船用混合驱动器的控制方法以及混合传动系统的制作方法

船用混合驱动器的控制方法以及混合传动系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种控制水运工具的混合传动系统的方法，该系统包括内燃机(1)、电动机/发电机(2)、具有船用螺旋桨(7)的传动系(5)、蓄电器(3)、控制单元(8)及离合器(4)。为提高效率，在较高功率区间运行期间，电动机(2)一并作为发电机运行，在中低功率区间运行期间，利用蓄电器(3)发出的电流运行电动机(2)。传动系构造成其特性曲线(20)位于最低燃油消耗率点(如25)之下并与之相差预定充电功率，或者比传统结构的特征特性曲线(16)更加倾斜。
【专利说明】船用混合驱动器的控制方法以及混合传动系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制水运工具的混合传动系统的方法，该系统包括内燃机、至少一个用于驱动及发电工作的发电电动机、具有船用螺旋桨的传动系、蓄电器及控制单元，其中在内燃机与所述至少一个发电电动机之间设有离合器。
[0002]船用混合驱动器用于小机动艇、赛艇以及较大的船舶应用中。在实践中已知的传动系统包括一种装置，在该装置中，内燃机与通常可运行为发电机和发动机的发电电动机配合。而其也可以是多个发电电动机，这些电动机构造为发动机或发电机之一。发电电动机布置于内燃机与传动系之间。离合器可使内燃机与发电电动机连接，由此可通过内燃机和发电电动机共同驱动。在发电电动机与传动系之间可设置另一离合器。
【背景技术】
[0003]一般而言，具有内燃机的船用驱动器中的问题在于，如何使传动系的负载特性曲线及内燃机的特性曲线族一致。负载特性曲线基本上是船用螺旋桨的特性曲线(以下简称螺旋桨特性曲线)，该特性曲线与内燃机的特性曲线极不相配。其始终在高达高消耗率的特性曲线的区间内。由此使船用螺旋桨的有效优化运行受到限制，甚或完全不能实现。通常情况下，对内燃机及船用螺旋桨尺寸的选取仅顾及水运工具的最高速度。
[0004]在第W02010/115479A1号专利文献中描述了这种系统。在该文献中，大体能实现纯电动地缓慢运行，在由螺旋桨驱动的并未充分运行的内燃机中，多余力矩通过发电电动机为电池充电。对此还阐明，特别在运行中，具有所需功率量较低的优点，其原因在于，内燃机的运行点转向最低消耗量。然而，这种运行点距离最低消耗量较远，从而发电电动机的尺寸超大。缺陷之处不仅在于其空间要求，发电电动机还会在充电工作中提供对于蓄电器而言过高的充电电流，由此造成损害。如若这般，其对于驱动工作而言也尺寸过大。
[0005]另外，在该文献中还可悉知，在船舶的中速至高速期间，内燃机在负荷较高的情况下运行，内燃机的运行点位于最低消耗量区间内或附近的消耗特性曲线族内。在此并未言及船用螺旋桨的配置，其可能为常规设置，运行点在最佳情况下略靠近最小消耗量区间，但并未在该区间内。
[0006]在船用螺旋桨的常规配置中，其特性曲线在额定功率点交于全负荷双曲线。其在下方延伸时，发动机超速运行。其在上方延伸时，船用螺旋桨在相同的传动力矩下仅能获得较低的转速，因而不能达到利用发动机功率可实现的船速。由此，这种常规配置被视为最佳选择并广为大众所采用。
[0007]人们并未考虑到，多数船舶并非仅在驱动电动机的额定功率点运行，系统的总效率在所有的工作状态(即实际的负荷集成)之外还有赖于产生电流的效率。

【发明内容】

[0008]
【发明内容】
/方法
[0009]以所述现有技术为出发点，本发明的目的在于，使燃料消耗量以及对于所有工作状态的泛型驱动器的排放量降至最低，并在可能情况下，同时提高内燃机的使用寿命。根据本发明，可实现根据权利要求1所述的方法。
[0010]由此，在高功率区间内的运行中，通过控制发电机来调节船用螺旋桨及发电机的综合功率消耗，由此调整内燃机的运行点，使其在内燃机的特性曲线族内位于与各转速相对应的最低消耗率点，内燃机在较大区间内以最高效率(即以最小燃油消耗率)运行，由此以最高效率所产生的电流较“经济”。
[0011]如此产生的经济电流用于其他功率区间内的电动工作，由此可辅助或替代内燃机，同样在该区间内间接实现节约燃油。由此，还可获得其他优势。在低功率区间内，内燃机的燃油消耗率尤高，从而在该区间内纯电动驱动，其中以最高效率所产生的电流再次冲高。因此，发电电动机在较大的低功率区间内辅助内燃机的情况下，极具经济效益。
[0012]在中间功率区间内在两种工作状态下运行时，这种辅助也十分有益(参见系统的配置):首先，在内燃机装配涡轮增压机的情况下，用于消除由涡轮增压机的延迟反应所引起的“涡轮迟滞”。这种内燃机的功率特性曲线族通常在中间区间内显示凹处，其中到螺旋桨特性曲线的距离较小。由此，在该区间内仅储备少量可用于加速的功率或扭矩。人们言之灵活性较差。在此通过发电电动机的辅助予以解决。
[0013]其次，在滑行艇中的排水航态至滑行航态的转变过程中。在此，首先在排水航态时通过发电电动机的辅助有益于相对行驶阻力而加速，然后在小艇从水中抬升至滑行航态时，行驶阻力极低，由此所需扭矩极低。
[0014]由发电电动机提供辅助甚至可用于使船艇的速度超出单独利用内燃机并不能达到的速度(“增压”)。由此，通过同样根据本发明的船用螺旋桨的配置(见下文)所降低的最高速度在驱动时仅由内燃机补偿。
[0015]在优选的方法实施方案中，在控制单元中存储传动系的特性曲线(该特性曲线基本上是螺旋桨特性曲线，同时考虑可能适用的减速齿轮)及内燃机的特性曲线族(在扭矩/转速图中表示，或亦在功率/转速图中表示，其还包含对应于燃油消耗率的所谓“万有特性曲线”)，并且通过调节由发电电动机消耗的转矩或功率对在最小燃油消耗率的相应点上的综合扭矩或功率消耗进行调节。因此，在相应转速时，内燃机的运行点提升，直至在其特性曲线族内达到最小燃油消耗率的运行点。
[0016]在方法的改进方案中，由发电电动机消耗的功率或消耗的转矩受到限制。这可以通过多种方式来完成:通过在控制单元存储的阈值或通过传动系(特别是船用螺旋桨)的配置(如下述)。
[0017]本发明提出的方法整体通过在实际中发生的负荷集成产生显著降低的燃油消耗率(高达40% )并由此减少排放。最小燃油消耗率确实为完全燃烧的结果，在完全燃烧中形成的污染物(CO、未燃烧的碳氢化合物及炭黑)也更少。就此而言，这一成果相当惊人，因为迄今还无人认为通过内燃机的额外负荷来降低其燃油消耗量是合理构想。
[0018]
【发明内容】
/装置
[0019]本发明还涉及一种泛型水运工具的传动系统，其配置支持或实现根据本发明的方法。传动系配置成其特性曲线位于相应转速时最小燃料消耗率点之下并与之相差预定的最大充电功率。通过作为发电机工作的发电电动机确定充电功率并通过蓄电器限定该充电功率。根据本发明配置的传动系的特性曲线是已比常规配置传动系更接近最小消耗率的运行点，从而已使效率提高。然后通过根据本发明的方法(控制作为发电机工作的发电电动机)达到最小消耗的运行点。
[0020]而在根据现有技术的船用螺旋桨的配置中，螺旋桨特性曲线远低于内燃机的最小消耗率区间。为了从螺旋桨特性曲线到达最小消耗率的相应点，发电机需要极高的转矩或高功率。但这要求发电电动机的尺寸极大且功率强劲。这种发电电动机不仅由于其空间要求而不利，还会在充电工作中提供对于蓄电器而言过高而由此不利的充电电流。
[0021]优选地，根据本发明的传动系特性曲线的配置是这样实现:
[0022]螺旋桨特性曲线在特性曲线族中比通向额定功率点的特性曲线更倾斜。因此，它已更接近内燃机的最小消耗率的多个点。它在某一点交于内燃机的全负荷曲线，该点位于全负荷曲线与额定功率双曲线的交点或在较低的转速。在其位于交点的情况下，传动系的功率消耗与额定功率点的功率相同(但在转速较低时具有较高的转矩)。在现有技术中，额定功率点以配置为基础，与之相比，在相同的内燃机根据本发明的配置中，仅达到较低的转速。这暂且表现为不利之处。而仅当大部分时间以最大速度运行时的情况才并非如此。在需要瞬间最大速度的情况下，可根据本发明的方法协助发电电动机(人们称之为“增压”)，并再次利用蓄电器发出的“经济”电流。
[0023]根据本发明的传动系特性曲线大部分是通过船用螺旋桨的配置或构造确定。例如，其直径可大于常规配置的船用螺旋桨的直径，或者其叶片的斜度较大。直径的增大可使船用螺旋桨的效率更佳(根据科迪尔图(Cordier-Diagramm),参见奥拓？科迪尔著《流体机械的相似条件》，BffK期刊，第337-340页)，由此进一步减少燃油消耗量。
[0024]在较佳的配置中，作为发动机工作的发电电动机与内燃机功率的功率比是1:3至1:8，优选1:4至1:5。虽然发电电动机比平常更强劲，但由于本发明，内燃机的最低消耗率的相应点已达到较宽区间内。通过也在高功率区间内将蓄电器充电，蓄电器会在大部分时间完全充电，可使电机更强劲或使其运转时间更长。
[0025]在另一优选实施方案及配置中，作为发动机工作的发电电动机在传动系的低转速区间内具有尽可能高的转矩，该扭矩先在尽可能高的转速时达到传动系的驱动力矩。由此，在低功率区间内(在运行中完全没有内燃机)及在其之上的功率区间内(在该区间内需要内燃机辅助加速)存在足够用的转矩，并且该区间更接近中间功率区间。
[0026]在有限的空间条件下或者在应尽可能为发电电动机准备提供高转矩的区间，存在进一步改进，以通过与作为发动机工作的发电电动机协同作用的减速齿轮在宽区间内达到其高转矩(权利要求8)。其转矩则是减速齿轮的输出力矩。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]下面将参照附图阐述本发明。其中:
[0028]图1表示根据现有技术以及在根据本发明系统中的传动系统的示意图；
[0029]图2表示图1的变化方案；
[0030]图3表示根据现有技术的传动系统的特性曲线族；
[0031]图4表示如图3的特性曲线族，根据本发明，其扩展为螺旋桨特性曲线；
[0032]图5表示根据本发明的传动系统的完整特征曲线族。【具体实施方式】
[0033]在图1中是以标号I表不的内燃机、以标号2表不的发电电动机及以标号3表不的蓄电器。发电电动机2适用于作为发动机及作为发电机工作,或者其具有两个发电电动机一发动机及发电机。在内燃机I与发电电动机2之间设置第一分离离合器4,在发电电动机2与传动系5之间设置第二分离离合器2。在传动系5的外端安装船用螺旋桨7。控制单元8控制内燃机1、发电电动机2及蓄电器3的充电。
[0034]图2是不同于图1的变化方案，高速发电电动机9通过低速齿轮10与传动系传动连接。发电电动机9还可仅设置用于作为发动机工作并另外设置发电机。高速发动机9及低速齿轮可在宽转速区间内提供适用的高转矩并且纯电动运行，内燃机停止运转且断开。
[0035]在图3中表示内燃机(在此为柴油发动机I)的特性曲线族。尽管曲线的具体形状不同，但其仍类似于汽油发动机。在横坐标轴上标绘其转速(参见图1，该转速等于发电电动机2及传动系5的转速),在纵坐标轴上标绘转矩。发动机特性曲线族在上方由全负荷曲线12界定，该全负荷曲线12在转速较低时下降(13)并在转速较高时转向最大功率对应的额定功率双曲线14。在特性曲线族中，以图形等高线的形式绘出相同燃油消耗率的曲线(如通过每小时每马力的克数表明该燃油消耗率)。人们还称之为万有特性曲线。可以看出，由“210”表示的曲线所环绕的区间中间的燃油消耗率是最低值。在其他转速也具有最低值。在此，内燃机的效率具有最大值。
[0036]另外，以虚线表示出根据现有技术的螺旋桨特性曲线16的传动系的特性曲线，该螺旋桨特性曲线16终止于额定功率双曲线14上的内燃机额定功率点15。可以看出，仅利用内燃机的运行中(所有运行点均位于螺旋桨特性曲线上)，螺旋桨特性曲线大部分在较高消耗率(效率较低)的区间内。特别不利于慢行或空转区间，其中许多船艇发动机在其绝大多数运行时间运转。因而，需在尽可能宽的区间内纯电动行驶。
[0037]在图4中表示出特性曲线族中发电电动机/发电机的全负荷曲线17。借助该发电电动机/发动机，由于本发明，整个传动系的效率增至整个运行区间以上。参见图1或图2，除内燃机之外，发电电动机还可驱动传动系(因此称之为“并联式混合动力”)。其要点在于，发电电动机在低转速区间具有高转矩，功率达到最大值之后，功率关于转速保持恒定。由此，利用纯电控的可能区间特别大，并且内燃机在其高燃油消耗率区间内完全不必运行。这已成为降低燃料消耗量的一种方法。随之还有其他方法。
[0038]根据本发明，极为重要的方法在于，降低内燃机的运行转速，换言之，在较低的转速达到一定的转矩。从而，为了随后蓄电器的充电，在尽可能大的区间内实现内燃机的最大效率。在本发明的一方面，通过利用相应构造的船用螺旋桨7(例如较大直径)实现内燃机运行转速的降低，由此特性曲线族内转矩最高点21降至较低的转速(从2600降至2300rpm)。相应构造的船用螺旋桨7可具有较大的直径(根据科迪尔图，顺带减少其损耗)或具有斜度较大的叶片，或者采取其他结构性方法。
[0039]图4表示根据本发明相应改进的传动系的特性曲线20 (其基本上是螺旋桨特性曲线)，该特性曲线20与全负荷曲线相交于点21，该点21在转速较低时相当于根据现有技术配置的点15。由此，运行点已更接近最小消耗率点。对于下述能量产生的要点在于，螺旋桨特性曲线稍回到下方或最佳效率的区间内。
[0040]通过降低螺旋桨曲线20相应的额定功率转速，其移至低转速区间，但更靠近全负荷曲线的下降段13。结果，加速过程中的灵活性降低。在带有明显涡轮迟滞的发动机中，由于发动机在涡轮迟滞时不会再加速船只，因而可能导致发动机不再达到额定功率转速。通过发电电动机的附加转矩，内燃机受到辅助，由此再次获得螺旋桨特性曲线16中原有的灵活性。图4表示出利用发电电动机及内燃机的共同运行中的全负荷曲线22，其中仅加入一部分发电电动机转矩。
[0041]出于电动运行的经济目的，实质在于如何增加电流的有效度。根据本发明，在分别具有最小燃油消耗率的运行点产生电流。这种程序使空转运行中(利用如此产生电流的驱动中)的效率提高达40%，包括发电机、变流器及蓄电器充电系统的效率损失。在内燃机低负荷时为蓄电器充电的情况下，效率尤差。
[0042]在图5中表示出如何以特别高的效率为蓄电器冲电，电流由此特别“经济”。通过在转速中降低的运行点，内燃机I已在低消耗率的区间内运行(参见特性曲线20)。但其仍远离最低消耗率的轨迹曲线24(有关转速)。在轨迹曲线中，内燃机通过驱动发电机并由此产生电流而经过负荷的增加。
[0043]例如，在特性曲线族中:在1800转(rpm)时，在传动系的特性曲线20上的运行点26，传动系5消耗的转矩计为275Nm(牛顿米)，最小消耗量的运行点25位于约350Nm，即超出约75Nm。为使内燃机达到所述点，作为发电机运行的发电电动机控制成其利用该75Nm来产生电流。这对应于充电电流强度，受限于机器及蓄电器的电气性能的充电电流强度具有极限值或最佳值。在传动系的构造中需考虑这种最大或最佳充电电流强度。
[0044]由此，根据本发明的螺旋桨特性曲线20比根据现有技术的螺旋桨特性曲线16更接近轨迹曲线24，为达到轨迹曲线24所需的发电机消耗的扭矩受到限制。其显著小于螺旋桨特性曲线16时消耗的扭矩。达到各自的最小消耗率点将需要巨大的发动机/发电机。
[0045]在图5的特征曲线族中，由传动系20的特性曲线、最小消耗量的轨迹曲线24、全负荷曲线12的一小段12’及陡然倾向特性曲线20的下降段限定阴影区间，其中还产生用于驱动之外的电流。其在点28之上交会特性曲线20，在该点28，发电电动机的全负荷曲线17与传动系的特性曲线20相交。直至该点，均可纯电动驱动。
[0046]附加的充电功率(相同转速下转矩更高)使内燃机的效率提高，这直接或间接地有益于传动的总效率。直接是由于内燃机在最大效率的运行点运转，间接是由于受驱动的发电电动机的效率中还加入发生电流的效率，并由此加入内燃机的效率。根据本发明，甚至在内燃机最大效率的运行点也会发生电流。利用如此产生的经济电流，使发电电动机作为发动机协助内燃机用于其他运行区间也具经济性。
[0047]蓄电器充电的副效应在于，即便在高负荷时，机器及蓄电器的尺寸上也具有较大的灵活性。因而，可在蓄电器电容大致相同的情况下，使内燃机的尺寸较小且发电电动机的尺寸较大。因而，内燃机及发电电动机的额定功率可在1:3至1:10的区间内，优选在1:4至1:6的区间内。
[0048]另外，还可通过多种方式减少排放量:通过较低的消耗量减少排气量。较高的效率也表示完全燃烧，从而CO、HC及颗粒的含量显著降低。这种减少尤其缘于发动机运行时间的减少。在发电电动机如在低负荷区间内常规驱动500h的情况下，则在高负荷区间内，极短时间内即可产生所需能量并存储该能量。如上述，减少的绝对值取决于负荷集成(低负荷区间的部分)、各发动机特性曲线以及蓄电器的充电系统。同时，内燃机的维修间隔期及使用寿命也有所延长。
【权利要求】
1.一种控制水运工具的混合传动系统的方法，该系统包括一内燃机(1)、至少一用于驱动及发电工作的发电电动机(2)、一具有一船用螺旋桨(7)的传动系(5)、一蓄电器(3)及一控制单元(8)，其中所述内燃机(1)与所述至少一发电电动机(2)之间设有一离合器⑷， 其特征在于: 在高功率区间运行时，通过控制所述发电机调节所述船用螺旋桨(7)及所述发电机的综合功率消耗，从而使所述内燃机(1)的运行点在其特性曲线族内与各转速相对应的最低消耗率点一致，并且如此以高效率运行产生的电流可用于在其他功率区间内使所述发电电动机作为发动机运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在低功率区间运行时，所述离合器(4)分离，仅所述发电电动机驱动；在中间功率区间运行时，所述发电电动机在加速时辅助所述内燃机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述发电电动机在最高功率区间辅助所述内燃机(“增压”)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述控制器中存储所述传动系(5)的特性曲线及所述内燃机(1)的消耗特性曲线，其特征在于:将由所述发电电动机(2)消耗的转矩调节成在所述内燃机的特性曲线族内的传动系运行点(如26)之上的所述内燃机在各转速的运行点(如25)与最小燃油消耗率点一致。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:由所述发电电动机消耗的转矩或由所述发电电动机消耗的功率受限。
6.—种水运工具的传动系统,该系统包括一内燃机(1)、至少一用于驱动及发电工作的发电电动机(2)、一具有一船用螺旋桨(7)的传动系(5)、一蓄电器(3)及一控制单兀⑶， 其特征在于: 所述传动系设置成其特性曲线(20)位于最低燃油消耗率点(如25)之下并与所述最低燃油消耗率点相差一预定充电功率。
7.根据权利要求6所述的水运工具传动系统，其特征在于:所述传动系统设置成所述内燃机的特性曲线族内的螺旋桨特性曲线(20)比通向额定功率点(15)的特性曲线(16)更倾斜，由此更接近所述内燃机(1)的最低燃油消耗率点(如25)。
8.根据权利要求7所述的传动系统，其特征在于:所述螺旋桨特性曲线(20)在一点(21)相交于所述内燃机⑴的全负荷曲线(12)，该点(21)位于所述全负荷曲线(12)与额定功率双曲线(14)的交点或在较低的转速。
9.根据权利要求5所述的水运工具传动系统，其特征在于:通过使所述船用螺旋桨(7)构造成具有增大的直径实现其更倾斜的特性曲线(20)。
10.根据权利要求5所述的水运工具传动系统，其特征在于:通过使所述船用螺旋桨(7)的螺旋桨叶片的斜度增大实现其更倾斜的特性曲线(20)。
11.根据权利要求4所述的水运工具传动系统，其特征在于:作为发动机运行的发电电动机(3)的功率消耗或功率输出与内燃机功率的比是1:3至1:8，优选1:4至1:6。
12.根据权利要求6所述的水运工具传动系统，其特征在于:作为发动机运行的发电电动机(2)在所述传动系的低转速区间内具有高转矩，该转矩仅在特性曲线族内于所述发电电动机⑵的特性曲线(17)交于所述传动系的特性曲线(20)时下降。
13.根据权利要求8所述的水运工具传动系统，其特征在于:通过一与其协同作用的低速齿轮(10)实现所述作为 发动机运行的发电电动机(2)的高转矩。
【文档编号】B63H23/12GK103917442SQ201280055061
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2011年11月14日
【发明者】迈克尔·阿沙伯 申请人:斯太尔动力有限责任公司