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      基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng)以及內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的制作方法

      文檔序號:12641149閱讀:320來源:國知局

      本實用新型涉及內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域,尤其是渦輪增壓發(fā)動機(jī)領(lǐng)域,涉及一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng)以及內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。



      背景技術(shù):

      目前車輛普遍都采用內(nèi)燃機(jī)作為動力,內(nèi)燃機(jī)基本工作原理是吸入空氣,然后空氣在氣缸中與燃料發(fā)生反應(yīng),推動活塞做功,從而驅(qū)動曲軸輸出功率。因此進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸助燃的空氣流量是限制發(fā)動機(jī)性能的重要因素,大氣壓力往往不足以提供所需的空氣量來保證發(fā)動機(jī)的正常工作。因此內(nèi)燃機(jī)中經(jīng)常采用一個或多個渦輪增壓器來壓縮空氣,提高吸入氣缸的空氣密度,從而保證內(nèi)燃機(jī)的輸出功率。渦輪增壓器可以補(bǔ)償內(nèi)燃發(fā)動機(jī)由于高海拔造成的功率不足,也可以增大內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的有效功率,提高其功重比和性價比。

      渦輪增壓器通常由發(fā)動機(jī)廢氣驅(qū)動的渦輪和由渦輪驅(qū)動的壓氣機(jī)組成。渦輪和壓氣機(jī)采用同軸設(shè)計。氣缸排出的廢氣經(jīng)管路進(jìn)入渦輪入口,膨脹做功后驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn),進(jìn)而驅(qū)動同軸的壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn),從而壓縮吸入空氣。經(jīng)過壓縮后,空氣經(jīng)由進(jìn)氣管路輸入到內(nèi)燃機(jī)燃燒室中。傳統(tǒng)的渦輪增壓器存在幾個問題,首先,渦輪增壓器實現(xiàn)有效增壓一般需要比較長的時間,進(jìn)而才能增加內(nèi)燃發(fā)動機(jī)功率。因此,當(dāng)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)需要較大的瞬時加速功率時,渦輪增壓器卻很難提供足夠大的瞬時加速響應(yīng)。如果采用單純的蓄電池作為蓄能裝置驅(qū)動渦輪增壓器,會存在包括低溫啟動性能不佳、維護(hù)復(fù)雜、體積和重量較大、使用壽命較短等問題。同時功率變換器本身也有較大的功率損耗,電氣線路也容易腐蝕,造成系統(tǒng)可靠性降低。

      另一方面,車輛隨著路況波動,車輛發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)時刻變化,車輛在停車或者減速時,有大量的動能被轉(zhuǎn)換為剎車盤的熱量浪費(fèi)掉,這部分能量沒有得到合理的回收,同時車輛從停止?fàn)顟B(tài)到啟動,發(fā)動機(jī)需要一定的時間到達(dá)額定工況,因此啟動時內(nèi)燃機(jī)效率較低,同時匹配的增壓器也需要較長的時間來達(dá)到增壓的效果,因此對于渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī),在當(dāng)今交通擁堵、交通信號燈日漸增多的現(xiàn)狀下,需要不斷地頻繁啟停,發(fā)動機(jī)啟動性能大幅下降,會消耗大量的燃料。



      技術(shù)實現(xiàn)要素:

      (一)要解決的技術(shù)問題

      為了回收車輛降速過程中的動能,同時提升車輛啟停時,渦輪增壓器的響應(yīng)速度,本實用新型提出了一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng)以及內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。

      (二)技術(shù)方案

      本實用新型提供了一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng),包括:渦輪增壓器、第一級電機(jī)、第二級電機(jī)和儲能飛輪;其中,第一級電機(jī)安裝在渦輪增壓器內(nèi)部,第二級電機(jī)安裝在儲能飛輪上并與第一級電機(jī)電氣連接;渦輪增壓器的部分能量通過第一級電機(jī)和第二級電機(jī)儲存至儲能飛輪,實現(xiàn)能量回收;儲能飛輪回收的能量通過第一級電機(jī)和第二級電機(jī)輸出至渦輪增壓器,實現(xiàn)能量釋放,提升渦輪增壓器的響應(yīng)速度。

      優(yōu)選地,渦輪增壓器包括:同軸設(shè)置的渦輪、壓氣機(jī)以及連接渦輪和壓氣機(jī)的渦輪軸,第一級電機(jī)安裝在渦輪軸中部;第一級電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,第二級電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行,以實現(xiàn)能量回收。

      優(yōu)選地,第二級電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,第一級電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行,以實現(xiàn)能量釋放。

      優(yōu)選地,當(dāng)渦輪增壓器處于有效增壓狀態(tài)時,渦輪軸驅(qū)動第一級電機(jī)旋轉(zhuǎn),第一級電機(jī)輸出電能驅(qū)動第二級電機(jī),第二級電機(jī)驅(qū)動儲能飛輪旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)能量回收。

      優(yōu)選地,當(dāng)渦輪增壓器處于非有效增壓狀態(tài)時,儲能飛輪驅(qū)動第二級電機(jī)旋轉(zhuǎn),第二級電機(jī)輸出電能驅(qū)動第一級電機(jī),第一級電機(jī)驅(qū)動渦輪軸旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)能量釋放。

      優(yōu)選地,內(nèi)燃發(fā)動機(jī)包括發(fā)動機(jī)本體;渦輪增壓器系統(tǒng)還包括:傳感器組和控制器,傳感器組安裝于發(fā)動機(jī)本體,控制器與傳感器組、第一級電機(jī)和第二級電機(jī)電氣連接;傳感器組檢測內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的參數(shù),控制器根據(jù)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的參數(shù)控制第一級電機(jī)和第一級電機(jī),防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振和超轉(zhuǎn)。

      優(yōu)選地,還包括:電動/發(fā)電機(jī)、蓄電池,電動/發(fā)電機(jī)連接內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出軸,蓄電池分別電氣連接電動/發(fā)電機(jī)和第二級電機(jī);當(dāng)車輛減速或下坡時,內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出軸帶動電動/發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),將車輛的減速動能轉(zhuǎn)化為電能,并回收存儲到蓄電池中;當(dāng)車輛短暫停車時,蓄電池驅(qū)動第二級電機(jī)驅(qū)動儲能飛輪升速,儲能飛輪充能;當(dāng)車輛啟動并且當(dāng)儲能飛輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時,儲能飛輪放能驅(qū)動第二級電機(jī)發(fā)電,第二級電機(jī)驅(qū)動第一級電機(jī)帶動渦輪增壓器加速,使渦輪增壓器快速達(dá)到增壓狀態(tài)。

      優(yōu)選地,內(nèi)燃發(fā)動機(jī)包括:發(fā)動機(jī)本體、進(jìn)氣管路和排氣管路,發(fā)動機(jī)本體的輸出軸連接驅(qū)動橋;渦輪通過排氣管路與發(fā)動機(jī)本體連接,壓氣機(jī)通過進(jìn)氣管路與發(fā)動機(jī)本體連接。

      本發(fā)明還提供了一種內(nèi)燃發(fā)動機(jī),包括上述渦輪增壓器系統(tǒng)。

      優(yōu)選地,還包括:發(fā)動機(jī)本體、進(jìn)氣管路和排氣管路,發(fā)動機(jī)本體的輸出軸連接驅(qū)動橋。

      (三)有益效果

      從上述技術(shù)方案可以看出,本實用新型的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng)以及內(nèi)燃發(fā)動機(jī)具有以下有益效果:

      (1)與傳統(tǒng)增壓器系統(tǒng)相比,在有效增壓時,通過回收電能提高了發(fā)動機(jī)整體能效,降低了發(fā)動機(jī)油耗;在非有效增壓時,通過儲能飛輪放電增加渦輪增壓器出力,提升了渦輪增壓器的響應(yīng)速度,改進(jìn)了內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的性能;

      (2)能夠回收車輛減速過程中的動能,將這部分能量作為啟動能量或者駐車能量,從而減少了車輛的油耗,并且蓄電池?zé)o大電流發(fā)電,延長了蓄電池壽命。

      附圖說明

      圖1為本實用新型第一實施例的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

      【符號說明】

      1-發(fā)動機(jī)本體;2-進(jìn)氣管路;3-電動/發(fā)電機(jī);4-驅(qū)動橋;5-排氣管路;6-渦輪;7-渦輪軸;8-壓氣機(jī);9-第一級電機(jī);10-控制器;11-第二級電機(jī);12-儲能飛輪;13-蓄電池;14-傳感器組。

      具體實施方式

      為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。

      參見圖1,本實用新型第一實施例的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng),內(nèi)燃發(fā)動機(jī)包括:發(fā)動機(jī)本體1、進(jìn)氣管路2和排氣管路5,發(fā)動機(jī)本體的輸出軸連接驅(qū)動橋4;渦輪增壓器系統(tǒng)包括:渦輪增壓器以及第一級電機(jī)9、第二級電機(jī)11和儲能飛輪12;其中,

      渦輪增壓器包括:同軸設(shè)置的渦輪6、壓氣機(jī)8以及連接二者的渦輪軸7,渦輪6通過排氣管路5與發(fā)動機(jī)本體1連接,壓氣機(jī)8通過進(jìn)氣管路2與發(fā)動機(jī)本體1連接;第一級電機(jī)9安裝在渦輪軸中部,第二級電機(jī)11安裝在儲能飛輪12上,并且與第一級電機(jī)9進(jìn)行電氣連接,第一級電機(jī)9和第二級電機(jī)11均可以作為發(fā)電機(jī)或電動機(jī)運(yùn)行,當(dāng)?shù)谝患夒姍C(jī)9作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時,第二級電機(jī)11作為電動機(jī)運(yùn)行,當(dāng)?shù)诙夒姍C(jī)11作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時,第一級電機(jī)9作為電動機(jī)運(yùn)行。

      本實用新型第一實施例的渦輪增壓器系統(tǒng),在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時,內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸產(chǎn)生的高溫高壓廢氣通過排氣管路進(jìn)入渦輪,并驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)做功。渦輪通過渦輪軸帶動壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。壓氣機(jī)從空氣入口吸入空氣并將其壓縮,然后將壓縮空氣從內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管路壓入氣缸進(jìn)行燃燒。當(dāng)渦輪增壓器處于有效增壓狀態(tài)時,第一級電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,第二級電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行,渦輪軸高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動第一級電機(jī)發(fā)電,第一級電機(jī)輸出電能驅(qū)動第二級電機(jī)旋轉(zhuǎn),第二級電機(jī)驅(qū)動儲能飛輪旋轉(zhuǎn)升速,將第一級電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能儲存在儲能飛輪中,實現(xiàn)儲能飛輪的高速旋轉(zhuǎn)充電。

      當(dāng)渦輪增壓器出力不足或者不能有效增壓時,比如內(nèi)燃發(fā)動機(jī)處于高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)矩、低速運(yùn)行模式下,或者渦輪增壓器處于啟動加速狀態(tài)時,第二級電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,第一級電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行,儲能飛輪驅(qū)動第二級電機(jī)發(fā)電并降速,第二級電機(jī)將儲能飛輪儲存的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能并驅(qū)動第一級電機(jī)旋轉(zhuǎn),第一級電機(jī)通過渦輪軸加快渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速,使渦輪增壓器快速到達(dá)有效增壓狀態(tài),從而實現(xiàn)渦輪增壓器的快速有效增壓,快速提高內(nèi)燃發(fā)動機(jī)功率。

      本實用新型第一實施例的渦輪增壓器系統(tǒng)還可以包括:傳感器組14和控制器10,傳感器組14安裝于發(fā)動機(jī)本體1,控制器10與傳感器組14、第一級電機(jī)9和第二級電機(jī)11電氣連接,用于協(xié)調(diào)渦輪增壓器和儲能飛輪。

      控制器接收傳感器組的信號,并根據(jù)傳感器組的信號控制第一級電機(jī)和第一級電機(jī),使渦輪增壓器產(chǎn)生足夠的空氣,防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振和超轉(zhuǎn)。

      其中,傳感器組可以通過檢測內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的多種參數(shù),例如升壓、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)壓力、煙霧不透明度、二氧化碳排放率、一氧化碳和氮氧化物、排氣再循環(huán)率、廢氣溫度、燃燒爆震、火焰速度、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電流、進(jìn)氣管路絕對壓力、油門位置、油門指令信號、燃油輸送的停留時間、發(fā)動機(jī)啟動信號、渦輪速度,功率需求、燃料的使用、海拔、氣壓、進(jìn)氣溫度等信號,實現(xiàn)對第一級電機(jī)和第一級電機(jī)的控制,以防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振和超轉(zhuǎn)。

      由此可見,本實用新型實施例的渦輪增壓器系統(tǒng),與傳統(tǒng)增壓器系統(tǒng)相比,在有效增壓時,通過回收電能提高了發(fā)動機(jī)整體能效,降低了發(fā)動機(jī)油耗;在非有效增壓時,通過儲能飛輪放電增加渦輪增壓器出力,提升了渦輪增壓器的響應(yīng)速度,改進(jìn)了內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的性能。即本實用新型的渦輪增壓器系統(tǒng),通過將處于有效增壓狀態(tài)的渦輪增壓器的多余機(jī)械能進(jìn)行回收存儲,當(dāng)渦輪增壓器在非有效增壓狀態(tài)時,利用該回收存儲的機(jī)械能驅(qū)動渦輪增壓器,使渦輪增壓器能夠快速達(dá)到有效增壓狀態(tài),從而一方面提高了能量利用率,避免了渦輪增壓器機(jī)械能的浪費(fèi),另一方面提高了渦輪增壓器的響應(yīng)速度,即發(fā)動機(jī)的響應(yīng)速度,提升了發(fā)動機(jī)的性能。

      本實用新型第二實施例的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統(tǒng),為了達(dá)到簡要說明的目的,上述第一實施例中任何可作相同應(yīng)用的技術(shù)特征敘述皆并于此,無需再重復(fù)相同敘述。

      渦輪增壓器系統(tǒng)還包括:電動/發(fā)電機(jī)3、以及蓄電池13,電動/發(fā)電機(jī)3連接內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出軸,蓄電池13分別電氣連接電動/發(fā)電機(jī)3和第二級電機(jī)11。

      本實用新型第二實施例的渦輪增壓器系統(tǒng),當(dāng)車輛減速、剎車或下坡時,內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出軸帶動電動/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動,將車輛的減速動能和剎車動能轉(zhuǎn)化為電能,并回收存儲到蓄電池中。當(dāng)車輛處于短時間停車時,蓄電池驅(qū)動第二級電機(jī)帶動儲能飛輪升速,給儲能飛輪充能。當(dāng)車輛啟動并且當(dāng)儲能飛輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時,儲能飛輪快速放能,驅(qū)動第二級電機(jī)發(fā)電,第二級電機(jī)輸出電能驅(qū)動第一級電機(jī)帶動渦輪增壓器迅速加速,使渦輪增壓器快速達(dá)到增壓狀態(tài),提高了發(fā)動機(jī)起動特性。

      在車輛的運(yùn)行過程中,發(fā)動機(jī)的狀態(tài)經(jīng)常變化,尤其在交通擁堵日益嚴(yán)重的今天,車輛經(jīng)常在減速、剎車、啟動等狀態(tài)間轉(zhuǎn)換,發(fā)動機(jī)的狀態(tài)變化尤其頻繁。在沒有裝備本實用新型渦輪增壓器系統(tǒng)的車輛中,在車輛剎車、下坡、減速等過程中,車輛的減速動能只能被轉(zhuǎn)換為剎車盤的熱量浪費(fèi)掉,無法得到合理的回收。而對于具有本實用新型渦輪增壓器系統(tǒng)的車輛,能夠通過蓄電池將車輛的減速動能回收至儲能飛輪,并將儲能飛輪回收的減速動能作為車輛的啟動能量或者駐車能量,從而將減速動能充分利用起來,避免了能量的白白浪費(fèi),從而可以減少車輛的油耗;并且渦輪增壓器系統(tǒng)工作過程中,蓄電池?zé)o大電流發(fā)電,延長了蓄電池壽命。

      本實用新型第三實施例提供了一種內(nèi)燃發(fā)動機(jī),其包括發(fā)動機(jī)本體1以及上述實施例所述的渦輪增壓器系統(tǒng),發(fā)動機(jī)本體通過排氣管路5與渦輪6連接,發(fā)動機(jī)本體通過進(jìn)氣管路2連接壓氣機(jī)8。

      至此,已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本實用新型的用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)以及內(nèi)燃發(fā)動機(jī)有了清楚的認(rèn)識。

      需要說明的是,在附圖或說明書正文中,未繪示或描述的實現(xiàn)方式,均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式,并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外,上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換;實施例中提到的方向用語,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,僅是參考附圖的方向,并非用來限制本實用新型的保護(hù)范圍;上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮,彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用,即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

      以上所述的具體實施例,對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已,并不用于限制本實用新型,凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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