基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統以及內燃發動機技術方案

本實用新型專利技術提供了一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統以及內燃發動機，渦輪增壓器系統包括渦輪增壓器、第一級電機、第二級電機和儲能飛輪。與傳統增壓器系統相比，在有效增壓時，通過回收電能提高了發動機整體能效，降低了發動機油耗；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速度，改進了內燃發動機的性能；渦輪增壓器系統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，并且蓄電池無大電流發電，延長了蓄電池壽命。

【技術實現步驟摘要】
基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統以及內燃發動機
本技術涉及內燃機領域，尤其是渦輪增壓發動機領域，涉及一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統以及內燃發動機。
技術介紹
目前車輛普遍都采用內燃機作為動力，內燃機基本工作原理是吸入空氣，然后空氣在氣缸中與燃料發生反應，推動活塞做功，從而驅動曲軸輸出功率。因此進入內燃發動機氣缸助燃的空氣流量是限制發動機性能的重要因素，大氣壓力往往不足以提供所需的空氣量來保證發動機的正常工作。因此內燃機中經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，從而保證內燃機的輸出功率。渦輪增壓器可以補償內燃發動機由于高海拔造成的功率不足，也可以增大內燃發動機的有效功率，提高其功重比和性價比。渦輪增壓器通常由發動機廢氣驅動的渦輪和由渦輪驅動的壓氣機組成。渦輪和壓氣機采用同軸設計。氣缸排出的廢氣經管路進入渦輪入口，膨脹做功后驅動渦輪高速旋轉，進而驅動同軸的壓氣機高速旋轉，從而壓縮吸入空氣。經過壓縮后，空氣經由進氣管路輸入到內燃機燃燒室中。傳統的渦輪增壓器存在幾個問題，首先，渦輪增壓器實現有效增壓一般需要比較長的時間，進而才能增加內燃發動機功率。因此，當內燃發動機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。如果采用單純的蓄電池作為蓄能裝置驅動渦輪增壓器，會存在包括低溫啟動性能不佳、維護復雜、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，造成系統可靠性降低。另一方面，車輛隨著路況波動，車輛發動機的運行狀態時刻變化，車輛在停車或者減速時，有大量的動能被轉換為剎車盤的熱量浪費掉，這部分能量沒有得到合理的回收，同時車輛從停止狀態到啟動，發動機需要一定的時間到達額定工況，因此啟動時內燃機效率較低，同時匹配的增壓器也需要較長的時間來達到增壓的效果，因此對于渦輪增壓的內燃機，在當今交通擁堵、交通信號燈日漸增多的現狀下，需要不斷地頻繁啟停，發動機啟動性能大幅下降，會消耗大量的燃料。
技術實現思路
(一)要解決的技術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，渦輪增壓器的響應速度，本技術提出了一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統以及內燃發動機。(二)技術方案本技術提供了一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統，包括：渦輪增壓器、第一級電機、第二級電機和儲能飛輪；其中，第一級電機安裝在渦輪增壓器內部，第二級電機安裝在儲能飛輪上并與第一級電機電氣連接；渦輪增壓器的部分能量通過第一級電機和第二級電機儲存至儲能飛輪，實現能量回收；儲能飛輪回收的能量通過第一級電機和第二級電機輸出至渦輪增壓器，實現能量釋放，提升渦輪增壓器的響應速度。優選地，渦輪增壓器包括：同軸設置的渦輪、壓氣機以及連接渦輪和壓氣機的渦輪軸，第一級電機安裝在渦輪軸中部；第一級電機作為發電機運行，第二級電機作為電動機運行，以實現能量回收。優選地，第二級電機作為發電機運行，第一級電機作為電動機運行，以實現能量釋放。優選地，當渦輪增壓器處于有效增壓狀態時，渦輪軸驅動第一級電機旋轉，第一級電機輸出電能驅動第二級電機，第二級電機驅動儲能飛輪旋轉，實現能量回收。優選地，當渦輪增壓器處于非有效增壓狀態時，儲能飛輪驅動第二級電機旋轉，第二級電機輸出電能驅動第一級電機，第一級電機驅動渦輪軸旋轉，實現能量釋放。優選地，內燃發動機包括發動機本體；渦輪增壓器系統還包括：傳感器組和控制器，傳感器組安裝于發動機本體，控制器與傳感器組、第一級電機和第二級電機電氣連接；傳感器組檢測內燃發動機的參數，控制器根據內燃發動機的參數控制第一級電機和第一級電機，防止壓氣機發生喘振和超轉。優選地，還包括：電動/發電機、蓄電池，電動/發電機連接內燃發動機的輸出軸，蓄電池分別電氣連接電動/發電機和第二級電機；當車輛減速或下坡時，內燃發動機的輸出軸帶動電動/發電機旋轉，將車輛的減速動能轉化為電能，并回收存儲到蓄電池中；當車輛短暫停車時，蓄電池驅動第二級電機驅動儲能飛輪升速，儲能飛輪充能；當車輛啟動并且當儲能飛輪的轉速達到額定轉速時，儲能飛輪放能驅動第二級電機發電，第二級電機驅動第一級電機帶動渦輪增壓器加速，使渦輪增壓器快速達到增壓狀態。優選地，內燃發動機包括：發動機本體、進氣管路和排氣管路，發動機本體的輸出軸連接驅動橋；渦輪通過排氣管路與發動機本體連接，壓氣機通過進氣管路與發動機本體連接。本專利技術還提供了一種內燃發動機，包括上述渦輪增壓器系統。優選地，還包括：發動機本體、進氣管路和排氣管路，發動機本體的輸出軸連接驅動橋。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本技術的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統以及內燃發動機具有以下有益效果：(1)與傳統增壓器系統相比，在有效增壓時，通過回收電能提高了發動機整體能效，降低了發動機油耗；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速度，改進了內燃發動機的性能；(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，并且蓄電池無大電流發電，延長了蓄電池壽命。附圖說明圖1為本技術第一實施例的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統的結構示意圖。【符號說明】1-發動機本體；2-進氣管路；3-電動/發電機；4-驅動橋；5-排氣管路；6-渦輪；7-渦輪軸；8-壓氣機；9-第一級電機；10-控制器；11-第二級電機；12-儲能飛輪；13-蓄電池；14-傳感器組。具體實施方式為使本技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本技術進一步詳細說明。參見圖1，本技術第一實施例的基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統，內燃發動機包括：發動機本體1、進氣管路2和排氣管路5，發動機本體的輸出軸連接驅動橋4；渦輪增壓器系統包括：渦輪增壓器以及第一級電機9、第二級電機11和儲能飛輪12；其中，渦輪增壓器包括：同軸設置的渦輪6、壓氣機8以及連接二者的渦輪軸7，渦輪6通過排氣管路5與發動機本體1連接，壓氣機8通過進氣管路2與發動機本體1連接；第一級電機9安裝在渦輪軸中部，第二級電機11安裝在儲能飛輪12上，并且與第一級電機9進行電氣連接，第一級電機9和第二級電機11均可以作為發電機或電動機運行，當第一級電機9作為發電機運行時，第二級電機11作為電動機運行，當第二級電機11作為發電機運行時，第一級電機9作為電動機運行。本技術第一實施例的渦輪增壓器系統，在內燃發動機處于運行狀態時，內燃發動機的氣缸產生的高溫高壓廢氣通過排氣管路進入渦輪，并驅動渦輪高速旋轉做功。渦輪通過渦輪軸帶動壓氣機高速旋轉。壓氣機從空氣入口吸入空氣并將其壓縮，然后將壓縮空氣從內燃發動機的進氣管路壓入氣缸進行燃燒。當渦輪增壓器處于有效增壓狀態時，第一級電機作為發電機運行，第二級電機作為電動機運行，渦輪軸高速旋轉驅動第一級電機發電，第一級電機輸出電能驅動第二級電機旋轉，第二級電機驅動儲能飛輪旋轉升速，將第一級電機輸出的電能轉化為旋轉動能儲存在儲能飛輪中，實現儲能飛輪的高速旋轉充電。當渦輪增壓器出力不足或者不能有效增壓時，比如內燃發動機處于高負荷、高轉矩、低速運行模式下，或者渦輪增壓器處于啟動加速狀態時，第二級電機作為發電機運行，第一級電機作為電動本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統，其特征在于，包括：渦輪增壓器、第一級電機、第二級電機和儲能飛輪；其中，第一級電機安裝在渦輪增壓器內部，第二級電機安裝在儲能飛輪上并與第一級電機電氣連接；渦輪增壓器的部分能量通過第一級電機和第二級電機儲存至儲能飛輪，實現能量回收；儲能飛輪回收的能量通過第一級電機和第二級電機輸出至渦輪增壓器，實現能量釋放，提升渦輪增壓器的響應速度。

【技術特征摘要】
1.一種基于儲能飛輪的渦輪增壓器系統，其特征在于，包括：渦輪增壓器、第一級電機、第二級電機和儲能飛輪；其中，第一級電機安裝在渦輪增壓器內部，第二級電機安裝在儲能飛輪上并與第一級電機電氣連接；渦輪增壓器的部分能量通過第一級電機和第二級電機儲存至儲能飛輪，實現能量回收；儲能飛輪回收的能量通過第一級電機和第二級電機輸出至渦輪增壓器，實現能量釋放，提升渦輪增壓器的響應速度。2.如權利要求1所述的渦輪增壓器系統，其特征在于，渦輪增壓器包括：同軸設置的渦輪、壓氣機以及連接渦輪和壓氣機的渦輪軸，第一級電機安裝在渦輪軸中部；第一級電機作為發電機運行，第二級電機作為電動機運行，以實現能量回收。3.如權利要求2所述的渦輪增壓器系統，其特征在于，第二級電機作為發電機運行，第一級電機作為電動機運行，以實現能量釋放。4.如權利要求2所述的渦輪增壓器系統，其特征在于，當渦輪增壓器處于有效增壓狀態時，渦輪軸驅動第一級電機旋轉，第一級電機輸出電能驅動第二級電機，第二級電機驅動儲能飛輪旋轉，實現能量回收。5.如權利要求3所述的渦輪增壓器系統，其特征在于，當渦輪增壓器處于非有效增壓狀態時，儲能飛輪驅動第二級電機旋轉，第二級電機輸出電能驅動第一級電機，第一級電機驅動渦輪軸旋轉，實現能量釋放。6.如權利要求2所述的渦輪增壓器系統，其特征在于，內燃發動...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐長亮，韓東江，雷歡，楊金福，
申請(專利權)人：中國科學院工程熱物理研究所，
類型：新型
國別省市：北京,11