气供应系统的船舶

本公开涉及船舶推进领域。本公开涉及一种用于向船舶的船体的外部供应空气的空气供应系统以及包括空气供应系统的船舶。特别地，本公开涉及一种空气供应系统，其包括用于向船体的外部提供空气的排气再循环系统。

技术背景

船舶在穿越水运动时的阻力由多个分力组成，其中摩擦阻力最为主要。将空气流喷射到船舶的船体周围的湍流边界层中可用于减小船舶的船体在水中的摩擦阻力。湍流边界层位于静止水与靠近船舶的船体的移动水之间。

船体的空气润滑可以显著地减少摩擦损失。根据用于船舶的推进类型，可以大幅度提高船舶的效率。效率增益取决于速度、船体外型、船舶的吃水和/或到船舶浸湿表面的空气的分布和量。船舶的吃水为船舶的龙骨的底部到水线的竖直距离，并且浸湿表面为船舶外表面与周围的水接触的总面积。

总净效率提高取决于用于对减少摩擦所需的空气流进行加压的功率。因此，净推进效率取决于促进空气流动所需的功率和船体中空气出口处的给定排放压力。排放压力可对应于从船舶周围的水作用在空气出口上的水压。

发明内容

传统的空气润滑系统通常使用电动压缩机来产生流到船舶的外部的空气流。然而，这些已知的电动压缩机价格高、需要维护并且可能效率低下。

因此，需要一种用于向船舶的船体的外部供应空气的空气供应系统，其减轻、缓解或解决现有的不足，并提供一种更简单、更高效的空气供应系统。

公开了一种用于向船舶的船体的外部供应空气的空气供应系统。所述船舶包括发动机，诸如内燃机，诸如柴油发动机，诸如二冲程柴油发动机。所述发动机可以为船舶的主发动机。所述空气供应系统包括一个或多个涡轮增压器，用于经由相应的第一流动路径将压缩主空气流供应到船舶的发动机。所述空气供应系统包括排气再循环(EGR)系统，用于经由第二流动路径将排气再循环到供应到发动机的压缩主空气流中。所述空气供应系统包括第三流动路径，用于将压缩空气子流供应到一个或多个空气排放单元(ADU)。所述EGR系统包括布置在第二流动路径中用于将排气供应到发动机的鼓风机。所述第一流动路径和所述第二流动路径具有在鼓风机上游的第一连接路径和在鼓风机下游的第二连接路径，用于提供第一流动路径与第二流动路径之间的流体连接。所述第三流动路径在鼓风机的下游与第一流动路径和第二流动路径流体连接，使得能够从第一流动路径和/或第二流动路径抽取压缩空气子流。

根据本公开的空气供应系统的优点在于，EGR系统的鼓风机可用于提升提供给ADU的压缩空气子流的压力，以降低船舶在水中的阻力。通过使用EGR系统的鼓风机来提升压缩空气流的压力，可以开始通过ADU释放空气，即使来自涡轮增压器的压缩空气的压力不超过ADU处的排放压力。因此，可以提高空气供应系统的效率。

公开了一种船舶，其包括发动机和本公开的空气供应系统。

根据本公开的船舶的优点在于，EGR系统的鼓风机可用于提升提供给ADU的压缩空气子流的压力，以降低船舶在水中的阻力。通过使用EGR系统的鼓风机来提升压缩空气流的压力，可以开始通过ADU释放空气，即使来自涡轮增压器的压缩空气的压力不超过ADU处的排放压力，诸如当船舶的发动机在低于负荷阈值的负荷下操作时。因此，可以提高船舶的效率，因为可以在船舶的较低速度下启动船舶在水中的阻力的降低。

附图说明

通过以下参考附图对本公开的示例性实施方案进行的详细描述，本领域技术人员将易于明白本公开的以上以及其他特征和优点，在附图中：

图1是示出扫气压力和吃水压力相对于针对示例性船舶的发动机负荷的曲线图，

图2示出了根据本公开的包括单个涡轮增压器的示例性空气供应系统，

图3示出了根据本公开的包括多个涡轮增压器的示例性空气供应系统，并且

图4至图12示出了根据本公开的空气供应系统的不同示例性操作模式。

具体实施方式

下文参考附图(在相关时)来描述各种示例性实施方案和细节。应注意，附图可能按比例或可能不按比例进行绘制，并且在所有附图中，具有相似结构或功能的元件由相同的附图标记表示。还应注意，附图仅意图促进对实施方案的描述。它们无意作为本公开的详尽描述或对本公开的范围的限制。此外，所示实施方案不必具有所示的所有方面或优点。结合特定实施方案描述的方面或优点不必限于所述实施方案，并且可在任何其他实施方案中实践，即使未如此示出或未如此明确地描述也是如此。

为了清楚起见，附图是示意性和简化的，并且它们仅示出了有助于理解本公开的细节，而省略了其他细节。贯穿本文，相同的附图标记用于相同或对应的部件。

公开了一种用于向船舶的船体的外部供应空气的空气供应系统。所述船舶包括发动机。所述空气供应系统使用EGR系统将排气再循环到发动机中的燃烧过程中，以产生提供给一组ADU的压缩空气流。所述ADU可被配置为布置在船舶的船体上在船舶的水线以下，诸如布置在船舶的船体的浸湿表面上。提供给ADU的压缩空气可以释放到船舶周围的水的湍流边界层中，以降低船舶在水中的阻力。所述空气供应系统包括一个或多个涡轮增压器，用于经由相应的第一流动路径将压缩主空气流供应到船舶的发动机。也可称为扫气空气流的压缩主空气流被配置为用于发动机的燃烧过程中。所述空气供应系统包括EGR系统，用于经由第二流动路径将排气诸如来自发动机的排气再循环到供应到发动机的压缩主空气流中。所述空气供应系统包括用于将压缩空气子流供应到一个或多个ADU的第三流动路径。所述EGR系统包括布置在第二流动路径中用于将排气供应到发动机的鼓风机。所述鼓风机增加流动穿过第二流动路径的流体诸如排气的流量和压力。所述第一流动路径和所述第二流动路径具有在鼓风机上游的第一连接路径和在鼓风机下游的第二连接路径。所述第一连接路径和所述第二连接路径提供第一流动路径与第二流动路径之间的流体连接。所述第三流动路径在鼓风机的下游与第一流动路径和第二流动路径流体连接，使得可以从第一流动路径和/或第二流动路径抽取压缩空气子流。所述流动路径诸如第一流动路径、第二流动路径和第三流动路径处于流体连接意味着流动路径诸如经由第一连接路径和/或第二连接路径连接，使得流体可以在流动路径之间流动。本文提及的流动路径诸如第一流动路径、第二流动路径和第三流动路径可以是多个管道，其被配置为允许流体从一个位置流动到第二位置。可例如通过以下来提供连接路径：彼此相交的连接管道或第一流动路径和第二流动路径，诸如第一流动路径和第二流动路径的管道。通过经由第一连接路径和/或第二连接路径来连接第一流动路径和第二流动路径，来自一个或多个涡轮增压器的压缩空气流可经由EGR系统的鼓风机从第一流动路径改线，其中压缩空气的压力在经由第三流动路径供应到ADU之前增加。因此，压缩空气流的压力可以增加到高于ADU处的排放压力，而无需使用专用鼓风机。因此，可以降低空气供应系统的成本和复杂性，这继而增加船舶的总净效率。EGR系统的鼓风机可以为鼓风机或压缩机，这取决于将压缩空气的压力增加到高于ADU处的排放压力所需的压缩比。鼓风机可以在比压缩机低的压缩比下操作，诸如例如针对鼓风机的压缩比为1.1至1.2，而针对压缩机的压缩比大于1.2。

可以经由第一连接路径以及第二流动路径中EGR系统的鼓风机从第一流动路径抽取压缩空气子流。这可以例如在第一流动路径中的压缩空气流低于ADU处的排放压力时进行，以使用EGR系统的鼓风机来增加压缩空气的压力。可以经由第二连接路径从第一流动路径抽取压缩空气子流，诸如在不经过EGR系统的鼓风机的情况下。这可以例如在第一流动路径中的压缩空气流高于ADU处的排放压力时进行，以使用EGR系统的鼓风机来增加压缩空气的压力。还可以经由EGR系统的鼓风机从第二流动路径，诸如从排气接收器抽取压缩空气子流。这可以在需要进一步减少排放物时使用，并且排气经由第二流动路径和第二连接路径11BA供给到燃烧过程。

EGR系统显著地减少柴油发动机中氮氧化物(NOx)的形成。EGR系统帮助船舶满足应用于北美和美国加勒比海以及任何新的NOx排放控制区(NECA)的国际海事组织(IMO)NOx3级标准排放限制。在EGR系统中，在排气的冷却和清洁过程(诸如通过使用洗涤器)之后，排气的一部分被再循环到发动机，诸如到发动机的扫气空气接收器。这样，扫气空气中的氧气的一部分被来自燃烧过程的二氧化碳(CO2)取代。通过用CO2取代氧气的一部分，O2含量减小，并且扫气空气的热容量增大，从而减小燃烧的温度峰值并减少NOx的形成。NOx的减少可与再循环排气的比率几乎成线性。IMO还制定了2级排放标准，其排放限制比3级标准排放限制宽松。2级和3级的NOx排放限制定义在以下中：“国际防止船舶造成污染公约”附则VI第13条，也称为MARPOL 73/78。2级和3级的排放限制应用于安装在船舶上的功率输出超过130kW的船用柴油发动机。

EGR系统可包括用于清洁排气的洗涤器和用于增加排气压力和/或流量的鼓风机。在一个或多个示例性空气供应系统中，洗涤器可布置在第二流动路径中。洗涤器可布置在鼓风机和第一流动路径与第二流动路径之间的第一连接路径的上游。洗涤器可被配置为冷却排气并去除污染物，诸如二氧化硫和微粒烟灰。在一个或多个示例性空气供应系统中，EGR系统可包括用于冷却排气的冷却器，诸如独立冷却器，以及用于从排气去除水分的水雾捕集器。通过冷却排气，可以降低燃烧过程的温度，并且可以增加排气的密度，从而提高容积效率。水雾捕集器可以去除排气的冷却所导致的排气的冷凝产生的水分。去除水分可以降低空气供应系统的部件(诸如流动路径或鼓风机)中腐蚀的风险。

在一个或多个示例性空气供应系统中，空气供应系统可包括第一流量控制装置，用于控制穿过第一流动路径与第二流动路径之间的第一连接路径的流。在一个或多个示例性空气供应系统中，空气供应系统可包括第二流量控制装置，用于控制穿过第一流动路径与第二流动路径之间的第二连接路径的流。在一个或多个示例性空气供应系统中，空气供应系统可包括第三流量控制装置，用于控制穿过第三流动路径的流。在一个或多个示例性空气供应系统中，空气供应系统可包括第四流量控制装置，用于控制进入第二流动路径的排气的流。流量控制装置诸如第一、第二、第三和/或第四流量控制装置可以为孔口或控制阀。流量控制装置诸如第一、第二、第三和/或第四流量控制装置允许压缩空气流根据空气供应系统的操作条件而被引导穿过不同的流动路径。通过打开和关闭不同的流量控制装置，可以调适对压缩流可用的流动路径。可以基于发动机负荷、由涡轮增压器提供的压缩空气流的压力、ADU处的排放压力和/或压缩空气流的流率来控制流量控制装置。在一些示例性空气供应系统中，空气供应系统可包括一个或多个传感器，用于监测发动机负荷、由涡轮增压器提供的压缩空气流的压力、ADU处的排放压力和/或压缩空气流的流率。

在一个或多个示例性空气供应系统中，流量控制装置可以为固定孔口，诸如固定比率孔口，所述固定孔口被配置为被动地控制穿过流动路径的流量。在一个或多个示例性空气供应系统中，第三流量控制装置可以为孔口诸如固定比率孔口，所述孔口被配置为抽取流动穿过第一流动路径和/或第二流动路径的流体诸如压缩空气的一小部分。孔口可例如被配置为抽取流动穿过第一流动路径和/或第二流动路径的流体的0％至20％诸如6％至10％，并将其提供给第三流动路径以将压缩空气子流供应到一个或多个ADU。固定比率孔口可确保从第一流道抽取仅预定量的压缩空气流，使得足量的压缩空气被供应到船舶的发动机以实现发动机的冷却和喷射到发动机的燃烧室的燃料的燃烧。

在一个或多个示例性空气供应系统中，流量控制装置可以是可变的，诸如为控制阀，诸如隔膜控制阀，其可以主动控制允许被抽取到空气供应系统的气体的量。

在一个或多个示例性空气供应系统中，第一流量控制装置、第二流量控制装置和第四流量控制装置可以为控制阀。因此，可以控制穿过阀的流，以改变空气流动穿过空气供应系统的流动路径和连接路径的路线。

一个或多个涡轮增压器可包括：由来自内燃机的排气流诸如来自发动机的排气接收器的排气流驱动的涡轮机；以及用于产生压缩空气流诸如扫气空气流的压缩机。来自排气的能量因此可用于压缩空气流。

在一个或多个示例性空气供应系统中，空气供应系统可包括两个或更多个涡轮增压器。空气供应系统还可包括一个或多个截断阀，用于控制到两个或更多个涡轮增压器中的至少第一涡轮增压器的排气流。一个或多个截断阀可用于接通或关断到两个或更多个涡轮增压器中的至少一个的涡轮机侧和/或来自其压缩机侧的气流。通过关闭截断阀来关断到涡轮增压器中的至少一个的涡轮机侧的排气流，可以向其余涡轮增压器提供较大的排气流，从而增加这些增压器的压缩能力，这将增加由活动涡轮增压器产生的压力。通过截断两个或更多个涡轮增压器中的第一涡轮增压器，所有排气将流动穿过多个涡轮增压器中的一个或多个第二涡轮增压器，其也可称为一个或多个活动涡轮增压器。由于可用的排气流必须驱动较少数量的涡轮增压器，因此到活动涡轮增压器(诸如未截断的涡轮增压器)中的每一个的排气流会增加。到一个或多个活动涡轮增压器的排气的增加导致这些活动涡轮增压器旋转得更快，这会增加来自这些涡轮增压器的压缩机侧的压缩空气穿过第一流动路径的压力。与所有涡轮增压器都处于活动状态的情况相比，到一个或多个活动涡轮增压器的较高排气压力会增加涡轮增压器效率并且因此可以允许较高空气压力穿过第一流动路径流到发动机。

在空气供应系统的第一示例性操作模式下，第一流量控制装置诸如控制阀以及第三流量控制装置诸如控制阀可被配置为打开。第二流量控制装置和第四流量控制装置被配置为关闭。因此，阻止排气流穿过第二流动路径，并且从第一流动路径抽取空气子流并将其经由EGR系统的鼓风机经由第一连接路径引导至ADU。通过引导空气子流穿过第一连接路径，空气子流被引导穿过EGR系统的其中空气子流被压缩的鼓风机。空气子流的压力由此可以通过EGR系统的鼓风机增加到高于ADU处的排放压力的压力。因此，可以在较低的发动机负荷下开始通过ADU排放压缩空气。压缩空气的压力的增加也可以在不使用用于供应到ADU的空气的专用鼓风机的情况下进行。可以使用现有的鼓风机。

在空气供应系统的第二示例性操作模式下，诸如当发动机的负荷低时，诸如低于负荷阈值时，可以关闭一个或多个截断阀，以便阻止排气流流到两个或更多个涡轮增压器中的至少第一涡轮增压器。因此，第一流动路径中由一个或多个第二活动涡轮增压器产生的压缩空气的压力增加。因此，提供给鼓风机的空气也将更高，这减少升压器将压力增加到高于ADU处的排放压力所需的功。

在空气供应系统的第三示例性操作模式下，诸如当发动机的负荷高时，诸如高于负荷阈值时，可以打开一个或多个截断阀，以便允许排气流流到两个或更多个涡轮增压器中的至少第一涡轮增压器。因此，当发动机在较高负荷下操作时，可将较高流量的压缩空气提供给第一流动路径以将压缩主空气流供应到发动机。

在空气供应系统的第四示例性操作模式下，例如当船舶在3级NOx排放模式下操作时，第一流量控制装置和第三流量控制装置可被配置(诸如被控制)为关闭，并且第二流量控制装置和第四流量控制装置可被配置(诸如被控制)为打开。因此，允许排气流穿过第二流动路径，并且排气经由EGR系统的鼓风机和第二连接路供给到第一流动路径中。

在第五操作模式下，诸如当船舶在3级NOx排放模式下操作时，第二流量控制装置和第三流量控制装置以及第四流量控制装置被配置为打开，并且第一流量控制装置被配置为关闭，以便允许排气流穿过第二流动路径并经由EGR系统的鼓风机和第二连接路径将其供给到第一流动路径和第三流动路径中。因此，可以减少来自燃烧过程的排放物，同时通过凭借ADU排放空气来减少船舶在水中的摩擦。

还公开了一种包括根据本公开的空气供应系统的船舶。

图1示出了相对于发动机负荷的由一个或多个涡轮增压器提供给发动机的压缩空气诸如扫气空气(Pscav)的压力的示例。ADU处的排放压力由图1中的吃水压力线指示。ADU处的排放压力取决于它们在船体上的位置。当ADU布置在船体的底部时，排放压力对应于船舶的吃水压力。为了经由ADU将空气释放到船舶的船体的外部，压缩空气的压力必须克服ADU处的排放压力。如图1所示，针对低于大约55％的发动机负荷，压缩空气的压力低于ADU处的排放压力。对于仅使用由根据图1所示的示例的涡轮增压器提供的压缩空气的空气供应系统，只有在发动机负荷高于55％时才会释放空气。在下文中，将公开一种空气供应系统，其也允许在较低的发动机负荷下将空气排放到船舶的船体的外部。

在下图中，虚线表示压缩空气流穿过空气供应系统，黑色阀表示关闭的阀，阻止空气流穿过所述阀，并且白色阀表示打开的阀，允许空气流穿过所述阀。

图2示出了根据本公开的用于向船舶200的船体201的外部供应空气的示例性空气供应系统100。船舶200包括发动机，诸如内燃机，诸如柴油发动机，诸如二冲程柴油发动机。发动机未在图2中公开，但由用于接收来自发动机的排气的排气接收器和用于向发动机提供扫气空气的扫气空气接收器指示，两个接收器均位于发动机的外围。空气供应系统100包括涡轮增压器10，用于经由第一流动路径11A向船舶200的发动机供应压缩主空气流，诸如扫气空气流。涡轮增压器10可由来自排气接收器的排气驱动。为了防止涡轮增压器超速，空气供应系统100可包括排气旁通阀34，用于释放排气，以减少流到涡轮增压器10的排气流。第一流动路径11A也可以称为扫气流动路径。第一流动路径可包括：空气冷却器13，用于冷却来自涡轮增压器10的压缩空气；水雾捕集器14，用于从压缩空气流去除水分；和/或止回阀15，用于防止来自燃烧过程的污染空气从扫气空气接收器向后流向涡轮增压器10。水雾捕集器14可以布置在第一流动路径11A中空气冷却器13的下游。止回阀15可以布置在第一流动路径11A中水雾捕集器14的下游。空气供应系统100包括EGR系统30，用于经由第二流动路径11B将排气再循环到第一流动路径的压缩主空气流中。EGR系统可包括：用于清洁排气的洗涤器32；用于冷却排气的EGR冷却器33；以及鼓风机31，其布置在第二流动路径11B中用于将排气供应到发动机，诸如供应到扫气空气接收器。洗涤器32可以布置在鼓风机31和第一连接路径11AB上游的第二流动路径11B中。EGR系统30可以使用第一流动路径11A中的水雾捕集器14来从排气去除水分。因此可以经由第一流动路径11A中的水雾捕集器14来引导来自EGR系统30的排气。空气供应系统100包括用于将压缩空气子流供应到一个或多个ADU20的第三流动路径11C。一个或多个ADU 20被配置为布置在船舶200的船体201中在水线以下。第一流动路径11A和第二流动路径11B具有位于鼓风机31上游的第一连接路径11AB和位于鼓风机31下游的第二连接路径11BA。第三流动路径11C在鼓风机31的下游与第一流动路径11A和第二流动路径11B流体连接，使得可以从第一流动路径11A和/或第二流动路径11B抽取压缩空气子流。可以经由第一连接路径11AB、第二流动路径11B和EGR系统30的鼓风机31从第一流动路径11A抽取压缩空气子流。也可以在不经过EGR系统30的鼓风机31的情况下经由第二连接路径11AB从第一流动路径11A抽取压缩空气子流。也可以经由EGR系统30的鼓风机31从第二流动路径11B，诸如从排气接收器抽取压缩空气子流。在一些示例性空气供应系统100中，空气供应系统可包括连接扫气空气接收器和排气接收器的气缸旁通路径11D。空气供应系统可包括用于控制穿过气缸旁通路径的空气流的气缸旁通阀9。

气缸旁路11D可允许过量空气绕过燃烧过程。当空气供应系统仅包括单个涡轮增压器时，气缸旁通阀9可以在高发动机负荷下打开，以补偿单个涡轮增压器的降低的流量。

空气供应系统100可包括：第一流量控制装置12A，用于控制诸如打开和/或关闭穿过第一流动路径11A与第二流动路径11B之间的第一连接路径11AB的流；第二流量控制装置12B，用于控制穿过第一流动路径11A与第二流动路径11B之间的第二连接路径11BA的流；第三流量控制装置12C，用于控制穿过第三流动路径11C的流；和/或第四流量控制装置12D，用于控制进入第二流动路径11B的排气流。第一、第二、第三和第四流量控制装置11A至11D在此处所示的示例中为控制阀。然而，流量控制装置诸如第三流量控制装置12C也可以为具有固定流率的孔口。第一流量控制装置12A布置在第一流动路径11A与第二流动路径11B之间的第一连接路径11AB中。第二流量控制装置12B布置在第二流动路径11B与第一流动路径11A之间的第二连接路径11BA中。

图3示出了根据本公开的用于向船舶200的船体201的外部供应空气的示例性空气供应系统100。图3的示例性空气供应系统100与图2的示例性空气供应系统的不同之处在于，所述空气供应系统100包括两个或更多个涡轮增压器10，诸如第一涡轮增压器10和第二涡轮增压器10A。所述空气供应系统100还包括一个或多个截断阀17，用于控制到两个或更多个涡轮增压器10、10A中的至少第一涡轮增压器10A的排气流。通过关闭截断阀17，可以关断到第一涡轮增压器10A的排气流。这允许将较大流量的排气提供给其余的涡轮增压器，诸如第一涡轮增压器10。通过截断两个或更多个涡轮增压器中的第一涡轮增压器，所有排气将流动穿过第一涡轮增压器10，其也可称为活动涡轮增压器。由于可用的排气流必须驱动较少数量的涡轮增压器，因此到第一涡轮增压器10的排气流会增加。与其中所有涡轮增压器10、10A都处于活动状态的情况相比，到活动涡轮增压器的排气的增加导致活动涡轮增压器旋转得更快，这将增加来自此涡轮增压器的压缩空气穿过流动路径11A的压力。第二涡轮增压器10A可具有与第一涡轮增压器10不同的尺寸。第二涡轮增压器10A可经由专用流动路径将压缩空气提供给扫气空气接收器。在图3所示的示例性空气供应系统100中，第二涡轮增压器可与EGR系统30共享流动路径，使得来自第二涡轮增压器10A的压缩空气经由第二流动路径11B提供给扫气空气接收器。EGR系统30和第二涡轮增压器10A因此可以共享冷却器和水雾捕集器14。针对第二涡轮增压器10A的空气冷却器13以及EGR冷却器33因此可以为同一冷却器。第二涡轮增压器10A和EGR系统30可以不同时使用第二流动路径。第二流动路径因此可以由第二涡轮增压器10A或由EGR系统30使用。第一涡轮增压器10因此可以在没有第二涡轮增压器10A的情况下与EGR一起使用或者与第二涡轮增压器10A一起使用，而没有EGR。第二涡轮增压器的尺寸可以被设计(这也可以称为被匹配)以供最大可允许EGR流穿过第二流动路径。发动机因此可以诸如在2级操作期间从第二流动路径11B接收包括来自第二涡轮增压器10A的正常空气的气流，或者在3级操作期间接收来自EGR系统诸如来自洗涤器32的具有减少的O2含量的清洁排气。两种不同流的流率可以基本上相同，但O2含量可以不同。

图4公开了本文公开的空气供应系统的示例性操作模式。在此示例性操作模式下，空气供应系统在IMO 2级模式下操作，而没有向ADU 20供应空气。在此操作条件下，流量控制装置12A和流量控制装置12B两者均关闭，这在图3中用黑色阀表示。由虚线箭头指示的压缩空气流因此沿循第一流动路径11A，诸如扫气流动路径，从涡轮增压器行进到扫气空气接收器。没有压缩空气流会穿过连接路径11AB、穿过连接路径11BA、穿过第二流动路径11B或穿过第三流动路径11C。

图5公开了本文公开的示例性空气供应系统的示例性操作模式。在此示例性操作模式下，空气供应系统10在IMO 2级模式下操作，向ADU 20供应空气。船舶的发动机可以在低于负荷阈值的负荷下操作，使得来自涡轮增压器10的压缩空气的压力不足以克服ADU 20处的排放压力。在此操作模式下，第一流量控制装置12A和第三流量控制装置12C被配置为打开，如由图中白色阀所指示。第二流量控制装置12B和第四流量控制装置12D被配置为关闭，以便阻止流穿过第二连接路径11BA以及阻止排气流穿过第二流动路径。通过第一连接路径11AB从第一流动路径11A抽取空气子流并经由第一连接路径11AB经由第二流动路径11B将其引导至EGR系统30的鼓风机31，其中空气子流的压力由鼓风机提升至高于ADU 20处的排放压力的压力。当空气子流的压力已经由鼓风机增大到高于ADU处的排放压力的压力水平时，空气子流可以克服ADU处的排放压力并且可以经由第三流量控制装置12C穿过第三流动路径径11C流到一个或多个ADU 20。第三流量控制装置12C可以被节流以为ADU 20提供目标流量。

图6示出了与图5所示相同的操作模式，但是用于包括多于一个涡轮增压器的空气供应系统100，诸如图3中所示的空气供应系统100。对于包括多于一个涡轮增压器，诸如包括第一涡轮增压器10和第二涡轮增压器10A的示例性空气供应系统，一个或多个截断阀17可以在压缩空气的压力低于ADU处的排放压力时关闭，如由图6中黑色阀所指示，以便阻止排气流流到两个或更多个涡轮增压器10、10A中的至少涡轮增压器10A。这增加流到其余活动涡轮增压器，诸如流到两个或更多个涡轮增压器10、10A中的涡轮增压器10的排气流。第一流量控制装置12A和第三流量控制装置12C被配置为打开，如由图中的白色阀所指示。第二流量控制装置12B和第四流量控制装置12D被配置为关闭，以便阻止流穿过第二连接路径11BA以及阻止排气流穿过第二流动路径。通过第一连接路径11AB从第一流动路径11A抽取空气子流并经由第二流动路径11B将其引导至EGR系统30的鼓风机31，其中空气子流的压力由鼓风机提升至高于ADU 20处的排放压力的压力。当空气子流的压力已经由鼓风机增大到高于ADU处的排放压力的压力水平时，空气子流可以克服ADU处的排放压力并且可以经由第三流量控制装置12C穿过第三流动路径径11C流到一个或多个ADU 20。第三流量控制装置12C可以被节流以为ADU 20提供目标流量。

图7公开了本文公开的示例性空气供应系统的示例性操作模式。在此示例性操作模式下，空气供应系统10在IMO 2级模式下操作，向ADU 20供应空气。船舶的发动机在高于负荷阈值的负荷下操作，使得来自涡轮增压器10的压缩空气的压力足以克服ADU 20处的排放压力。第二流量控制装置12B和第三流量控制装置12C被配置为打开，如由图中白色阀所指示。第一流量控制装置12A和第四流量控制装置12D被配置为关闭，以便阻止流穿过第一连接路径11AB以及阻止排气流穿过第二流动路径11B。通过第二连接路径11BA从第一流动路径11A抽取空气子流，并经由第二连接路径11BA将其引导至第三流动路径11C，以便绕过EGR系统30的鼓风机31。由于压缩空气子流的压力高于ADU处的排放压力，因此压缩空气子流经由打开的第三流量控制装置12C穿过第三流动路径11C流到船舶200的船体201中的一个或多个ADU 20。通过绕过鼓风机，可以减少压缩空气子流的压力损失，因为经由第二连接路径11BA的路线比经由第一连接路径11AB和鼓风机31的路线具有更少的限制。第三流量控制装置12C和/或第二流量控制装置12B可以被节流以为ADU 20提供目标流量。相同的操作模式可应用于图3的示例性空气供应系统100，其包括多于一个涡轮增压器，诸如包括第一涡轮增压器10和第二涡轮增压器10A。因此，经由第二连接路径11BA从第一流动路径11A抽取到ADU 20的空气子流，并经由第三流动路径11C将其供应到ADU 20。

图8a示出了与图7所示相同的操作模式，但是用于包括多于一个涡轮增压器的空气供应系统100，诸如图3中所示的空气供应系统100。对于包括多于一个涡轮增压器，诸如包括第一涡轮增压器10和第二涡轮增压器10A的示例性空气供应系统，一个或多个截断阀17可以打开，如由图8中白色阀所指示，以便允许排气流流到涡轮增压器10A。可以例如在来自第一涡轮增压器10的压缩空气的压力高于ADU 20处的排放压力时或者当第一涡轮增压器10已经达到最大负荷极限时打开截断阀17。第一流量控制装置12A和第三流量控制装置12C被配置为打开，如由图中的白色阀所指示。第二流量控制装置12B和第四流量控制装置12D被配置为关闭，以便阻止流穿过第二连接路径11BA以及阻止排气流穿过第二流动路径11B。通过第一连接路径11AB从第一流动路径11A抽取压缩空气子流(如由图8a中的虚线所指示)，并经由第二流动路径11B对其进行引导，其中来自第一涡轮增压器的压缩空气子流与来自第二涡轮增压器10A的压缩空气流混合。经由EGR系统30的鼓风机31从第二流动路径抽取混合压缩空气的子流，其中空气子流的压力可由鼓风机31进一步升压。如果空气子流的压力高于鼓风机31的容量，则鼓风机可在压缩空气子流中旋转。混合压缩空气的子流随后经由打开的第三流量控制装置12C穿过第三流动路径11C流到一个或多个ADU 20。

图8b示出了包括多于一个涡轮增压器的示例性空气供应系统100的另外的操作模式。在由多个涡轮增压器，诸如第一涡轮增压器10和第二涡轮增压器10A提供的空气子流的压力高于鼓风机31的容量时，可绕过鼓风机，而不是鼓风机31在压缩空气子流中旋转。第一流量控制装置12A和第二流量控制装置12B可以打开。通过第一连接路径11AB从第二流动路径11B抽取压缩空气子流(如由图8b中的虚线所指示)，并经由第一流动路径11A对其进行引导，其中来自第一涡轮增压器10的压缩空气子流与来自第二涡轮增压器10A的压缩空气流混合。经由第二连接路径11BA从第一流动路径抽取混合压缩空气的子流，并且其随后经由打开的第三流量控制装置12C穿过第三流动路径11C流到一个或多个ADU 20。当空气供应系统100在2级模式下操作并且发动机在高负荷下，诸如在高于负荷阈值的负荷水平下操作时，可以是此情况。

图9公开了本文公开的示例性空气供应系统的示例性操作模式。在图10所示的操作模式下，空气供应系统10在IMO 2级模式下操作。第三流量控制装置12C和第四流量控制装置12D打开，而第一流量控制装置12A和第二流量控制装置关闭。因此，排气可以经由EGR系统30的洗涤器32和鼓风机31穿过第二流动路径11B流到第三流动路径11C。随后可以将清洁的、冷却的和/或压缩的排气流提供给ADU 20。因此当空气供应系统在IMO 2级模式下操作时，EGR系统30可用作空气源以向ADU 20供应压缩空气，诸如清洁排气。因此，不必从供应到发动机的扫气空气流抽取空气来为ADU 20供应空气，从而增加可用于发动机的燃烧过程和冷却的空气的量。

图10公开了本文公开的示例性空气供应系统的示例性操作模式。在图10所示的操作模式下，空气供应系统10在NOx排放限制降低的IMO 3级模式下操作。为了满足3级NOx排放限制，EGR系统被激活。第四流量控制装置12D打开，如由白色阀12D所指示，使得排气经由洗涤器32流动穿过第二流动路径11B。第二流量控制装置12B也打开。第一流量控制装置12A和第三流量控制装置12C被配置为关闭，如由图中黑色阀所指示。因此，没有空气供应到ADU20。清洁排气经由EGR系统30的鼓风机31和第二连接路径11BA引导至第一流动路径11A，其中排气与来自涡轮增压器10的压缩空气流混合。排气流因此经由EGR系统30的鼓风机31和第二连接路径11BA供给到第一流动路径11A中。排气可以在水雾捕集器14的上游与压缩空气流混合，使得当混合流在其进入扫气空气接收器并提供给发动机之前穿过水雾捕集器14时，去除水分。

尽管针对包括仅一个涡轮增压器10的示例性空气供应系统100公开了图10的操作模式，但是相同的操作模式也可以与包括两个或更多个涡轮增压器的图3的示例性空气供应系统一起使用。通过关闭第二涡轮增压器10A的截断阀17，操作模式还可以与涡轮增压器截断结合，其中空气供应系统的操作对应于诸如在图10中公开的包括仅一个涡轮增压器10的空气供应系统100。

图11公开了本文公开的示例性空气供应系统的示例性操作模式。在图11所示的操作模式下，空气供应系统10在NOx排放限制降低诸如更严格的IMO 3级模式下操作。为了满足3级NOx排放限制，EGR系统被激活。第四流量控制装置12D打开，如由白色阀12D所指示，使得排气经由洗涤器32流动穿过第二流动路径11B。第一流量控制装置12A和第三流量控制装置12C打开，如由图中白色阀所指示。第二流量控制装置12B关闭。对ADU 20的空气供应因此处于活动状态，并且清洁排气经由EGR系统30的鼓风机31和第二连接路径11BA引导至第三流动路径11C。第一连接路径11AB也打开，使得清洁排气经由第一连接路径11AB引导至第一流动路径11A，其中排气与来自涡轮增压器10的压缩空气流混合。排气可以在水雾捕集器14的上游与压缩空气流混合，使得当混合流在其进入扫气空气接收器并提供给发动机之前穿过水雾捕集器14时，去除水分。为了提高穿过第一连接路径11AB的流量，可以在第一连接路径11AB中设置附加鼓风机31A。在一些示例性空气供应系统中，鼓风机31可以连接到第一连接路径11AB和第二连接路径11BA两者。在一些示例性空气供应系统100中，可以在第一连接路径11AB中提供专用鼓风机。在图11所示的操作模式下，EGR系统30以及对ADU的压缩空气供应可以同时处于活动状态。因此，可以减少NOx排放物以达到IMO 3级排放限制，同时通过降低船舶在水中的阻力进一步提高船舶的效率。图11中公开的操作模式也可以相应地应用于图3中公开的示例性空气供应系统100。

图12公开了本文公开的示例性空气供应系统的示例性操作模式。在图12所示的操作模式下，空气供应系统10也在NOx排放限制降低诸如更严格的IMO 3级模式下操作。为了满足3级NOx排放限制，EGR系统被激活。第四流量控制装置12D打开，如由白色阀12D所指示，使得排气经由洗涤器32流动穿过第二流动路径11B。第二流量控制装置12B和第三流量控制装置12C打开，如由图中白色阀所指示。第一流量控制装置12A关闭。对ADU 20的空气供应因此处于活动状态，并且清洁排气经由EGR系统30的鼓风机31通过第二连接路径11BA引导至第一流动路径11A和第三流动路径11C。清洁排气的第一子流被提供到第一流动路径11A，其中排气与来自涡轮增压器10的压缩空气流混合。排气可以在水雾捕集器14的上游与压缩空气流混合，使得当混合流在其进入扫气空气接收器并提供给发动机之前穿过水雾捕集器14时，去除水分。清洁排气的第二子流被提供到第三流动路径11C并被进一步提供到ADU 20。使用第二流量控制装置12B和第三流量控制装置12C来控制第一子流与第二子流的比率。第二流量控制装置12B和第三流量控制装置12C可以为控制阀。第二流量控制装置12B和第三流量控制装置12C可以被节流，诸如被控制，以提供期望的流量比率。所述比率可取决于发动机中的燃烧过程为达到IMO 3级或2级排放限制所需的排气量。在图12所示的操作模式下，EGR系统30以及对ADU 20的压缩空气供应可以同时处于活动状态。因此，可以减少NOx排放物以达到IMO 3级排放限制，同时通过降低船舶在水中的阻力进一步提高船舶的效率。图12中公开的操作模式也可以相应地应用于图3中公开的示例性空气供应系统100。

应注意，图2至图12中所描述的实施方案中提及的特征不限于这些具体实施方案。因此，与以下相关的任何特征因此也适用于如关于图3描述的包括多于一个涡轮增压器的空气供应系统：包括单个涡轮增压器的空气供应系统以及包括在其中且关于图2的空气供应系统(诸如流量控制装置的操作)提及的部件的操作模式。

根据本公开的产品(空气供应系统和船舶)的实施方案在以下条款中阐述：

条款1.一种空气供应系统(100)，用于向船舶(200)的船体(201)的外部供应空气，船舶(200)包括发动机，空气供应系统(100)包括：

-一个或多个涡轮增压器(10)，用于经由相应的第一流动路径(11A)将压缩主空气流供应到船舶的发动机，

-排气再循环(EGR)系统(30)，用于经由第二流动路径(11B)将排气再循环到供应到发动机的压缩主空气流中；以及

-第三流动路径(11C)，用于向一个或多个空气排放单元ADU(20)供应压缩空气子流，其中一个或多个ADU(20)被配置为布置在船舶(200)的船体(201)中在水线以下，

-其中EGR系统(30)包括布置在第二流动路径(11B)中用于将排气供应到发动机的鼓风机(31)，

-其中第一流动路径(11A)和第二流动路径(11B)具有在鼓风机(31)上游的第一连接路径(11AB)和在鼓风机(31)下游的第二连接路径(11BA)，用于提供第一流动路径与第二流动路径之间的流体连接，并且

-其中第三流动路径(11C)在鼓风机(31)的下游与第一流动路径(11A)和第二流动路径(11B)流体连接，使得能够从第一流动路径(11A)和/或第二流动路径(11B)抽取压缩空气子流。

条款2.根据条款1所述的空气供应系统(100)，空气供应系统(100)包括：第一流量控制装置(12A)，用于控制穿过第一流动路径(11A)与第二流动路径(11B)之间的第一连接路径(11AB)的流；第二流量控制装置(12B)，用于控制穿过第一流动路径(11A)与第二流动路径(11B)之间的第二连接路径(11BA)的流；第三流量控制装置(12C)，用于控制穿过第三流动路径(11C)的流；和/或第四流量控制装置(12D)，用于控制进入第二流动路径(11B)的排气流。

条款3.根据前述条款中任一项所述的空气供应系统(100)，其中空气供应系统(100)包括两个或更多个涡轮增压器(10、10A)，其中空气供应系统(100)还包括一个或多个截断阀(17)，用于控制流到两个或更多个涡轮增压器(10、10A)中的至少第一涡轮增压器(10A)的排气流。

条款4.根据条款2所述的空气供应系统(100)，其中在第一操作模式下，第一流量控制装置(12A)和第三流量控制装置(12C)被配置为打开并且第二流量控制装置(12B)和第四流量控制装置(12D)被配置为关闭，以便阻止排气流穿过第二流动路径(11B)并且从第一流动路径(11A)抽取空气子流并经由第一连接路径(11AB)经由EGR系统(31)的鼓风机(31)将其引导至ADU(20)。

条款5.根据条款4所述的空气供应系统(100)，其中在第二操作模式下，一个或多个截断阀(17)关闭，以便阻止排气流流到两个或更多个涡轮增压器(10)中的至少第一涡轮增压器(10A)。

条款6.根据条款4或5所述的空气供应系统(100)，其中在第三操作模式下，一个或多个截断阀(17)打开，以便允许排气流流到两个或更多个涡轮增压器(10)中的至少第一涡轮增压器(10A)。

条款7.根据条款1至6中任一项所述的空气供应系统(100)，其中在第四操作模式下，第一流量控制装置(12A)和第三流量控制装置(12C)被配置为关闭并且第二流量控制装置(12B)和第四流量控制装置(12D)被配置为打开，以便允许排气流穿过第二流动路径(11B)并经由EGR系统(30)的鼓风机(31)和第二连接路径(11BA)将其供给到第一流动路径(11A)中。

条款8.根据条款1至7中任一项所述的空气供应系统(100)，其中在第五操作模式下，第二流量控制装置(12B)和第三流量控制装置(12C)以及第四流量控制装置(12D)被配置为打开，并且第一流量控制装置(12A)被配置为关闭，以便允许排气流穿过第二流动路径(11B)并经由EGR系统(31)的鼓风机(31)和第二连接路径(11BA)将其供给到第一流动路径(11A)和第三流动路径(11C)中。

条款9.根据前述条款中任一项所述的空气供应系统(100)，其中EGR系统(30)包括布置在第二流动路径(11B)中用于清洁排气的洗涤器(32)，其中洗涤器布置在鼓风机(31)和第一连接路径(11AB)的上游。

条款10.一种船舶(200)，所述船舶包括发动机和根据条款1至9中任一项所述的空气供应系统(100)。

术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”、“一级”、“二级”、“三级”等的使用并不暗示任何特定的次序，而是包括在内以识别各个要素。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”、“一级”、“二级”、“三级”等的使用并不表示任何次序或重要性，而是术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”、“一级”、“二级”、“三级”等用于区分一个要素与另一个要素。需注意，此处和其他地方使用的词语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”、“一级”、“二级”、“三级”等仅用于标记目的，并且并不旨在表示任何特定的空间或时间次序。此外，对第一要素的标记并不意味着第二要素的存在，反之亦然。

应注意，“包括”一词并不一定排除所列之外的其他要素或步骤的存在。

应注意，在要素之前的词语“一个”或“一种”不排除多个此类要素的存在。

虽然已经示出并描述了特征，但是应当理解，它们并不旨在限制所要求保护的公开，并且对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所要求保护的公开的范围的情况下，可以作出各种改变和修改。相应地，说明书和附图被认为是说明性意义而非限制性意义。所要求保护的公开旨在涵盖所有替代方案、修改和等同物。

Claims (10)

1.一种空气供应系统(100)，用于向船舶(200)的船体(201)的外部供应空气，所述船舶(200)包括发动机，所述空气供应系统(100)包括：

-一个或多个涡轮增压器(10)，用于经由相应的第一流动路径(11A)将压缩主空气流供应到所述船舶的所述发动机，

-排气再循环(EGR)系统(30)，用于经由第二流动路径(11B)将排气再循环到供应到所述发动机的所述压缩主空气流中；以及

-第三流动路径(11C)，用于向一个或多个空气排放单元ADU(20)供应压缩空气子流，其中所述一个或多个ADU(20)被配置为布置在所述船舶(200)的所述船体(201)中在水线以下，

-其中所述EGR系统(30)包括布置在所述第二流动路径(11B)中用于将排气供应到所述发动机的鼓风机(31)，

-其中所述第一流动路径(11A)和所述第二流动路径(11B)具有在所述鼓风机(31)上游的第一连接路径(11AB)和在所述鼓风机(31)下游的第二连接路径(11BA)，用于提供所述第一流动路径与所述第二流动路径之间的流体连接，并且

-其中所述第三流动路径(11C)在所述鼓风机(31)的下游与所述第一流动路径(11A)和所述第二流动路径(11B)流体连接，使得能够从所述第一流动路径(11A)和/或所述第二流动路径(11B)抽取所述压缩空气子流。

2.根据权利要求1所述的空气供应系统(100)，所述空气供应系统(100)包括：第一流量控制装置(12A)，用于控制穿过所述第一流动路径(11A)与所述第二流动路径(11B)之间的所述第一连接路径(11AB)的流；第二流量控制装置(12B)，用于控制穿过所述第一流动路径(11A)与所述第二流动路径(11B)之间的所述第二连接路径(11BA)的流；第三流量控制装置(12C)，用于控制穿过所述第三流动路径(11C)的流；和/或第四流量控制装置(12D)，用于控制进入所述第二流动路径(11B)的排气流。

3.根据权利要求2所述的空气供应系统(100)，其中在第一操作模式下，所述第一流量控制装置(12A)和所述第三流量控制装置(12C)被配置为打开并且所述第二流量控制装置(12B)和所述第四流量控制装置(12D)被配置为关闭，以便阻止排气流穿过所述第二流动路径(11B)并且从所述第一流动路径(11A)抽取空气子流并经由所述第一连接路径(11AB)经由所述EGR系统(31)的所述鼓风机(31)将其引导至所述ADU(20)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的空气供应系统(100)，其中所述空气供应系统(100)包括两个或更多个涡轮增压器(10、10A)，其中所述空气供应系统(100)还包括一个或多个截断阀(17)，用于控制流到所述两个或更多个涡轮增压器(10、10A)中的至少第一涡轮增压器(10A)的排气流。

5.根据权利要求4所述的空气供应系统(100)，其中在第二操作模式下，所述一个或多个截断阀(17)关闭，以便阻止所述排气流流到所述两个或更多个涡轮增压器(10)中的至少所述第一涡轮增压器(10A)。

6.根据权利要求4或5所述的空气供应系统(100)，其中在第三操作模式下，所述一个或多个截断阀(17)打开，以便允许所述排气流流到所述两个或更多个涡轮增压器(10)中的至少所述第一涡轮增压器(10A)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的空气供应系统(100)，其中在第四操作模式下，所述第一流量控制装置(12A)和所述第三流量控制装置(12C)被配置为关闭并且所述第二流量控制装置(12B)和所述第四流量控制装置(12D)被配置为打开，以便允许排气流穿过所述第二流动路径(11B)并经由所述EGR系统(31)的所述鼓风机(31)和所述第二连接路径(11BA)将其供给到所述第一流动路径(11A)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的空气供应系统(100)，其中在第五操作模式下，所述第二流量控制装置(12B)和所述第三流量控制装置(12C)以及所述第四流量控制装置(12D)被配置为打开，并且所述第一流量控制装置(12A)被配置为关闭，以便允许排气流穿过所述第二流动路径(11B)并经由所述EGR系统(31)的所述鼓风机(31)和所述第二连接路径(11BA)将其供给到所述第一流动路径(11A)和所述第三流动路径(11C)中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的空气供应系统(100)，其中所述EGR系统(30)包括布置在所述第二流动路径(11B)中用于清洁所述排气的洗涤器(32)，其中所述洗涤器布置在所述鼓风机(31)和所述第一连接路径(11AB)的上游。

10.一种船舶(200)，其包括发动机和根据权利要求1至9中任一项所述的空气供应系统(100)。

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