KR101344169B1 - 내연 기관 시스템 및 선박 - Google Patents
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Abstract
제 1 발전기 (34) 는, 과급기 (3) 의 회전축 (33) 에 의해 회전 구동되어 발전을 실시한다. 제 2 발전기 (4) 는, 발전 및 출력축 (25) 의 구동을 실시한다. 제 1 컨버터 (5) 는, 제 1 발전기 (34) 가 발전한 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 제 2 컨버터 (6) 는, 제 2 발전기 (4) 가 발전한 교류 전력을, 제 1 컨버터 (5) 에 의해 변환된 직류 전력과 동일한 전압의 직류 전력으로 항상 변환하거나, 또는 제 1 컨버터 (5) 가 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 제 2 발전기 (4) 에 공급한다. 인버터 (7) 는, 제 1 및 제 2 컨버터 (5, 6) 의 적어도 일방이 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
Description
본 발명은, 내연 기관 시스템 및 선박, 특히 발전기와 직결된 과급기를 갖는 내연 기관이 형성된 내연 기관 시스템 및 선박에 관한 것이다.
일반적으로, 내연 기관의 배기에 함유되는 에너지를 이용하여, 내연 기관의 흡기 공기를 과급하는 과급기 (터보 차저) 가 알려져 있다. 또한 과급기에 발전기를 직결함으로써, 내연 기관이 고부하로 운전되고 있는 경우에 과급기의 회전을 이용하여 발전을 실시함으로써, 배기 가스에 함유되는 에너지를 전기 에너지로서 유효하게 회수하여 (발전하는) 출력축에 직결된 모터를 구동시켜 출력축을 가세 (加勢) 하는 기술이 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
대형선의 주추진 기관 (예를 들어 디젤 기관) 에, 발전기를 직결한 과급기 (이하, 「하이브리드 과급기」라고 표기한다) 가 탑재되는 경우에도 마찬가지로, 하이브리드 과급기를 이용하여 발전을 실시하는 기술이 알려져 있다.
또한, 대형선에 있어서는, 주추진 기관에 직결한 전동 발전기를 장비하고, 선 내에서 발생한 잉여 전력을 이용하여 출력축을 가세하거나, 출력축의 동력을 이용하여 발전하여 선 내의 전력 수요를 조달하거나 하는 시스템이 실용화되고 있다.
그러나, 주추진 기관이 저부하로 운전되고 있는 경우에는, 하이브리드 과급기, 혹은 축전동 발전기에 의한 발전량도 저하되기 때문에, 선 내에 있어서의 전력 수요를 조달할 수 없다는 문제가 있었다. 이 문제를 해결하기 위해서, 주추진 기관과는 별도의 내연 기관, 예를 들어 디젤 기관에서 구동되는 발전기 (이하, 「디젤 발전기」라고 표기한다) 를 설치하여, 부족한 전력을 보충하는 기술이 알려져 있다
그러나, 상기 서술한 하이브리드 과급기를 구비한 주추진 기관에서는, 주추진 기관이 고부하로 운전되면, 하이브리드 과급기에 있어서의 발전 가능 전력이, 선 내에서 필요로 하는 전력을 웃도는 경우가 있다. 이 경우, 잉여 전력을 내지 않도록, 하이브리드 과급기에 있어서의 발전량을 작게 하도록 제어하거나, 발전된 잉여 전력을 로드 뱅크 등에서 열로 변환하여 버리는 것이 실시되고 있다.
요컨대, 배기 가스에 함유되는 에너지가 불필요하게 버려지거나, 전기 에너지가 불필요하게 버려진다는 문제가 있었다.
한편, 주추진 기관의 출력축에 직결된 전동 발전기를 장비하고 있는 경우에는, 잉여 전력을 이용하여 전동 발전기를 구동시켜 출력축을 가세함으로써, 주추진 기관의 연료 소비를 저감시킬 수 있다. 혹은, 출력축의 동력을 이용하여 전동 발전기에 의해 발전을 실시하여, 선 내의 전력 수요를 조달할 수도 있다.
전동 발전기에 의해 발전을 실시하는 경우, 출력축의 회전수는 일정하지 않기 때문에, 전동 발전기의 회전 구동 속도도 일정하지 않다. 그 때문에, 전동 발전기에 의해 발전된 전력의 주파수나 전압도 일정하지 않기 때문에, 주파수 변환 장치에 의해 공급 전력 혹은 발전 전력을 선 내의 주파수나, 전압과 일치시킬 필요가 있었다.
하이브리드 과급기에 의한 발전에 대해서도 마찬가지로, 회전수가 일정하지는 않기 때문에, 발전된 전력의 주파수나 전압을, 주파수 변환 장치에 의해 공급 전력 혹은 발전 전력을 선 내의 주파수나, 전압과 일치시킬 필요가 있었다.
따라서, 출력축에 직결된 전동 발전기를 장비하고, 또한 주추진 기관에 하이브리드 과급기를 장비한 선 (船) 에 있어서는, 2 세트의 주파수 변환 장치를 장비할 필요가 있어, 비용이 높아질 뿐만 아니라 스페이스 확보도 어려워진다는 문제가 있었다.
또한, 하이브리드 과급기에 의해 발전된 전력을 출력축의 전동 발전기에 공급하여 주추진 기관을 가세하는 경우, 발전된 전력은 하이브리드 과급기에 배치된 주파수 변환 장치, 및 전동 발전기에 배치된 주파수 변환 장치의 2 개의 주파수 변환 장치를 통과하기 때문에, 전력 손실이 커져 전력이 불필요하게 소비된다는 문제가 있었다.
구체적으로는, 하이브리드 과급기에 의해 발전된 전력은, 하이브리드 과급기에 배치된 주파수 변환 장치의 컨버터에 의해 직류로 정류된 후에 인버터에 의해 선 내 전력과 동일한 주파수의 전력으로 변환되고, 또한 전동 발전기에 배치된 주파수 변환 장치의 컨버터에 의해 직류로 변환된 후, 인버터에 의해 전동 발전기를 구동하는 데에 적합한 전압과 주파수로 변환된다. 즉, 전력은 컨버터 및 인버터를 각각 2 회 통과하므로, 이들 기기에 있어서의 전력 손실이 커져, 전력이 불필요하게 소비되는 문제가 있었다.
한편, 주추진 기관이 저부하로 운전되면, 상기 서술한 바와 같이, 하이브리드 과급기에 의한 발전에 추가로, 디젤 발전기에 의한 발전을 실시할 필요가 있었다. 예를 들어, 주추진 기관의 부하가 서서히 저하되어, 하이브리드 과급기에 의한 발전량에서는 전력 수요에 부족한 데에 앞서 디젤 발전기의 디젤 기관을 기동시켜, 하이브리드 과급기 및 디젤 발전기를 병렬로 운전할 필요가 있었다.
이와 같이, 디젤 발전기에 의한 발전을 병렬로 실시하기 위해서는, 디젤 기관의 기동으로부터 어느 정도의 시간이 필요하게 되고, 그 사이에 디젤 기관에서 소비되는 연료가 불필요해진다는 문제가 있었다.
또한, 일반적으로 디젤 발전기는 저부하에서의 연속 운전이 불가능한, 바꾸어 말하면, 소정의 부하 (부하의 하한치) 이상의 부하를 부과한 상태가 아니면 연속 운전을 실시할 수 없다. 그 때문에, 하이브리드 과급기와 디젤 발전기를 병렬로 운전할 필요가 있는 경우에는, 하이브리드 과급기에 의한 발전량을 억제하고서라도, 디젤 발전기에 의한 최저한의 발전량을 확보할 필요가 있었다.
그 때문에, 하이브리드 과급기의 도입에 의한 에너지 절약 효과가 손상된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 하이브리드 과급기의 도입에 의한 에너지 절약 효과의 훼손을 억제할 수 있는 내연 기관 시스템 및 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태에 관련된 내연 기관 시스템은, 회전 구동력을 발생시키는 내연 기관과, 그 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스의 공급을 받아, 상기 내연 기관의 흡입 공기를 과급하는 과급기와, 상기 내연 기관에 의해 회전 구동되는 출력축과, 상기 과급기의 회전축 사이에서 회전 구동력의 전달이 가능하게 접속되어, 발전을 실시하는 제 1 발전기와, 상기 출력축과의 사이에서 회전 구동력의 전달이 가능하게 접속되어, 발전 및 상기 출력축의 구동을 실시하는 제 2 발전기와, 상기 제 1 발전기에 의해 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 1 컨버터와, 상기 제 2 발전기에 의해 발전된 교류 전력을, 상기 제 1 컨버터에 의해 변환된 직류 전력과 동일한 전압의 직류 전력으로 항상 변환하거나, 또는 상기 제 1 컨버터에 의해 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 제 2 발전기에 공급하는 제 2 컨버터가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 제 1 컨버터 및 상기 제 2 컨버터는, 전기 배선에 의해 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 양태에 의하면, 제 1 발전기 및 제 2 발전기에 의해 발전을 실시할 수 있다. 그 때문에, 제 1 발전기에 의한 발전량이 외부의 전력 수요량보다 작은 경우, 혹은, 제 1 발전기가 고장에 의해 발전할 수 없는 경우에도, 제 2 발전기에 의해 발전된 전력을 외부로 공급할 수 있다.
요컨대, 상기 서술한 디젤 발전기를 사용할 필요가 없다. 이로써, 디젤 발전기의 기동에 필요한 시간을 확보할 필요가 없어, 디젤 발전기에 공급하는 연료가 필요없게 된다.
제 1 발전기에 의한 발전량이, 외부의 전력 수요량보다 큰 경우에는, 제 1 발전기에 의해 발전된 전력의 일부를 제 1 컨버터 및 제 2 컨버터를 개재하여, 선 내 전력 계통을 통하지 않고, 제 2 발전기에 공급함으로써, 제 2 발전기는 출력축을 회전 구동시켜 가세할 수 있다.
이로써, 출력축에 의해 전달되는 회전 구동력은, 내연 기관 및 제 2 발전기에 의해 공급되게 되어, 내연 기관의 부하가 경감된다. 그 결과, 내연 기관의 연료 소비를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 제 1 컨버터 및 상기 제 2 컨버터의 적어도 일방에 의해 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 인버터가 추가로 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 제 1 컨버터 및 제 2 컨버터에 의해 변환된 직류 전력을 1 개의 인버터에 의해 교류 전력으로 변환함으로써, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 내연 기관 시스템에 있어서의 비용이나, 설치 스페이스를 삭감할 수 있다.
예를 들어, 제 1 컨버터 및 제 2 컨버터에 의해 변환된 직류 전력의 전압을 동일하게 함으로써, 전압이 상이하면 전압마다 2 개의 인버터가 필요한 곳을, 1 개의 인버터로 대응할 수 있다. 여기서, 직류 전력의 전압이 동일하다는 것은, 1 개의 인버터로 대응 가능한 전압의 범위에 포함되는 것을 의미한다.
본 발명의 제 2 양태에 관련된 선박은, 상기 본 발명의 제 1 양태에 관련된 내연 기관 시스템이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 양태에 의하면, 상기 본 발명의 제 1 양태에 관련된 내연 기관 시스템이 형성되어 있기 때문에, 하이브리드 과급기의 도입에 의한 에너지 절약 효과의 훼손을 억제할 수 있다.
본 발명의 내연 기관 시스템 및 선박에 의하면, 과급기에 의해 회전 구동되는 제 1 발전기, 및, 출력축에 의해 회전 구동되는 제 2 발전기에 의해 발전을 실시할 수 있기 때문에, 별도로 디젤 발전기 등을 구비할 필요가 없어지는 점에서, 하이브리드 과급기의 도입에 의한 에너지 절약 효과의 훼손을 억제할 수 있다는 효과를 나타낸다.
또한, 제 1 발전기, 제 2 발전기 간에서의 전력의 주고받음은, DC 버스를 통해서 실시되므로, 직류에서 선 내 전력 계통의 교류로 변환하는 인버터를 개재할 필요가 없어, 효율적으로 전력의 공급이 가능해진다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 디젤 기관 시스템의 개요를 설명하는 모식도이다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 디젤 기관 시스템에 대해, 도 1 을 참조하여 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태에 관련된 디젤 기관 시스템의 개요를 설명하는 모식도이다.
본 실시형태에서는, 본 발명의 디젤 기관 시스템 (내연 기관 시스템) (1) 을, 선박의 주추진 기관에 사용되는 예에 적용하여 설명한다.
디젤 기관 시스템 (1) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 하이브리드 과급기 (과급기) (3) 및 축전동 발전기 (제 2 발전기) (4) 가 구비된 디젤 기관 (내연 기관) (2) 과, 제 1 컨버터 (5) 와, 제 2 컨버터 (6) 와, 인버터 (7) 와, 제어부 (8) 가 주로 형성되어 있다.
디젤 기관 (2) 은, 선박을 추진시키는 추진력을 발생시킴과 함께, 선박 내에서 사용되는 전력을 공급하는 것이다.
디젤 기관 (2) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 하이브리드 과급기 (3) 와, 기관 본체 (21) 와, 공기 냉각기 (22) 와, 소기실 (23) 과, 배기 가스 집합관 (24) 과, 출력축 (25) 과, 축전동 발전기 (4) 가 주로 형성되어 있다.
하이브리드 과급기 (3) 는, 기관 본체 (21) 의 흡기 공기를 과급함과 함께, 경우에 따라서는 선박 내에서 사용되는 전력을 공급하는 것이다.
하이브리드 과급기 (3) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 터빈 (31) 과, 컴프레서 (32) 와, 회전축 (33) 과, 과급기 발전기 (제 1 발전기) (34) 가 주로 형성되어 있다.
터빈 (31) 은, 기관 본체 (21) 로부터 배출된 고압의 배기 가스의 공급을 받아 회전 구동력을 발생시키는 것이다. 터빈 (31) 은 회전축 (33) 에 의해, 그 축선 주위에 회전 가능하게 지지된 것이다.
컴프레서 (32) 는 회전 구동됨으로써, 대기로부터 흡입한 공기를 승압시켜 기관 본체 (21) 에 공급하는 것, 바꾸어 말하면, 기관 본체의 흡기 공기를 과급하는 것이다. 컴프레서 (32) 는 회전축 (33) 에 의해, 그 축선 주위에 회전 가능하게 지지된 것이다.
회전축 (33) 은, 터빈 (31) 및 컴프레서 (32) 를 회전 가능하게 지지함과 함께, 터빈 (31) 에 있어서 발생된 회전 구동력을 컴프레서 (32) 나 과급기 발전기 (34) 에 전달하는 것이다.
과급기 발전기 (34) 는 회전 구동됨으로써 교류 전력을 발생시키는 것이다. 과급기 발전기 (34) 에는, 회전축 (33) 이 회전 구동력을 전달 가능하게 접속되어 있다. 또한, 과급기 발전기 (34) 는, 제 1 컨버터 (5) 에 대해 발전된 교류 전력을 공급 가능하게 접속되어 있다.
기관 본체 (21) 는, 선박을 추진시키는 추진력을 발생시키는 디젤 기관이다. 본 실시형태에서는, 선박의 주추진 기관으로서 일반적으로 사용되는 2 스트로크 사이클의 디젤 기관에 적용하여 설명한다.
기관 본체 (21) 는, 복수의 실린더 내에서 외부로부터 공급된 디젤 연료가 과급된 공기를 이용하여 연소시킴으로써, 피스톤을 왕복동시켜 회전 구동력을 발생시키는 구성으로 되어 있다.
기관 본체 (21) 의 주위에는, 부속되는 기기로서 하이브리드 과급기 (3) 나, 공기 냉각기 (22) 나, 소기실 (23) 이나, 배기 가스 집합관 (24) 이 배치되어 있다. 또한, 기관 본체 (21) 에는, 스크류 프로펠러 (26) 에 회전 구동력을 전달하는 출력축 (25) 이 형성되어 있다.
공기 냉각기 (22) 는, 하이브리드 과급기 (3) 에 의해 과급된 흡기 공기를 냉각시키는 것이다.
공기 냉각기 (22) 에는, 하이브리드 과급기 (3) 의 컴프레서 (32) 에 의해 과급된 흡기 공기가 공급되는 유로가 접속되어 있다. 또한, 공기 냉각기 (22) 에 의해 냉각된 과급된 흡기 공기가, 소기실 (23) 에 유입되도록 구성되어 있다.
소기실 (23) 은, 기관 본체 (21) 에 과급된 흡기 공기를 공급하는 공간이다.
소기실 (23) 에는, 공기 냉각기 (22) 로부터 냉각된 과급된 흡기 공기가 유입되도록 구성되어 있다. 또한, 소기실 (23) 은 과급된 흡기 공기를 내부에 모아, 실린더 등의 내부에 과급된 흡기 공기를, 각각 공급하는 구성으로 되어 있다.
배기 가스 집합관 (24) 은, 기관 본체 (21) 로부터 배출된 배기 가스를 모아 선박의 외부로 유도하는 배관이다.
배기 가스 집합관 (24) 에는, 실린더 등의 내부의 연소에 의해 발생한 배기 가스가, 각각 유입되도록 구성되어 있다. 또한, 배기 가스 집합관 (24) 은, 배기 가스의 일부를 하이브리드 과급기 (3) 의 터빈 (31) 에 공급하도록 구성되어 있다.
출력축 (25) 은, 기관 본체 (21) 에 의해 발생한 회전 구동력을 스크루 프로펠러 (26) 에 전달하는 것이다.
출력축 (25) 은, 축전동 발전기 (4) 와의 사이에서 회전 구동력의 전달이 가능하게 구성되어 있다. 요컨대, 출력축 (25) 으로부터 축전동 발전기 (4) 에 회전 구동력을 전달 가능하게 구성되어 있음과 함께, 축전동 발전기 (4) 로부터 출력축 (25) 에 회전 구동력을 전달 가능하게 구성되어 있다.
스크루 프로펠러 (26) 는, 회전 구동됨으로써 선박의 추진력을 발생시키는 것이다.
축전동 발전기 (4) 는, 회전 구동됨으로써 교류 전력을 발생시키는 발전기임과 함께, 외부로부터 교류 전력의 공급을 받아 회전 구동력을 발생시키는 전동기이기도 한 것이다. 바꾸어 말하면 발전기와 전동기가 가역인 것이다.
축전동 발전기 (4) 는, 출력축 (25) 과의 사이에서 회전 구동력의 전달이 가능하게 구성되어 있다. 또한, 축전동 발전기 (4) 는, 제 2 컨버터 (6) 에 대해 교류 전력을 공급하는 것이 가능하게 구성되어 있음과 함께, 제 2 컨버터 (6) 로부터 교류 전력의 공급을 수용하는 것이 가능하게도 구성되어 있다.
제 1 컨버터 (5) 는, 과급기 발전기 (34) 에 있어서 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것이다. 또한, 제 1 컨버터 (5) 는, 제 2 컨버터 (6) 에 의해 변환된 직류 전력의 전압과 동일한 전압의 직류 전력을 출력하는 것이다.
한편, 제 1 컨버터 (5) 는, 과급기 발전기 (34) 로부터 교류 전력의 공급을 받도록 구성되어 있다. 또한, 제 1 컨버터 (5) 는, DC 버스 (전기 배선) (10) 에 의해, 인버터 (7) 및 제 2 컨버터 (6) 의 적어도 일방에 직류 전력을 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
제 1 컨버터 (5) 에는, 제어부 (8) 로부터 제 1 컨버터 (5) 를 제어하는 제어 신호가 입력되도록 구성되어 있다.
여기서, 제 1 컨버터 (5) 에 의해 변환된 직류 전력의 전압과, 제 2 컨버터 (6) 에 의해 변환된 직류 전력의 전압이 동일하다는 것은, 이들 전압이 동일한 전압인 경우뿐만 아니라, 1 개의 인버터로 대응 가능한 전압의 범위에 포함되는 경우도 의미한다.
DC 버스 (10) 는, 제 1 컨버터 (5) 및 인버터 (7) 와, 제 2 컨버터 (6) 및 인버터 (7) 와, 제 1 컨버터 (5) 와 제 2 컨버터 (6) 를 전기적으로 접속하는 것이다.
제 2 컨버터 (6) 는, 축전동 발전기 (4) 에 있어서 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것으로, 제 1 컨버터 (5) 로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 것이기도 하다. 또한, 제 2 컨버터 (6) 는, 제 1 컨버터 (5) 에 의해 변환된 직류 전력의 전압과 동일한 전압의 직류 전력을 출력하는 것이다.
한편, 제 2 컨버터 (6) 는, 축전동 발전기 (4) 로부터 교류 전력의 공급을 받도록 구성되어 있음과 함께, 제 1 컨버터 (5) 로부터 DC 버스 (10) 를 개재하여 직류 전력의 공급을 받도록 구성되어 있다. 또한, 제 2 컨버터 (6) 는, DC 버스 (10) 를 개재하여 인버터 (7) 에 직류 전력을 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
제 2 컨버터 (6) 에는, 제어부 (8) 로부터 제 2 컨버터 (6) 를 제어하는 제어 신호가 입력되도록 구성되어 있다.
인버터 (7) 는, 제 1 컨버터 (5) 나 제 2 컨버터 (6) 에 의해 변환된 직류 전력을, 소정 주파수 (예를 들어 50 Hz 나 60 Hz) 의 교류 전력으로 변환하는 것이다.
인버터 (7) 는, DC 버스를 개재하여 제 1 컨버터 (5) 나 제 2 컨버터 (6) 로부터 직류 전력의 공급을 받도록 구성되어 있다. 한편, 인버터 (7) 는, 선 내 전력 계통 (9) 에 교류 전력을 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
인버터 (7) 에는, 제어부 (8) 로부터 인버터 (7) 를 제어하는 제어 신호가 입력되도록 구성되어 있다.
제어부 (8) 는, 제 1 컨버터 (5), 제 2 컨버터 (6) 및 인버터 (7) 를 제어하는 것이다. 바꾸어 말하면, 과급기 발전기 (34) 에 있어서의 발전량과, 축전동 발전기 (4) 에 있어서의 발전량의 분담을 제어하는 것이다.
또한 제어부 (8) 는, 축전동 발전기 (4) 를 발전기로서 사용할지, 전동기로서 사용할지를 제어하는 것이기도 하다.
다음으로, 상기 구성으로 이루어지는 디젤 기관 시스템 (1) 에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 기관 본체 (21) 에 대한 부하가 낮은 경우에 있어서의 디젤 기관 시스템 (1) 의 동작에 대해 설명하고, 그 후, 기관 본체 (21) 에 대한 부하가 높은 경우에 있어서의 디젤 기관 시스템 (1) 의 동작에 대해 설명한다.
기관 본체 (21) 에 대한 부하가 낮은 경우에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 기관 본체 (21) 로부터 배기 가스 집합관 (24) 으로 배출되는 배기 가스의 유량이 감소하고, 배기 가스 집합관 (24) 으로부터 하이브리드 과급기 (3) 의 터빈 (31) 에 공급되는 배기 가스의 유량도 감소한다.
그러면, 하이브리드 과급기 (3) 에 있어서의 회전축 (33) 의 회전 속도가 느려져, 컴프레서 (32) 에 의해 과급되는 흡기 공기의 유량도 감소한다. 한편, 과급기 발전기 (34) 에 있어서의 발전량도 감소하여, 선박에 있어서의 전력 수요량보다 작아진다. 그래서, 전력 수요량에 부족한 분량은, 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전된 전력에 의해 보충된다.
하이브리드 과급기 (3) 에 형성된 과급기 발전기 (34) 에 의한 발전량은, 컴프레서 (32) 에 흡입되는 공기 온도와 동일하도록, 기관 본체 (21) 의 연비에 영향을 미친다. 그 때문에, 제어부 (8) 는, 기관 본체 (21) 의 연비를 고려하면서, 과급기 발전기 (34) 에 의한 발전량, 및 축전동 발전기 (4) 에 의한 발전량의 비율 (분담) 의 제어를 적절히 실시하고 있다.
구체적으로는, 제어부 (8) 는, 제 1 컨버터 (5) 에 대해 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제어 신호를 출력하고, 제 2 컨버터 (6) 에 대해 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제어 신호를 출력한다. 또한 제어부 (8) 는, 인버터 (7) 에 대해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제어 신호를 출력한다.
여기서, 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 교류 전력에 있어서의 주파수는, 하이브리드 과급기 (3) 의 회전축 (33) 에 있어서의 회전 속도에 비례하여 변화하고, 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전된 교류 전력에 있어서의 주파수는, 출력축 (25) 의 회전 속도에 비례하여 변화한다. 그래서, 과급기 발전기 (34) 및 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전된 교류 전력을 선 내 전력 계통 (9) 에 공급하는 경우에는, 제 1 컨버터 (5) 나 제 2 컨버터 (6) 및 인버터 (7) 를 개재하여 소정 주파수의 교류 전력으로 변환된다.
이로써, 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 교류 전력은, 제 1 컨버터 (5) 에 있어서 직류 전력으로 변환된다. 한편, 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전된 교류 전력은, 제 2 컨버터 (6) 에 있어서 직류 전력으로 변환된다. 이와 같이 하여 변환된 직류 전력은, DC 버스 (10) 를 개재하여 인버터 (7) 에 공급되어, 소정 주파수의 교류 전력으로 변환된 후에 선 내 전력 계통 (9) 에 공급된다.
또한, 기관 본체 (21) 에 대한 부하가 낮은 경우뿐만 아니라, 고장에 의해 과급기 발전기 (34) 에 의한 발전이 불가능한 경우에도, 상기 서술한 동작이 실시된다.
기관 본체 (21) 에 대한 부하가 높은 경우에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 기관 본체 (21) 로부터 배기 가스 집합관 (24) 으로 배출되는 배기 가스의 유량이 증대되고, 배기 가스 집합관 (24) 으로부터 하이브리드 과급기 (3) 의 터빈 (31) 에 공급되는 배기 가스의 유량도 증대된다.
그러면, 하이브리드 과급기 (3) 에 있어서의 회전축 (33) 의 회전 속도가 빨라져, 컴프레서 (32) 에 의해 과급되는 흡기 공기의 유량도 증대된다. 한편, 과급기 발전기 (34) 에 있어서의 발전량도 증대되어, 선박에 있어서의 전력 수요량보다 커진다. 그래서, 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 잉여 전력은, 축전동 발전기 (4) 에 공급된다.
제어부 (8) 는, 기관 본체 (21) 에 있어서의 연료 소비가 가장 적어지도록, 과급기 발전기 (34) 에 있어서의 발전량, 및 축전동 발전기 (4) 에 있어서의 출력의 제어를 적절히 실시하고 있다.
구체적으로는, 제어부 (8) 는, 제 1 컨버터 (5) 에 대해 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제어 신호를 출력하고, 인버터 (7) 에 대해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제어 신호를 출력한다. 한편, 제 2 컨버터 (6) 에 대해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제어 신호를 출력한다. 제 2 컨버터 (6) 에 의해 변환된 교류 전력에 있어서의 주파수는, 축전동 발전기 (4) 의 회전수가 출력축 (25) 의 회전 구동을 가세하는 데에 적합한 회전수가 되도록 제어되어 있다.
이로써, 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 교류 전력은, 제 1 컨버터 (5) 에 있어서 직류 전력으로 변환된다. 변환된 직류 전력은, DC 버스 (10) 를 개재하여 인버터 (7) 에 공급되어, 소정 주파수의 교류 전력으로 변환된 후, 선 내 전력 계통 (9) 에 공급된다.
한편, 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 전력 중 잉여분은, 제 1 컨버터 (5) 에 있어서 직류 전력으로 변환된 후, DC 버스 (10) 를 개재하여 제 2 컨버터 (6) 에 공급된다. 제 2 컨버터 (6) 에 있어서 직류 전력은, 교류 전력으로 변환되어 축전동 발전기 (4) 에 공급된다. 교류 전력의 공급을 받은 축전동 발전기 (4) 는, 출력축 (25) 을 회전 구동시킨다.
이로써 출력축 (25) 은, 기관 본체 (21) 및 축전동 발전기 (4) 의 양자에 의해 회전 구동된다. 바꾸어 말하면, 선박에 필요한 추진력을 발생시키는 회전 구동력은, 기관 본체 (21) 및 축전동 발전기 (4) 에 의해 분담된다. 그 때문에, 기관 본체 (21) 만이 회전 구동력을 발생시키고 있는 경우와 비교하여, 기관 본체 (21) 에 요구되는 회전 구동력이 저감된다.
상기 구성에 의하면, 과급기 발전기 (34) 및 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전을 실시할 수 있다. 그 때문에, 과급기 발전기 (34) 에 의한 발전량이 선박의 전력 수요량보다 작은 경우, 혹은, 과급기 발전기 (34) 가 고장에 의해 발전할 수 없는 경우에도, 축전동 발전기 (4) 에 의해 발전된 전력을 선박에 공급할 수 있다.
요컨대, 상기 서술한 디젤 발전기를 별도로 사용할 필요가 없어, 디젤 발전기의 기동에 필요한 시간을 확보할 필요가 없다. 또한, 디젤 발전기에 공급하는 연료가 필요없게 된다.
그 결과, 디젤 기관 시스템 (1) 에 있어서, 하이브리드 과급기 (3) 를 도입한 것에 의한 에너지 절약 효과가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
과급기 발전기 (34) 에 의한 발전량이, 선박의 전력 수요량보다 큰 경우에는, 과급기 발전기 (34) 에 의해 발전된 전력의 일부를 제 1 컨버터 (5) 및 제 2 컨버터 (6) 를 개재하여 축전동 발전기 (4) 에 공급함으로써, 축전동 발전기 (4) 는 출력축 (25) 을 회전 구동시켜 가세할 수 있다.
이로써, 출력축 (25) 에 의해 전달되는 회전 구동력은, 기관 본체 (21) 및 축전동 발전기 (4) 에 의해 공급되게 되어, 기관 본체 (21) 의 부하가 경감된다. 그 결과, 기관 본체 (21) 의 연료 소비를 저감시킬 수 있다.
제 1 컨버터 (5) 및 제 2 컨버터 (6) 에 의해 변환된 직류 전력의 전압을 동일하게 함으로써, 전압이 상이하면 전압마다 2 개의 인버터가 필요한 곳을, 1 개의 인버터 (7) 로 할 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 디젤 기관 시스템 (1) 에 있어서의 비용이나, 설치 스페이스를 삭감시킬 수 있다.
1 디젤 기관 시스템 (내연 기관 시스템)
2 디젤 기관 (내연 기관)
3 하이브리드 과급기 (과급기)
4 축전동 발전기 (제 2 발전기)
5 제 1 컨버터
6 제 2 컨버터
7 인버터
10 DC 버스 (전기 배선)
25 출력축
33 회전축
34 과급기 발전기 (제 1 발전기)
2 디젤 기관 (내연 기관)
3 하이브리드 과급기 (과급기)
4 축전동 발전기 (제 2 발전기)
5 제 1 컨버터
6 제 2 컨버터
7 인버터
10 DC 버스 (전기 배선)
25 출력축
33 회전축
34 과급기 발전기 (제 1 발전기)
Claims (4)
- 회전 구동력을 발생시키는 내연 기관과,
그 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스의 공급을 받아, 상기 내연 기관의 흡입 공기를 과급하는 과급기와,
상기 내연 기관에 의해 발생한 회전 구동력을 스크류 프로펠러에 전달하는 출력축과,
상기 과급기의 회전축과의 사이에서 회전 구동력의 전달이 가능하게 접속되어, 발전을 실시하는 제 1 발전기와,
상기 출력축과의 사이에서 회전 구동력의 전달이 가능하게 접속되어, 발전 및 상기 출력축의 구동을 실시하는 제 2 발전기와,
상기 제 1 발전기에 의해 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 1 컨버터와,
상기 제 2 발전기에 의해 발전된 교류 전력을, 상기 제 1 컨버터에 의해 변환된 직류 전력과 동일한 전압의 직류 전력으로 변환하거나, 또는 상기 제 1 컨버터에 의해 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 제 2 발전기에 공급하는 제 2 컨버터가 설치되고,
상기 제 1 컨버터 및 상기 제 2 컨버터는, 전기 배선에 의해 전기적으로 접속되어 있는 내연 기관 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 컨버터 및 상기 제 2 컨버터의 적어도 일방에 의해 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 인버터가 추가로 설치되어 있는 내연 기관 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 내연 기관 시스템이 형성되어 있는 선박.
- 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스를 사용하여 발전을 실시하는 제 1 발전기에 의한 발전 공정과, 그 발전 공정에 의해 얻어진 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 변환 공정을 포함하는 선내 전력 공급 방법으로서,
상기 발전 공정에 의한 발전량이 선박의 전력 수요량보다 작은 경우, 상기 내연 기관에 의해 회전 구동되는 출력축의 회전에 의해 발전을 실시하는 제 2 발전기로부터 얻어진 교류 전력을, 상기 변환 공정에 의해 얻어진 직류 전력과 동일한 전압의 직류 전력으로 변환하는 공정과,
상기 발전 공정에 의한 발전량이 상기 선박의 전력 수요량보다 큰 경우, 상기 발전 공정에 의한 발전량의 일부를 상기 제 2 발전기에 공급하는 공정을 포함하는 선 내 전력 공급 방법.
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