混合动力装置和杂交模式

第五节　混合动力装置和杂交模式

一、混合动力装置和杂交概念

前面已经提到了CODAG动力装置，即在一艘艇上装备了两种类型的动力装置：柴油机动力装置和燃气轮机动力装置。装备两种以上动力的游艇也可称为混合动力游艇。

“杂交”一词来源于“hybrid”，最早出现于游艇的船型，比如把双体船型与水翼船型结合起来，产生了一种称为“双体水翼船”的新船型，也叫“杂交船型”。近年来，hybrid频繁出现于动力装置的术语中，有的翻译成“混合动力”。意指它燃烧两种燃料，或有两种动力源。譬如一艘艇上装有柴油机和燃气轮机，就是典型的混合动力装置。这两种主机相互独立，驱动各自的推进装置，并不耦联。这样的动力装置用“混合动力”或“组合动力”来形容非常合适。

近年来，太阳能和电力推进在游艇上的应用日趋普及。因为它具有环保和安静航行的优势，深受游艇爱好者的青睐。所以近年来，Hybrid常指柴油动力结合电力推进的混合动力装置。这两种动力往往通过一台齿轮变速箱“交互式”或“协同式”驱动一艘艇。最典型的配置是通过一台齿轮变速箱把柴油机驱动和电力驱动组合起来，形成一种多模式的动力驱动装置，它们既可能是交互驱动模式，如轮番使用柴油机驱动和电力驱动；也可能使用协同驱动模式，即两种动力通过一台齿轮箱驱动一个推进器。通过一台齿轮变速箱交联两种或两种以上驱动模式的动力装置，与其叫“混合”动力装置，还不如叫“杂交”动力装置来得更贴切。这就是“杂交”概念的由来。

二、“杂交”齿轮箱

杂交动力推进模式为船艇上利用两种以上的动力源创造了条件，是符合环保、节能的动力配置形式，是适合游艇使用的新颖动力装置。

杂交动力配置的关键设备是杂交传动装置（带减速器的齿轮箱）。它有两个输入轴能分别接入两种不同的动力源来驱动螺旋桨或其他推进装置，也允许一台发动机的动力分配传输给两个目标：譬如艇的推进装置和发电机。这种杂交传动装置可以为各种动力和推进需求进行设计和配置，创造出多种运行模式。

图6-20是德国ZF公司开发的一种杂交传动装置原理图。右上方的输入轴通过主离合器联结柴油机的输出轴，当主离合器结合时，柴油机输出的功率经主传动齿轮副减速后，通过主输出轴驱动螺旋桨。与此同时，输入轴的转速经另一对齿轮传动给左上方的辅助功率输出轴（PTO），在PTO轴上可与发电机组联结，进行发电，发出的电力可供照明和各种电器设备使用，并向蓄电池充电。这就是柴油机推进兼发电模式。

图6-20　杂交齿轮变速箱的结构原理图

PTO轴上设有次离合器，当次离合器脱开时，柴油机的全部功率均传递给螺旋桨，使船达到全速航行。此时即为单一柴油机推进模式。

齿轮箱内置输出离合器，当它与螺旋桨轴脱开时，螺旋桨不转动，柴油机的功率全部用来发电。此时即为柴油发电模式。

当柴油机不工作时，可由电池供电，PTO轴上的发电机可转换成电动机使用，电动机输出的功率经PTO轴上的离合器带动输入轴旋转，再经主传动齿轮副减速后驱动螺旋桨轴。此时即为单一电力推进模式。

按照上述原理图制成的实物“杂交传动齿轮箱”如图6-21所示。其型号为ZF W93300NR PTO4，这是迄今为止ZF海事公司制造的最大可离合减速的传动装置，已使用于一艘化学品船上。这艘属于土耳其的化学品船的主机为一台6M43C型卡特彼勒MaK发动机，功率为6 000kW。主离合器用于轴系与主机脱开，次离合器允许接合辅助功率输出轴（PTO）驱动辅助设备。船舶航行时，次离合器通常处于接合状态驱动发电机供应电力。主离合器脱开时，该发电机在电力供应下，起一台辅助推进马达的作用（1 600kW＠1 800r/min）。这意味着主柴油机停车，船处于低速状态，依靠电力推进节约能源和减少排放。

图6-21　ZF W93300NR PTO4杂交传动齿轮箱

ZF海事公司得到意大利法拉帝集团的合作，已开发成功游艇用的杂交推进装置。

三、用于帆船的杂交动力装置

与帆船制造商Bénéteau紧密合作，ZF海事集团所属的Arco公司研发出一种创新的帆船杂交推进装置（图6-22），是专为装备40～150hp推进动力机的帆船设计的。该装置全面集成了柴油机、电动机、电池和驾控器具，通常安装到帆船底下作为辅助动力装置。当帆船不宜用风帆航行时或进港寻觅泊位时才使用它，能够按下面4种推进模式运行：

图6-22　帆船杂交推进装置（图片来源：德国ZF公司）

（1）单一电动模式。

由电池供电，电动机驱动螺旋桨航行。以电力推进模式运行确保在港内无污染、无噪音，格外舒适，持续航行时间高达3小时。

（2）单一柴油机模式。

开动柴油机，通过齿轮减速器直接驱动螺旋桨航行。

（3）航行发电模式。

当帆船依靠风帆动力航行时，位于船底下的螺旋桨在水流的冲击下会产生旋转，利用这种旋转能量带动发电机产生电力，给蓄电池充电。

（4）柴油机发电模式。

启动柴油机后，通过齿轮箱带动发电机发电，提供全船需要的电力并向蓄电池充电。

这种新颖推进装置2009年在巴黎NAU-TIQUE展会期间向公众推荐，并与来自Volk-swagen Marine公司的发动机一起装在一艘双体帆艇内展示，引起参观者的巨大兴趣。这种舒适的、环境友好的、可靠而安静的推进装置使艇驾驶悠闲、在港口免排气以及电池可以在航行时依靠螺旋桨再充电。这为推动环境安全和支持帆航乐趣做出了贡献。